Практическая работа по теме:

"Подсистемы управления вводом/выводом Linux"
Для выполнения требуется доступ к Linux (рекомендуется использовать виртуальную машину или тестовый сервер).

---

Блок теории (краткое резюме предыдущего занятия)

Основные принципы организации ввода-вывода в Linux

1. Физические принципы:

   • Жесткие диски (HDD) состоят из пластин, головок, цилиндров и секторов.
   • Доступ к данным требует перемещения головки (seek time) и ожидания поворота диска (rotational latency).
   • SSD не имеют механических частей, поэтому seek time и rotational latency отсутствуют.

2. Логические принципы:

   • Ядро Linux использует блочную подсистему для работы с устройствами.
   • Запросы к дискам обрабатываются через очереди запросов (request queue), где они сортируются и объединяются.
   • VFS (Virtual File System) абстрагирует файловые системы, предоставляя единый интерфейс для приложений.

3. Алгоритмы планирования запросов:

   • CFQ (Completely Fair Queuing): Распределяет квоты времени между процессами для "справедливого" доступа к диску. Подходит для HDD.
   • Deadline: Гарантирует обработку запросов в течение заданного времени (deadline), минимизируя голодание процессов. Оптимален для серверов.
   • NOOP: Простая FIFO-очередь без сортировки. Используется для SSD или виртуальных дисков (меньше накладных расходов).
   • kyber/mq-deadline: Современные планировщики для многопоточных систем (актуально для новых ядер Linux).

4. Пути в sysfs:
   Параметры подсистемы ввода-вывода настраиваются через виртуальную файловую систему /sys/block/.

---

Практическая часть

Преподаватель демонстрирует действия, студенты повторяют в своих терминалах.

---

Задание 1. Просмотр текущего планировщика ввода-вывода

Цель: Узнать, какой планировщик используется для диска.

Шаги:

1. Определите имя диска (обычно sda, nvme0n1):

   lsblk

   Пример вывода:

   NAME        MAJ:MIN RM   SIZE RO TYPE MOUNTPOINT
   sda           8:0    0   100G  0 disk 
   ├─sda1        8:1    0   512M  0 part /boot
   └─sda2        8:2    0  99.5G  0 part /

2. Проверьте текущий планировщик для диска sda:

   cat /sys/block/sda/queue/scheduler

   Пример вывода:

   [mq-deadline] kyber bfq none

   • Квадратные скобки [ ] указывают активный планировщик.

Вопрос для студентов:

Почему для SSD рекомендуется использовать NOOP или mq-deadline, а не CFQ?

---

Задание 2. Смена планировщика ввода-вывода

Цель: Изменить планировщик на deadline и проверить результат.

Шаги:

1. Установите планировщик deadline для диска sda:

   echo deadline | sudo tee /sys/block/sda/queue/scheduler

   Примечание: Требуются права root.

2. Убедитесь, что планировщик изменился:

   cat /sys/block/sda/queue/scheduler

   Ожидаемый вывод:

   [deadline] mq-deadline kyber bfq none

Важно!

• Для SSD смена на noop может улучшить производительность:

  echo noop | sudo tee /sys/block/sda/queue/scheduler

---

Задание 3. Мониторинг активности диска с помощью iostat

Цель: Анализировать статистику ввода-вывода в реальном времени.

Шаги:

1. Установите утилиту sysstat (если не установлена):

   sudo apt install sysstat  # Для Debian/Ubuntu

2. Запустите мониторинг каждые 2 секунды:

   iostat -x 2

   Ключевые параметры:

   • %util — загрузка диска (100% = дисковый ствол).
   • await — среднее время ожидания запроса (мс).
   • svctm — среднее время обслуживания запроса (мс).

3. Выполните операцию с диском (например, копирование файла) и наблюдайте за изменениями:

   dd if=/dev/zero of=testfile bs=1G count=1

Вопрос для студентов:

Как изменятся значения await и %util при использовании deadline по сравнению с cfq?

---

Задание 4. Анализ параметров очереди запросов

Цель: Изучить настройки очереди ввода-вывода.

Шаги:

1. Просмотрите максимальный размер очереди (в секторах):

   cat /sys/block/sda/queue/max_sectors_kb

2. Узнайте текущую глубину очереди:

   cat /sys/block/sda/queue/nr_requests

3. Проверьте время "ожидания" для планировщика deadline:

   cat /sys/block/sda/queue/iosched/read_expire
   cat /sys/block/sda/queue/iosched/write_expire

   По умолчанию:

   • read_expire = 100 мс (макс. задержка для чтения),
   • write_expire = 5000 мс (макс. задержка для записи).

Эксперимент:

• Увеличьте read_expire до 500 мс и сравните задержки при чтении:

  echo 500 | sudo tee /sys/block/sda/queue/iosched/read_expire

---

Задание 5. Тест производительности с разными планировщиками (опционально)

Цель: Сравнить скорость работы диска с deadline и noop.

Шаги:

1. Установите утилиту fio (Flexible I/O Tester):

   sudo apt install fio

2. Запустите тест с планировщиком deadline:

   fio --name=randread --ioengine=libaio --rw=randread --bs=4k --numjobs=4 --size=256M --runtime=30 --time_based --group_reporting

3. Повторите тест для noop (предварительно сменив планировщик, см. Задание 2).

4. Сравните результаты (IOPS, latency).

---

Контрольные вопросы

1. Какой планировщик лучше использовать для HDD в системе с высокой нагрузкой на запись?
   Ответ: deadline (минимизирует задержки для записи).

2. Почему для SSD не рекомендуется использовать cfq?
   Ответ: cfq оптимизирован для HDD, из-за ненужной сортировки запросов снижает производительность SSD.

3. Как проверить, поддерживает ли ваше устройство многопоточную очередь (multiqueue)?
   Ответ:

   ls /sys/block/sda/mq

   Если каталог существует — поддерживается.

---

Рекомендации

• Все изменения в /sys/block/ временные (сбрасываются после перезагрузки). Для постоянной настройки используйте udev-правила или параметры ядра в /etc/default/grub.
• При работе с реальными серверами тестируйте планировщики в нерабочее время.

Готово! После выполнения работы студенты должны понимать, как управлять подсистемой ввода-вывода Linux и выбирать оптимальные настройки для разных типов дисков.