Evaristo Wychoski Benfatti Fernando Nunes Bonifácio ARMAZENAMENTO EM DISCO, ESTRUTURAS BASICAS DE ARQUIVOS E HASHING

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1 Evaristo Wychoski Benfatti Fernando Nunes Bonifácio ARMAZENAMENTO EM DISCO, ESTRUTURAS BASICAS DE ARQUIVOS E HASHING

2 CONTEÚDO Introdução Armazenamento de dados Dispositivo de armazenamento Buffering de blocos Disposição de registros de arquivos em disco Operações em arquivos Arquivos de registros desordenados (Heap Files) Arquivos Ordenados (Sorted Files) Técnicas de Hashing Outras organizações primárias de arquivos Acesso Paralelo em disco Usando RAID Área de armazenamento em Rede

3 CONTEÚDO Introdução Armazenamento de dados Dispositivo de armazenamento Buffering de blocos Disposição de registros de arquivos em disco Operações em arquivos Arquivos de registros desordenados (Heap Files) Arquivos Ordenados (Sorted Files) Técnicas de Hashing Outras organizações primárias de arquivos Acesso Paralelo em disco Usando RAID Área de armazenamento em Rede

4 INTRODUÇÃO As coleções de dados que compõe um banco de dados computadorizado precisam ser de alguma forma armazenadas em alguma mídia de armazenamento, para que assim os softwares SGBDs possam recuperar, atualizar e processar esses dados conforme necessário.

5 CONTEÚDO Introdução Armazenamento de dados Dispositivo de armazenamento Buffering de blocos Disposição de registros de arquivos em disco Operações em arquivos Arquivos de registros desordenados (Heap Files) Arquivos Ordenados (Sorted Files) Técnicas de Hashing Outras organizações primárias de arquivos Acesso Paralelo em disco Usando RAID Área de armazenamento em Rede

6 ARMAZENAMENTO DE DADOS Hierarquia de armazenamento Armazenamento primário cache, memória principal Armazenamento secundário disco rigido, CD, WORM, DVD, etc.

7 ARMAZENAMENTO DE DADOS

8 ARMAZENAMENTO DE DADOS Novas tecnologias - DVDs e fitas jukebox - provavelmente serão opções viáveis para o uso de discos magnéticos Discos magnéticos continuarão a ser a mídia de escolha primária para grandes bancos de dados por vários anos [Elmasri]

9 CONTEÚDO Introdução Armazenamento de dados Dispositivo de armazenamento Buffering de blocos Disposição de registros de arquivos em disco Operações em arquivos Arquivos de registros desordenados (Heap Files) Arquivos Ordenados (Sorted Files) Técnicas de Hashing Outras organizações primárias de arquivos Acesso Paralelo em disco Usando RAID Área de armazenamento em Rede

10 DISPOSITIVOS DE ARMAZENAMENTO Memória RAM (Random Access Memory) Memória de acesso aleatório Velocidade de transferência centenas de vezes superior à dos dispositivos de memória de massa Extremamente simples: um minúsculo capacitor, que quando está carregado eletricamente Volátil Módulos de memória são dividido em linhas e colunas.

11 DISPOSITIVOS DE ARMAZENAMENTO

12 DISPOSITIVOS DE ARMAZENAMENTO Memória cache Memórias não eram mais capazes de acompanhar a velocidade dos processadores Tipo ultra-rápido de memória que serve para armazenar os dados mais freqüentemente usados pelo processador Extremamente caro (chega a ser algumas centenas de vezes mais cara que a memória RAM convencional)

13 DISPOSITIVOS DE ARMAZENAMENTO Armazenamento em disco São utilizados para armazenamento de grande quantidade de dados Não voláteis. Na unidade de disco estão presentes: cabeçote de leitura/escrita, braço mecânico, atuador e controladora de disco Divisão física e divisão lógica

14 DISPOSITIVOS DE ARMAZENAMENTO

15 DISPOSITIVOS DE ARMAZENAMENTO Armazenamento em disco Divisão fisica (não tem como mudar) Trilhas Cilindros Setores Divisão lógica (formatação) Blocos Blocos são a unidade de transferência entre o disco e a memória principal

16 DISPOSITIVOS DE ARMAZENAMENTO

17 DISPOSITIVOS DE ARMAZENAMENTO Armazenamento em disco Operação de leitura/escrita move o cabeçote do disco para o bloco a ser transferido. Movimentos de rotação posicionam no setor apropriado. Um endereço físico de bloco de disco consiste de: número do cilindro número da trilha número do bloco

18 DISPOSITIVOS DE ARMAZENAMENTO Armazenamento em disco Desempenho baseado na medida de três tempos: Tempo de pesquisa Tempo de atraso rotacional (latência) Tempo de transferência de bloco Tempo de pesquisa e atraso rotacional são geralmente muitos maiores que o tempo de transferência do bloco

19 DISPOSITIVOS DE ARMAZENAMENTO Armazenamento em fitas magnéticas Dispositivos de armazenamento de acesso seqüencial Os dados são armazenados em cartuchos de fitas magnéticas Parecidas com as fitas de áudio e vídeo comuns Cada byte disposto de forma transversal na fita Acesso lento Utilizadas principalmente para backup

20 CONTEÚDO Introdução Armazenamento de dados Dispositivo de armazenamento Buffering de blocos Disposição de registros de arquivos em disco Operações em arquivos Arquivos de registros desordenados (Heap Files) Arquivos Ordenados (Sorted Files) Técnicas de Hashing Outras organizações primárias de arquivos Acesso Paralelo em disco Usando RAID Área de armazenamento em Rede

21 BUFFERING DE BLOCOS Diversos buffers podem ser reservados na memória principal para acelerar a transferência de dados Enquanto um buffer estiver sendo lido ou escrito a CPU pode processar os dados em outro. Útil para processos executados concorrentemente Buffering duplo: permite que leituras e escritas sejam realizadas de forma continua em blocos consecutivos no disco, eliminando assim o tempo de pesquisa e atraso rotacional

22 CONTEÚDO Introdução Armazenamento de dados Dispositivo de armazenamento Buffering de blocos Disposição de registros de arquivos em disco Operações em arquivos Arquivos de registros desordenados (Heap Files) Arquivos Ordenados (Sorted Files) Técnicas de Hashing Outras organizações primárias de arquivos Acesso Paralelo em disco Usando RAID Área de armazenamento em Rede

23 DISPOSIÇÃO DE REGISTROS DE ARQUIVOS EM DISCO Um arquivo é uma sequencia de registros Registro é uma coleção de valores de dados (itens de dados) Dois tipos de registros: tamanho fixo e tamanho variável Arquivos com mesmo tipo de registro e de tamanhos fixo facilitam a procura para SGBDs

24 DISPOSIÇÃO DE REGISTROS DE ARQUIVOS EM DISCO Um arquivo é uma sequencia de registros Registro é uma coleção de valores de dados (itens de dados) Dois tipos de registros: tamanho fixo e tamanho variável Arquivos com mesmo tipo de registro e de tamanho fixo facilitam a procura para SGBDs Arquivos com registros de campos de tamanho variável: Caracteres de separação ou campos de comprimento

25 DISPOSIÇÃO DE REGISTROS DE ARQUIVOS EM DISCO Registros são gravados em blocos Fator de blocagem (bfr): número de registros que podem ser armazenados em um bloco (B/R). Registros de arquivo podem ser spanned e não-spanned (unspanned) Spanned: um registro pode ser armazenado em mais de um bloco Não-spanned: registro não pode passar o limite do bloco

26 DISPOSIÇÃO DE REGISTROS DE ARQUIVOS EM DISCO Registro spanned são indicados para arquivos de registros de tamanhos variável. Registros não spanned são indicados para arquivos de registros de tamanhos fixo. Os blocos de disco que são alocados para armazenar os registros de um arquivo podem ser continuos, encadeados ou indexados. Um descritor de arquivo (cabeçalho de arquivo) tem informções que descrevem o arquivo, tais como: nomes dos campos e seu tipos de dados, endereços dos blocos no

27 CONTEÚDO Introdução Armazenamento de dados Dispositivo de armazenamento Buffering de blocos Disposição de registros de arquivos em disco Operações em arquivos Arquivos de registros desordenados (Heap Files) Arquivos Ordenados (Sorted Files) Técnicas de Hashing Outras organizações primárias de arquivos Acesso Paralelo em disco Usando RAID Área de armazenamento em Rede

28 OPERAÇÕES EM ARQUIVOS As operações em um arquivo podem ser: operações de recuperação operações de atualização Operações mais comuns Reset (Reinicializar): Reposiciona o ponteiro de arquivo, de um arquivo aberto, no seu inicio. Find ou Locate (Encontrar ou Localizar): Busca o primeiro registro que satisfaça a condição de pesquisa, transfere o bloco que tem a condição de pesquisa para um buffer de memória principal e faz o ponteiro de arquivo apontar para o registro no buffer, tornando-o o registro atual.

29 OPERAÇÕES EM ARQUIVOS Read ou Get (Ler ou Obter): Copia o registro atual do buffer para uma variável do programa de usuário. FindNext (Encontrar o próximo): procura o próximo registro no arquivo que satisfaça a condição de pesquisa, transferindo o bloco que contém aquele registro para o buffer da memória principal. Delete (Excluir): Exclui o registro atual e no final atualiza o arquivo de disco para refletir a exclusão. Modify (Modificar): Modifica alguns valores de campos do registro atual e no final atualiza o arquivo no disco para refletir a modificação.

30 OPERAÇÕES EM ARQUIVOS Insert (Incluir): Acrescente um novo registro no arquivo por meio da localização do bloco no qual o registro deve ser incluído, transferindo aquele bloco para o buffer da memória principal, escrevendo o registro no buffer e no final escrevendo o buffer no disco para refletir a modificação. Close (Fechar): Finaliza o acesso ao arquivo por meio da liberação dos buffers e da execução de quaisquer outras operações de limpeza necessárias.

31 CONTEÚDO Introdução Armazenamento de dados Dispositivo de armazenamento Buffering de blocos Disposição de registros de arquivos em disco Operações em arquivos Arquivos de registros desordenados (Heap Files) Arquivos Ordenados (Sorted Files) Técnicas de Hashing Outras organizações primárias de arquivos Acesso Paralelo em disco Usando RAID Área de armazenamento em Rede

32 ARQUIVOS DE REGISTROS DESORDENADOS (HEAP FILES) Também chamados de arquivos de pilha Novos registros são inseridos no final do arquivo Para procurar um registro é necessário uma procura linear através dos registros Inserção de registros é bem eficiente Ler os registros em ordem de acordo com um campo em particular exige a ordenação prévia dos registros do arquivo.

33 CONTEÚDO Introdução Armazenamento de dados Dispositivo de armazenamento Buffering de blocos Disposição de registros de arquivos em disco Operações em arquivos Arquivos de registros desordenados (Heap Files) Arquivos Ordenados (Sorted Files) Técnicas de Hashing Outras organizações primárias de arquivos Acesso Paralelo em disco Usando RAID Área de armazenamento em Rede

34 ARQUIVOS ORDENADOS (SORTED FILES) Também chamados de arquivo sequêncial Registros de arquivos são mantidos ordenados por de acordo com um valor um certo campo Inserção é custosa É comum manter um arquivo de overflow para agilizar as inserções É possivel fazer uma procura binária através do valor do campo de ordenação

35 CONTEÚDO Introdução Armazenamento de dados Dispositivo de armazenamento Buffering de blocos Disposição de registros de arquivos em disco Operações em arquivos Arquivos de registros desordenados (Heap Files) Arquivos Ordenados (Sorted Files) Técnicas de Hashing Outras organizações primárias de arquivos Acesso Paralelo em disco Usando RAID Área de armazenamento em Rede

36 HASHING A idéia do hashing é fornecer uma função h(x), chamada de função hash que, aplicada ao valor do campo de hash de um registro, gere o endereço do bloco de disco no qual o registro está armazenado.

37 HASHING INTERNO Hashing interno é normalmente implementada através de uma tabela hash por meio de um vetor de registros Suponha que o índice do vetor varie de 0 a M-1 Uma função típica para isto seria a função: h(k) = K mod M este valor será então usado como endereço do registro Funções hash não garantem endereços únicos Ocorrência de colisões

38 HASHING INTERNO Métodos para tratar colisões: Open Addressing (Endereço aberto) Encadeamento (Chaining) Hashing Múltiplo

39 HASHING EXTERNO Chama-se hash externo quando se trata de hashing para arquivos em disco O espaço de endereçamento alvo é constituído de buckets, Buckets são grupos de blocos de disco consecutivos. A função hash mapeia uma chave a um número de bucket Uma tabela, mantida no cabeçalho do arquivo, converte o número do bucket para o endereço de bloco de disco

40 HASHING EXTERNO

41 HASHING EXTERNO

42 HASHING Os dois esquemas de hashing descritos anteriormente são chamados de hashing estático, porque o número de buckets alocados é fixo. Isto representa um grande problema para arquivos dinâmicos. Hashing para lidar com arquivos dinâmicos tiram a vantagem de que a aplicação de uma função hashing gera um número inteiro não negativo, podendo ser representado como número binário

43 HASHING EXTENSÍVEL Mantém um vetor de 2 d endereços de buckets, onde d é chamado de profundidade global, que funciona como um tipo de diretório Uma profundidade local d', armazenada em cada bucket, especifica o número de bits no qual os conteúdos dos buckets são baseados O valor d pode ser aumentado ou diminuído uma unidade por vez, dobrando ou dividindo ao meio a capacidade

44 HASHING EXTENSÍVEL Uma inserção em um bloco que esteja cheio causa a divisão do bloco em dois novos blocos. Os registros são redistribuidos ao longo destes dois blocos. Precisa de dois acessos a blocos para localizar o registro desejado

45 HASHING LINEAR Permite que um arquivo hash expanda ou diminua seu número de buckets dinamicamente, sem necessitar de um diretório Funcionamento: Supomos que um arquivo comece com M buckets numerados de 0 a M - 1 e use a função hash h(k) = K mod M Quando uma colisão levar a um registro de overflow em qualquer bucket do arquivo, o primeiro bucket será dividido em dois buckets

46 HASHING LINEAR O novo bucket M será adicionado ao final do arquivo. Os registros originalmente posicionados no bucket 0 serão distribuídos entre os dois buckets segundo uma função hash diferente h i+1 (K) = K mod 2M À medida que ocorre overflow, todos os buckets originais do arquivo serão divididos, assim o arquivo passa a possuir 2M buckets ao invés de M

47 CONTEÚDO Introdução Armazenamento de dados Dispositivo de armazenamento Buffering de blocos Disposição de registros de arquivos em disco Operações em arquivos Arquivos de registros desordenados (Heap Files) Arquivos Ordenados (Sorted Files) Técnicas de Hashing Outras organizações primárias de arquivos Acesso Paralelo em disco Usando RAID Área de armazenamento em Rede

48 OUTRAS ORGANIZAÇÕES PRIMÁRIAS DE ARQUIVOS Nem sempre arquivos são compostos apenas de registros do mesmo tipo Em arquivos mistos vários tipos de entidade estão inter-relacionadas Esses relacionamentos podem ser representados por campos de conexão SGBSs orientados a objeto, SGBDs hierárquicos ou mesmo SGBDs em rede implementam relacionamentos entre registros por meio de relacionamentos físicos obtidos por meio de adjacência física dos registros (clustering) ou por ponteiros físicos.

49 OUTRAS ORGANIZAÇÕES PRIMÁRIAS DE ARQUIVOS Se o tamanho do registro quanto ao número de registros em um arquivo for pequeno, alguns SGBDs oferecem a opção de estrutura de dados de árvore B como organização primaria de arquivos.

50 CONTEÚDO Introdução Armazenamento de dados Dispositivo de armazenamento Buffering de blocos Disposição de registros de arquivos em disco Operações em arquivos Arquivos de registros desordenados (Heap Files) Arquivos Ordenados (Sorted Files) Técnicas de Hashing Outras organizações primárias de arquivos Acesso Paralelo em disco Usando RAID Área de armazenamento em Rede

51 ACESSO PARALELO EM DISCO USANDO RAID Tecnologia de armazenamento secundário deve tomar medidas para manter o desempenho e a confiabilidade de acordo com a tecnologia dos processadores. O maior avanço na tecnologia de armazenamento secundário é representado pelo desenvolvimento do RAID O principal objetivo do RAID é acabar com a grande diferença de performance dos discos magnéticos comparado às tecnologias da memória e dos processadores.

52 ACESSO PARALELO EM DISCO USANDO RAID A solução natural é usar um grande vetor de pequenos discos independentes atuando como um único disco lógico de maior desempenho Um conceito que usa o paralelismo para melhorar o desempenho de dados é chamado de striping O striping de dados distribui os dados de maneira transparente por múltiplos discos como se fosse um único disco grande e

53 ACESSO PARALELO EM DISCO USANDO RAID Foram definidas diferentes organizações de RAID com base em diferentes combinações de dois fatores de granularidade de dados e padrão utilizado para calcular a informação redundante RAID nível 0 (Striping ou Fracionamento): Dados são divididos em pequenos segmentos e distribuídos entre os discos Não existe redundância A distribuição dos dados entre os discos proporciona grande velocidade na gravação e leitura RAID nível 1 ("Mirroring" ou "Espelhamento"): Adiciona discos paralelos aos discos principais Os discos adicionados trabalham como uma cópia do original

54 ACESSO PARALELO EM DISCO USANDO RAID RAID nível 2: Adapta o mecanismo de detecção de falhas em discos rígidos (código Hamming) Todos os discos da matriz ficam sendo "monitorados" pelo mecanismo RAID nível 3: Os dados são divididos entre os discos da matriz, exceto um, que armazena informações de paridade Consegue oferecer altas taxas de transferência e confiabilidade das informações RAID nível 4: Divide os dados entre os discos, sendo que um é exclusivo para paridade A diferença com o nível 3, é que em caso de falha de um dos discos, os dados podem ser reconstruídos em tempo real através da utilização da paridade calculada a partir dos outros discos

55 ACESSO PARALELO EM DISCO USANDO RAID RAID nível 5: Semelhante ao nível 4 A paridade não fica destinada a um único disco, mas a toda a matriz A gravação de dados é mais rápida RAID nível 6: Também conhecido RAID Uma combinação dos níveis 0 (Striping) e 1 (Mirroring) Utiliza o bom rendimento do nível 0 com a redundância do nível 1

56 ACESSO PARALELO EM DISCO USANDO RAID

57 CONTEÚDO Introdução Armazenamento de dados Dispositivo de armazenamento Buffering de blocos Disposição de registros de arquivos em disco Operações em arquivos Arquivos de registros desordenados (Heap Files) Arquivos Ordenados (Sorted Files) Técnicas de Hashing Outras organizações primárias de arquivos Acesso Paralelo em disco Usando RAID Área de armazenamento em Rede

58 ÁREA DE ARMAZENAMENTO EM REDE Para as atuais organizações direcionadas para a Internet, tornou-se necessário mudar de uma operação com centro de dados (data center) fixo e estático para uma infra-estrutura mais flexível e dinâmica, dado seus requisitos de processamento de informação Grandes organizações estão adotando um conceito chamado Área de Armazenamento em Redes (SAN - Storage Area Networks) Em uma SAN, periféricos de armazenamento on-line são configurados como nós em uma rede de alta velocidade e podem ser conectados e desconectados dos servidores de maneira bastante

59 ÁREA DE ARMAZENAMENTO EM REDE SAN permite que os sistemas de armazenamento sejam posicionados a grandes distancias dos servidores e proporcionam diferentes opções de conectividade e de desempenho Algumas das alternativas de arquitetura para SAN: conexões 'ponto-a-ponto' entre servidores e sistemas de armazenamento por meio de canal de fibra óptica uso de um switch com canal de fibra para conectar múltiplos sistemas RAID bibliotecas de fitas etc. a servidores uso de hubs e switches com canal de fibra para

60 ÁREA DE ARMAZENAMENTO EM REDE As SANs têm crescido muito rapidamente, mas ainda enfrentam muitos problemas, tais como a combinação de opções de armazenamento de diferentes fornecedores e negociações envolvendo os padrões de software e hardware de gerenciamento e armazenamento

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