Evaluación y Afinamiento de Sistemas Computacionales

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1 9. Rendimiento del Sub-Sistema de E/S (Discos) El subsistema de E/S es el área más lenta del sistema computacional, por lo cual su rendimiento afecta de forma importante el desempeño de la memoria virtual, los procesos con I/O intensivo, etc. En términos generales, se desea optimizar: El caudal de acceso por proceso. El caudal de todo el I/O del sistema. La eficiencia de almacenamiento. Como buenos objetivos de rendimiento, estos no son necesariamente realizables simultáneamente, y en algunos casos se contraponen. El acceso a disco desde el punto de vista de los usuarios puede tener una estructura secuencial, pero para el sistema como un todo, este es distribuido en diferentes discos y zonas dentro de los mismos. Así, el criterio más importante será aquel que mejor adecúe al sistema a las necesidades de la organización. Si procesos importantes realizan accesos secuenciales y éstos son una fracción importante del caudal total de disco, optimizar el caudal por proceso es el criterio más adecuado. MARIO DROGUETT C. ESCUELA DE INGENIERÍA PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILE 9-1

2 Si el mix de I/O es variado, se puede optimizar el caudal total... o definir sistemas de archivo para cada tipo de trabajo. La eficiencia de almacenamiento es, por otro lado, incompatible con el caudal de I/O. En general, a mayor eficiencia de almacenamiento menor caudal de I/O. Nuevamente, podemos definir sistemas de archivos para cada objetivo. 9.1 Dispositivos de Almacenamiento El almacenamiento requiere el uso de uno o más dispositivos de control de periféricos, y de dispositivos de almacenamiento conectados a ellos. Es así que la disquetera es conectada a través de un FDC (Floppy Disk Controller), que en general está integrado en un MIOC (Multy Input Output Controller). Todos estos dispositivos son accedidos a través del BIOS (Basic Input Output Services) que provee la placa madre del equipo (a través de su ROM), los cuales interactúan con la ROM del controlador respectivo. El Sistema Operativo puede proveer soporte de más alto nivel a estos servicios, reemplazarlos o extenderlos. El siguiente esquema presenta una visión global del IO de un sistema: MARIO DROGUETT C. ESCUELA DE INGENIERÍA PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILE 9-2

3 A continuación revisaremos parte de la tecnología de Discos Duros disponible actualmente en el mercado, incluyendo controladores y sistemas de almacenamiento Controladores En la tecnología de controladores de dispositivos revisaremos tres tipos principales: IDE, EIDE y SCSI IDE El controlador IDE permite utilizar sobre el mismo BUS hasta dos dispositivos, en un esquema Maestro - Esclavo. Bajo este sistema sólo un disco accede al par BUS Controlador (técnicamente se habla de Canal) en un instante de tiempo, y para acceder, el disco maestro debe ceder el canal al esclavo. IDE sólo soporta Discos. MARIO DROGUETT C. ESCUELA DE INGENIERÍA PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILE 9-3

4 Se conecta en BUSES ISA o EISA, por lo cual puede llegar a operar en 32 bits, a 8 MHz. Entregando tasas de transferencia de hasta 4 Mbyte por segundo. Maestro IDE Esclavo ISA o EISA EIDE Este controlador incluye 2 Canales, su arquitectura provee soporte para 4 dispositivos, 2 en cada canal en un esquema Maestro - Esclavo. Se conecta en BUS LOCAL (VESA o PCI) lo que permite un acceso a 32 bits (hasta 64 en PCI) de alta velocidad. Su tasa de transferencia alcanza hasta 16 Mbyte por segundo. Provee PIO/DMA (Physical Input Output / Direct Memory Access) para accesos masivos a alta velocidad. Los dispositivos pueden ser IDE o EIDE. EIDE soporta sólo Discos. MARIO DROGUETT C. ESCUELA DE INGENIERÍA PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILE 9-4

5 Maestro Esclavo EIDE Maestro ISA, EISA, VESA o PCI Esclavo SCSI SCSI (Small Component System Interface) opera en un canal base sobre el cual pueden existir hasta 7 dispositivos (el controlador es uno de los dispositivos del canal). Existen múltiples variaciones sobre un patrón base, como características de los proveedores, por ejemplo, existen controladores bi canal que soportan hasta 13 dispositivos (el mismo controlador es dispositivo en ambos canales. Las tasas de transferencia van desde los 1.5 Mbyte/s a los 20 Mbyte/s. El controlador SCSI soporta disqueteras, CD ROMS, Arreglos de Discos, SCANNERS, Unidades de Respaldo (DAT, CARTRIDGE, Etc.), y Discos con interfaz SCSI. MARIO DROGUETT C. ESCUELA DE INGENIERÍA PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILE 9-5

6 La siguiente tabla resume las principales características de los controladores SCSI. Denominación BUS Transferencia Otros SCSI I 8 Bits 1.5 MBYTE/S Decae al aumentar el N de dispos. SCSI II 8 a a 20 MB/S FAST SCSI II 8 a a 20 MB/S 8 Bits NARROW, 16 Bits WIDE. SCSI III 8, 16 y 32 Bits Soporte para + de 7 dispos. por canal. La siguiente figura presenta un esquema de BUS SCSI. MARIO DROGUETT C. ESCUELA DE INGENIERÍA PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILE 9-6

7 Terminador ID 1 ID 2 ID 3 ID 4 ID 5 ID 6 HOST SCSI ID 7 ISA, EISA, VESA o PCI Discos Magnéticos La tecnología de discos magnéticos ha tenido poca variación en los últimos años. Básicamente, un disco esta formado por uno o más platos concéntricos sobre un eje común. La superficie de los platos (de material magnético) es recorrida por un cabezal de lecto escritura por superficie, los cuales comparten un brazo de posicionamiento. La siguiente figura muestra un esquema general de un disco de múltiples platos. MARIO DROGUETT C. ESCUELA DE INGENIERÍA PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILE 9-7

8 Para ubicar un dato, el controlador del disco determina el cilindro dónde este se encuentra (se llama cilindro al conjunto de pistas concéntricas a que accede el grupo de cabezas lectoras simultáneamente) y desplaza el brazo de cabezales a esa posición (SEEK). Luego, espera a que el disco rote (LATENCIA) hasta que el dato a leer o escribir pasa bajo el cabezal lector y finalmente opera el dato. La organización de la información en el disco se realiza por cilindros, y cada pista de cada cilindro esta dividida en sectores. Estos sectores son numerados por columnas dentro de cada cilindro. En un mismo plato cada sector esta separado del contiguo por un mini sector de control, el cual entrega al hardware del disco información del sector siguiente. MARIO DROGUETT C. ESCUELA DE INGENIERÍA PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILE 9-8

9 Sector Pista Control Para afinar el acceso eficiente a las columnas consecutivas en una pista se utiliza el concepto de espaciamiento entre sectores. Dado que al terminar de leer una columna se requiere tiempo para la transferencia de dicha información, la columna inmediatamente siguiente ya habría pasado bajo la cabeza lectora cuando el hardware del disco estuviera listo para leerla, así sería necesario esperar una rotación completa del disco para leer la columna solicitada. Esto se controla definiendo el número de sectores entre columnas consecutivas, de modo tal de minimizar la espera por rotación del disco. La tecnología de discos ópticos y magneto ópticos opera bajo los mismos supuestos, variando sólo el medio de almacenamiento. En lugar de material magnético de baja densidad se utiliza material magnético de alta densidad activado por laser y/o marcas de alta densidad sobre una superficie plástica. MARIO DROGUETT C. ESCUELA DE INGENIERÍA PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILE 9-9

10 9.2 Configuración del Hardware de I/O. La idea general es distribuir el trabajo. Si el controlador soporta 2 canales, distribuir los discos del controlador entre los canales. Si el I/O es crítico, existen arquitecturas como Multibus II, VMEbus, UltraFastWideSCSI-II y otras que soportan más de 40 mb/s. Nuevos controladores basados en fibra entregan caudales mayores. Los discos envían hasta 6-3 Mb/s a 8bits, 12-6 Mb/s a 16bits. Parámetros importantes en los discos son: Seek Time (mínimo, promedio y máximo) Rotational speed (3.600 RPM y discos nuevos a RPM o más) MARIO DROGUETT C. ESCUELA DE INGENIERÍA PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILE 9-10

11 Raw transfer rate Otro punto importante, pero sobre el cual existe muy poco control es la capacidad y eficiencia del disco por su formato. En términos generales, con respecto al disco, lo más importante es el seek time y el número de platos. 9.3 Sistemas RAID Los sistemas RAID corresponden a un "Arreglo Redundante de Discos Baratos". Estos están normalmente basados en interfaces SCSI (normalmente multicanal) las que proveen por hardware diferentes configuraciones para acceder a los discos, cada una de las cuales entregan características de capacidad, desempeño y tolerancia a fallas. MARIO DROGUETT C. ESCUELA DE INGENIERÍA PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILE 9-11

12 Todas las configuraciones son complementadas con memoria cache en el controlador para proveer mayor desempeño con latencias de lectura y escritura cercanas a cero. Algunos sistemas operativos (Windows NT por ejemplo) y administradores de bases de datos (Oracle, Sybase e Informix) proveen algunos servicios (típicamente Stripping y Mirror) por software, estos no se recomiendan desde el punto de vista del desempeño, si es que es posible proveerlos por hardware. Las principales configuraciones de un RAID se presentan a continuación: JBOD: Just a Bunch of Disk: Solo un montón de discos, corresponde a la configuración no RAID, cada eje en el controlador es visible como un disco independiente para el sistema. MARIO DROGUETT C. ESCUELA DE INGENIERÍA PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILE 9-12

13 RAID0: Data Stripping: Particionamiento de la data en los discos de la torre. No provee tolerancia a falla, el caudal de I/O se incrementa linealmente al agregar discos hasta la saturación del canal, el mejor desempeño se obtiene sobre I/O Random. RAID1: Drive Mirroring: Espejamiento de Discos. La capacidad de la torre es la mitad de la suma de los discos que la componen (número par de discos, naturalmente). El desempeño en lectura es similar al de RAID0, ya que las copias pueden ser accedidas en forma independiente, sin embargo, el desempeño en escritura es muy inferior (como el de un RAID 0 con la mitad de los discos), ya que se debe escribir simultáneamente en cada copia. En general, RAID1 entrega el mejor desempeño con tolerancia a fallas, en la mayor parte de los controladores, al costo de 50% de la capacidad de almacenamiento. RAID4: Data Guarding: Protección de Datos, el controlador de discos usa un disco dedicado, llamado disco de paridad, para almacenar información codificada. La capacidad de la torre es reducida en un disco por torre, en contraste con el 50% del RAID1. El desempeño de lectura se comporta como RAID0 con un disco menos, en escritura (una vez que el cache se llena), y ya que toda la información de paridad es mantenida en un solo disco, se puede realizar sólo una escritura simultáneamente. Así, en el peor caso, RAID4 en escritura se comporta como un solo disco. En general RAID4 se recomienda sólo en aplicaciones con una alta tasa de lectura sobre escritura (90:10) y MARIO DROGUETT C. ESCUELA DE INGENIERÍA PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILE 9-13

14 con trasferencias de gran tamaño por operación (más de 128KByte por bloque). RAID5: Distributed Pariry: Paridad Distribuida, el controlador de disco distribuye la paridad codificada de los datos entre todos los ejes en la torre, al igual que en RAID4 la capacidad de la torre se reduce en un disco. El desempeño de lectura es equivalente al de un RAID0 con un disco menos, en escritura (después de que el cache se llena) se alcanza un desempeño similar al de RAID1, ya que cada lectura requiere de dos discos para completarse (data y paridad) y así la tasa de escritura se reduce (en el mejor caso) a la mitad de RAID0. En general RAID5 se recomienda para aplicaciones con una alta tasa de lectura sobre escritura (75:15) y un bloque promedio de escritura que permita que el controlador escriba en paralelo en dos discos por cada operación de I/O (16KBytes o menos). Algunos controladores soportan como alternativa conveniente la configuración RAID0+1 (stripping más mirror), como una buena alternativa en desempeño y confiabilidad. Visto todo lo anterior configurar RAID5 para manejar todas las necesidades de I/O de un sistema parece ser la opción más sencilla, pero naturalmente no siempre es la mejor decisión. El impacto en el desempeño puede ser sustancial si se consideran las características de desempeño de cada tipo de RAID MARIO DROGUETT C. ESCUELA DE INGENIERÍA PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILE 9-14

15 con los patrones de la carga de trabajo que debe soportar. Por ejemplo, un NT con Exchange Server contiene archivos de escritura intensivos (secuencial) y archivos de acceso aleatorio. En lugar de utilizar RAID5 para ambas actividades podemos separar los de escritura intensiva en un RAID1, y los demás en RAID5, así mejoramos el desempeño del sistema completo, manteniendo un adecuado nivel de tolerancia a fallas y diponibilidad. Para identificar que archivos ubicar donde puede utilizar el NT puede utilizar el Performance Monitor en conjunto con el Freeware Filemon.exe de Systems Internals, disponible en La idea es ejecutar Filemon en los períodos de uso intensivo de forma de identificar los archivos específicos que son accedidos en cada disco. Use el Performance Monitor para conocer la carga de cada disco y así decidir, con los datos de Filemon, que mover a donde (recuerde que en NT puede destruir el sistema si los archivos no son movidos según los requerimientos de la aplicación que los utiliza). 9.4 Particiones de disco El uso de particiones apunta a los siguientes objetivos. MARIO DROGUETT C. ESCUELA DE INGENIERÍA PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILE 9-15

16 Minimizar el daño ante fallas Organización y Adecuación Desde el punto de vista del kernel, el disco es visto como un conjunto de cilindros concéntricos. Una partición es un grupo de cilindros consecutivos. Unix BSD no permite definir particiones distintas al standard, definidas en /etc/disktab, pero estos son lo suficientemente flexibles para la mayoría de los casos. La distribución exacta de las particiones depende del vendedor de S.O. y del disco, pero en general corresponden. MARIO DROGUETT C. ESCUELA DE INGENIERÍA PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILE 9-16

17 En BSD las convenciones para el uso de las particiones son: En el disco 0 la partición a es root filesystem En el disco 0 la partición b siempre es swap El uso de c depende del fabricante (SunOs) La idea general es tener particiones separadas para. /usr /usr/spool /tmp En unix system V, el sistema permite al usuario definir sus particiones y asignarles (indicando su tamaño por cilindro de inicio/fin). Como regla general se recomienda particiones discos iguales de igual forma, y en discos distintos tratar de MARIO DROGUETT C. ESCUELA DE INGENIERÍA PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILE 9-17

18 observar una ortogonalidad en la asignación de tamaños. La idea es poder mover el contenido de las particiones entre discos a un mínimo costo. MARIO DROGUETT C. ESCUELA DE INGENIERÍA PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILE 9-18

19 9.5 Tipos de Sistemas de Archivos Principalmente, en UNIX existen dos tipos de sistemas de archivos, locales, que afectan el rendimiento. S5 o System V file system UFS, BFS o BSD S5 El sistema de archivos tipo S5 utiliza la partición completa según el siguiente esquema: Boot Block Super Block Inode Data Blocks Cada archivo del S5 está apuntado por un i-nodo el cual contiene punteros a los esquemas de datos del archivo. MARIO DROGUETT C. ESCUELA DE INGENIERÍA PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILE 9-19

20 El costo de acceso para archivos muy grandes es altísimo, aun cuando estos no son comunes. Qué tamaño se requiere para llegar a la 3ra indirección? La administración de la free list es compleja UFS Existen 2 cambios principales, el uso de grupos de cilindros al interior de la partición, y el uso de bloques de fragmentación. La partición se distribuye de la siguiente manera: MARIO DROGUETT C. ESCUELA DE INGENIERÍA PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILE 9-20

21 Los i-nodos son similares (sin 3ª indirección) pero para los bloques se define un tamaño y un tamaño de fragmentación. La idea es que si un bloque no se utiliza completo puede ser usado por otro i-nodo. En general, es preferible UFS por: Uso del espacio Confiabilidad Características de links simbólicos y cuotas MARIO DROGUETT C. ESCUELA DE INGENIERÍA PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILE 9-21

22 9.5.3 Creación y Mantención de Sistemas de Archivos Objetivos a considerar: Distribución de la carga Administrar grupos similares en S.A. similares. Ajustar tamaño de bloque a los archivos almacenados. Aumentar la confiabilidad. Facilitar respaldos. En general se prefiere un tamaño de bloque grande para particiones que contienen ejecutables. Si el S.A. se dedica al desarrollo de aplicaciones se recomienda un tamaño de bloque pequeño. El óptimo para S.A. de datos depende de los datos. Mix de archivos Tipo de acceso En S5 el tamaño de bloque se recomienda a 1024, en ufs varía... en 4kb y 64kb... y ajustando el tamaño de fragmentación. MARIO DROGUETT C. ESCUELA DE INGENIERÍA PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILE 9-22

23 Los parámetros del S.A. se definen cuando es creado: Mkfs Newfs Tunefs } destructivos Mkfs y Newfs requieren un backup para modificar los parámetros del S.A. UFS: S5: # newfs - s /dev/rdisk2e cdc b:bloq /*def. = 8192 */ # mkfs /dev/rdsk/c1do b 2048 Ojo con el número de inodos. En general el default es un i-nodo por cada 2kb de almacenamiento. El tamaño promedio de un i-nodo es 200 bytes MARIO DROGUETT C. ESCUELA DE INGENIERÍA PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILE 9-23

24 Todos los archivos, directorios, links, socket, pipe, etc requieren de un i-nodo. Otra forma es un i-nodo por cada 4 unidades de almacenamiento. Para cambiar el número de i-nodos se debe utilizar mkfs o newfs. En ufs se puede definir el delay rotacional... Para controlar la fragmentación en ufs se asocia un parámetro: min free space. Además, se puede definir la optimización del S.A. Space (min frag.) Time Ej. : # umount /... # tumefs -m12 -o time /... # mount Para eliminar completamente la fragmentación se debe recrear el S.A. MARIO DROGUETT C. ESCUELA DE INGENIERÍA PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILE 9-24

25 En S5 se puede solicitar a fsck que reconstruya la freelist. # init -S # umount /... # fsck -S # reboot Nuevamente, para eliminar la fragmentación se debe reconstruir el S.A. Es necesario recordar que la fragmentación es un problema en el tiempo Respaldos Políticas Objetivos Preguntas / Respuestas Una estrategia MARIO DROGUETT C. ESCUELA DE INGENIERÍA PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILE 9-25

26 9.7 Carga de Trabajo en el Disco(s) El trabajo que soportan los discos es entregado por: Acceso raw al disco Acceso por buffers Paginación y swap Sincronismo De las herramientas obtenemos información de cómo se comporta el disco, su uso frente a otros discos y el principal tipo de acceso que presenta pero... No sabemos de cual partición del disco se trata No sabemos quién hace los accesos. MARIO DROGUETT C. ESCUELA DE INGENIERÍA PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILE 9-26

27 paginación o swap? buffening? En el caso de BSD no tenemos acceso a más información ( aplicaciones?) Por lo cual se debe utilizar información de conocimiento del sistema. Si bien es posible obtener información de paginación y swap a través de vmstat, no existe forma de obtener información del comportamiento de los buffers del sistema o de las estadísticas de system calls (read y write). En este ambiente sólo podemos computar los requerimientos de consumo de la carga de trabajo (sa) e investigar hacia que disco están dirigidos. La idea es conocer la fracción de I/O de cada usuario hacia cada disco, distinguiendo, cuando sea posible, el acceso a través de block-device y raw-device. MARIO DROGUETT C. ESCUELA DE INGENIERÍA PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILE 9-27

28 Estimando el consumo dado por la paginación (pagein v/s demand-page in y el swap, las estadísticas de los usuarios y las estadísticas de los discos podemos definir el cambio general que sigue al I/O. Dependiendo de la información disponible, y haciendo cuadrar es que podemos estimar la infomación faltante. La idea es que, cuando el modelo esta validado, i.e. los consumidores en c/disco están individualizados, podemos tomar decisiones adecuadas sobre cómo balancear la carga de c/disco. El buffer cache es importante en sistemas pre-svr4 y BSD, luego la estimación correcta de su efectividad es un punto importante. MARIO DROGUETT C. ESCUELA DE INGENIERÍA PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILE 9-28

29 Una efectividad del BC de menos de un 85% en lectura y 75% en escritura puede sugerir un aumento en su tamaño, más de 95% en lectura y 85% en escritura podría permitirnos reducir su tamaño. Es necesario también considerar los buffers que pueden utilizar algunas aplicaciones como los servidores de bases de datos. Si la aplicación no entrega estadísticas de su I/O y de su cache podemos estimar esos valores al conocer el caudal de I/O a través de las estadisticas de system calls (sar c). En sistemas tipo SV podemos utilizar para nuestros cálculos las estadísticas entregadas por. Acctcom i Sar bdpge Recordamos que los sync automáticos están definidos por una variable de configuración del sistema. BDFLUSR (FSFLUSHR) daemon NAUTOUP edad MARIO DROGUETT C. ESCUELA DE INGENIERÍA PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILE 9-29

30 Otras técnicas importantes son los STRIPED FILESYSTEMS y en algunos sistemas el uso de RAMDISK. Todo lo anterior apunta a la optimización del acceso, respecto de espacio, nuestras herramientas son: Df Swap l Du El sistema de cuotas es de gran ayuda para conservar el espacio disponible... y por otro lado es importante hacer limpieza regularmente. 9.8 Sistemas Paralelos y I/O Cómo afecta la disponibilidad de múltiples CPUs al rendimiento del disco? Arquitecturas simétricas (SMP) Procesos y threads Las arquitecturas SMP permiten que cualquier código pueda ser ejecutado en cualquier CPU. MARIO DROGUETT C. ESCUELA DE INGENIERÍA PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILE 9-30

31 El scheduler asigna los procesos a las CPU desde las colas del sistema. El proceso que hace I/O se bloquea. Bases de Datos? Los threads son como sub tareas de un proceso. Las arquitecturas que usan T. permiten que al realizar I/O se bloquee sólo el T. y no el proceso. En sistemas SMP los T pueden ejecutar en distintas CPU. MARIO DROGUETT C. ESCUELA DE INGENIERÍA PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILE 9-31

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