Este documento resume conceptos clave sobre bases de datos y almacenamiento de datos. Explica que los datos se almacenan en memoria principal para su uso constante y en disco para almacenamiento permanente. Describe el tiempo de acceso a disco, incluyendo búsqueda, retardo rotacional y transferencia. También cubre optimizaciones como doble buffering para mejorar el rendimiento de E/S.

1. BASES DE DATOS1Notas 02: HardwareJosé Andrés CuartasJOSÉ CUARTAS

2. 2La GranFotoOptimizacion de consultas y ejecuciónOperadoresrelacionalesMetodos de acceso y archivosAdministración de bufferAdministración de espacio en discoDBJOSÉ CUARTASBASES DE DATOS

3. JOSÉ CUARTAS3Pequeñas, rapidasMemoria principal(RAM) usoconstante de datos.

4. Disco paralamacenamientopermanente (AlmacenamientoSecundario).

5. Cintas paraarchivarversionesViejas de datos (Almacenamientoterciario).Grandes, LentasBASES DE DATOS

6. Jim Gray Analogía al retardo en el alamcenamiento : Como de lejosestán los datos?9Citas/CD-ROM102,000 añosAndromeda Robot6NeptunoDisco2 Años101.0 hrAmagáMemoria100Campo universitario1010 minCache en la board(tarjeta)Cache en el chip2El salon de claseregistros1La cabeza1 minJOSÉ CUARTASBASES DE DATOS

7. El disco y la persistencia de los datosHoy: Los discos son el dispositivo de almacenamiento secundario de mayor elección, para el almacenamiento persistente.Principal ventajasobrelascintas: accesoaleatorio vs.secuencial.Los datos se almacenan y se recuperan en unidades llamadas bloques de disco o páginas. A diferencia de la RAM, el tiempo para recuperar una página de disco varía dependiendo de la ubicación en el disco.En un mundo electrónico, los discos son un anacronismo mecánicoLEER: transferencia de datos desde el disco a la memoria principal (RAM).ESCRIBIR: transferencia de datos desde la memoria RAM en el disco.Ambas son operaciones de alto costo, en relación con las operaciones de memoria, por lo que debe ser planificada con cuidado!5JOSÉ CUARTASBASES DE DATOS

8. Las transacciones sobre las bases de datosTransacción: unasecuencia de acciones de base de datos (lecturas/escrituras).Para las transacciones, DBMS asegura:Atomicidad (la propiedad del todo o nada), aunque ocurran fallos del sistema en medio de una transaccionCada transacción, es ejecutada por completo, generando un estado consistente de la bases de datos o no se realiza en lo absoluto.Transacciones concurrentes funcionan de forma aislada.La Durabilidad de cada transacción ejecutada, se presenta incluso si hay fallos del sistema, las transacciones deben perdurar en el tiempo.6JOSÉ CUARTASBASES DE DATOS

9. 7HardwareDBMSALMACENAMIENTO DE DATOSJOSÉ CUARTASBASES DE DATOS

10. 8PTipicoComputador......MCAlmacenamientosecundarioJOSÉ CUARTASBASES DE DATOS

11. 9ProcesadorRapido, pequeño, reducidoconjunto de instruciones,concache, pipelined…Velocidad: 100  500  1000 MIPS (millones de instrucciones por segundo)MemoriaRapido, pequeño, no-volatil, solo-lectura,…Tiempo de acceso: 10-6 10-9 sec. 1 s  1 nsJOSÉ CUARTASBASES DE DATOS

12. 10AlmacenamientosecundarioMuchosSabores:- Discos: Floppy (hard, soft)Removibles WinchesterDiscos RamOpticos, CD-ROM…Arreglos- Cintas: (http://en.wikipedia.org/wiki/Tape_drive) Reel, cartridgeRobots(http://en.wikipedia.org/wiki/Tape_libraryBASES DE DATOSJOSÉ CUARTAS

13. 11Focalizar en: “Tipico disco”…Terminos: Plato, cabeza, actuatorcilindros, sector pistas (fisicas),bloque(logico), GapBASES DE DATOSJOSÉ CUARTAS

14. 12Grafico: BASES DE DATOSJOSÉ CUARTAS

15. 13Gráfico: El brazo se mueve dentro o fuera de la posición de una cabeza en la pista deseada. Las pistas bajo las cabezas hacer un cilindro (imaginario!).Sólo una cabeza lee / escribe en un momento dado.El tamaño de bloque es un múltiplo del tamaño del sector (que es fijo)BASES DE DATOSJOSÉ CUARTAS

16. 14Vista desdearribaBASES DE DATOSJOSÉ CUARTAS

17. 15Números“Tipicos”Diámetro: 1 inch  15 inchesCilindros: 100  2000Superficie: 1 (CDs) (Pista/cilindro) : 2 (floppies)  30Tamaño sector: 512B  50KCapacidad: 360 KB (viejosfloppy) 400 GB (en uso)BASES DE DATOSJOSÉ CUARTAS

18. 16ESPERATransferTransferRotaciónRotaciónBúsquedaTiempo de acceso a discoTiempo de acceso (lectura / escritura) a un bloque de disco:

19. Tiempo de búsqueda (para mover los brazos a la pista).

20. Retardo rotacional (en espera de bloque para girar debajo de la cabeza)

21. Tiempo de transferencia (en realidad el movimiento de datos hacia y desde la superficie del disco)BúsquedaBASES DE DATOSJOSÉ CUARTAS

22. 17Tiempo de acceso a discobloquexEn la memoriaSe desea un bloque X?BASES DE DATOSJOSÉ CUARTAS

23. 18Tiempo=Tiempo de búsqueda+Retardorotacional+Tiempo de transferencia+OtrosBASES DE DATOSJOSÉ CUARTAS

24. 19Tiempo de búsqueda3 or 5xTiempox1NCilindrosviajadosBASES DE DATOSJOSÉ CUARTAS

25. 20Promedioaleatorio de tiempo de búsqueda N NTIEMPOBUSQUEDA(i j)S = N(N-1)j=1jii=1BASES DE DATOSJOSÉ CUARTAS

26. 21Promedioaleatorio de tiempo de búsqueda N NTIEMPOBUSQUEDA (i  j)S = N(N-1)j=1jii=1“Típicos” S: 10 ms  40 msBASES DE DATOSJOSÉ CUARTAS

27. 22RETARDO ROTACIONALUbicación de la cabezaBloqueque se deseaBASES DE DATOSJOSÉ CUARTAS

28. 23PromedioretardorotacionalR = 1/2 revolución“típico” R = 8.33 ms (3600 RPM)BASES DE DATOSJOSÉ CUARTAS

29. 24Rata de transferencia: t“Típico” t: 1  3 MB/secondTiempo de transferencia: tamaño del bloque tBASES DE DATOSJOSÉ CUARTAS

30. 25OtrosretardosCPU tiempoparaemisión de I/ORetencióncausadopor el controladorRetencióncausadopor bus, MemoriaValor “Típico” : 0BASES DE DATOSJOSÉ CUARTAS

31. 26Accesoaleatorio a discoComo: Leyendo el “Siguiente” bloque?BASES DE DATOSJOSÉ CUARTAS

32. 27Si se realizabien(e.j., Doble Buffer, bloquesalternos…)Tiempobloque = Block Size + Mínimo t- salto de bloque - switch pista -BASES DE DATOSJOSÉ CUARTAS

33. 28Regla de oroAleatorio I/O: CostosoSecuencial I/O: menosEj: 1 KB BlockAleatorio I/O:  20 ms.Secuencial I/O:  1 ms.BASES DE DATOSJOSÉ CUARTAS

34. 29Costoparaescribirsimilar a Leer…. Si se nesecitaverificar!adicione(full) rotación+ TamañoBloquetBASES DE DATOSJOSÉ CUARTAS

35. 30Modificar un bloque: (a) Leer bloque (b) Modificar en memoria (c) Escribir el bloque [(d) Verificar?]Modificar un bloque?BASES DE DATOSJOSÉ CUARTAS

36. 31Bloque de direcciones:DispositivofísicoCilindro#Superficie#SectorBASES DE DATOSJOSÉ CUARTAS

37. 32Disco Megatron747 (viejo)Un ejemplo3.5 en diametro3600 RPM1 superficie16 MB capacidadparausar(16 X 220)128 cilindrosTiempo de busqueda: promedio= 25 ms.Cilindroadjacente = 5 ms.BASES DE DATOSJOSÉ CUARTAS

38. 331 KB bloques = sectores10% encabezado entre bloquescapacidad= 16 MB = (220)16 = 224# cilindros= 128 = 27bytes/cil = 224/27 = 217 = 128 KBBloques/cyl = 128 KB / 1 KB = 128BASES DE DATOSJOSÉ CUARTAS

39. 343600 RPM 60 revoluciones/ sec 1 rev. = 16.66 msec. unapista:...Tiemposobredatos:(16.66)(0.9)=14.99 ms.Tiemposobre gaps: (16.66)(0.1) = 1.66 ms.Tiempo de transferencia de 1 bloque= 14.99/128=0.117 ms.Trans. time 1 block+gap=16.66/128=0.13ms.BASES DE DATOSJOSÉ CUARTAS

40. 35Ráfagaancho de banda1 KB en 0.117 ms.RB = 1/0.117 = 8.54 KB/ms.oRB =8.54KB/ms x 1000 ms/1sec x 1MB/1024KB = 8540/1024 = 8.33 MB/secBASES DE DATOSJOSÉ CUARTAS

41. 36Ancho de bandasostenido(mismapista) 128 KB in 16.66 ms.SB = 128/16.66 = 7.68 KB/msoSB = 7.68 x 1000/1024 = 7.50 MB/sec.BASES DE DATOSJOSÉ CUARTAS

42. 37T1 = Tiempo de lecturabloquealeatorioT1 = busqueda+ retardorotacional + TT = 25 + (16.66/2) + .117 = 33.45 ms.BASES DE DATOSJOSÉ CUARTAS

43. 38Suponerque OS ocupa 4 KB bloques...13421 blockT4 = 25 + (16.66/2) + (.117) x 1 + (.130) X 3 = 33.83 ms[compare a T1 = 33.45 ms]BASES DE DATOSJOSÉ CUARTAS

44. 39TT = El tiempo de lectura de todaunapista (empieza en cualquierbloque)TT = 25 + (0.130/2) + 16.66* = 41.73 msconsigue el primer bloque* En realidad, es un bit menos; no tieneque leer el ultimo gap.BASES DE DATOSJOSÉ CUARTAS

45. 40El Nuevo Megatron 7478 superficie, 3.5 pulgada de diámetroUtilizaunapulgadaexterna213 = 8192 pistas/superficie256 Sectores/pista29 = 512 Bytes/sectorBASES DE DATOSJOSÉ CUARTAS

46. 41 8 GB Disco

47. Si todaslaspistastienen256 sectors

48. Desidadperiférica: 100,000 bits/pulgada

49. Densidad interior: 250,000 bits/pulgada1.BASES DE DATOSJOSÉ CUARTAS

50. 42Pistasexteriores: 320 sectorsPistas del secormedio: 256Pistas del interior: 192Densidad: 114,000  182,000 bits/pulgadaBASES DE DATOSJOSÉ CUARTAS

51. 43Tiempopara el nuevoMegatron 747Tiempo de lectura de bloque 4096-byte:MIN: 0.5 msMAX: 33.5 msPromedio: 14.8 msBASES DE DATOSJOSÉ CUARTAS

52. 44EsquemaHardware: DiscoTiempo de accesoEjemplo: Megatron 747OptimizaciónOtrostopicosCostosalmacenamientoUso del almacenamientosecundarioFallos de discoaquiBASES DE DATOSJOSÉ CUARTAS

53. 45Optimizaciones(en controlador o S.O.)Algoritmos de administración de discose.j., Algoritmo del elevadorPistas(or larger) BufferPre-búsquedaArreglosDiscos espejosEl disco en cacheBASES DE DATOSJOSÉ CUARTAS

54. 46Double Buffering(http://es.wikipedia.org/wiki/Buffer)Problema: Se tiene un archivoSecuencia de bloques B1, B2 Se tiene un programaProceso B1Proceso B2Proceso B3BASES DE DATOSJOSÉ CUARTAS

55. 47Soluciónunico Buffer(1) Leer B1  Buffer(2) Procesadatosdentro del Buffer(3) Leer B2  Buffer(4) Procesadatosdentro del Buffer...BASES DE DATOSJOSÉ CUARTAS

56. 48Dice P = tiempoproceso/bloque R = tiempolectura de un bloque n = # bloquesTiempoúnicobuffer = n(P+R)BASES DE DATOSJOSÉ CUARTAS

57. 49Doble bufferMemoria:Disco: ABCDGEFprocesoBASES DE DATOSJOSÉ CUARTAS

58. 50Doble bufferMemoria:Disco: BABCDGEFHechoprocesoABASES DE DATOSJOSÉ CUARTAS

59. 51Doble bufferMemoria:Disco: ABCDGEFprocesoBCAHechoBASES DE DATOSJOSÉ CUARTAS

60. 52Doble bufferMemoria:Disco: procesoprocesoBBCAAABCDGEFHechoHechoBASES DE DATOSJOSÉ CUARTAS

61. 53Dice P  R P = Tiempoprocesamiento/bloqueR = IO tiempo/bloquen = # bloquesQueestiempo de procesamiento?Tiempo de un doble buffer = R + nP

62. Tiempounico buffer = n(R+P)BASES DE DATOSJOSÉ CUARTAS

63. 54Arreglo de discoRAIDs (variossabores)Bloquesfraccionados o segmentados(stripping)EspejosLogicamente un discoBASES DE DATOSJOSÉ CUARTAS

64. 55Cache de discoP......MCcachecacheBASES DE DATOSJOSÉ CUARTAS

65. 56Desafortunadamente...Gran bloqueLecturas de cosasinútilesy tomamástiempopara leerSelección de tamaño en el bloque?Gran bloqueAmortiza el costo I/OBASES DE DATOSJOSÉ CUARTAS

66. 57TrendTendenciasLa memoriacae de precio, bloquemasgrandes...BASES DE DATOSJOSÉ CUARTAS

67. 58Costo de almacenamientoofflinetapenearlinetape &opticaldisks10151013magneticopticaldisks1011electronicsecondaryonlinetape109Capacidadtipica (bytes)electronicmain107from Gray & Reuter105cache10310310-910-610-310-0Tiempo de acceso(sec)BASES DE DATOSJOSÉ CUARTAS

68. 59Costos de almacenamientosfrom Gray & Reuter104cacheelectronicmainonlinetape102electronicsecondarymagneticopticaldisksnearlinetape &opticaldisksdolares/MB10010-2offlinetape10-410310-910-610-310-0Tiempos de acceso(sec)BASES DE DATOSJOSÉ CUARTAS

69. 60Uso del almacenamientosecundarioefectivamenteEjemplo: Ordenardatos en un discoConclusion: Domina el costo de I/ODiseñaralgoritmosparareducir I/OTambién: Como deben ser de grandes los bloques?BASES DE DATOSJOSÉ CUARTAS

70. 61Regla de los 5 minutosARTICULOSTHE 5 MINUTE RULE FOR TRADING MEMORY FOR DISC ACCESSESJim Gray & Franco PutzoluMay 1985The Five Minute Rule, Ten Years LaterGoetz Graefe & Jim GrayDecember 1997BASES DE DATOSJOSÉ CUARTAS

71. 62Regla de los 5 minutosDice unapáginaesaccesadacada X segundosCD = costo de una página en el disco $D = costo de la unidad de discoI = númerode IOs que la unidadpuededesempeñarEn X segundos, la unidadpuedehacer XI IosAsíque CD = $D / XIBASES DE DATOSJOSÉ CUARTAS