N-step-SCAN и FSCAN

При использовании стратегий SSTF, SCAN и C-SCAN может оказаться возмож­ной ситуация, когда один или несколько процессов с высокой частотой обращений к одной дорожке монополизируют устройство за счет многочисленных повторений за­просов к одной и той же дорожке. Наиболее характерна эта особенность для много­поверхностных дисков с большой плотностью записи. Для предотвращения такого "залипания головки" очередь дисковых запросов может быть сегментирована, при­чем за один прием полностью выполняется весь сегмент заданий. Примерами такого подхода являются стратегии N-step-SCAN и FSCAN.

Стратегия N-step-SCAN позволяет произвести сегментацию очереди диско­вых запросов на подочереди длиной N. Каждая подочередь обрабатывается за один прием с использованием стратегии SCAN. В ходе обработки очереди к не­которой другой очереди могут добавляться новые запросы. Если в конце текуще­го сканирования доступными оказываются менее N запросов, то все они обраба­тываются в следующем цикле сканирования. При больших значениях N выпол­нение алгоритма N-step-SCAN похоже на выполнение SCAN; предельный случай N=1 соответствует стратегии FIFO.

FSCAN — стратегия, использующая две подочереди. С началом сканирова­ния все запросы находятся в одной из очередей; другая при этом остается пус­той. Во время сканирования первой очереди все новые запросы попадают во вто­рую очередь. Таким образом, обслуживание новых очередей откладывается, пока не будут обработаны все старые запросы.

RAID

Как упоминалось ранее, рост производительности вторичных запоминаю­щих устройств значительно отстает от роста производительности процессоров и основной памяти. Такое несоответствие вынуждает обращать особое внимание на дисковую систему при повышении уровня общей производительности.

Как и в других областях, дополнительное повышение эффективности может быть достигнуто путем параллельного использования нескольких устройств. В случае с дисками это означает использование массивов независимо и параллель­но работающих дисков. При наличии множества дисков различные запросы вво­да-вывода могут обрабатываться параллельно, если блок данных, к которому производится обращение, распределен по множеству дисков.

В случае применения множества дисков имеется большое количество вари­антов организации данных и добавления избыточности для повышения надежно­сти (а это может создать трудности при разработке схем баз данных, способных работать на разных платформах под управлением разных операционных систем). К счастью, имеется промышленный стандарт RAID (Redundant Array of Inde­pendent Disks — избыточный массив независимых дисков). RAID-схема состоит из 7 уровней1 — от нулевого до шестого. Эти уровни не имеют иерархической • структуры, но определяют различные архитектуры со следующими общими ха­рактеристиками.

1. RAID — это набор физических дисков, рассматриваемых операционной системой как единый логический диск.

2. Данные распределены по физическим дискам массива.

3. Избыточная емкость дисков используется для хранения контрольной ин­
формации, гарантирующей восстановление данных в случае отказа одного
из дисков.

Вторая и третья характеристики различны для разных уровней RAID. RAID нулевого уровня не поддерживает третью характеристику вовсе.

Термин RAID первоначально был употреблен в научном докладе группы разработчиков Университета Калифорния в Беркли [РАТТ88]². В докладе в об­щих чертах были рассмотрены различные конфигурации и применение RAID, a также определения уровней RAID. Эта стратегия заменяет диски с большой плотностью записи множеством дисков с малой плотностью и распределяет дан­ные таким образом, что обеспечивает возможность одновременного доступа к данным из разных дисков. Это существенно повышает эффективность ввода-вывода и дает возможность постепенного наращивания емкости массива.

Уникальность предложенной технологии заключается в эффективном ис­пользовании избыточности. Благодаря наличию большого количества дисков по­вышается производительность, но увеличивается вероятность сбоев. В связи с этим RAID предусматривает хранение дополнительной информации, позволяю- • щей восстанавливать данные, утерянные вследствие сбойной ситуации.

В табл. 11.4 представлены все 7 уровней RAID. Отметим, что уровни 2 и 4 не подходят для промышленного применения, но, тем не менее, описание этих уровней помогает определиться с выбором схем проектирования некоторых дру­гих уровней.

Таблица 11.4. Уровни RAID

На рис. 11.9 показано использование семи схем RAID для поддержки того же объема данных, который требует четырех дисков без применения избыточно­сти. Рисунок показывает размещение пользовательских и избыточных данных, а также указывает относительные требования уровней к дисковому пространству.

RAID 0

Уровень 0 не является настоящим RAID-уровнем, поскольку он не ис­пользует избыточность для повышения эффективности. Тем не менее сущест­вует ряд применений, таких, как некоторые суперкомпьютеры, где домини­руют вопросы производительности и емкости, а снижение стоимости более важно, чем надежность.

В схеме RAID 0 пользовательские и системные данные распределяются по всем дискам массива. Это дает заметное преимущество перед использова­нием одного большого диска: если два различных запроса ввода-вывода об­ращаются к двум различным блокам данных, то имеется немалая вероят­ность того, что эти блоки размещены на различных дисках, и два запроса могут быть обработаны, уменьшая тем самым время ожидания в очереди ввода-вывода.

Заметим, однако, что RAID 0 идет дальше простого распределения дан­ных по массиву дисков: данные расщеплены (stripped) по всем имеющимся дискам (см. рис. 11.10). Все пользовательские и системные данные рассмат­риваются как хранящиеся на одном логическом диске. Диск делится на по­лосы, которые могут быть физическими блоками, секторами или другими единицами хранения. Полосы циклически размещаются на последовательных дисках массива. В n-дисковом массиве первые п логических полос физически располагаются как первые полосы каждого из га дисков; вторые га полос рас­полагаются как вторые полосы каждого из дисков и т.д. Преимущество та­кой компоновки состоит в том, что если один запрос ввода-вывода обращает­ся к множеству логически последовательных полос, то параллельно может быть обработано до га полос, и намного уменьшается тем самым время обра­ботки запроса.

На рис. 11.10 показано, что для отображения логического и физического дис­ковых пространств используется соответствующее программное обеспечение, которое может быть реализовано как в дисковой подсистеме, так и в компьютере.