Planificación de Discos en Linux

Tema del día: Planificación de Discos en el Kernel Linux

Objetivos

En esta clase trataremos de:

Ver cómo se superan las limitaciones de los algoritmos de de planificación de “libro”.

Ver cómo un sistema operativo real trata con los problemas de la planificación de discos.

Evaluar las ventajas y desventajas de cada algoritmo de planificación, así como sus aplicaciones.

Repaso... Usuario Archivo Registros Caché de Bloques Caché de Controladora Control de Acceso Método de Acceso Planif. de disco. Adm. de espacio libre. Buffers

Repaso...

Cómo trabaja un disco?

Un disco es un conjunto de bloques de datos.

Un disco tiene cabezas.

Los datos sólo pueden ser leídos cuando la cabeza está sobre ellos.

Mover los cabezales es MUY LENTO!

Una vez que el cabezal está posicionado el tiempo de la transferencia es muy pequeño.

Repaso...

Planificación de Discos

En caso de tener muchas solicitudes para el mismo disco, en qué orden las atendemos?

Qué objetivos persigue?

Maximizar el throughput.

Operaciones/seg., bytes/seg.

Lograr ecuanimidad.

Evitar la inanición.

Cuestiones de Tiempo Real.

Garantizar un determinado tiempo máximo de espera.

Qué Falta?

Los sistemas operativos dan prioridades a varios recursos:

Procesador.

Memoria.

Acceso a Red.

Pocos a los accesos a disco...

A tener en cuenta:

Las controladoras modernas poseen su propio sistema de colas y planificación.

Hay controladoras que pueden encolar hasta 512 solicitudes (una controladora SATA puede encolar entre 16 y 32 solicitudes).

Si hay colas en la controladora (TCQ, NCQ, etc.) los objetivos del planificador del S.O. pueden verse seriamente afectados...

Planificación en Linux

Historia

Kernels 1.x

Planificación??? Para qué???

Kernels 2.0 – 2.2 – 2.4

C-SCAN (con algunas variantes)

Kernels 2.6.X

Tres planificadores en tres años...

Noop, Anticipatory, Deadline, CFQ.

Es posible cambiarlos por cada dispositivo de bloques, e inclusive en tiempo de ejecución...

En la actualidad...

No-op

Deadline

Anticipatory (default 2.6.0 - 2.6.18)

Complete Fair Queuing (default >= 2.6.18)

# cat /sys/block/sda/queue/scheduler noop anticipatory deadline [cfq]

No-Op

Atiende las solicitudes a medida que llegan.

A pesar de ello, si llega otra solicitud adyacente, la une con la anterior.

Muy simple.

Útil para disp. sin tiempo de búsqueda.

Deadline

Es un C-SCAN con algunos agregados.

Cada solicitud tiene un deadline.

Si se vence el deadline de alguna solicitud la atiende inmediatamente.

Trata la lecturas y escrituras por separado (atiende el doble de lecturas que escrituras)

Deadline

Tiene varios parámetros:

fifo_batch (número de solicitudes en un batch)

read_expire , write_expire (en ms)

writes_starved (cuántas lecturas por escritura)

front_merges (si funde solicitudes al llegar)

Buena para aplicaciones de Tiempo Real.

Anticipatory Scheduling (AS)

Todas las características de Deadline, pero agrega anticipación.

Antes de atender una solicitud, la demora unos milisegundos, en espera de que llegue otra cercana.

El valor de la demora depende de lo rápido que sea el disco... Antes que tener el disco desocupado, podemos usar ese tiempo en la búsqueda... ;)

Tiene otras diferencias con Deadline:

La solicitudes en un lote se atienden con SCAN y no deben ser contiguas.

Se permiten búsquedas hacia atrás (de hasta 1Mbit) pero con el doble del costo.

No trata las lecturas y escrituras por separado, pero si las operaciones síncronas y asíncronas.

antic_expire (tiempo de espera)

read_expire , (deadline síncrono)

write_expire (deadline asíncrono)

est_time (estadísticas)

Mejora el tiempo de respuesta medio.

Completely Fair Queuing (CFQ)

Trata de ser ecuánime. Además soporta anticipación y deadliness.

Se da a cada proceso un tiempo (rodaja) en el cual puede hacer peticiones síncronas.

Todos los procesos comparten 17 colas para solicitudes de E/S asíncrona (una por cada prioridad). También tienen rodajas de tiempo, pero además un máximo de solicitudes.

Cada cola de solicitudes obtiene una rodaja de tiempo de acuerdo a su prioridad. Las rodajas se asignan usando una cola circular.

Dentro de cada rodaja las solicitudes se pueden fundir y son planificadas usando SCAN (con una penalización por volver).

Además demorará las próximas solicitudes en espera de más E/S de ese proceso (AS)

Disco AS + C-SCAN Round-R + Deadline Planif. Q1 Q2 Q3 Qn T-R

Complejo!

Da soporte a tiempo real.

Ecuánime y combate a los abusadores.

No admite inanición.

Sin contar a los procesos T-R.

Permite prioridades.

Aunque aún no está claro como asignarlas...

fifo_expire_(a)sync deadline (a)síncrono

slice_(a)sync rodaja de tiempo (a)síncrona

slice_async_rq máximo de peticio nes asinc.

quantum cantidad de peticiones por lote

Bibliografía

Esta clase puede ser ampliada viendo:

“ Linux Block IO: present and future”

Jens Axboe - July, 2004 Ottawa, Ontario Canada

Proceedings of the Linux Symposium

Wikipedia :)

http://en.wikipedia.org/wiki/Noop_scheduler

http://en.wikipedia.org/wiki/Deadline_scheduler

http://en.wikipedia.org/wiki/Anticipatory

http://en.wikipedia.org/wiki/CFQ

Jens Axboe presentando CFQ: http://lca2007.linux.org.au/talk/123.html

Gracias ! Ing. Gabriel E. Arellano [email_address] http://www.gabriel-arellano.com.ar/so/ (2008) Gabriel E. Arellano Permission is granted to copy, distribute and/or modify this document under the terms of the GNU Free Documentation License, Version 1.2 or any later version published by the Free Software Foundation; with no Invariant Sections, no Front-Cover Texts, and no Back-Cover Texts. The GNU Free Documentation License as applicable to this document can be found at: http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html