[논문]DM-Cache를 이용해 구현한 SSD 캐시의 성능 평가

이재면; 강경태

doi:10.3745/ktccs.2014.3.11.409

DM-Cache를 이용해 구현한 SSD 캐시의 성능 평가
Performance Evaluation of SSD Cache Based on DM-Cache 원문보기

정보처리학회논문지. KIPS transactions on computer and communication systems 컴퓨터 및 통신 시스템, v.3 no.11, 2014년, pp.409 - 418

초록
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최근 클라우드 서비스와 소셜 네트워크 서비스가 활성화되면서 스토리지 서버에 저장해야 할 데이터의 용량이 급격히 증가하고 있으며, 사용자의 고품질 미디어 데이터에 대한 높은 수요는 이러한 경향을 더더욱 가속화하고 있다. 이와 더불어 데이터의 효율적 참조를 통한 처리시간 감소는 이미 과거로부터 꾸준히 요구되어온 시스템 설계 주 고려사항이다. 이런 이유로 하이브리드 디스크의 효율적인 사용에 대한 많은 기술연구가 진행되고 있다. 그 핵심이라고 할 수 있는 리눅스 기반 SSD 캐시 기법은 내장된 DM-cache를 활용하여 구현하는데, 현재 이에 대한 최적화 관련 정책 연구가 많이 부족한 실정이다. 본 연구에서는, 다양한 환경에서 성능 평가를 통하여 현재 제공되고 있는 DM-cache의 문제점을 파악하였다. 그 결과, 일반 운영체제에서 실험한 DM-cache는 읽기 명령 시 나름대로의 효과를 보고 있지만, 특히 가상 머신이 탑재된 운영체제 환경에서는 DM-cache의 사용으로 인한 성능 개선을 찾을 수 없었으며 오히려 캐시 오버헤드로 성능 저하가 발생함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The amount of data located in storage servers has dramatically increased with the growth in cloud and social networking services. Storage systems with very large capacities may suffer from poor reliability and long latency, problems which can be addressed by the use of a hybrid disk, in which mechanical and flash memory storage are combined. The Linux-based SSD(solid-state disk) uses a caching technique based on the DM-cache utility. We assess the limitations of DM-cache by evaluating its performance in diverse environments, and identify problems with the caching policy that it operates in response to various commands. This policy is effective in reducing latency when Linux is running in native mode; but when Linux is installed as a guest operating systems on a virtual machine, the overhead incurred by caching actually reduces performance.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

9 상위 버전에서 공식 지원하고 있다. 그 목적은 자주 접근하는 파일의 요청 처리량과 반응시간(latency)의 성능 향상이다. DMcache는 3가지의 장치를 요구한다.
정식 커널에 포함된 만큼 앞으로의 발전 가능성 및 다른 패키지와의 호환성이 높기 때문에 연구가 매우 필요하다. 본 연구는 관련 연구에 앞서 현재 DM-Cache의 성능을 평가하고, 문제점을 진단하고자 한다.
하이브리드 디스크는 하드디스크의 많은 용량을 가지면서, 자주 접근하는 파일은 플래시 메모리로 이주시켜 빠른 접근시간을 보장 하는 기술이다. 이 연구의 핵심은 어느 데이터를 플래시 메모리에 저장할지[8], 플래시 메모리 용량이 부족할 경우 어떤 데이터를 희생해야 하는지를[9] 결정하는 캐시 정책이다. 관련 연구들이 많이 있으며, 상용화된 제품으로도 판매하고 있다[10].

제안 방법

3) 가상 머신에서의 IOzone 성능 평가

가상 머신에서의 DM-cache 효율을 알아보기 위해 가상머신의 guest OS에서 DM-cache 성능을 측정했다. Fig.
리눅스 정식 커널에 포함된 DM-cache 정책이 아직 효과 적이지 못한 만큼, 정책 연구가 필요하다. 그에 앞서 기존 정책의 한계를 알아보고자 다양한 명령을 일반 운영체제와 가상 머신 guest OS에서 실행하고 성능을 평가했다. 그 결과로 일반 운영체제에서 읽기 명령은 캐시 효과를 보고 있 으나, 쓰기 명령은 오버헤드로 인해 그 효과가 미미한 점을 발견했다.
디스크의 캐시 효과를 확인하기 위해 애플리케이션 실행 시간을 측정하였다. 애플리케이션 실행 시간은 사용자가 컴퓨터를 사용하면서 가장 민감하게 느끼는 시간이므로, 이 실험은 매우 의미 있다.
우리는 최적화 캐시 정책을 연구하기에 앞서, 캐시 작업을 담당하는 DM-cache의 성능을 평가하고, 그 결과를 바탕으로 현재 DM-cache 정책의 문제점을 진단한다. 또한, 가상 머신에서 DM-cache의 성능을 평가하고, 문제점을 진단한다.
우리는 보다 명확한 캐시 효과를 확인하기 위해 애플리케이션 실행 시, 많은 양의 파일을 요청하는 이클립스(Eclipse) 와 오픈오피스(OpenOffice Writer)의 실행 시간을 측정했다. 또한, 두 애플리케이션과 다르게 요청 양이 적은 파이어폭스(Firefox)의 실행 시간도 측정했다.
또한, 호스트 컴퓨터에 DM-cache를 설정하고, 가상 머신 guest OS의 디스크 성능을 평가했다. 전가상 머신 VMware 를 이용하여 일반 하드디스크와 DM-cache 디스크에 게스트 이미지를 만들고, IOzone 성능 평가를 하였다.
캐시 블록 크기는 256KB로 하였으며, 정책은 write-back 정책을 사용하였다. 본 실험에서 사용하는 모든 디스크는 ext4 파일시스템으로 포맷하였다.
우리는 보다 명확한 캐시 효과를 확인하기 위해 애플리케이션 실행 시, 많은 양의 파일을 요청하는 이클립스(Eclipse) 와 오픈오피스(OpenOffice Writer)의 실행 시간을 측정했다. 또한, 두 애플리케이션과 다르게 요청 양이 적은 파이어폭스(Firefox)의 실행 시간도 측정했다.
우리는 최적화 캐시 정책을 연구하기에 앞서, 캐시 작업을 담당하는 DM-cache의 성능을 평가하고, 그 결과를 바탕으로 현재 DM-cache 정책의 문제점을 진단한다. 또한, 가상 머신에서 DM-cache의 성능을 평가하고, 문제점을 진단한다.
우리는 플래시 메모리 캐시 정책을 연구하기에 앞서 리눅스 공식 커널에서 제공하는 순수 DM-cache 성능을 평가했다. 실험한 컴퓨터의 사양은 Table 1과 같으며, 애플리케이션 실행 시간과 IOzone 벤치마킹을 이용하여 성능을 평가했다.
또한, 호스트 컴퓨터에 DM-cache를 설정하고, 가상 머신 guest OS의 디스크 성능을 평가했다. 전가상 머신 VMware 를 이용하여 일반 하드디스크와 DM-cache 디스크에 게스트 이미지를 만들고, IOzone 성능 평가를 하였다.

데이터처리

우리는 플래시 메모리 캐시 정책을 연구하기에 앞서 리눅스 공식 커널에서 제공하는 순수 DM-cache 성능을 평가했다. 실험한 컴퓨터의 사양은 Table 1과 같으며, 애플리케이션 실행 시간과 IOzone 벤치마킹을 이용하여 성능을 평가했다.

이론/모형

소프트웨어 요구 사항은 dmsetup 유틸리티를 필수로 요구하고, Logical Volume Management(LVM)가 있으면 보다 쉽게 가상 디스크를 만들어 사용할 수 있다. 본 연구에서도 LVM을 사용하여 실험하였다.

성능/효과

실험 결과에 따르면 페이지 캐시보다는 느리지만, 하드디스크보다는 빠르다. 그러므로 두 디스크 계층 사이에 캐시 디스크가 있다면 성능을 높일 수 있고, DM-cache가 그 역할을 충실히 하고 있음을 증명하였다.
73%에 불과하다. 성능 향상률도 평균 12.2 % 덜 향상되었다.
Re-fread는 모든 명령 중 최고로 캐시 효과를 본 명령으로 거의 모든 상황에서 큰 성능 향상을 보인다. 시스템 버퍼를 사용하면서 SSD 캐시 효과가 더불어 일어나 이중 캐시가 성능을 효과적으로 향상시켰다.
처음에는 캐시 작업으로 인한 오버헤드 때문에 더 느린 성능을 보이지만, 캐시가 일어나면서 응답 시간이 줄어드는 것을 볼 수 있다. 이클립스와 오픈오피스, 파이어폭스 애플리케이션은 각각 87%, 77%, 95% 실행 시간이 줄어들었다.

후속연구

기본 정책인 write-back의 한계로 인지하고, 더욱 적합한 정책이 필요하다. 또한, 가상 머신에서 디스크 요청 처리 성능이 중요함에도 불구하고 전혀 효과를 보지 못하기 때문에 가상 머신에 적합한 정책이 연구되어야 한다.
가상 머신에서 DM-cache의 효과가 미미한 원인은 가상화 기술에 따라 매우 달라진다. 앞으로 우리는 다양한 가상화 기술에서 원인을 분석하고, 각 기술에 최적화된 대책에 대한 연구를 진행할 계획이다.
Writeback 정책은 쓰기 요청 시 cache hit가 발생하면 캐시 장치에 있는 데이터만 갱신하고, 해당 블록을 dirty 블록으로 변경한다. 추후 dirty 블록이 희생되면, 그때 기본 장치에 있는 데이터를 최신 데이터로 갱신한다. 반면 writethrough 정책은 쓰기 요청 시 cache hit 여부에 관계없이 항상 캐시 장치는 물론 기본 장치에도 쓰기 요청을 수행한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	DM-cache는 무엇인가?	DM-cache는 하드디스크로부터 플래시 메모리 기반의 SSD로 캐시하는 장치 맵퍼 기법으로, 데이터 블록 단위에 최적화되어있다. 리눅스 공식 커널 3.
	하이 브리드 디스크는 무엇에 따라 성능이 달라지는가?	하이브리드 디스크의 핵심 기술은 SSD 캐시이다. 즉, 캐시 정책에 따라 그 성능이 매우 달라진다. 하이브리드 디스크는 상용화된 제품으로도 개발되지만, 소프트웨어 모듈을 이용한 가상 디스크로 구현되기도 한다.
	디스크 처리 속도를 향상하려면 무엇을 극복해야 하는가?	하지만, 이런 기술은 집적도 향상에 초점을 맞추고 있어, 디스크 고속화 한계를 극복하진 못한다. 디스크 처리 속도를 향상시키기 위해서는 무엇보다 스핀들 모터(spindle motor)의 한계를 극복해야 한다. 스테핑 모터(Stepping motor)로 구성된 스핀들 모터는 한쪽 방향으로 정속 주행하며, 헤더가 데이터를 읽을 수 있도록 도와준다.

참고문헌 (14)

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상세보기
E. Dobisz, Z. Bandic, T. Wu, and T. Albrecht, "Patterned Media: Nanofabrication Challenges of Future Disk Drives," Proceedings of the IEEE, Vol.96, No.11, pp.1836-1846, Nov., 2008.

상세보기
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Y. Deng, "What is the Future of Disk Drives, Death or Rebirth?," ACM Computing Surveys, Vol.43, No.3, pp. 23:1-23:27, Apr., 2011.
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Desktop SSHD: 4TB Hybrid Drive Upgrade Seagate, http://www.seagate.com/internal-hard-drives/solid-state-hybrid/desktop-solid-state-hybrid-drive/
Y. Joo, J. Ryu, S. Park, H. Shin, and K. Shin, "Rapid Prototyping and Evaluation of Intelligence Functions of Active Storage Devices," IEEE Trans. on Computers, Vol.99, pp.1-14, Apr., 2013.
bcache, http://bcache.evilpiepirate.org/
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D. Arteaga, D. Otstott, and M. Zhao, "Dynamic Block-level Cache Management for Cloud Computing Systems," USENIX Conference on File and Storage Technologies, Feb., 2012.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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