Almacenamiento y estructura de archivos
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    Si hubiera sabido, habria optado por otro tipo de arreglo raid. Un raid 5 o raid 10...
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Almacenamiento y estructura de archivos Almacenamiento y estructura de archivos Presentation Transcript

  • Almacenamiento y Estructura de Archivos
  • Almacenamiento y estructura de archivos
    • Visión general de los medios físicos
    • Disco magnéticos
    • RAID
    • Almacenamiento terciario
    • Acceso al almacenamiento
    • Organización de los archivos
    • Organización de los registros en archivos
    • Almacenamiento con diccionario de datos
    • Estructuras de almacenamiento para bases de datos orientada a objetos
  • Clasificación de los medios de almacenamiento físico
    • Velocidad con la que se puede acceder a los datos
    • Coste por unidad de datos
    • Confiabilidad
      • La pérdida de datos en caso de fallo de alimentación o por fallo del sistema
      • Fallo físico del dispositivo de almacenamiento
    • El almacenamiento se puede diferenciar en:
      • Almacenamiento volátil : Se pierde el contenido cuando se apaga el equipo.
      • Almacenamiento no volátil :
        • Contenido persistente incluso cuando se apaga el equipo.
        • Incluye almacenamiento secundario y terciario, así como copia de seguridad.
  • Medios físicos de almacenamiento
    • Cache – Más rápido y costoso. La memoria caché es pequeña; su uso lo gestiona el Hardware del sistema informático.
    • Memoria principal :
      • Acceso rápido (10s a 100s de nanosegundos; 1 nanosegundo = 10 –9 segundos)
      • Demasiado pequeña (o demasiado cara) para almacenar una base de datos completa.
      • Volátil — contenido de la memoria se pierde si la fuente de poder falla o problemas con el sistema.
  • Medios físicos de almacenamiento(Cont.)
    • Memoria flash
      • Los datos sobreviven a la falta de energía
      • Los datos pueden escribirse una vez, pero no se pueden sobrescribir de manera directa.
        • Ciclos de borrado limitado
      • Es un tipo de memoria sólo de lectura programable y borrable eléctricamente.
      • Llaves USB
  • Medios físicos de almacenamiento(Cont.)
    • Almacenamiento en discos magnéticos
      • El principal medio de almacenamiento persistente.
      • Generalmente se guarda en ellos toda la base datos.
      • Para acceder a los datos es necesario trasladarlos desde el disco a la memoria principal. Después de realizar la operación deseada se deben escribir en el disco los datos que se hayan modificado.
      • El almacenamiento en disco resiste los fallos del suministro eléctrico y las caídas del sistema.
  • Medios físicos de almacenamiento (Cont.)
    • Almacenamiento óptico
      • Los datos se almacenan ópticamente en el disco y se leen mediante un laser.
      • La mas popular forma de discos ópticos es: CD-ROM (640 MB) y DVD (4.7 a 17 GB)
      • Escritura única y lectura múltiple (WORM): CD-R, DVD-R, DVD+R)
      • Para escribir muchas veces: (CD-RW, DVD-RW, DVD+RW, and DVD-RAM)
      • Los cambiadores automáticos - Juke-box Discos ópticos que contienen varias unidades y numerosos discos que pueden cargarse de manera automática en las diferentes unidades (mediante un brazo robotizado) a petición de los usuarios.
  • Medios físicos de almacenamiento (Cont.)
    • Almacenamiento en cinta
      • No volátil, utilizado inicialmente para copia de seguridad
      • Acceso secuencial – mas lento que los discos
      • Capacidad elevada (40 a 300 GB)
      • Removibles de la unidad de lectura
      • Los jukeboxes disponibles para grandes cantidades de datos
        • Cientos de terabytes (1 terabyte = 10 9 bytes) o también petabyte (1 petabyte = 10 12 bytes)
        • Datos satelitales.
  • Jerarquía de almacenamiento
  • Jerarquía de almacenamiento (Cont.)
    • Almacenamiento primario : Rápido pero volátil (cache, memoria principal).
    • Almacenamiento secundario : El siguiente nivel de la Jerarquía, no-volátil, tiempo de acceso a los datos relativamente rápido.
      • También llamado almacenamiento on-line
      • Ejemplo memoria flash, Discos magnéticos.
    • Almacenamiento terciario : Es el nivel mas bajo de la jerarquía, no volátil, Tiempo de acceso lento.
      • También llamado Almacenamiento off-line
      • Ejemplo. Cintas magnéticas, almacenamiento óptico
  • Características físicas de los discos duros magnéticos NOTA: Esquema simple de los discos duros
  • Discos magnéticos
    • Cabeza de Lectura - Escritura
      • Se mantienen tan próximas como sea posible a la superficie de los discos para aumentar la densidad de grabación.
      • Lee o escribe magnéticamente información codificada
    • La superficie del plato esta dividido en pistas (tracks) circulares
      • Encima de los 50K-100K pistas por plato para un disco típico
    • Cada pista esta dividido en sectores .
      • Un sector es una pequeña unidad de datos donde podemos leer o escribir
      • Tamaño típico de un Sector es 512 bytes
      • Típicamente la cantidad de sectores por pista es: 500 (en las pistas internas) a 1000 (en las pistas externas)
    • Cilindro i consiste de i th pistas de todos los platos
  • Subsistema de disco
    • Múltiples discos conectados a un sistema de computo a través de un controlador
      • Funcionalidad de controlador (checksum, remapping de sectores malos)
    • Interface estandar entre familias de discos
      • ATA (AT adaptor) rango de estándares
      • SATA (Serial ATA)
      • SCSI (Small Computer System Interconnect) rango de estándar
      • Variantes de cada estándar (diferentes velocidades y capacidades)
  • Medida del rendimiento de los discos
    • Las principales medidas de la calidad de los discos son:
      • Capacidad
      • Tiempo de acceso  Es la suma de:
        • Tiempo de búsqueda (4 – 10 ms.).
        • Tiempo de latencia rotacional (4500 rpm ≈ 4 – 11 ms/rotación).
      • Velocidad de transferencia de datos (25-100 MB/s)
      • Fiabilidad (tiempo medio entre fallos): 500,000 – 1´200,00o horas. (57 – 136 años)
  • Optimización del acceso a los bloques de disco
    • Las solicitudes de E/S al disco las generan tanto el sistema de archivos como el gestor de la memoria virtual de los sistemas operativos.
    • Los datos se transfieren por bloques de sectores.
    • Algunas técnicas para mejorar el acceso a los bloques son:
      • Planificación del brazo del disco (ej. Algoritmo del ascensor).
      • Organización de archivos.
      • Memoria intermedia de escritura no volátil (NV-RAM)
      • Disco de registro histórico (utilizados en sistemas de archivos de diario)
  • RAID
    • Para conseguir mayor rendimiento y fiabilidad se han propuesto varias técnicas de organización de los discos denominadas colectivamente disposición redundante de discos independientes: RAID.
    • Aunque existen seis niveles distintos de RAID, los niveles más comúnmente usados son:
      • RAID 0: Conjunto dividido
      • RAID 1: Conjunto en espejo
      • RAID 5: Conjunto dividido con paridad distribuida
  • Mejora de la fiabilidad mediante la redundancia (imágenes o sombras)
    • La solución al problema de la fiabilidad es introducir la redundancia.
    • Cada unidad lógica puede tener 2 unidades físicas.
    • Cada operación de escritura se realiza por duplicado.
    • El tiempo medio entre fallos (pérdida de datos) de un disco con imagen depende del tiempo medio entre fallos de cada disco y del tiempo medio de reparación (sustitución del disco averiado).
  • Mejora del rendimiento mediante el paralelismo
    • Se puede mejorar la velocidad de transferencia con varios discos distribuyendo los datos entre ellos.
    • Se puede dar:
      • Distribución a nivel de bits.
      • Distribución a nivel de bloques.
        • Número de discos = n
        • El bloque lógico i se almacena en el disco físico ( i mod n )+1, en el bloque físico ( i /n).
    • En un sistema de discos, el paralelismo busca:
      • Equilibrar la carga de varios accesos de pequeño tamaño.
      • Convertir en paralelos los accesos de gran tamaño.
  • RAID 0: Data Stripping without parity (DSA)
    • Banda de discos sin paridad y sin corrección de errores.
    • No incorpora redundancia de datos.
    • Mejor rendimiento de lectura y escritura.
    • No proporciona tolerancia a fallas.
    • Mínimo 2 discos.
    • Toda la capacidad del disco se emplea.
    • No es verdaderamente un RAID, no tiene integridad de datos.
    • Un error en un disco implica perdida de toda la data.
    • Se utiliza donde sea más importante el rendimiento que la seguridad (edición, producción de videos, imágenes, cualquier comunicación que requiera ancho de banda).
  • RAID 1: Mirrored Disk Array (MDA)
    • Conjunto de discos en espejo
    • Crea una copia exacta de un conjunto de datos en dos o más discos (array).
    • Resulta útil cuando el rendimiento en lectura es más importante que la capacidad y también desde el punto de vista de la seguridad.
    • Diseñado para sistemas en donde la disponibilidad de información es esencial y su reemplazo resultaría difícil y costoso.
  • RAID 2: Hamming Code for Error Correction (ECC)
    • Divide los datos a nivel de bits en lugar de a nivel de bloques y usa un código de Hamming para la corrección de errores. Permite tasas de trasferencias extremadamente altas.
    • Se emplea para mejorar de demanda y también la velocidad de transferencia.
    • Podemos recuperar los datos gracias a los discos de código de error.
  • RAID 3: Parallel transfer with parity
    • Usa división a nivel de bytes con un disco de paridad dedicado.
    • Permite un menor número de operaciones de E/S por segundo, ya que todos los discos tienen que participar en cada solicitud de E/S, por lo cual no es adecuado para operaciones concurrentes.
    • Resultan mas adecuados para sistemas en los que transfieren grandes cantidades de datos secuencialmente , ejemplo audio y video.
  • RAID 4: Independient Disk Array (IDA)
    • Sistemas de discos independientes con disco de control de errores.
    • Usa división a nivel de bloques con un disco de paridad dedicado. El RAID 4 es parecido al RAID 3 excepto porque divide a nivel de bloques en lugar de a nivel de bytes. Esto permite que cada miembro del conjunto funcione independientemente cuando se solicita un único bloque.
    • La operación de escritura se realiza en forma secuencial y la lectura en paralelo.
  • RAID 5: Independent Data disks with distributed parity blocks
    • Sistemas de discos independientes con integración de código de error mediante paridad distribuida.
    • Usa división de datos a nivel de bloques.
    • Distribuye información de paridad entre todos los discos.
    • El RAID 5 ha logrado popularidad gracias a su bajo coste de redundancia.
    • Generalmente, el RAID 5 se implementa con soporte hardware para el cálculo de la paridad.
    • Se necesita un mínimo de tres unidades.
  • RAID 6: Independent Data disks with two independent distributed parity schemes
    • Sistemas independientes de disco con integración de código de error mediante una doble paridad .
    • Conocido como esquema de redundancia P+Q.
    • Es esencialmente una extensión del RAID 5 , para ello guarda , una segunda paridad.
    • No solamente se puede recuperar un error de entre dos discos , sino que es posible recuperar muchos errores de 3 discos.
  • RAID anidados
    • Los RAIDs anidados se indican normalmente uniendo en un sólo número los correspondientes a los niveles RAID usados, añadiendo a veces un «+» entre ellos. Por ejemplo, el RAID 10 (ó RAID 1+0) consiste conceptualmente en múltiples conjuntos de nivel 1 almacenados en discos físicos con un nivel 0 encima, agrupando los anteriores niveles 1.
    • Los niveles RAID anidados más comúnmente usados son:
    • RAID 0+1: Un espejo de divisiones
    • RAID 10: Una división de espejos
    • RAID 30: Una división de niveles RAID con paridad dedicada
    • RAID 100: Una división de una división de espejos
  •  
  • Resumen de niveles de RAID P: bits de corrección de errores C: segunda copia de los datos
  • Elección del nivel de RAID adecuado
    • Los factores que se deben tomar en cuenta para elegir el nivel RAID son:
      • El coste económico de los requisitos adicionales de almacenamiento en disco.
      • Los requisitos de rendimiento en términos de número de operaciones de E/S.
      • El rendimiento cuando un disco falla.
      • El rendimiento durante la reconstrucción.
  • Aspectos hardware
    • RAID se puede implementar como:
      • RAID software
      • RAID hardware: pueden utilizar RAM no volátil.
    • Algunas implementaciones RAID permiten el intercambio en caliente.
      • Muchas implementaciones RAID asignan un disco de repuesto.
    • La fuente de alimentación, el controlador de disco o la interconexión del sistema pueden ser el punto de fallo que detiene el funcionamiento de un sistema RAID.
  • Acceso al almacenamiento
    • Cada base de datos se corresponde con varios archivos diferentes que el sistema operativo subyacente mantiene.
    • Cada archivo está dividido en unidades de almacenamiento de longitud constante denominadas bloques .
    • Cada bloque puede contener varios elementos de datos que viene determinado por la forma de organización física de los datos que se utilice.
  • La memoria intermedia
    • Un objetivo del SBD es minimizar el número de transferencias de bloques entre el disco y la memoria.
    • La memoria intermedia (buffer) es la parte de la memoria principal disponible para el almacenamiento de las copias de los bloques del disco.
    • El subsistema responsable de la asignación del espacio de la memoria intermedia se denomina gestor de la memoria intermedia.
  • Gestor de la memoria intermedia
    • Para dar un buen servicio al sistema de bases de datos, el gestor de la memoria intermedia debe utilizar técnicas complejas, como son:
      • Estrategia de sustitución
        • Ej. El menos recientemente utilizado
      • Bloques clavados: Para que el sistema de bases de datos pueda recuperarse de las caídas resulta necesario limitar las ocasiones en que se puede volver a escribir el bloque en el disco. Se dice que un bloque al que no se le permite que se vuelva a escribir en el disco está clavado.
      • Salida 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.
        • El contenido de la memoria intermedia se pierde en las caídas, mientras que los datos del disco suelen sobrevivir a ellos .
  • Políticas para la sustitución de la memoria intermedia
    • El objetivo de las estrategias de sustitución de los bloques de la memoria intermedia es la minimización de los accesos al disco.
    • Suposición para sustituir un bloque: “es probable que se vuelva a hacer referencia a los bloques a los que se ha hecho referencia recientemente”.
    • Por tanto, si hay que sustituir un bloque, se sustituye el bloque al que se ha hecho referencia menos recientemente. Este enfoque se denomina esquema de sustitución de bloques LRU (Least Recently Used).
    • los sistemas operativos utilizan la pauta anterior de las referencias a los bloques como forma de predecir las referencias futuras.
      • No resulta posible predecir con precisión los bloques a los que se hará referencia.
  • LRU y Bases de Datos
    • Los sistemas de bases de datos pueden predecir la pauta de referencias futuras con más precisión que los sistemas operativos.
    • Los SO confían en el pasado para predecir el futuro; los SBD pueden tener información relativa al futuro a corto plazo.
    • Las peticiones de los usuarios al SBD comprende varias etapas. El SBD suele determinar con antelación los bloques que se necesitarán examinando cada una de las etapas necesarias para llevar a cabo la operación solicitada por el usuario.
  • Ejemplo
    • Consideremos la siguiente operación del álgebra relacional:
      • prestatario |X| cliente
    • Supóngase que la estrategia para procesar la solicitud viene dada por el siguiente algoritmo:
    • En el ejemplo anterior, se utiliza:
      • Para las tuplas de prestatario: estrategia de extracción inmediata .
      • Para las tuplas de cliente: estrategia del más recientemente utilizado (MRU: Most Recently Used).
        • Para que MRU funcione correctamente, el sistema debe clavar el bloque de cliente que se esté procesando.
  • ORGANIZACIÓN DE LOS ARCHIVOS
    • Los archivos se organizan lógicamente como secuencias de registros.
    • Los registros se corresponden con los bloques de disco.
    • Existen diversas maneras de representar los modelos lógicos de datos en términos de archivos:
      • Registros de longitud fija
      • Registros de longitud variable
  • Registros de longitud fija
    • Considérese un archivo de cuentas bancarias con la siguiente especificación:
      • type depósito = record
    • número-cuenta: char(10);
    • nombre-sucursal: char (22);
    • saldo: real;
    • end;
    • Cada carácter = 1 byte; el tipo real = 8 bytes
    • Cada registro ocupa 40 bytes
  • Problemas con la longitud fija
    • Resulta difícil borrar un registro de esta estructura. Se debe rellenar el espacio ocupado por el registro que hay que borrar con algún otro registro del archivo o tener algún medio de marcar los registros borrados para que puedan pasarse por alto.
    • A menos que el tamaño de los bloques sea un múltiplo de cuarenta (lo que resulta improbable) algunos de los registros se saltarán los límites de los bloques. Es decir, parte del registro se guardará en un bloque y parte en otro. Harán falta, por tanto, dos accesos a bloques para leer o escribir ese tipo de registros.
  • Fig. 1 - Archivo que contiene los archivos de cuenta Fig. 2 – Borrado de registro 2 con desplazamiento de todos los registros Fig. 3 – Borrado de registro 2 y desplazamiento de último registro Fig. 4 – Borrado de los registros 1, 4 y 6 utilizando estructura de lista libre
  • Registros de longitud variable
    • Surgen de varias maneras en los sistemas de bases de datos:
      • Almacenamiento de varios tipos de registros en un mismo archivo.
      • Tipos de registro que permiten longitudes variables para uno o varios campos.
      • Tipos de registro que permiten campos repetidos, como los arrays o multiconjuntos.
  • Técnicas para implementar los registros de longitud variable
    • Representación en cadena de bytes
      • Adjunta símbolos especiales de fin de registro
      • Cada registro se guarda como una cadena de bytes consecutivos
      • Inconvenientes:
        • Utilización del espacio dejado por un registro borrado. Gran cantidad de fragmentos de disco desaprovechados.
        • No queda espacio para el aumento de tamaño de registros (campos variables), lo cual ocasiona desplazamiento físico del registro.
    • Páginas con ranuras : contiene una cabecera con la siguiente información:
      • Número de elementos de registro de la cabecera
      • El final del espacio vacío del bloque
      • Un array cuyas entradas contienen la ubicación y el tamaño de cada registro.
    • A menudo las bases de datos almacenan datos que pueden ser mucho más grandes que los bloques del disco.
    • Las BD Relacionales suelen limitar el tamaño de los registros para que no superen el tamaño de los bloques.
    • Los objetos de gran tamaño se suelen representar en organizaciones de archivos de árboles B + .
    • Representación en longitud fija
      • Espacio reservado
        • Representación con listas
        • Representación con listas, utilizando bloques ancla y bloques de desbordamiento
  • ORGANIZACIÓN DE LOS REGISTROS EN ARCHIVOS
    • Organización de los archivos en montículos
      • Cualquier registro en cualquier parte del archivo
      • Los registros no se ordenan
      • Un archivo por cada relación
    • Organización secuencial de los archivos
      • Registros guardados de manera secuencial según el valor de la “clave de búsqueda”
    • Organización asociativa (hash) de los archivos
      • Se calcula una función de asociación para algún atributo de cada registro que indica el bloque del archivo donde se debe colocar el registro
  • Organización de archivos secuenciales
    • Diseñados para el procesamiento eficiente de los registros con un orden basado en alguna clave de búsqueda.
    • La clave de búsqueda es cualquier atributo.
    • Los registros se vinculan mediante punteros.
    • Los registros se guardan físicamente en el orden indicado por la clave de búsqueda o lo más cercano posible
  • Características de archivos secuenciales
    • Permite que los registros se lean de forma ordenada.
    • Resulta difícil mantener el orden físico secuencial por el costo de desplazamiento de varios registros.
    • Para la inserción se aplican las siguientes reglas:
      • Localizar el registro que precede al que se va a insertar según el orden de la clave de búsqueda.
      • Si existe algún espacio libre dentro del mismo bloque, el nuevo registro se insertará ahí. Caso contrario se inserta en un bloque de desbordamiento.
      • Luego de insertar, ajustar los punteros.
  • Fig. 1 – Archivo secuencial para los registros de cuenta Fig. 2 – El archivo secuencial después de una inserción Clave de búsqueda Este enfoque funciona bien si hay que guardar un número relativamente pequeño de registros en los bloques de desbordamiento. Cuando se pierde la correspondencia entre el orden de la clave de búsqueda y el físico, el archivo debe ser reorganizado.
  • Organización de archivos en agrupaciones de varias tablas
    • Los archivos secuenciales son útiles en SBD pequeños que pueden organizar un archivo por cada relación con los servicios del SO.
    • Muchos SBD de gran tamaño no utilizan directamente el sistema operativo subyacente para la gestión de los archivos.
    • Se asigna al SBD un archivo de gran tamaño del SO. En este archivo el SGBD guarda y administra todas las relaciones.
    • select número-cuenta, nombre-cliente, calle-cliente, ciudad-cliente
    • from impositor, cliente
    • where impositor.nombre-cliente = cliente.nombre-cliente
    Ejemplo de guardar muchas relaciones en un solo archivo Relación: Impositor Relación: Cliente Estructura de archivo eficiente para consultas que involucren a Impositor |X| Cliente
  • Ventajas de archivos con agrupaciones de varias tablas
    • Una organización de archivos en agrupaciones de varias tablas es una organización de archivos que almacena registros relacionados de dos o más relaciones en cada bloque.
    • Este tipo de organización de archivos permite leer registros que satisfacen la condición de reunión en un solo proceso de lectura de bloques.
  • Desventajas de archivos con agrupaciones de varias tablas
    • Retarda el procesamiento de algunos tipos de consultas, como:
      • Select * from Cliente
      • Los registros se hallan en bloques diferentes.
      • Para encontrar todas las tuplas de la relación cliente, se pueden enlazar todos los registros de esta relación mediante punteros.
  • Almacenamiento con diccionario de datos
    • Un SBD relacionales necesita tener datos sobre las relaciones, como puede ser su esquema. Esta información se denomina diccionario de datos o catálogo del sistema.
    • Contiene, entre otras cosas:
      • El nombre de las relaciones
      • El nombre de los atributos de cada relación.
      • El dominio y la longitud de los archivos.
      • El nombre y la definición de las vistas.
      • Restricciones de integridad.
    • Datos de usuario
      • Nombre de los usuarios autorizados
      • Autorización e información sobre las cuentas.
      • Contraseñas (formas de autentificación)
    • Información estadística y descriptiva
      • Número de tuplas de cada relación
      • Método de almacenamiento utilizado para cada relación (Ej. con agrupaciones o sin agrupaciones)
    • Organización del almacenamiento (secuencial, asociativa o en montículos) de las relaciones y la ubicación donde se guarda cada relación:
      • Si las relaciones se guardan en archivos del SO, el diccionario guarda los nombres y direcciones de los archivos.
      • Si la BD almacena todas las relaciones en un solo archivo, el SBD puede guardar los bloques que contienen los registros a través de estructuras de datos, como por ejemplo, las listas.
    • Información sobre índices
      • Nombre del índice
      • Nombre de la relación para la que se crea.
      • Atributos sobre los que se define.
      • Tipo de índice formado.
    Metadatos-relación = ( nombre-relación , número-atributos) Metadatos-atributos = ( nombre-atributo , nombre-relación, tipo-dominio, posición, longitud) Metadatos-usuarios = ( nombre-usuario , contraseña-cifrada, grupo) Metadatos-índices = ( nombre-índice, nombre-relación , tipo-índice, atributos-índice) Metadatos-vistas = ( nombre-vista , definición) Base de datos de los metadatos del sistema