Prof. Dr. Frank Bellosa, Konrad Miller

Abstract:

Das Thema der vorliegenden Studienarbeit ist Festplatten Power Management. Ein signifikanter Energieverbraucher in einem modernen Laptop ist weiterhin die Festplatte. Diese Arbeit zeigt einen neuen Ansatz auf, wie der Energieverbrauch einer Festplatte gesenkt werden kann um die Akkulaufzeit zu verlängern.

Um Strom zu sparen kann die Festplatte in einen Schlafmodus (standby) versetzt werden, sobald ihre Dienste für den Moment nicht mehr benötigt werden. Die Problematik besteht nun darin, dass nicht bekannt ist, wann dies der Fall ist und ob es sich also lohnt die Festplatte schlafen zu legen. Denn wenn die Festplatte zu früh schlafen gelegt wird, kann dies sogar zu Stromverschwendung führen. Zudem hat jede Festplatte nur eine bestimmte Lebensdauer an Anfahrzyklen (50000-600000).

In dieser Arbeit werden zuerst die bereits vorhandenen Lösungen für diesen Problembereich vorgestellt, analysiert und in zwei Kategorien eingeteilt. Die Ansätze der ersten Kategorie beschäftigen sich vor allem mit der Frage, wann die Festplatte schlafen gelegt werden sollte – dafür wird versucht das Systemverhalten möglichst gut vorherzusagen.

Die zweite Möglichkeit Strom zu sparen, basiert darauf zu verhindern, dass die Festplatte wieder aus dem Schlafmodus aufgeweckt wird. Für Lesezugriffe gibt es hierbei eine Vielzahl an gut funktionierenden Lösungen, die auch in den meisten Betriebssystemen implementiert sind (Caching, Read-Ahead, ...). Für Schreibzugriffe existiert dagegen nur die Lösung die Schreibzugriffe zu verzögern. Durch die Verzögerung können im Falle eines Systemcrashs Daten verloren gehen. Beim Linux Laptop Mode – einer in der Praxis eingesetzten Lösung um Energie auf Laptops zu sparen – sind dies sogar ganze 10 Minuten Arbeit, die verlorengehen können.

Deshalb ist ein neuer Ansatz enstanden, diese Daten nicht vergänglich im Arbeitsspeicher zu verzögern, sondern auf einen nicht-flüchtigen Datenträger zu schreiben, wie z.B. einen USB Stick. Allerdings benötigen die vorhandenen Lösungen entweder spezielle Hardware oder erfordern so große Eingriffe ins Betriebssystem, so dass sie bisher keine breite Verwendung gefunden haben.

Der Beitrag dieser Arbeit schließt diese Lücke: Es wird ein neues Design vorgestellt, welches sich auf Block-Layer Ebene vor dem Festplattentreiber befindet. Diese Lösung kann als ganz normales ladbares Modul eingebunden werden und benötigt damit keinerlei tiefergehende Eingriffe ins System. Es kann auch im laufenden Betrieb eingebunden werden, da das Linux Device-Mapper Framework benutzt wird.

Im Anschluss werden die Probleme, die bei diesem Ansatz auftreten, diskutiert und Lösungen vorgeschlagen. Auf der Basis dieses Designs wird dann eine konkrete Implementierung vorgestellt.

Um die Ergebnisse zu validieren wird der Stromverbrauch quantitativ gemessen. Es kann gezeigt werden, dass im Vergleich zu Oracle (einer häufig verwendeten Basis) die Lösung in einem schlechten Fall nur 3% schlechter ist und in einem günstigen Fall sogar 12% besser. In jedem Fall aber benötigt Safe Laptop Mode viel weniger Anfahrzyklen als Oracle, was zu einer deutlich verlängerten Festplattenlebenszeit führt.

Safe Laptop Mode verbraucht im schlechtesten Fall 30% mehr Strom als der normale Linux Laptop Mode – und 10% im Besten. Dies liegt daran, dass der USB Stromverbauch auch im Idle Modus noch bei 0,1Watt liegt und es derzeit nur theoretisch möglich ist den USB Stick in einen Standby-Modus zu versetzen.

Außerdem zeigt die Auswertung der Benchmarks, dass weder Leistung, noch I/ODurchsatz, noch CPU-Overhead oder Speicherverbrauch gegenüber dem normalen Laptop Mode beinträchtigt werden.

Insgesamt gesehen erreicht die Arbeit ihr Ziel einen transparenten und einfach in bestehende Systeme integrierbaren Mechanismus bereit zu stellen, der es ermöglicht, Energie zu sparen, indem Schreibzugriffe verzögert werden ohne dabei aber Datenverlust zu riskieren.

BibTex:

@studythesis{franz10dm-relay,
  author = {Fabian Franz},
  title = {DM-Relay - Safe Laptop Mode via Linux Device Mapper},
  type = {Study Thesis},
  address = {System Architecture Group, University of Karlsruhe, Germany},
  month = apr # "~20",
  year = 2010,
  url = {http://os.ibds.kit.edu/97_1748.php}
}