[논문]SSD 캐시를 이용한 RAID의 에너지 절감 기법

이효정; 김은삼; 노삼혁

SSD 캐시를 이용한 RAID의 에너지 절감 기법
Energy Conservation of RAID by Exploiting SSD Cache 원문보기

정보과학회논문지. Journal of KIISE. 컴퓨팅의 실제 및 레터, v.16 no.2, 2010년, pp.237 - 241

이효정 (홍익대학교 컴퓨터공학과) , 김은삼 (홍익대학교 컴퓨터공학과) , 노삼혁 (홍익대학교 컴퓨터공학과)

초록
AI-Helper

최근 서버시스템 에너지 절감이 중요하게 대두되고 있다. 서버시스템에서 스토리지는 에너지 사용량이 매우 큰 서브시스템이지만, RAID와 같은 스트라이핑 기법과 하드디스크의 물리적 특성 때문에 실용적인 에너지 절감기법 개발에 어려움이 따른다. 본 연구팀의 관찰에 따르면 데이터 센터에서 전체 데이터 셋의 크기에 비해 하루 또는 몇 시간과 같이 짧은 기간의 풋프린트는 매우 작다. 본 논문은 이러한 관찰에 기반하여 SSD를 그러한 풋프린트를 감당하기 위한 커다란 캐시로 활용하여 에너지를 절약하는 새로운 아키텍처와 기법을 제안한다. 제안된 기법을 Linux 환경에서 네 개의 하드디스크와 한 개의 SSD로 구성된 RAID5에 구현하고 전력 사용량 측정 장치를 이용해 실제 전력 소모량을 측정한 결과 널리 사용되는 서버 트레이스에서 최대 14%의 저장장치 에너지 절감 효과를 얻었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Energy conservation of server systems has become important. Though storage subsystem is one of the biggest power consumers, development of energy conservation techniques is challenging problem due to striping techniques like RAID and physical characteristics of hard disks. According to our observation, the size of footprint for a day or for hours is much smaller compared to the size of whole data set. In this paper, we describe a design of a novel architecture for RAID that uses an SSD as a large cache to conserve energy by holding such a footprint. We incorporate these approaches into a real implementation of a RAID 5 system that consists of four hard disks and an SSD in a Linux environment. Our preliminary results in actual performance measurements using the cello99 and SPC traces show that energy consumption is reduced by a maximum of 14%.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

일치하지 않는 경향이 있다. 따라서 본 논문에서는 실제 구현을 하고 실험을 수행하여 시스템이 소모하는 전력을 전력계측계를 이용해 측정하는 방식을 택했다.
하드웨어 RAID에서도 구현 가능한 기법이다. 본 논문에서는 Linux 커널에 들어있는 md드라이버를 이용한소프트웨어 RAID에 본 기법을 구현하고 실험하였다. RAID구성은 SCSI 인터페이스를 사용하는 것이 보다일반적이고 더 높은 성능을 기대할 수 있지만, SCSI 기반의 SSD를 시장에서 구매하기 어렵기 때문에 SATA 인터페이스를 사용하여 환경을 구축하였다.
본 논문에서는 이러한 현재의 환경에서 SSD를 RAID 의 커다란 캐시로 사용하여 성능 저하를 최소화 하면서에너지를 절약할 수 있는 구조를 제안한다. 또한 선반입을 수행하여 SSD가 최대한의 요청을 수행하도록 하기위한 기법에 대해 기본적인 실험결과를 제공한다.
본 연구는 관찰 내용을 기반으로 SSD를 커다란 캐시로 활용하여 넓은 범위에서 유지되는 풋프린트를 최대한 SSD에 담아 하드디스크를 최대한 스탠바이 상태로유지시킬 수 있는 시스템을 제안한다. 그림 2는 본 연구에서 제안하는 시스템의 개념적 구조를 보여준다.
본 연구에서는 SSD를 RAID의 캐시로 활용하여 에너지를 절감하는 기법을 제안하였다. 본 연구에서 제안하는 시스템을 활용할 경우 비교적 단순한 기법을 통해 최대 14%의 에너지 절감을 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.
본 절에서는 본 연구에서 제안하는 기법의 성능에 대해 실험환경, 구현 내용과 그 결과를 통해 기술한다
본 절에서는 스토리지 전력 소모를 감소하는 기법에 대한 관련 연구들을 살펴보고 본 논문에서 사용하는 하드웨어인 SSD의 특성을 기술한다.
기존에 널리 쓰이는 미리 읽기 방식의 선반입은 이러한 구조에서 적절하지 않음을 확인할 수 있다. 이 결과와 분석을 통해 장치 특성을 고려할 때 선반입 기법이 일반적인 캐시 계층구조 상에서의 선반입과 어떻게 달라져야 하는지에 대해 논한다.

제안 방법

본 논문에서는 Linux 커널에 들어있는 md드라이버를 이용한소프트웨어 RAID에 본 기법을 구현하고 실험하였다. RAID구성은 SCSI 인터페이스를 사용하는 것이 보다일반적이고 더 높은 성능을 기대할 수 있지만, SCSI 기반의 SSD를 시장에서 구매하기 어렵기 때문에 SATA 인터페이스를 사용하여 환경을 구축하였다. 최근에는 SATA인터페이스의 발전과 저렴한 가격 때문에 SATA 기반의 RAID 역시 널리 사용되는 추세이고 본 논문에서 제안하는 기법은 인터페이스에 구애 받지 않고 동일하게 사용될 수 있는 기법이기 때문에 다른 환경 구성에서도 동일한 결과를 보일 수 있을 것으로 기대한다.
수 있다. SSD cache를 RAID구성에 포함시킬수 있도록 하기 위해 mdadm을 수정했다. 그리고 md 디바이스 드라이버 코드를 수정하여 md 가 다음과 같은 기능을 추가하였다.
절약할 수 있는 구조를 제안한다. 또한 선반입을 수행하여 SSD가 최대한의 요청을 수행하도록 하기위한 기법에 대해 기본적인 실험결과를 제공한다. 기존에 널리 쓰이는 미리 읽기 방식의 선반입은 이러한 구조에서 적절하지 않음을 확인할 수 있다.
뿐만 아니라 디스크 어레이의 메모리를 추가하거나 교체하는 것은 불가능하거나 매우 어렵다. 본 논문에서 제안하는 기법은 SSD를 활용함으로써 쉽게 교체 및 추가가 가능하다는 점에서 보다 실용적인 특성을 갖는다.
본 논문에서 제안하는 기법은 소프트웨어 RAID에서도 하드웨어 RAID에서도 구현 가능한 기법이다. 본 논문에서는 Linux 커널에 들어있는 md드라이버를 이용한소프트웨어 RAID에 본 기법을 구현하고 실험하였다.
본 논문에서는 제안한 기법의 검증을 위해 Linux 환경에서 소프트웨어 RAID에 해당 기법을 구현했다. 널리 사용되는 서버시스템 트레이스인 HP Cello99[2]와 SPC Web Search[3] 트레이스를 수행시키고 전력 사용량 측정 장치를 이용해 실제 전력 소모량을 측정한 결과-최대 14%의 저장장치 에너지 절감 효과를 얻었다.
서버시스템의 워크로드 특성을 파악하기 위해 대표적인 서버시스템의 I/O 트레이스 중 하나인 HP Cello99 를 분석하였다. 그림 1은 11월 29일 월요일부터 12월 4 일 토요일까지의 트레이스를 분석한 결과이다.
응답 시간이다. 에너지 소모를 측정하기 위해 실제 사용된 에너지를 계측할 수 있는 장치인 HPM-300A를사용하였고, 응답시간을 측정하기 위해 각 요청이 소요한 시간을 gettimeofday함수를 이용해 측정하였다.
트레이스를 수집한 환경과 실험 환경의 차이로 인해트레이스를 정확하게 재생하는데 어려움이 따르기 때문에 각 트레이스의 로드를 초당 100개의 요청을 재생하는 Low와 초당 200개의 요청을 재생하는 High의 두 가지 모드로 실험하였다.

대상 데이터

본 논문의 모든 실험에서는 RAID를 구성하는 하드디스크로 Seagate사의 ST3500320AS(500GB) 네 개를 사용하였고, SSD 캐시로는 Mtron사의 MSD-SATA3035 (32GBX 사용하였다. 커널은 Unux 2.
트레이스로는 앞서 설명한 HP Cello99 중 11월 29일부터 12월 5일까지 6일간과 SPC Web Search 트레이스를 활용하였다. SPC Web Search 트레이스는 SPC벤치마크를 웹 검색에 맞추어 구성하여 수행한 결과를 수집한 트레이스로 어플리케이션 특성 상 읽기 요청이 매우 많은 특성을 갖는다.

성능/효과

의해 소모된 에너지를 보여준다. SSD 캐시는 모든 경우에서 에너지 절감효과를 나타냈고 전체 실험을 통해 평균 9.65%가량의 에너지를 절감할 수 있었다. 그래프를 통해 로드가 낮을 때 에너지 절감 폭이 훨씬 큰 것을 확인할 수 있다.
그래프를 통해 실제로 하루 동안 접근되는 데이터의 셋은 전체 사용량의 0.2% 이내인 35GB 이내임을 확인할 수 있다. 또한 가지 주목할 점은 바에서 검게 칠해진 부분이다.
널리 사용되는 서버시스템 트레이스인 HP Cello99[2]와 SPC Web Search[3] 트레이스를 수행시키고 전력 사용량 측정 장치를 이용해 실제 전력 소모량을 측정한 결과-최대 14%의 저장장치 에너지 절감 효과를 얻었다. 본 논문은 다음과 같이 구성된다.
그러나 멀티스피드 디스크가 기대와 달리 널리 사용되지 않아 이러한 연구들의 성과가 실제에 반영되기 어렵다. 본 논문은 이미 시장에서 널리 사용되고 있는 SSD를 이용한다는 점에서보다 실용적인 방법이라 할 수 있다.
절감하는 기법을 제안하였다. 본 연구에서 제안하는 시스템을 활용할 경우 비교적 단순한 기법을 통해 최대 14%의 에너지 절감을 얻을 수 있음을 확인할 수 있다. 특히 읽기 요청이 많은 환경에서는 바쁠 때에 성능이익을 함께 가져올 가능성을 확인할 수 있다.
특히 읽기 요청이 많은 환경에서는 바쁠 때에 성능이익을 함께 가져올 가능성을 확인할 수 있다. 본 연구에서 제안한 시스템은 기존 시스템에 쉽게 적용할 수 있을 뿐 아니라 많은 최적화 기법의 여지를 가지고 있다는점에서 지속적인 연구 가치를 확인할 수 있다.
완전히 연속하지 않아도 전체 볼륨 중에 좁은영역이 상당히 자주 요청되는 것을 확인할 수 있었다. 이는 각 서버, 날짜마다 동시에 수행되는 어플리케이션들이 워킹 셋이 좁은 것에 기인한다.
첫째로 SSD로 일어나는 선반입 요청처리가 하드디스크에서 메모리로의 선반입처럼 빠르지 않았다. 이로 인해 많은 경우에 선반입 요청이 완료되기 이전에 실제 요청이 도착하여 하드디스크에 요청이 발생했다.

후속연구

따라서 본 연구팀은 이러한 기법의 개발을 향후 과제로 삼고 진행하고 있다.
그러나 스토리지의 전력 소모를 줄이는 기법에는 여러가지 어려움이 따른다. 첫째로 현재 서버 시스템의 스토리지의 대부분을 구성하는 하드디스크의 물리적 특성이 절전 기법의 개발에 장애가 된다. 하드디스크는 물리적 구동부가 있어 스핀 다운을 시키지 않는 한기 본적인 전력 소모가 크다.
RAID구성은 SCSI 인터페이스를 사용하는 것이 보다일반적이고 더 높은 성능을 기대할 수 있지만, SCSI 기반의 SSD를 시장에서 구매하기 어렵기 때문에 SATA 인터페이스를 사용하여 환경을 구축하였다. 최근에는 SATA인터페이스의 발전과 저렴한 가격 때문에 SATA 기반의 RAID 역시 널리 사용되는 추세이고 본 논문에서 제안하는 기법은 인터페이스에 구애 받지 않고 동일하게 사용될 수 있는 기법이기 때문에 다른 환경 구성에서도 동일한 결과를 보일 수 있을 것으로 기대한다.

참고문헌 (13)

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S. W. Son and M. Kandemir. Energy-aware data prefetching for multi-speed disks. In Proceedings of the 3rd ACM Conference on Computing Frontiers (CF'06), 2006.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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