Stockage des Donn

1
Stockage des Données Disques et Fichiers

• Chapitre 9

2
Objectifs

• Hiérarchie des mémoires (stockage)
• Caractéristiques des disques et bandes
• RAID
• Gestion de lespace disque
• Gestion des mémoires tampon
• Gestion des fichiers

3
Hiérarchie des Mémoires

• Hiérarchie des mémoires
• Mémoire primaire (RAM) contient les données en
  usage.
• Mémoire secondaire (disque magnétique) contient
  la base de données principale.
• Mémoire tertiaire (bandes magnétiques) contient
  les archives.
• La mémoire primaire
• Coûts trop élevés à titre dexemple, avec 80,
  on peut acheter soit 2GB de RAM ou 200GB de
  disque.
• Volatile ne peut sauver les données entre des
  exécutions du SGBD.
• Mémoires principale et secondaire interagissent
• READ transfert des données du disque vers la
  mémoire primaire.
• WRITE transfert des données du RAM vers le
  disque.
• Les deux opérations coûtent plus que les
  opérations en mémoire, raison pour laquelle elles
  doivent être soigneusement planifiées!

4
Disques

• Appareil de stockage secondaire le plus utilisé.
• Avantage principale sur les bandes magnétiques
  accès aléatoire vs. séquentielle.
• Données stockées et puisées en unités appelées
  blocs de disque ou pages.
• Contrairement au RAM, le temps de puiser une page
  de disque varie selon son emplacement sur disque.
  
• Doù lemplacement relatif des pages sur disque a
  un impact majeur sur le performance des SGBDs!

5
Composantes dun Disque
Axe

• Les plateaux tournent (90tps).

Tête

• Le bras est déplacé (par un contrôleur) pour
  positionner une tête de lecture/écriture sur la
  piste désirée. Les pistes sous les têtes de
  lecture forment un cylindre.

Secteur
Plateaux

• Une seule tête de lecture lit/écrit à la
  fois.

• Un bloc est une collection de
  secteurs.
• La taille de bloc est un multiple
  de la taille du secteur (qui est fixe).

6
Accès à une Page de Disque

• Le temps daccès à un bloc de disque est fait de
• seek time (déplacement du bras pour
  positionner la tête de lecture/écriture sur une
  piste)
• rotational delay (temps dattente pour que le
  bloc tourne sous la tête de lecture/écriture)
• transfer time (temps de transfert des données
  vers/de la surface du disque)
• Le temps de recherche (seek time) et le délai
  de rotation (rotational delay) dominent.
• Le temps de recherche varie denviron 1 à 20msec
• Le délai de rotation varie de 0 à 10msec
• Le taux de transfert est denviron 1msec par page
  de 4KB
• Elément crucial des coûts I/O réduire les délais
  de recherche et de rotation! Solutions hardware
  vs. software?

7
Arrangements des Pages sur Disque

• Concept de bloc suivant (Next)
• blocs sur la même piste, suivi des
• blocs sur le même cylindre, suivi des
• blocs sur le cylindre adjacent.
• Les blocs dans un fichier devraient être
  arrangés séquentiellement sur disque (suivant le
  concept de suivant) afin de minimaliser le
  délai de recherche et de rotation.
• Le concept de  suivant  facilite le scannage
  séquentiel (prélecture de plusieurs pages à la
  fois).

8
RAID (Redundant Arrays of Independent Disks)

• Banc de disques Arrangement de plusieurs disques
  donnant lillusion dun seul large disque.
• Buts Augmenter la performance et la fiabilité du
  stockage secondaire.
• Deux techniques principales
• Répartition des données (Data striping) les
  données sont divisées en partitions réparties sur
  plusieurs disques.
• Redondance Utilisation de plus de disques gt
  plus de failles. Linformation redondante permet
  de reconstruire les données en cas de faillite
  dun disque.
• La répartition des données augmente la
  performance et la redondance améliore la
  fiabilité.

9
RAID Répartition des Données vs. Redondance

• Répartition des données les données sont
  divisées en partitions la taille dune partition
  est appelée unité de partition. Les partitions
  sont réparties sur plusieurs disques Sil y a D
  disques, une partition i est stockée sur le
  disque i mod D (algorithme round-robin).
• Redondance Utilisation de plus de disques gt
  plus de failles. Linformation redondante permet
  de reconstruire les données en cas de faillite
  dun disque
• Utiliser tous les disques ( striping ) vs.
  Nutiliser que des check disks pour linfo
  redondante.
• Linfo redondante est calculée en utilisant un
  schème de parité.
• La parité est utilisée pour reconstruire la
  valeur des bits des disques corrompus.
• Plusieurs méthodes dorganisation appelées
  niveaux de RAID existent dans lindustrie
  elles balancent répartition et redondance.

10
Niveaux de RAID

• Niveau 0 Striping aucune redondance
• Niveau 1 Miroitement (deux copies identiques)
• Chaque disque a une image miroir.
• Lectures parallèles utilisation de deux disques
  pour lécriture.
• Taux de transfert maximum taux de transfert
  dun disque.
• Niveau 01 Striping et miroitement
• Lectures parallèles implication de deux disques
  pour lécriture.
• Le taux de transfert maximum bénéficie de la
  somme des bandes passantes (bandwidth) de
  tous les disques impliqués.

11
Niveaux de RAID (Suite)

• Niveau 2 Code de correction derreurs
• Unité de partition un bit.
• Utilisation de la parité (Hamming code) qui est
  stocké sur des disques de surveillance (check
  disk). Le de check disks croit
  logarithmiquement par rapport à celui des disques
  de données.
• Lecture parallèle possible pour de petites
  requêtes les larges requêtes peuvent utiliser
  toute la bande passante des disque impliqués.
• Les écritures impliquent le bloc modifié ainsi
  que le check disk.
• Niveau 3 Bit-Interleaved Parity
• Unité de partition un bit. Un seul check disk
  stockant tout juste la parité (sans tout le
  Hamming code !) est utilisé.
• Les performances sont similaires à celles du
  niveau 2.

12
Niveaux de RAID (Suite)

• Niveau 4 Block-Interleaved Parity
• Unité de partition un bloc de disque. Un seul
  check disk. Ressemble au niveau 3, sauf que
  lunité de partition change du bit au bloc.
• Lecture parallèle possible pour de petites
  requêtes les larges requêtes peuvent utiliser
  toute la bande passante de tous les disques à la
  fois.
• Les écritures impliquent les blocs modifiés ainsi
  que le check disk.
• Niveau 5 Block-Interleaved Distributed
  Parity
• Similaire au niveau 4 sauf que les blocs de
  parités sont distribués sur tous les disques (au
  lieu de les stocker sur un seul check disk).

13
Gestion de lEspace Disque

• La couche la plus basse du SGBD gère lespace sur
  disque.
• Les couches plus élevées font appel à cette
  couche la plus basse afin de
• Affecter/désaffecter de lespace mémoire
• Lire/écrire sur une page
• La requête pour une séquence de pages doit être
  satisfaite par lallocation de pages de manière
  séquentielle sur le disque! La gestion des
  espaces libres est transparente aux couches
  supérieures du SGBD.

14
Gestion des Mémoires Tampon
Requête de page dun niveau plus élevé
BUFFER POOL
Page de disque
Cadre libre
MEMOIRE PRINCIPALE
Le choix dun cadre à remplacer lorsque la
réserve est pleine est régi par une police de
remplacement
DISQUE

• Les données doivent être ramenées dans le RAM
  afin que le SGBD opère sur elles!
• Le système maintient une table de paires ltframe,
  pageidgt.

15
Procédure en Cas de Requête pour une Page

• Le gestionnaire des tampons maintient 2
  variables
• pin_count dutilisateurs courants (ne
  remplacer une page que si pin_count 0).
• dirty page modifiée?
• Si la page requise est dans la réserve,
  lutiliser et incrémenter le pin_count.
• Sinon
• Choisir un cadre pour remplacement
• Si le cadre est sale (dirty), lécrire sur
  disque
• Lire la page requise dans le cadre choisi
• Incrémenter le pin_count ( pinning ) de la
  page et retourner son adresse.

16
Police de Remplacement des Cadres

• Un cadre est choisi pour remplacement en fonction
  dune police de remplacement
• LRU (Least-recently-used), Clock, MRU, etc.
• Ces polices peuvent avoir un grand impact sur le
  de I/Os elles dépendent du patron daccès.
• Inondation séquentielle Situation désastreuse
  causée par le LRU scannages séquentiels à
  répétition.
• cadres lt pages dans le fichier chaque page
  requise cause un I/O. Le MRU se comporte mieux
  dans ce cas.

17
SGBD vs. Système de Fichiers dun SE

• Puisque le SE gère lespace mémoire et le disque,
  pourquoi ne pas laisser ces tâches au SE?
• Les raisons suivantes militent en faveur du
  non
• Différences sur le support SE problèmes de
  portabilité
• Limitations inhérentes des SEs p.ex. les
  fichiers ne peuvent sétendre sur plusieurs
  disques
• La gestion de mémoire en SGBDs requiert la
  capacité de
• Procéder au pinning des pages en réserve
  forcer une page vers le disque (important pour
  limplémentation de CC recouvrement),
• Ajustage des polices de remplacement, et
  prélecture des pages en fonction des patrons
  daccès aux données.

18
Formats dEnregistrements Longueur Fixe
F1
F2
F3
F4
L1
L2
L3
L4
Adresse de base (B)
Adresse BL1L2

• Linfo sur les champs des enregistrements est la
  même pour tout le fichier et est stockée dans les
  catalogues du système.
• Larithmétique des adresses est simple.

19
Formats dEnregistrements Longueur Variable

• Deux alternatives au moins existent ( champs
  fixe)

F1 F2 F3
F4
Champs délimités par des symboles spéciaux
Compteur du champs
F1 F2 F3 F4
Liste de déplacements (offsets) des champs
Le second format offre un accès direct aux
champs ainsi quun stockage efficient.
20
Format des Pages Enreg.s à Longueur Fixe
Tranche 1
Tranche 1
Tranche 2
Tranche 2
Espace libre
. . .
. . .
Tranche N
Tranche N
Tranche M
N
M
1
0
. . .
1
1
M ... 3 2 1
nombre denreg.s
nombre de tranches
PACKED
UNPACKED, BITMAP

• Record id ltpage id, slot gt. Dans la
  première alternative, mouvoir les enreg.s pour
  la gestion des espaces vides change les rids
  nest donc pas acceptable dans bien des cas !

21
Format des Pages Enreg.s à Longueur Variable
Rid (i,N)
Page i
Rid (i,2)
Rid (i,1)
N
20
16
24
Pointeur vers le début de lespace libre
N . . . 2 1
slots
REPERTOIRE DES TRANCHES

• On peut mouvoir les enreg.s sur une page
  sans devoir changer les rids doù ce format est
  aussi attractif pour les enreg.s à longueur fixe.

22
Fichiers dEnregistrements

• Les pages ou blocs sont la mesure de lI/O, mais
  les couches plus élevées du SGBD opèrent sur les
  enregistrements, et utilisent des fichiers
  denregistrements.
• FICHIER Collection de pages, chacune contenant
  une collection denregistrements. Doit
  supporter
• insertion/effacement/modification des
  enregistrements
• lecture dun enregistrement particulier (spécifié
  par son record id)
• scannage de tous les enregistrements

23
Fichiers Nonordonnés (Heap Files)

• Structure la plus simple pour les fichiers ne
  contient les enregistrements dans aucun ordre
  spécial.
• Au fur et à mesure que les fichiers augmentent et
  diminuent de tailles, les pages sont affectées ou
  désaffectées.
• Pour supporter des opérations sur les
  enregistrements, on doit garder les traces
• des pages dun fichier
• des espace libres dans les pages
• des enregistrements dune page
• Plusieurs alternatives existent à cette fin.

24
Implémentation du Heap File Comme Liste
Page de données
Page de données
Page de données
Pages pleines
Page de tête
Page de données
Page de données
Page de données
Pages avec espace libre

• Le SGBD retient ladresse de lendroit où est
  stockée la première page dun fichier à un
  endroit bien spécifique sur disque.
• Chaque page contient 2 pointeurs ainsi que des
  données.

25
Heap File Utilisant une Page Répertoire

• Lentrée dune page peut inclure le nombre
  doctets qui sont libres sur cette page.
• Le répertoire est une collection de pages pouvant
  être organisée comme une liste.
• Beaucoup moins despace utilisé que dans la
  première méthode!

26
Catalogues du Système

• Pour chaque index
• Indique la structure (p.ex. B) et les champs de
  la clé de recherche
• Pour chaque relation
• nom, nom de fichier, structure du fichier (p.ex.,
  Heap file)
• nom et type de chaque attribut
• nom de chaque index sur la relation
• contraintes dintégrité
• Pour chaque vue
• nom et définition
• Statistiques, autorisations, taille du buffer
  pool, etc.

• Les catalogues sont stockés comme des relations!

27
Attr_Cat(attr_name, rel_name, type, position)
28
Résumé

• Les disques fournissent un stockage bon marché et
  non-volatile.
• Accès aléatoire, mais le coût des opérations
  dépend de lemplacement des données sur le
  disque un agencement séquentielle des donnes
  minimalise les délais de recherche et de
  rotation.
• Le buffer manager amène les pages dans le
  RAM.
• Une page reste dans le RAM jusquà ce quelle est
  relâchée par son requérant.
• Une page est écrite sur disque si son cadre est
  choisi pour remplacement.
• Le choix dun cadre à remplacer se fait selon une
  police de remplacement.
• Possibles prélectures.

29
Résumé (Suite)

• Un SGBD a besoin déléments introuvables dans
  beaucoup de Ses forcer une page vers le disque,
  contrôler lordre décriture des pages,
  éparpiller un fichier sur plusieurs disques, etc.
• Les enregistrements à longueur variable avec un
  répertoire de offsets offrent un support pour
  laccès direct aux champs et pour les valeurs
  nulles.
• Le format UNPACKED BITMAP supporte les
  enregistrements à longueur variable et permet de
  déplacer les enregistrements sur une page.

30
Résumé (Suite)

• La couche de gestion des fichiers gère les pages
  des fichiers et supporte labstraction de
  collection denregistrements.
• Les pages avec espace libre sont identifiées par
  une liste chaînée ou un répertoire.
• Les relations en catalogue stockent l
  information sur les relations, les indexes et les
  vues.