13.3 Ограниченная пропускная способность

Современным системам часто необходим одновременный доступ ко многим данным. В частности, крупный FTP или HTTP-сервер может обслуживать тысячи одновременных соединений, поступающих по нескольким 100 Mbit/s каналам во внешний мир, что ощутимо превышает скорость передачи данных большинства дисков.

Современные диски могут передавать данные со скоростями до 70 MB/s; однако, эти цифры труднодостижимы в случае, когда к диску обращается большое число независимых процессов, каждый из которых может получить лишь часть этого значения. Интересным будет взглянуть на проблему с точки зрения дисковой подсистемы: важным параметром в нашем случае будет загрузка подсистемы фактом передачи фрагмента данных, а именно время, в течение которого диски, участвующие в передаче, будут заняты.

При любом запросе диск сначала должен спозиционировать головки, дождаться подхода к головкам первого сектора из необходимых, и лишь затем выполнить обращение. Данная операция может рассматриваться как атомарная: нет никакого смысла ее прерывать.

Рассмотрим типичный запрос на передачу 10 kB информации. Современные высокопроизводительные диски подводят головки в нужную позицию в среднем за 3.5 миллисекунды. Самые быстрые диски вращаются со скоростью 15000 об/мин, так что среднее время на подход первого сектора к головке (rotational latency, половина времени одного оборота) составит еще 2 миллисекунды. При линейной скорости передачи данных в 70 MB/s собственно чтение/запись займет около 150 микросекунд -- исчезающе мало по сравнению с временем позиционирования. В нашем случае, эффективная скорость передачи данных падает почти до 1 MB/s и, очевидно, сильно зависит от размера передаваемого блока.

Традиционным и очевидным решением этой проблемы является принцип ``больше шпинделей'': вместо использования одного большого диска можно применить несколько дисков меньшего размера. Диски позиционируют головки и передают данные независимо, так что эффективная пропускная способность возрастает примерно во столько раз, сколько дисков мы применяем.

Точная цифра, разумеется, будет несколько ниже: диски могут передавать данные параллельно, но у нас нет средства обеспечить строго равномерное распределение нагрузки по всем дискам. Нагрузка на один диск неизбежно будет больше чем на другой.

Равномерность распределения нагрузки на диски серьезно зависит от способа распределения по ним данных. В терминах дальнейшего обсуждения, будет удобно представить пространство хранения набором большого количества секторов с данными, которые адресуются по номеру, подобно страницам в книге. Наиболее очевидным методом будет поделить виртуальный диск на группы расположенных последовательно секторов размером с физический диск (которые будут подобны разделам книги). Этот метод называется конкатенацией или сцеплением (concatenation); его преимуществом является то, что он не налагает никаких ограничений на размеры применяемых дисков. Конкатенация эффективна, если нагрузка на дисковое пространство распределена равномерно. В случае концентрации нагрузки в малой области диска увеличение производительности не будет заметно. Организация секторов на сцепленных единицах хранения показана на Figure 13-1.

Альтернативным подходом будет разделение адресного пространства на компоненты одного, сравнительно небольшого размера, и расположение их последовательно на разных устройствах. Например, первая группа из 256 секторов будет расположены на первом физическом диске, вторая -- на следующем и т.д. n+1-я группа попадает на первый диск вслед за первой. Такое расположение называется перемежающимся (striping) или RAID-0. [1]. Перемежение требует дополнительных усилий для нахождения нужного блока данных и может приводить к дополнительным нагрузкам на подсистемы ввода-вывода, если передаваемый блок пересекает границу stripe (тем самым попадая на разные диски), зато обеспечивает более равномерное распределение нагрузки по физическим дискам. Распределение блоков по физическим дискам в случае striping иллюстрируется Figure 13-2.