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최근 상용화된 NVMe SSD는 넓은 대역폭을 가진 PCI 버스를 이용하여 호스트 시스템과 통신하기 때문에 SATA SSD보다 높은 성능을 가진다. NVMe SSD는 입출력 요청을 큐잉하는 복수 개의 Submission Queue(SQ)를 가지고 있으며 NVMe SSD는 각각의 SQ에 있는 입출력 요청을 병렬적으로 처리할 수 있다. 그리고 고성능 ...

최근 상용화된 NVMe SSD는 넓은 대역폭을 가진 PCI 버스를 이용하여 호스트 시스템과 통신하기 때문에 SATA SSD보다 높은 성능을 가진다. NVMe SSD는 입출력 요청을 큐잉하는 복수 개의 Submission Queue(SQ)를 가지고 있으며 NVMe SSD는 각각의 SQ에 있는 입출력 요청을 병렬적으로 처리할 수 있다. 그리고 고성능 스토리지 환경에 맞추어 리눅스 커널의 블록 계층도 재설계되었다. 기존 리눅스 블록 계층은 싱글-큐-블록 구조로써 입출력 요청을 하나씩 순차적으로 스토리지에 제출한다. 이는 낮은 성능을 가지는 하드 디스크에 최적화된 구조이기 때문에 고성능인 SSD에는 적합하지 않다. 그래서 리눅스 블록 계층 내에서 복수의 대기 큐에 입출력 요청을 저장한 후 병렬적으로 SSD에 제출하는 멀티-큐-블록 구조가 제안되었다. 그러나 이러한 특성으로 인해 NVMe SSD를 탑재한 리눅스 멀티 프로세서 시스템은 문제점이 존재한다. 각각의 프로세서마다 독립적으로 입출력 요청을 큐잉하고 SSD에 제출하기 때문에 프로세서 간 우선순위를 고려할 수 없고 입출력 스케줄링을 수행할 수 없다.

본 논문에서는 NVMe SSD 스토리지를 사용하는 리눅스 시스템에서 각 프로세스의 우선순위를 반영하는 동시에 입출력 스케줄링을 수행하는 우선순위 지원 입출력 스케줄러를 제안한다. 우선순위 지원 입출력 스케줄러는 블록 계층 내에서 입출력 요청의 특성에 따라 SSD가 처리할 수 있는 입출력 요청의 개수를 제한한다. 따라서 우선순위가 높은 입출력 요청은 우선순위가 낮은 입출력 요청보다 더 많은 스토리지 자원을 가진다. 그리고 사용자는 읽기 요청의 응답성에 민감하기 때문에 SSD는 단위 시간당 쓰기 요청보다 더 많은 양의 읽기 요청을 처리하도록 하는 입출력 스케줄링을 제안한다. 각 입출력 요청이 SSD에 제출할 수 있는 제한량에 도달하면 블록 계층에서 큐잉되며 이후 SSD가 이전 입출력 요청의 처리를 완료한 이후에 큐잉된 입출력 요청을 처리한다.

입출력 집중적인 워크로드를 사용하여 실험한 결과, 우선순위가 가장 높은 워크로드가 가장 낮은 워크로드 대비 최대 4.9배 빠른 실행 시간을 가진다. 그리고 읽기 집중적인 워크로드가 쓰기 집중적인 워크로드보다 최대 84% 빠른 실행 시간을 가지는 것을 확인하였다.