TD1 partie 1: Gestion des disques

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1 TD1 partie 1: Gestion des disques 1. Typologie des supports de stockage Les applications de bases de données manipulent un volume croissant d'informations. Par exemple, le volume de données traité par les systèmes d'informations géographiques (SIG), les banques de données médicales, les applications scientifiques (météo, géologie, astronomie, océanographie) ou encore les serveurs d'imagerie et de vidéo, ne se mesurent plus en Giga-octets (10 9 ) mais en Téra-octets (10 12 ) voire en Péta-octets (10 15 ). Cette évolution introduit des besoins croissants de performance (temps d'accès minimum à une donnée et débit de lecture maximum) et de fiabilité (sécurité de l'information face aux pannes). La satisfaction de ces besoins nécessite l'optimisation de la gestion des supports de stockage. On distingue différents supports de stockage permanents de l'information qui font appels à des technologies différentes pour satisfaire des objectifs différents. Nous citons ci-dessous les plus courants. Bandes magnétiques, cassettes, cartouches : ces supports de stockage ont la propriété d'être peu coûteux et de grande capacité. Par contre, l'accès aux données se fait de façon séquentielle. De ce fait, ces supports sont essentiellement destinés aux sauvegardes de fichiers et de bases de données. Disquettes : ce support de stockage, très largement répandu en micro-informatique, offre un accès direct aux données. Par contre, sa très faible capacité (aujourd'hui 1,44 Mo), ses temps d'accès élevé et son faible débit, en font un support plutôt destiné aux sauvegardes temporaires et aux échanges de données entre différents postes de travail non connectés par un réseau. Disques magnétiques : ce support de stockage allie une capacité de stockage importante (plusieurs Go) à un temps d'accès très faible (inférieur à 10 millisecondes) et à un débit important (de l'ordre de 5 à 10 Mo/seconde). Ces caractéristiques en font le support de stockage privilégié de toutes les données en exploitation (bases de données ou autres). CD-ROM : ce support peu coûteux offre une capacité de stockage importante (de l'ordre de 630 Mo) mais est non réinscriptible (à l'exception des CD-Rw). D'autre part, son temps d'accès est environ dix fois supérieur à celui d'un disque magnétique et son débit dix fois inférieur. Le CD-ROM est aujourd'hui le médium privilégié pour la diffusion de logiciels, de catalogues, d'encyclopédies, de petites banques de données. Disques magnéto-optiques : ce support de stockage allie la technologie magnétique pour la lecture et l'écriture, à la technologie optique pour la positionnement des têtes de lecture/écriture. Cette caractéristique permet d'obtenir une densité de stockage très importante. Par exemple, ce type de disque atteint une capacité de 230 Mo au format 3,5 pouces et de 2,6 Go au format 5,25 pouces. Ces disques constituent une nouvelle catégorie de supports de stockage permanents, appelée mémoire de masse amovible. Cette technologie permet de rendre les données mobiles plutôt que de les associer à un unique poste de travail. DVD (Digital Versatile Disk) : le DVD est le support de stockage optique le plus récent. Peu coûteux, il offre des capacités de stockage considérables: 5,3 Go dans sa version réinscriptible (DVD-Ram) et jusqu'à 13 Go dans sa version non réinscriptible. Initialement conçu pour le stockage de données multimédia, ses excellentes caractéristiques en font un concurrent direct pour les supports CD et magnéto-optiques. Ce chapitre se concentre sur l'étude des disques magnétiques et l'optimisation de leur gestion. Leurs caractéristiques techniques (large capacité, faible temps d'accès, débit important) en font le support de stockage permanent privilégié des bases de données en exploitation. En effet, l'objectif des bases de données est de répondre aux requêtes formulées par un ensemble d'utilisateurs travaillant en parallèle en un minimum de temps. De plus, on peut noter que les stratégies d'optimisation développées pour la gestion des disques magnétiques s'applique à la majorité des supports de stockage offrant un accès direct aux données.

2 2. Technologie des disques magnétiques Un disque magnétique est un plateau magnétisé sur ses deux faces tournant autour d'un axe à une vitesse constante (par exemple: 5400 tours/minute). Un disque est divisé en pistes concentriques de quelques microns de largeur. Pour assurer une capacité de stockage constante sur chaque piste, la densité d'enregistrement est croissante au fur et à mesure que l'on se rapproche de l'axe du disque. Chaque piste est découpée en un ensemble de secteurs constituant l'unité minimale d'enregistrement et de lecture. Une unité de disques magnétiques, également appelée volume, est constituée d'un ensemble de disques superposés séparés par un espace permettant le passage des têtes de lecture/écriture (L/E). Lorsque le volume peut être désolidarisé du tourne-disque afin d'en charger un autre, on parle d'unité amovible, sinon on parle d'unité inamovible. Les unités de disques les plus répandues sont les unités de disques à têtes mobiles (DTM) dans lesquelles les têtes de L/E sont reliées à un bras se déplaçant pour se positionner sur la piste choisie. Les bras associés à chaque disque d'une unité DTM se déplacent de façon solidaire. L'ensemble des pistes (une par disque) placées dans un même plan vertical dans la pile de disques constitue un cylindre. Ainsi, toutes les pistes d'un même cylindre peuvent être accédées sans déplacement de bras. Ces différentes notions sont illustrées figure 2.1. bras de lecture tête de lecture/écriture secteur Cylindre pistes cylindre interne cylindre externe Figure 2.1. Unité de disques à têtes mobiles Le temps d'accès à un secteur nécessite le temps de déplacement du bras pour se positionner sur le bon cylindre et le temps d'une demi-rotation du disque (en moyenne) afin que le secteur passe sous la tête de L/E. La vitesse de rotation du disque étant incompressible, une bonne stratégie de gestion d'unité DTM va donc chercher à minimiser les déplacements de bras. Les unités DTM atteignent aujourd'hui des temps d'accès de l'ordre de 10 millisecondes et des débits (quantité d'information lue par unité de temps) de l'ordre de 10 Mo/s. A noter que ces temps d'accès restent environ fois plus élevés que les temps d'accès à la mémoire principale. L'optimisation des E/S reste donc un problème majeur dans le domaine des bases de données. Une technologie disque plus sophistiquée, et donc plus onéreuse, permet de diminuer le temps d'accès à une donnée. Cette technologie, appelée unités de disques à têtes fixes (DTF), consiste à intégrer une tête de L/E par cylindre. La sélection d'un cylindre ne se fait plus par déplacement mécanique d'un bras mais par la sélection de la tête de L/E approprié grâce à un commutateur électronique. Une autre stratégie pour optimiser les temps d'accès consiste à piloter un ensemble d'unités de disques DTM via un unique contrôleur de disques. Il devient alors possible de déplacer les bras des différentes unités DTM en parallèle On divise ainsi le temps d'accès par le nombre d'unités pilotées dans le cas optimal (c'est à dire lorsque les données accédées sont stockées sur des unités différentes). Cette stratégie permet par ailleurs d'augmenter la disponibilité des données sensibles en les répliquant, totalement ou partiellement, sur différentes unités. On parle alors de Redondant Array of Inexpensive Disks (RAID). Une classification des architectures RAID en fonction de leur performance et de la disponibilité qu'elles offrent est donnée dans [Chen93, Zertal96].

3 3. Enoncé du TD L'asynchronisme entre un traitement par le processeur central et le déroulement des E/S amène le contrôleur disques à recevoir de nouvelles requêtes d'e/s pendant l'exécution de celles en cours. Les requêtes en attente rendent prévisible l'emploi des disques. Il est donc possible d'appliquer des algorithmes d'optimisation réduisant le temps de réponse global des requêtes d'e/s en minimisant les déplacements de bras pour les unités DTM et le nombre de rotations utiles des disques pour les unités DTF. On considère dans cette section la configuration disque présentée figure 2.2 comprenant: une unité de disques à têtes mobiles (DTM), une unité de disques à têtes fixes (DTF), n unités DTM connectées à un même contrôleur disques (architecture RAID). DTF DTM contrôleur contrôleur mémoire principale contrôleur RAID DTM 1 DTM 2 DTM n Figure 2.2. Configuration disque étudiée Question 1 Considérons tout d'abord l'unité de disques à têtes fixes (DTF). Supposons à un instant t la file d'attente composée de cinq requêtes demandant la lecture des articles 1, 2, 3, 4, 5 représentés sur la figure 2.3. Le numéro d'article correspond à l'ordre d'arrivée des requêtes. On fait l'hypothèse que les têtes de L/E sont situées sur le secteur 0. Quel est le temps nécessaire (en nombre de tours de disque) pour exécuter les requêtes en attente suivant leur ordre d'arrivée (stratégie FIFO: First-in First-out)? sens de rotation Secteur Secteur 32 Secteur Secteur 48 Cylindre 53 piste 16 Cylindre 40 piste 31 Cylindre 30 piste 01 Cylindre 20 piste 14 Figure 2.3. Requêtes en attente sur une unité DTF

4 Question 2 Déterminer les quatre séquences de traitement permettant de satisfaire les 5 requêtes en attente en un nombre de tours de disque minimum. Parmi ces séquences quelle est la meilleure? Pourquoi? Question 3 Donner les principes de l'algorithme permettant de trouver cette séquence optimale. Quel doit être son temps de réponse pour qu'il présente un intérêt pratique? Question 4 Calculer le temps nécessaire pour exécuter les requêtes d'e/s en attente, en choisissant à chaque fois d'exécuter la requête dont les secteurs sont le plus près des têtes de L/E (stratégie SLTF "Shortest Latency Time First"). Quel est l'écart maximal entre le temps de réponse de la stratégie SLTF et celui de la stratégie optimale pour traiter une séquence de requêtes d'e/s. Que peut-on en conclure? Question 5 La stratégie SLTF peut conduire à une situation de famine (requêtes jamais traitées). Proposer une adaptation de cette stratégie afin d'éviter ce problème. Question 6 On considère désormais l'unité de disques à têtes mobiles (DTM) dont on veut optimiser les temps de déplacement du bras. Pour cela, on envisage deux stratégies : stratégie SSTF (Shortest Seek Time First) : exécute en premier la requête la plus proche des têtes de L/E. stratégie SCAN : les têtes de L/E font la navette entre le premier et le dernier cylindre du disque et traitent au passage les requêtes concernant le cylindre passant sous les têtes de L/E. Comparer les deux stratégies dans le cas où les requêtes sont peu nombreuses puis dans le cas où elles sont très nombreuses. Question 7 Proposer une stratégie de placement de toutes les données d'un même fichier sur une unité DTM de sorte à minimiser les déplacements de bras lors d'accès répétitifs au fichier.

5 TD1 partie 2: Représentation des données sur disque 1. Introduction Une base de données est composé d'un ensemble de fichiers, chaque fichier étant lui-même composé d'un ensemble de pages disques. L'objectif de ce chapitre est d'étudier comment les articles de la base de données sont représentées dans ces pages disque. Cette représentation est simple lorsque tous les articles sont de taille fixe et que leurs attributs varient sur des types élémentaires (entier, réel, chaîne de caractère). Ce cas simple est le plus fréquent dans les applications traditionnelles de gestion. Cependant, les bases de données s'adressent désormais à des applications plus complexes (CAO, AGL, banques de données scientifiques, agences de presse, systèmes d'information géographiques,...). Les données manipulées par ces applications sont inévitablement plus complexes à stocker [KIM95]. La première partie de ce chapitre est dédié aux stratégies d'allocation de l'espace disque permettant de stocker de façon optimale des articles de taille variable. La seconde partie de ce chapitre étudie les différents modes de stockage possibles pour des données complexes. On entend par complexe : (i) des données qui se référencent entre elles par des pointeurs, (ii) des données dont les attributs sont structurés sous la forme de tableaux, d'ensembles ou de listes et (iii) des données qui contiennent des informations multimédia. Les SGBD orientés objets ainsi que certains SGBD relationnels, appelés SGBD relationnels/objets [ISO94, Gardarin96], sont aujourd'hui capables de stocker et de manipuler efficacement ces données complexes. 2. Enoncé du TD 2.1. Allocation de l'espace disque Question 1 Un fichier base de données est une zone de stockage intrinsèquement dynamique. De nouveaux articles sont régulièrement insérés alors que d'autres sont supprimés. La suppression d'un article crée un espace libre, appelé trou. Il est important de localiser les trous dans un fichier et de les récupérer lors des insertions suivantes, afin de minimiser l'espace de stockage nécessaire pour la base de données. Proposer différentes méthodes de localisation des trous dans un fichier. Question 2 Dans un fichier contenant des articles de taille variable, il est rare de trouver un bloc libre dont la taille soit exactement celle requise par une requête d'insertion. On est donc souvent amené à allouer un bloc de taille légèrement supérieure. Que devient le résidu inoccupé du bloc alloué? Quel type de dégradation cela risque-t-il d'entraîner? Proposer une méthode pour lutter contre cette dégradation. Question 3 Lors d'une requête d'insertion d'article, quelles sont les différentes stratégies envisageables pour choisir un bloc libre parmi tous les autres? Comparer le comportement de ces différentes stratégies en terme de rapidité de choix du bloc à allouer et en terme d'optimalité de la gestion de la place mémoire. Question 4 Soit une liste de blocs libres dont les tailles respectives en nombre d'unités sont: 5, 3, 2, 6 et 4. Une unité représente le plus petit granule d'allocation (généralement un nombre d'octets égal à une puissance de 2, par exemple 16 octets). Soit un ensemble de requêtes d'insertion réquisitionnant respectivement des blocs de taille 2,

6 4, 2, 3, 3 et 3 unités. Représenter, sous forme de diagrammes, l'évolution de la liste des blocs libres pour chacune des stratégies présentées dans la question 3. Question 5 Une grande partie de la complexité des stratégies d'allocation et de récupération de place mémoire provient de la taille variable des blocs à allouer. Proposer une stratégie qui satisfasse des demandes d'allocation de blocs de taille variable dans un espace mémoire partitionné en blocs de taille fixe par intervalle de taille croissante Représentation des données Question 6 La notion de pointeur est fréquemment utilisée dans la définition des structures de données. Comme mentionné dans le chapitre 1, plusieurs modèles de bases de données (e. g., Codasyl, modèles orientés objets) sont fortement basés sur la représentation et le parcours de liens ou références entre objets. De plus, les noyaux de SGBD utilisent de nombreuses structures de données contenant des liens (index, chaînage entre articles,...) pour accélérer les recherches d'articles dans une base de données. Proposer différentes techniques pour représenter des pointeurs (i.e., liens) sur disque. Question 7 La mise à jour d'articles de taille variable peut entraîner leur déplacement à l'intérieur d'une page disque, voire leur changement de page disque si la place libre dans la page est insuffisante pour réaliser la mise à jour. Les articles peuvent également être déplacés du fait des stratégies de compactage de l'espace disque (cf. Question 2). Proposer des techniques pour assurer l'invariance des pointeurs dans ce contexte. Comparer les techniques proposées en terme de performance d'accès. Question 8 Peut-on créer des pointeurs invariants entre articles appartenant à des fichiers différents? Question 9 Supposons un fichier Personne (nom: texte[20], prénom: texte[15], âge: entier) dont tous les articles sont de taille fixe. Comment sont stockés ces articles dans les pages du fichier et quel est le mécanisme qui permet de retrouver l'adresse de l'attribut Personne.âge dans un article? Question 10 Dans une base de données, les attributs d'un article peuvent avoir une taille variable. Par exemple, l'adresse ou le nom d'une personne peuvent être représentés par une chaîne de caractère de taille variable. Proposer différents formats de stockage d'articles contenant des attributs de taille variable. Comparer ces différents formats en termes de performance, de place mémoire occupée et de généralité. Question 11 La longueur d'un article peut dans certains cas dépasser la taille d'une page. Comment réaliser le stockage d'un tel article?

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