Estructuras RAID PDF INFO

1Estructuras Estructuras de de

AlmacenamientoAlmacenamientoBases de DatosBases de Datos

IngenierIngeniera Ta Tcnica en Informcnica en Informtica de Sistemastica de Sistemas

Nivel FNivel Fsicosico

IntroducciIntroduccinn 22

Nivel Lgico Modelo Entidad-Relacin y Modelo Relacional

El nivel en el que se deben mover los usuario es el nivel lgico

El objetivo de un sistema de bases de datos es simplificar y facilitar la tarea de acceso a los datos

Al final estn los dispositivos de almacenamiento y es necesario su conocimiento para su adecuada utilizacin

RAID Acceso al Almacenamiento Organizacin de los Archivos Organizacin de los Registros en los Archivos Almacenamiento con Diccionario de Datos

ndicendice

IntroducciIntroduccinn 33

RAIDRAID

Estructuras de AlmacenamientoEstructuras de AlmacenamientoBases de DatosBases de Datos


Requisitos AlmacenamientoRequisitos Almacenamiento

RAIDRAID 55

Los requisitos de almacenamiento de datos de algunas aplicaciones (en particular aplicaciones Web, aplicaciones de bases de datos y aplicaciones multimedia) han crecido tan rpido que se necesita un gran nmero de discos para almacenar sus datos (incluso aunque las capacidades de los discos hayan estado creciendo muy rpidamente)

Tener varios discos presenta oportunidades para mejorar la velocidad (discos funcionando con lectura/escritura en paralelo) y la fiabilidad(guardar informacin repetida)

RAIDRAID

RAIDRAID 66

Las tcnicas de organizacin de discos denominadas RAID (Redundant Array of Independent Disks; Disposicin Redundante de Discos Independientes) se han propuesto para abordar los problemas de rendimiento y fiabilidad

Nacen con la idea de usar discos pequeos de bajo coste como alternativa econmicamente efectiva a los discos grandes y caros

Actualmente se usan por su mayor fiabilidad y por su mayor velocidad de transferencia de datos, ms que por motivos econmicos

2Fiabilidad RAIDFiabilidad RAID

RAIDRAID 77

La probabilidad de que algn disco, de una estructura de N discos, falle es mucho ms elevada que la probabilidad de que falle un nico disco concreto

Tiempo Medio entre Fallos (un disco): 100.000 horas = 11 aos

Tiempo Medio entre Fallos (un disco de cien):

100.000/100 horas = 1.000 Horas= 42 das

La solucin al problema de la fiabilidad es introducir redundancia

RedundanciaRedundancia

RAIDRAID 88

La Redundancia consiste en guardar informacin adicional que normalmente no se necesita pero que puede utilizarse en caso de fallo de un disco para reconstruir la informacin perdida

En presencia de redundancia el tiempo medio efectivo entre fallos aumenta

CreaciCreacin de Imn de Imgenesgenes

RAIDRAID 99

La forma ms sencilla de crear redundancia (y la ms costosa) es duplicar los discos (Un disco lgico Dos discos fsicos)

El tiempo medio entre prdidas de datos (fallos de un disco con imagen) depende del tiempo medio entre fallos de cada disco y del tiempo medio de reparacin

Fallos de los discos independientesTiempo medio entre fallos de disco: 100.000 HorasTiempo medio de reparacin: 10 Horas

Tiempo medio entre prdidas de datos: 57.000 aos

(Disponibles sistemas con 55 a 110 aos)

Rendimiento RAIDRendimiento RAID

RAIDRAID 1010

Con la creacin de imgenes la velocidad a la que se pueden procesar las solicitudes de lectura se duplica (la solicitud puede enviarse a cualquiera de los discos, si ambos estn operativos)

Con varios discos se puede mejorar la velocidad de transferencia distribuyendo los datos (en su forma ms sencilla se puede hacer una distribucin en el nivel del bit: 8 discos > un bit de cada byte en cada disco)

Sectores 8 veces ms grandes

Velocidad de Acceso 8 veces mayor

DistribuciDistribucin Nivel de Bloquen Nivel de Bloque

RAIDRAID 1111

La distribucin de datos ms usada es la distribucin en el nivel de bloque: se reparte los bloques entre varios discos

Se trata la disposicin de discos como un nico y gran disco y se proporciona nmeros lgicos a los bloques de todos los discos comenzando en 0

8 discos: Bloque lgico 0 Bloque fsico 0 del disco 1Bloque lgico 11 Bloque fsico 1 del disco 4

Al leer un archivo grande, se buscan n bloques en paralelo en los n discos

Niveles RAIDNiveles RAID

RAIDRAID 1212

La creacin de imgenes proporciona gran fiabilidad pero resulta costosa

La distribucin proporciona velocidades de transferencia elevadas pero no mejora la fiabilidad

Niveles RAID: esquemas con diferentes compromisos de coste y rendimiento (proporcionan la redundancia mediante bits de paridad)

4 discos de datosP: bits para correccin de errores mediante paridadC: copia redundante de los datos

3RAID de Nivel 0RAID de Nivel 0

RAIDRAID 1313

RAID de Nivel 0 se refiere a disposiciones de disco con distribucin en el nivel de bloque pero sin redundancia(ni creacin de imgenes ni bits de paridad)

P: ParidadC: Copia

Distribucin no redundante

RAID de Nivel 1RAID de Nivel 1

RAIDRAID 1414

RAID de Nivel 1, o discos con imagen, se refiere a la creacin de imgenes de disco con distribucin de bloques

P: ParidadC: Copia C C C C


RAIDRAID 1515

RAID de Nivel 2 tambin se conoce como organizacin de cdigos de correccin de errores tipo memoria

P: ParidadC: Copia P P P

Realizan la deteccin de errores utilizando los bits de paridad (1 bit de paridad permite detectar un error en un bit de un byte)

RAID 2 vs. RAID 1RAID 2 vs. RAID 1

RAIDRAID 1616

RAID de Nivel 2 slo necesita la sobrecarga de tres discos para cuatro discos de datos, a diferencia de RAID de Nivel 1, que necesita la sobrecarga de cuatro discos


RAIDRAID 1717

RAID de Nivel 3, u organizacin de paridad con bits entrelazados, a diferencia de los sistemas de memoria, los controladores de disco pueden detectar si un sector se ha ledo correctamente, por lo que es suficiente un bit de paridad

P: ParidadC: Copia P

Si un sector se deteriora se sabe exactamente cual es y se puede recuperar a travs del nico bit de paridad


RAIDRAID 1818

RAID de Nivel 3 es tan bueno como RAID de Nivel 2, pero resulta menos costoso en cuanto al nmero de discos adicionales (slo tiene la sobrecarga de un disco), por lo que RAID de Nivel 2 no se utiliza en la prctica

4RAID 3 vs. RAID 1RAID 3 vs. RAID 1

RAIDRAID 1919

RAID de Nivel 3 tiene dos ventajas respecto a RAID de Nivel 1

Slo se necesita un disco de paridad para varios discos normales, en comparacin con un disco imagen por cada disco en RAID de Nivel 1, por lo que se reduce la sobrecarga de almacenamiento (la velocidad de transferencia es N veces ms rpida que en un disco)

RAID de Nivel 3 permite un menor nmero de operaciones de entrada/salida, dado que participan todos los discos


RAIDRAID 2020

RAID de Nivel 4, u organizacin de paridad con bloques entrelazados, usa distribucin de bloque y adems guarda un bloque de paridad en un disco aparte en un disco aparte para los bloques del resto de discos

P: ParidadC: Copia P

La velocidad de transferencia es menor, pero se pueden ejecutar en paralelo varios accesos de lectura, lo que produce una mayor velocidad global

La mejor velocidad de transferencia es para accesos de gran tamao


RAIDRAID 2121

RAID de Nivel 5, o paridad distribuida con bloques entrelazados, divide los datos y la paridad entre los N+1 discos aumentando de esta forma el nmero de solicitudes atendidas por unidad de tiempo

P: ParidadC: Copia PPPPP


RAIDRAID 2222

RAID de Nivel 4 RAID de Nivel 5

P419181716

P315141312

P2111098

P17654

P03210

D5D4D3D2D1

P419181716

15P3141312

1110P298

765P14

3210P0

D5D4D3D2D1

RAID Nivel 5 incluye a RADI Nivel 4 dado que ofrece mejor rendimiento de lectura y escritura por el mismo coste


RAIDRAID 2323

RAID de Nivel 6, tambin denominado esquema de redundancia P+Q, guarda informacin redundante adicional para proteccin contra fallos de disco mltiples

P: ParidadC: Copia

Utiliza cdigos de Reed-Solomonpara la correccin de errores

PPPPP P

ElecciEleccin del Nivel RAIDn del Nivel RAID

RAIDRAID 2424

Factores a tener en cuenta al elegir un Nivel RAID

Coste econmico extra de los requisitos de almacenamiento en disco

Requisitos de rendimiento en trminos del nmero de operaciones de entrada/salida

Rendimiento cuando falla un disco Rendimiento durante la reconstruccin (mientras los datos

del disco estropeado se reconstruyen en un nuevo disco)

5Rendimiento en ReconstrucciRendimiento en Reconstruccinn

RAIDRAID 2525

El rendimiento en la reconstruccin de un sistema RAID puede ser un factor importante si se necesita un aporte continuo de datos, como ocurre en los sistemas de bases de datos de alto rendimiento

RAID de Nivel 0 se usa en aplicaciones de alto rendimiento donde la seguridad de los datos no es crtica

RAID de Nivel 1 presenta la reconstruccin ms sencillo pero con el sistema ms caro

RAID de Nivel 3 (2) raramente se usa dado que la distribucin de bloques da mejores resultados para grandes transferencias

Rendimiento en ReconstrucciRendimiento en Reconstruccinn

RAIDRAID 2626

RAID de Nivel 5 (4) es una gran opcin para aplicaciones donde los datos se leen frecuentemente y se escriben raramente

RAID de Nivel 6 no se soporta actualmente en casi ninguna implementacin RAID, pero es recomendable en aplicaciones en las cuales la seguridad de datos es muy importante

ModeradoAltoRAID de Nivel 5

AltoModeradoRAID de Nivel 1

Entrada/SalidaAlmacenamiento

Requisitos

Aspectos HardwareAspectos Hardware

RAIDRAID 2727

RAID Software (implementado sin cambios en el nivel hardware) / RAID Hardware (hardware de propsito especial)

Intercambio en caliente (los discos averiados se puede eliminar y reemplazar sin apagar el sistema; fundamental en los sistemas crticos 24x7)

Varias fuentes de alimentacin con bateras de respaldo

Varios controladores de disco

Varias interconexiones con el sistema

Los conceptos RAID se han generalizado a otros dispositivos de almacenamiento e incluso a la transmisin de datos

Acceso al Acceso al AlmacenamientoAlmacenamiento



Archivos y BloquesArchivos y Bloques

Acceso al AlmacenamientoAcceso al Almacenamiento 2929

Las bases de datos se corresponden con archivos, residentes en disco con copia de seguridad en cinta, que mantiene el sistema operativo

Cada archivo se divide en unidades de almacenamiento de longitud constantes denominadas bloques, que son las unidades de asignacin de almacenamiento y de transferencia de datos

Uno de los principales objetivos del sistema de bases de datos es minimizar el nmero de transferencias de bloques entre el disco y la memoria

Memoria IntermediaMemoria Intermedia


Una manera de reducir el nmero de accesos a disco es mantener en la memoria principal todos los bloques que sea posible

El objetivo es maximizar la probabilidad de que, cuando se necesite, un bloque ya se encuentre en la memoria principal y por tanto no se necesite un acceso a disco

El gestor de la memoria intermedia es el responsable de la asignacin de la memoria intermedia

La memoria intermedia (buffer) es la parte de la memoria principal disponible para el almacenamiento de las copias de los bloques de disco

6Gestor Memoria IntermediaGestor Memoria Intermedia


Los programas de un sistema de bases de datos formulan solicitudes al gestor de la memoria intermedia cuando necesitan un bloque del disco

Si el bloque se encuentra en la memoria intermedia se devuelve al programa solicitante

Si el bloque no se encuentra en la memoria intermedia el gestor asigna espacio al bloque descartando, si hace falta, algn otro bloque (este se graba en disco si ha sido modificado desde la ltima vez que se grab) y lo lee a la memoria intermedia

Esquemas de Gestin de Memoria especficos

Estrategia de SubstituciEstrategia de Substitucinn


Cuando no queda espacio libre en la memoria intermedia hay que eliminar un bloque de sta antes de que se pueda escribir en l otro nuevo

Generalmente los sistemas operativos utilizan un esquema de menos recientemente utilizado (Last Recently Used, LRU), en el que se vuelve a escribir en el disco y se elimina de la memoria intermedia el bloque al que se ha hecho referencia menos recientemente

En las bases de datos funciona mejor el esquema de ms recientemente utilizado (Most Recently Used, MRU) pues se suele reutilizar la informacin

Bloques ClavadosBloques Clavados


Para que el sistema de bases de datos pueda recuperarse de las cadas resulta necesario limitar las ocasiones en que se puede volver a escribir el bloque en el disco

Se dice que un bloque est clavado cuando no se le permite que se vuelva a escribir en el disco

Aunque muchos sistemas operativos no permiten trabajar con bloques clavados, esta prestacin resulta esencial para la implementacin de un sistema de bases de datos resistente a cadas

Salida Forzada de BloquesSalida Forzada de Bloques


Hay situaciones en las que resulta necesario volver a escribir el bloque en el disco, aunque no se necesite el espacio de memoria intermedia que ocupa

Este proceso de escritura se denomina salida forzada del bloque

Se necesita la salida forzada porque la memoria intermedia se pierde en las cadas mientras que los datos del disco suelen sobrevivir

for each tupla p de prestatario dofor each tupla c de cliente do

if p[nombre_cliente]=c[nombre_cliente]then begin

sea x una tupla definida como sigue:x[nombre_cliente]:=p[nombre_cliente]x[numero_prestamo]:=p[numero_prestamo]x[calle_cliente]:=c[calle_cliente]x[ciudad_cliente]:=c[ciudad_cliente]incluir la tupla x como parte del resultado

endend

end

EjemploEjemplo


prestatario cliente

MRU + clavado del bloque de cliente que se est procesando

OrganizaciOrganizacin de n de los Archivoslos Archivos



7RegistrosRegistros

OrganizaciOrganizacin de los Archivosn de los Archivos 3737

Los archivos se organizan lgicamente como secuencias de registros

Aunque los bloques son de un tamao fijo determinado por las propiedades fsicas del disco y por el sistema operativo, los tamaos de los registros varan pues en las bases de datos relacionales las tuplas de las diferentes relaciones suelen ser de tamaos distintos

Registros Longitud FijaRegistros Longitud Fija


type cuenta = recordnumero_cuenta: char(10);nombre_sucursal: char(22);saldo: real;

end

1 carcter = 1 byte

1 real = 8 bytes

40 bytes

Registros ConsecutivosRegistros Consecutivos


700SantiagoC-218registro 8

600PontevedraC-110registro 7

750MonforteC-217registro 6


700BetanzosC-222registro 4


700OrenseC-215registro 2

350LugoC-305registro 1

400Santiago C-102registro 0

Resulta difcil borrar un registro (rellenar o marcar)

Registros en dos bloques (salvo tamao mltiplo exacto)

Desplazamiento GlobalDesplazamiento Global










Necesita desplazar muchos registros

Desplazar Desplazar ltimoltimo










Ms sencilla que un desplazamiento global

Mejor dejarlos libres y esperar una insercin posterior (no basta una simple marca)

Cabecera de ArchivoCabecera de Archivo


700

600

900

500

700

400

cabecera

SantiagoC-218registro 8

PontevedraC-110registro 7

registro 6

SantiagoC-201registro 5

registro 4

PontevedraC-101registro 3

OrenseC-215registro 2

registro 1

Santiago C-102registro 0

La cabecera de archivo guarda la direccin del primer registro libre y cada registro libre se utiliza para guardar la direccin del siguiente registro libre

8Registros Longitud VariableRegistros Longitud Variable


Los registros de longitud variable surgen en los sistemas de bases de datos de varias maneras:

Almacenamiento de varios tipos de registros en un mismo archivo

Tipos de registro que permiten longitudes variables para uno o varios campos

Tipos de registros que permiten campos repetidos

Registros Longitud VariableRegistros Longitud Variable


type lista_cuentas = recordnombre_sucursal: char(22);informacion_cuentas: array [1] of record

numero_cuenta: char(10);saldo: real

endend

No hay lmite para el tamao del registro hasta el tamao del disco

Cadena de Cadena de BytesBytes


C-110

C-201

600

900

C-218 700

Monforte

Betanzos

Pontevedra

Orense

Lugo

Santiago

750C-217registro 5

700C-222registro 4

500C-101registro 3

700C-215registro 2

350C-305registro 1

400C-102registro 0

No resulta sencillo reutilizar el espacio ocupado por un registro borrado anteriormente (fragmentacin)

No queda espacio para el aumento del tamao de los registros (el desplazamiento es costoso)

PPginas con Ranurasginas con Ranuras


Espacio LibreNmero Entradas

Cabecera de bloque

Fin del espacio libre

Tamao

Ubicacin

Espacio ReservadoEspacio Reservado


C-110

C-201

600

900

C-218

700

Monforte

Betanzos

Pontevedra

Orense

Lugo

Santiago

750C-217registro 5700C-222registro 4500C-101registro 3700C-215registro 2350C-305registro 1400C-102registro 0

Vlida si existe una longitud mxima que no se supera nunca

Listas EnlazadasListas Enlazadas


Monforte

Betanzos

Pontevedra

Orense

Lugo

Santiago

700C-218registro 8

600C-110registro 7

750C-217registro 6

900C-201registro 5

700C-222registro 4

500C-101registro 3

700C-215registro 2

350C-305registro 1

400C-102registro 0

9OrganizaciOrganizacin de n de los Registros en los Registros en

los Archivoslos ArchivosEstructuras de AlmacenamientoEstructuras de Almacenamiento

Bases de DatosBases de DatosIngenierIngeniera Ta Tcnica en Informcnica en Informtica de Sistemastica de Sistemas

OrganizaciOrganizacin de Registrosn de Registros

OrganizaciOrganizacin de los Registros en los Archivosn de los Registros en los Archivos 5050

Generalmente se usa un archivo separado para almacenar los registros de cada relacin de la base de datos

Existen organizaciones de archivos en agrupacionesen las cuales se guardan en el mismo archivo registros de relaciones diferentes

Archivos en MontArchivos en Montculoculo


En la organizacin de archivos en montculo se puede colocar cualquier registro en cualquier parte del archivo en que haya espacio suficiente

No hay ninguna ordenacin de los registros

Generalmente slo hay un archivo por relacin

Archivos SecuencialesArchivos Secuenciales


En la organizacin de archivos secuenciales los registros se guardan en orden secuencial, basado en el valor de la clave de bsqueda (no tiene por quser una clave principal o una superclave) de cada registro

750MonforteC-217

400Santiago C-102

900SantiagoC-201

700BetanzosC-222

700SantiagoC-218

600PontevedraC-110

500PontevedraC-101

700OrenseC-215

350LugoC-305

HashHash


En la organizacin asociativa (hash) de archivos se calcula una funcin de asociacin de algn atributo de cada registro

El resultado de la funcin de asociacin especifica el bloque del archivo en el que se colocar el registro

Est muy relacionado con la creacin de ndices

Almacenamiento Almacenamiento con Diccionario con Diccionario

de Datosde DatosEstructuras de AlmacenamientoEstructuras de Almacenamiento

Bases de DatosBases de DatosIngenierIngeniera Ta Tcnica en Informcnica en Informtica de Sistemastica de Sistemas

10

CatCatlogo del Sistemalogo del Sistema

Almacenamiento con Diccionario de DatosAlmacenamiento con Diccionario de Datos 5555

Un sistema de bases de datos relacional necesita tener datos sobre las relaciones, como por ejemplo el esquema

Los nombres de las relacionesLos nombres de los atributos de cada relacinLos dominios y las longitudes de los atributosLos nombres de las vistas definidas en la base de

datos y las definiciones de esas vistasLas restricciones de integridad

AdemAdems s


datos de los usuarios del sistema

Los nombres de los usuarios autorizadosLa informacin de las cuentas de los usuariosContraseas u otra informacin usada para

autentificar a los usuarios

AdemAdems s


datos de informacin estadstica y descriptiva

Nmero de tuplas de cada relacinMtodo de almacenamiento utilizado para cada relacinLa organizacin del almacenamiento (secuencial,

asociativa o con montculos)

AdemAdems s


datos sobre los ndices de cada una de las relaciones

El nombre del ndiceEl nombre de la relacin para la cual se crea el ndiceLos atributos sobre los cuales se define el ndiceEl tipo de ndice formado

Minibase de DatosMinibase de Datos


La informacin del catlogo constituye una base de datos en miniatura

Algunos sistemas de bases de datos guardan esta informacin utilizando estructuras de datos y cdigo especial

Suele resultar preferible guardar los datos sobre la base de datos en la misma base de datos

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