samedi 7 janvier 2012

Cours de bases de données Oracle : Stockage de données - RAID

Techniques de stockage

Contenu de ce cours :

1 - Stockage de données. Supports, fonctionnement d’un disque, technologie RAID
2 - Organisation des fichiers. Champs, enregistrements, blocs, techniques d’accès.
3 - Un exemple concret : Oracle.

Les mémoires d’un ordinateur

Les mémoires dans un ordinateur forment une hiérarchie :


Plus une mémoire est rapide, moins elle est volumineuse.

Quelques ordres de grandeur


Un accès disque est (environ) un million de fois plus coûteux qu’un accès en mémoire principale !

C’est vrai pour un accès aléatoire, mais très souvent les accès se font séquentiellement car les données sont bien rangées.
Importance pour les bases de données
  • un SGBD doit ranger sur disque les données ;
1 - parce qu’elle sont trop volumineuses (de moins en moins vrai) ;
2 - parce qu’elles sont persistantes (et doivent survivre à un arrêt du système).
  • le SGBD doit toujours amener amener les données en mémoire pour les traiter ;
  • si possible, les données utiles devraient résider le plus possible en mémoire.

La capacité à gérer efficacement les transferts disque-mémoire est un facteur important de performance d’une application bases de données.

Organisation d’un disque
Disque : surface magnétique, stockant des 0 ou des 1, divisé en secteurs.

Dispositif : les surfaces sont entraînées dans un mouvement de rotation ; les têtes de lecture se déplacent dans un plan fixe.
  • le bloc est un ensemble de secteurs, sa taille est en général un multiple de 512 ;
  • la piste est l’ensemble des blocs d’une surface lus au cours d’une rotation ;
  • le cylindre est un ensemble de pistes situées sous les têtes de lecture.

Structure d’un disque


Disque = mémoire à accès direct

Adresse = numéro du disque ; de la piste où se trouve le bloc ; du numéro du bloc sur la piste.

1 - délai de positionnement pour placer la tête sur la bonne piste :
2 - délai de latence pour attendre que le bloc passe sous la tête de lecture ;
3 - temps de transfert pour attendre que le (ou les) bloc(s) soient lus et transférés.

Important : on lit toujours au moins un bloc, même si on ne veut qu’un octet ; c’est l’unité d’entrée/sortie !

Principe de localité : si deux données sont « proches » du point de vue applicatif, alors elles doivent être proches sur le disque (idéalement, dans le même bloc).

Exemple : le disque Cheetah 18LP, 9,1 Go



Quelques calculs...

À partir des spécifications, on calcule :

1 - nombre de secteurs par face ;
2 - nombre (moyen) de secteurs par piste ;
3 - nombre (moyen) d’octets par piste et par cylindre ;
4 - temps de rotation, et donc délai de latence ;
5 - délai de transfert pour 1 ou n blocs.

On en déduit les temps minimal, maximal et moyen de lecture.

Le temps d’accès peut varier en fonction de l’organisation des blocs, de l’ordre d’accès aux blocs et de la conservation de certains blocs en mémoire.

Le principe de localité et ses conséquences

Principe de localité : l’ensemble des données utilisées par une application pendant une période donnée forme souvent un groupe bien identifié.

1 - Localité spatiale : si une donnée d est utilisée, les données proches de dont de fortes chances de l’être également ;

2 - Localité temporelle : quand une application accède à une donnée d, il y a de fortes chances qu’elle y accède à nouveau peu de temps après.

3 - Localité de référence : si une donnée d1 référence une donnée d2, l’accès à d1 entraîne souvent l’accès à d2.

Les systèmes exploitent ce principe en déplaçant dans la hiérarchie des mémoires des groupes de données proches de la donnée utilisée à un instant t ⇒le pari est que l’application accèdera à d’autres données de ce groupe.

Localité spatiale : placement des blocs

Les données qui doivent être lues ensemble doivent être proches sur le disque.

Proximité sur un disque : (1) dans le même bloc, (2) dans deux blocs consécutifs, (3) sur la même piste, (4) sur le même cylindre, (5) fonction de l’éloignement des pistes.

Très important en cas de lecture à l’avance (appelée read ahead ou prefetching).

Localité spatiale et temporelle : mémoire cache

Le SGBD garde en mémoire les blocs après utilisation, afin d’exploiter à la fois la localité spatiale (les autres données du bloc) et la localité temporelle.

Gestionnaire de mémoire cache


Un des paramétrages des SGBD consiste à leur attribuer une partie de la mémoire centrale qui sert – en grande partie – de cache.

Lectures logiques, lectures physiques : le Hit ratio

Le paramètre qui mesure l’efficacité d’une mémoire cache est le hit ratio, défini comme suit :


Si toutes les lectures logiques (demande de bloc) aboutissent à une lecture physique (accès au disque), le hit ratio est 0.

S’il n’y a aucune lecture physique, le hit ratio est de 1.

Technologie RAID

Stockage sur disque : point sensible des SGBD, pour les performances et pour la sécurité. On estime :
  • risque de panne pour un disque pendant les prochains 10 ans = 1 ;
  • risque de panne pour deux disques pendant les prochains 5 ans = 1 ;
  • risque de panne pour cent disques pendant le prochain mois = 1 !
La technologie RAID vise principalement à limiter le risque dû à une défaillance.

Les niveaux RAID

Il existe 7 niveaux, numérotés de 0 à 6.
  • 1 niveau 0 : rien !
  • 2 niveau 1 : duplication – brutale – des données ;
  • 3 niveau 4 : reprise sur panne basée sur la parité ;
  • 4 niveau 5 : répartition de l’information de parité ;
  • 5 niveau 6 : prise en compte de défaillances simultanées.

RAID 1

Principe trivial : on a deux disques, sur lesquels on écrit et lit en parallèle
  • deux fois plus coûteux ;
  • pas d’amélioration notable des performances.

RAID 4

Hypothèses : on dispose de n disques, tous de même structure. On introduit un disque de contrôle contenant la parité. Exemple :

D1: 11110000
D2: 10101010
D3: 00110011

Chaque bit du disque de contrôle donne la parité, pour le même bit, des autres disques :

DC: 01101001

⇒ permet la reprise sur panne en cas de défaillance d’un seul disque.

Performances du RAID 4

Lectures : elles s’effectuent de manière standard sur les disques de données ;

Répartition : le RAID 4 distribue les blocs sur les n disques, ce qui permet d’effectuer des lectures en parallèle.

Écritures il faut tenir compte des versions avant et après mise à jour d’un octet. Exemple :

avant : 11110000
après : 10011000
Octet de mise à jour : 01101000.

On doit inverser les bits 2, 3, 5 du disque de parité.

RAID 5 et RAID 6

Problème 1 du RAID 4 : n fois plus d’écritures sur le disque de contrôle.
Solution RAID 5 : les blocs de parité sont distribués sur les n+1 disque.

Exemple :
D1: 11110000
D2: 10101010
D3: 00110011
DC: 01101001

Problème 2 : et si deux disques tombent en panne en même temps ? RAID 6 :
un codage plus sophistiqué permet de récupérer deux défaillances simultanées.

Fichiers

Une base de données = un ou plusieurs fichiers.
Un fichier = un ou plusieurs blocs.
Le SGBD choisit l’organisation des fichiers :

1 - l’espace est-il bien utilisé ?
2 - est-il facile et efficace de faire une recherche ?
3 - est-il facile et efficace de faire une mise à jour ?
4 - les données sont-elles correctement représentées, et en sécurité ?

Tous les SGBD prennent en charge la gestion des fichiers et de leur contenu.

Enregistrements

Un enregistrement = une suite de champs stockant les valeurs des attributs.
Tailles variables et valeurs NULL

Si tous les champs sont de taille fixe et ont une valeur : pas de problème :

En pratique : certains champs ont une taille variable ou sont à NULL.

  • pour les champs de taille variable : on précède la valeur par la taille exacte ;
  • pour les valeurs NULL : on peut indiquer une taille 0 (Oracle) ; on peut créer un «masque » de bits.

La norme n’impose pas de choix, mais dans tous les cas il faut gérer une information complémentaire sur les enregistrements.

En-tête d’enregistrement

Les informations complémentaires sont stockées dans l’en-tête d’un enregistrement. Exemple :
  • table Film (id INT, titre VARCHAR(50), année INT)
  • Enregistrement (123, ’Vertigo’, NULL)


Le pointeur donne par exemple l’adresse du schéma de l’enregistrement (de la table).

Blocs et enregistrements
  • on essaie d’éviter qu’un enregistrement chevauche deux blocs ;
  • on veut envisager le cas où la taille d’un enregistrement varie ;
  • on affecte une adresse à un enregistrement pour pouvoir y accéder en une seule lecture ;
  • on détermine une méthode pour gérer un déplacement.
Les deux derniers problèmes sont particulièrement cruciaux pour l’indexation des enregistrements.

Enregistrements de taille fixe

Pour une taille de bloc B et d’enregistrement E, on a bB/Rc enregistrements par bloc ;

Exemple : B = 4096, E = 84,
enregistrements par bloc.
Le 563 est dans le bloc b563/47c+1 = 12,
Le bloc 12 contient les enregistrements 11×47+1 = 517 à 12×47 = 564 ;
le 563 est donc l’avant-dernier du bloc.

NB: on peut aussi le référencer par le fichier + le bloc + le numéro interne. Soit F1.12.46.

Enregistrements de taille variable
  • un enregistrement peut changer de taille, avec réorganisation interne du bloc
  • un enregistrement peut être déplacé.
Première solution indirection :



Solution intermédiaire
  • on a un adressage physique pour le bloc ;
  • au sein du bloc on a une indirection pour adresser les enregistrements.
Solution adoptée par Oracle.

Réorganisation du stockage

L’adressage indirect donne une certaine souplesse :

  • si un enregistrement s’agrandit, mais qu’il reste de la place dans le bloc :
    • On lit le bloc en mémoire (coût : 1 lecture)
    • On modifie l’organisation interne: l’enregistrement occupe une partie de la place libre ; les autres sont éventuellement déplacés localement ; la table d’adressage est modifiée (coût : 0!)
    • on écrit le bloc.
  • sinon on déplace l’enregistrement et on crée un chaînage dans l’en-tête du bloc.
La création de chaînage pénalise les performances ⇒si possible laisser de l’espace libre dans un bloc.

Exemple d’évolution avec chaînage

On agrandit deux fois successivement l’enregistrement F1.12.46.


Recherche dans un fichier

En l’absence d’index approprié, le seul moyen de rechercher un enregistrement est de parcourir séquentiellement le fichier.

La performance du parcours est conditionnée par :
  • la bonne utilisation de l’espace (idéalement tous les blocs sont pleins) ;
  • le stockage le plus contigu possible (même piste, même cylindre, etc).
On peut faire beaucoup mieux si le fichier est trié sur la clé de recherche (recherche par dichotomie).

Recherche par dichotomie

Algorithme (pour un fichier avec n blocs) :
  • On lit le bloc situé au milieu du fichier ;
  • Si on trouve l’enregistrement : terminé ;
  • Sinon on sait qu’il est soit à droite (si la clé cherchée est supérieure à celles du bloc) ou à gauche : on recommence en (1).
Coût (au pire) : nombre de fois où on peut diviser n en 2.
Soit le plus petit m tel que 2m ≥ n, donc m = dlog2 ne.

Mise à jour d’un fichier

Pour les UPDATE et DELETE : on se ramène à une recherche.
Pour les INSERT, problème : on ne peut pas se permettre de parcourir le fichier à chaque fois !

Première solution : liste doublement chaînée.



Seconde solution : garder une table des pages libres.


Avantage : on peut savoir facilement où trouver l’espace nécessaire.

Oracle

Principales structures physiques dans ORACLE:
  • bloc : unité physique d’E/S.
La taille d’un bloc ORACLE est un multiple de la taille des blocs du système sous-jacent.
  • Extension : ensemble de blocs contigus contenant un même type d’information.
  • Segment : ensemble d’extensions stockant un objet logique (une table, un index ...).
Le paramétrage du stockage des données (tables et index) est spécifié dans un tablespace

Tables, segments, extensions et blocs



Les blocs Oracle

La structure d’un bloc repose sur un adressage physique/logique, chaque enregistrement ayant une adresse interne.



Gestion de l’espace
  • PCTFREE donne l’espace libre à préserver au moment de la création d’une table ou d’un index.
  • PCTUSED indique à quel moment le bloc est disponible pour des insertions.
Oracle maintient un répertoire (?) des blocs disponibles pour insertions.

Exemple :
  • PCTFREE = 30% et PCTUSED=70%
  • PCTFREE = 10% et PCTUSED=80%
Le second choix est plus efficace, mais plus risqué et plus coûteux.

Stockage et adressage des enregistrements

En règle générale un enregistrement est stocké dans un seul bloc.

L’adresse physique d’un enregistrement est le ROWID :
  • Le numéro de la page dans le fichier.
  • Le numéro du n-uplet dans la page.
  • Le numéro du fichier.
Exemple : 00000DD5.000.001 est l’adresse du premier n-uplet du bloc DD5 dans le premier fichier.

Extensions et segments

L’extension est une suite de blocs contigus. Le segment est un ensemble d’extensions contenant un objet logique.

Il existe quatre types de segments :
  • Le segment de données.
  • Le segment d’index.
  • Le rollback segment utilisé pour les transactions.
  • Le segment temporaire (utilisé pour les tris).
Moins il y a d’extensions dans un segment, plus il est efficace.

Les tablespaces

Une base est divisée par l’administrateur en tablespace. Chaque tablespace consiste en un (au moins) ou plusieurs fichiers.

La notion de tablespace permet :
  • De contrôler l’emplacement physique des données. (par ex. : le dictionnaire sur un disque, les données utilisateur sur un autre) ;
  • de régler l’allocation de l’espace (extensions) ;
  • de faciliter la gestion (sauvegarde, protection, etc).

Exemple de tablespaces



Création de tablespaces

CREATE TABLESPACE TB1
DATAFILE ’fichierTB1.dat’ SIZE 50M
DEFAULT STORAGE (
INITIAL 100K, NEXT 40K, MAXEXTENTS 20,
PCTINCREASE 20);

CREATE TABLESPACE TB2
DATAFILE ’fichierTB2.dat’ SIZE 2M
AUTOEXTEND ON NEXT 5M MAXSIZE 500M
DEFAULT STORAGE (INITIAL 128K
NEXT 128K MAXEXTENTS UNLIMITED);

Maintenance d’un tablespace

Quelques actions disponibles sur un tablespace :
  • On peut mettre un tablespace hors-service.
ALTER TABLESPACE TB1 OFFLINE;
  • On peut mettre un tablespace en lecture seule.
ALTER TABLESPACE TB1 READ ONLY;
  • On peut ajouter un nouveau fichier.
ALTER TABLESPACE ADD DATAFILE
’fichierTB1-2.dat’ SIZE 300 M;

Affectation de tables à un tablespace

On peut placer une table dans un tablespace. Elle prend alors les paramètres de stockage de ce dernier.

On peut aussi remplacer certaines valeurs.

CREATE TABLE Film (...)
PCTFREE 10
PCTUSED 40
TABLESPACE TB1
STORAGE ( INITIAL 50K
NEXT 50K
MAXEXTENTS 10
PCTINCREASE 25 );

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