[논문]고속 저장 장치를 위한 입출력 스택 최적화

한혁

doi:10.5392/jkca.2016.16.05.251

고속 저장 장치를 위한 입출력 스택 최적화
Optimizing I/O Stack for Fast Storage Devices 원문보기

한국콘텐츠학회논문지 = The Journal of the Korea Contents Association, v.16 no.5, 2016년, pp.251 - 258

초록
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최근 클라우드 컴퓨팅, 사회 관계망 서비스 등의 분야에서 고속 저장 장치에 대한 수요가 크게 증가하고 있다. 성능이 우수한 고속 저장 장치가 개발되고 있지만 현재 리눅스 운영체제의 입출력 스택은 하드 디스크 드라이브를 고려해서 설계되었기 때문에 고속 저장 장치를 충분히 활용하고 있지 못하다. 이 논문에서는 고속 저장 장치의 입출력 대역폭과 입출력 지연시간을 최대로 활용할 수 있는 최적화된 입출력 스택을 제안한다. 이를 위해 기존 리눅스의 블록 입출력 계층을 새로운 인터페이스를 가지는 입출력 계층으로 대체하고 최적화한다. 제안된 입출력 계층은 기존의 하드 디스크 드라이브를 고려한 블록 계층을 우회하고 디바이스 드라이버를 최적화하여 고속 저장 장치의 성능을 최대한 이용할 수 있게 해준다. 또한, 리눅스의 ext2/ext4 파일 시스템을 제안된 입출력 계층 위에서 동작할 수 있도록 최적화하였고, 벤치마크 실험 결과를 통해서 제안하는 입출력 스택은 기존 리눅스 입출력 스택과 비교하여 1.7배 정도의 성능 향상이 있음을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, the demand for fast storage devices is rapidly increasing in cloud platforms, social network services, etc. Despite the development of fast storage devices, the traditional Linux I/O stack is not able to exploit the full extent of the performance improvement since it has been optimized for disk-based storage devices. In this paper, we propose an optimized I/O stack which can fully utilize the I/O bandwidth and latency of fast storage devices. To this end, we design a new I/O interface to replace the current block I/O interface and optimize our I/O interface. Our optimized I/O interface bypasses operations/layers in block I/O subsystems of the current Linux I/O stack to fully exploit fast storage devices. We also optimize the Linux file systems such as ext2 and ext4 to run on our I/O interface. We evaluate our I/O stack with multiple benchmarks and the experimental results show that our I/O stack achieves 1.7 times better throughput compared to traditional Linux I/O stack.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

SCM이 탑재된 컴퓨터 시스템에서는 SCM에 접근할 때 블록 계층, 디바이스 드라이버 등을 거치지 않기 때문에 성능 향상에 용이하다. SCMFS (File System for Storage Class Memory)[9] 및 BPFS (File System for Byte-Addressable NVM)[10] 연구는 메모리 버스에 연결된 비휘발성 메모리 환경에서의 파일 시스템 최적화에 관한 연구이다. 이러한 연구들은 본 연구와는 달리 파일 시스템 최적화에 초점이 맞추어져있다.
본 논문에서는 고속 저장 장치를 위한 리눅스 운영체제의 입출력 스택을 제안하고자 하며, 가상 파일 시스템, 실제 파일 시스템, 블록 계층, 디바이스 드라이버 계층 전반을 최적화한다. 제안하고자 하는 입출력 스택은[그림 2]와 같이 최적화된 디바이스 드라이버, 실제 파일 시스템, 가상 파일 시스템의 세 계층으로 구성되어 있다.
본 논문은 기존 리눅스의 입출력 스택을 고속 저장장치에 최적화하는 것을 제안한다. 이를 위해 기존 리눅스의 블록 계층은 우회하고, 디바이스 드라이버를 파일 시스템에서 직접 사용할 수 있도록 인터페이스를 개선하였다.
이 연구에서는 운영체제의 가상 메모리 관리 계층을 최적화하였다. 본 논문은 기존의 연구와는 달리 PCIe 기반의 고속 저장장치의 성능을 최대로 활용하기 위한 운영체제의 특정 계층이 아닌 입출력 스택을 전반적으로 최적화한다.
이 밖에도 [11]과 같은 연구에서는 고속의 네트워크 장치인 InfiniBand를 이용하여 원격 메모리를 블록 장치로 활용하여 메모리를 확장하였다. 이 연구에서는 운영체제의 가상 메모리 관리 계층을 최적화하였다. 본 논문은 기존의 연구와는 달리 PCIe 기반의 고속 저장장치의 성능을 최대로 활용하기 위한 운영체제의 특정 계층이 아닌 입출력 스택을 전반적으로 최적화한다.

제안 방법

3.1절의 실험과 같이 쓰레드가 하나인 하나의 프로세스가 한 개의 페이지에 대한 읽기 연산을 직접 입출력 모드로 수행했을 때 입출력 지연 시간을 분석하였다. [표 2]는 입출력 스택 내의 각 계층별 입출력 지연 시간을 표시한 결과이다.
파일 시스템의 직접 입출력은 (Direct I/O) 가상 파일 시스템에서 입출력 요청을 위한 파라미터를 받아서 DIO 구조체를 생성한다. DIO 구조체에 저장되어 있는 입출력 정보는 블록 계층에 전달되기 위해 BIO 구조체를 생성한 후에 DIO 구조체에 저장되어 있는 정보를 BIO 구조체로 복사한다. 그리고 메타데이터 입출력과 마찬가지로 submit_bio 함수를 호출하여 블록 계층에 BIO 구조체로 되어 있는 입출력 파라미터를 전달한다.
이를 위해 기존 리눅스의 블록 계층은 우회하고, 디바이스 드라이버를 파일 시스템에서 직접 사용할 수 있도록 인터페이스를 개선하였다. 그리고 디바이스 드라이버에 큐 교환, 무 복사 입출력 등의 최적화 기법을 구현하였다. 그리고 이러한 디바이스 드라이버를 파일 시스템이 직접 호출할 수 있도록 리눅스의 ext2/ext4 파일 시스템을 최적화하였다.
그리고 디바이스 드라이버에 큐 교환, 무 복사 입출력 등의 최적화 기법을 구현하였다. 그리고 이러한 디바이스 드라이버를 파일 시스템이 직접 호출할 수 있도록 리눅스의 ext2/ext4 파일 시스템을 최적화하였다. 벤치마크 실험 결과를 통해서 본 논문에서 제안 하는 입출력 스택은 기존 리눅스 입출력 스택과 비교하여 평균 처리량은 1.
이 함수를 수행하는 동안에 bh 구조체의 정보는 다시 BIO 구조체를 생성하는데 이용되며 생성된 BIO 구조체는 submit_bio 함수의 파리미터로 전달된다. 메타데이터 처리 부분을 최적화하기 위해서 submit_bio 함수에서 bh 구조체를 파리미터로 하여 최적화된 디바이스 드라이버에서 제공하는 ni_submit_bh 함수에 전달하여 메타데이터 입출력 요청을 수행하도록 한다. 이러한 최적화는 [그림 3]과 같이 기존 입출력 스택에서 블록 계층을 완전히 우회할 수 있으며 파라미터 변환에 따르는 오버헤드를 제거할 수 있다.
본 논문의 최적화된 디바이스 드라이버는 기존의 블록 계층을 완전히 우회하며 무복사 입출력 (zero-copy I/O), 큐 교환 (queue swapping)과 같은 최적화 기법이 적용되었다. 그리고 파일 시스템은 최적화된 디바이스 드라이버를 이용하도록 최적화되었다.
본 연구에서 제안하는 디바이스 드라이버는 기존의 블록 인터페이스가 아닌 파일 시스템에서 사용하는 정보들 혹은 자료구조들을 파라미터로 사용할 수 있다. 또한 기존 연구를 통해 잘 알려져 있는 폴링(polling)과 시간적 병합 (temporal merge) 기법을 기본적으로 사용하고 있다.
그리고 파일 시스템은 최적화된 디바이스 드라이버를 이용하도록 최적화되었다. 실험 평가를 위해 ext2와 ext4를 제안된 디바이스 드라이버 상에서 동작하도록 구현하였다. 벤치마크 프로그램들을 이용하여 평가하였으며 제안된 입출력 스택이 기존 입출력 스택 대비 평균 1.
마이크로 벤치마크는 FIO 벤치마크를[13] 활용하였다. 실험은 하나의 FIO 프로세스가 8개의 쓰레드를 가지며 각 쓰레드는 4KB 단위로 3GB의 랜덤 읽기/쓰기 연산을 수행한다. 이 실험은 직접 입출력 모드에서 진행되었으며 [표 3]은 실험 결과를 보여준다.
이렇게 여러 단계로 관리되는 입출력 요청 정보들은 고속 저장 장치 환경에서는 무시할 수 없는 소프트웨어 오버헤드를 보인다. 이러한 점을 개선하기 위해 BIO 구조체 대신 가상 파일 시스템에서 받은 입출력 요청 파라미터들을 (파일 포인터, 버퍼 주소 등) 혹은 파일 시스템에서 사용하는 자료구조를 디바이스 드라이버가 받을 수 있도록 디바이스 드라이버 인터페이스를 개선하였다.
본 논문은 기존 리눅스의 입출력 스택을 고속 저장장치에 최적화하는 것을 제안한다. 이를 위해 기존 리눅스의 블록 계층은 우회하고, 디바이스 드라이버를 파일 시스템에서 직접 사용할 수 있도록 인터페이스를 개선하였다. 그리고 디바이스 드라이버에 큐 교환, 무 복사 입출력 등의 최적화 기법을 구현하였다.
즉, 응용 프로그램이 입출력 요청을 할 때 전달하는 파라미터 중에서 버퍼 주소3를 가로채서 그 버퍼의 물리 주소를 디바이스 드라이버에 전달하여 저장 장치가 이 주소에 DMA를 통해 데이터를 쓰거나 데이터를 읽어갈 수 있게 한다. 이를 위해 디바이스 드라이버를 버퍼 주소를 물리 주소로 처리할 수 있게 드라이버 인터페이스를 구현하였다. 이러한 무복사 입출력은 커널과 응용 프로그램 사이의 데이터 복사 오버헤드를 줄이기 때문에 입출력 지연 시간을 단축시키고 CPU 사용률을 감소시켜 준다.
이번 장에서는 고속 저장 장치를 탑재한 시스템에서 리눅스 입출력 스택을 분석하고 분석된 결과를 바탕으로 입출력 스택 최적화 기법을 제안한다.
또한 기존 연구를 통해 잘 알려져 있는 폴링(polling)과 시간적 병합 (temporal merge) 기법을 기본적으로 사용하고 있다. 입출력 성능을 개선하기 위해 본 논문에서는 입출력 파라미터 무변환, 무복사 입출력 (zerocopy I/O), 큐 교환 (queue swapping) 기법을 제안한다.
본 논문에서는 고속 저장 장치를 위한 리눅스 운영체제의 입출력 스택을 제안하고자 하며, 가상 파일 시스템, 실제 파일 시스템, 블록 계층, 디바이스 드라이버 계층 전반을 최적화한다. 제안하고자 하는 입출력 스택은[그림 2]와 같이 최적화된 디바이스 드라이버, 실제 파일 시스템, 가상 파일 시스템의 세 계층으로 구성되어 있다. 이러한 입출력 스택의 장점은 다음과 같다.
2절에서 제안한 디바이스 드라이버는 기존의 블록 인터페이스 대신에 파일 시스템에서 사용하는 파라미터 혹은 자료구조를 직접 처리할 수 있는 인터페이스를 제안하고 있기 때문에 파일 시스템의 변경이 필요하다. 특히 저널링과 같은 파일 시스템의 고유한 기능에 영향을 주지 않으면서 입출력 관련된 부분에서 새로운 인터페이스를 사용할 수 있도록 리눅스 파일 시스템을 최적화하였고 본 논문에서는 크게 메타데이터 입출력 그리고 직접 입출력 부분을 최적화한다.
현재 PRAM/MRAM과 같은 비휘발성 메모리 기반 고속 저장 장치를 쉽게 구할 수 없다. 하지만 Intel/삼성과 같은 반도체 기업들의 예측에 따라 개발될 비휘발성 메모리 소자의 성능이 현재의 DRAM의 성능과 비슷할 것이라 예측하고 있기 때문에 본 논문은 고속 저장 장치를 위해 DRAM을 저장 소자로 사용하는 [그림 4]와 같은 DRAM 기반 저장 장치를 활용하였다[12].

대상 데이터

기존 리눅스 입출력 스택1을 분석하기 위해서 FIO 벤치마크를 이용하여 실험을 진행하였다. 실험 환경은 4절의 환경과 동일하다.
이 절에서는 마이크로 벤치마크와 실제 응용인 메일 서버와 데이터베이스 시스템을 이용하여 수행한 실험 결과에 대해서 설명한다. 마이크로 벤치마크는 FIO 벤치마크를[13] 활용하였다. 실험은 하나의 FIO 프로세스가 8개의 쓰레드를 가지며 각 쓰레드는 4KB 단위로 3GB의 랜덤 읽기/쓰기 연산을 수행한다.
실제 워크로드 환경에서 실험을 수행하기 위해 메일 서버 벤치마크와 데이터베이스 시스템에서 많이 사용하는 TPC-C 벤치마크를 이용하였다. 메일 서버 벤치마크는 FileBench를[14] 사용하였으며 1000개의 쓰레드가 총 10000개의 평균 6MB의 파일을 대상으로 하여 실험을 진행하였으며 [표 4]는 그 결과를 보여준다. 최저화된 입출력 스택은 ext2/ext4 파일 시스템에서 1000 MB/s 정도의 처리량을 보여주며 기존 입출력 스택과 비교하여 25% 정도의 성능 향상 효과를 보여준다.
실제 워크로드 환경에서 실험을 수행하기 위해 메일 서버 벤치마크와 데이터베이스 시스템에서 많이 사용하는 TPC-C 벤치마크를 이용하였다. 메일 서버 벤치마크는 FileBench를[14] 사용하였으며 1000개의 쓰레드가 총 10000개의 평균 6MB의 파일을 대상으로 하여 실험을 진행하였으며 [표 4]는 그 결과를 보여준다.

성능/효과

세션의 개수는 100개, 웨어하우스의 수는 50, 실험 시간은 1시간으로 하여 분당 트랜잭션 처리 수를 측정하여 [그림 5]에 표시하였다. 25000tpmC 정도의 성능을 보인 최적화된 입출력 스택은 기존 스택 대비 1.63배 정도 성능이 더 좋음을 알 수 있다.
그리고 무복사 입출력, 큐 교환 등의 디바이스 드라이버 수준의 최적화 기법 때문에 디바이스 드라이버의 입출력 지연 시간은 5us에서 4us로 줄었다. 그리고 파일 시스템의 직접 입출력 부분을 최적화를 통하여 파일 시스템 수준의 입출력 지연 시간은 8us에서 0.5us로 줄었다. 전체적으로 고려하면 전체 지연 시간은 28.
첫째, 다른 연구에서 제안한 응용 수준의 파일 시스템과 비교했을 때 파일 입출력에 필요한 권한 검사 등을 위한 저장 장치의 하드웨어 수준 최적화를 필요로 하지 않는다. 둘째, 응용 프로그램이 응용 수준의 파일 시스템이 제공하지 못 하는 저널링과 같은 기존 파일 시스템의 기능을 그대로 사용할 수 있다. 셋째, 메모리 버스에 연결된 SCM을 위한 파일 시스템과 달리 메모리 누수, 데이터 변형을 위한 하드웨어 변경을 요구하지 않는다.
6us로 54% 정도 지연 시간이 개선되었다. 마찬가지로 쓰기 연산에서도 최적화된 입출력 스택은 885MB/s 그리고 기존 입출력 스택은 428MB/s의 성능을 보여주며 읽기 연산 결과와 유사한 성능 개선 효과를 볼 수 있었다.
그리고 이러한 디바이스 드라이버를 파일 시스템이 직접 호출할 수 있도록 리눅스의 ext2/ext4 파일 시스템을 최적화하였다. 벤치마크 실험 결과를 통해서 본 논문에서 제안 하는 입출력 스택은 기존 리눅스 입출력 스택과 비교하여 평균 처리량은 1.7배 정도 좋아지고 지연시간은 50%정도 감소함을 확인할 수 있었다.
실험 평가를 위해 ext2와 ext4를 제안된 디바이스 드라이버 상에서 동작하도록 구현하였다. 벤치마크 프로그램들을 이용하여 평가하였으며 제안된 입출력 스택이 기존 입출력 스택 대비 평균 1.7배 정도 성능이 우수한 것을 확인하였다.
둘째, 응용 프로그램이 응용 수준의 파일 시스템이 제공하지 못 하는 저널링과 같은 기존 파일 시스템의 기능을 그대로 사용할 수 있다. 셋째, 메모리 버스에 연결된 SCM을 위한 파일 시스템과 달리 메모리 누수, 데이터 변형을 위한 하드웨어 변경을 요구하지 않는다.
5us로 줄었다. 전체적으로 고려하면 전체 지연 시간은 28.8us에서 15.3us로 47% 개선되었으며 S/W 지연 시간은 23.8us에서 10.3us로 57% 개선되었다.
9배 높다. 지연 시간은 기존 입출력 스택에서 66.7us이며, 최적화된 입출력 스택은 31.6us로 54% 정도 지연 시간이 개선되었다. 마찬가지로 쓰기 연산에서도 최적화된 입출력 스택은 885MB/s 그리고 기존 입출력 스택은 428MB/s의 성능을 보여주며 읽기 연산 결과와 유사한 성능 개선 효과를 볼 수 있었다.
메일 서버 벤치마크는 FileBench를[14] 사용하였으며 1000개의 쓰레드가 총 10000개의 평균 6MB의 파일을 대상으로 하여 실험을 진행하였으며 [표 4]는 그 결과를 보여준다. 최저화된 입출력 스택은 ext2/ext4 파일 시스템에서 1000 MB/s 정도의 처리량을 보여주며 기존 입출력 스택과 비교하여 25% 정도의 성능 향상 효과를 보여준다.

후속연구

이러한 입출력 스택의 장점은 다음과 같다. 첫째, 다른 연구에서 제안한 응용 수준의 파일 시스템과 비교했을 때 파일 입출력에 필요한 권한 검사 등을 위한 저장 장치의 하드웨어 수준 최적화를 필요로 하지 않는다. 둘째, 응용 프로그램이 응용 수준의 파일 시스템이 제공하지 못 하는 저널링과 같은 기존 파일 시스템의 기능을 그대로 사용할 수 있다.
향후에는 이 논문에서 다루지 않은 파일 시스템의 버퍼된 입출력 (buffered I/O) 및 저널 입출력을 (journal I/O) 고속 저장 장치에 최적화하는 연구와 ext2/ext4 외에도 JFS, XFS와 같은 다른 파일 시스템에도 최적화 기법을 적용하는 연구를 진행하려고 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 논문에서 입출력 성능을 개선하기 위해 제안한 기법들은 무엇인가?	또한 기존 연구를 통해 잘 알려져 있는 폴링(polling)과 시간적 병합 (temporal merge) 기법을 기본적으로 사용하고 있다. 입출력 성능을 개선하기 위해 본 논문에서는 입출력 파라미터 무변환, 무복사 입출력 (zerocopy I/O), 큐 교환 (queue swapping) 기법을 제안한다.
	무복사 입출력은 무엇인가?	무복사 입출력은 입출력 요청을 처리할 때 응용 프로그램의 버퍼와 리눅스 커널의 버퍼 사이의 메모리 복사 연산을 제거하는 것이다. 즉, 응용 프로그램이 입출력 요청을 할 때 전달하는 파라미터 중에서 버퍼 주소3를 가로채서 그 버퍼의 물리 주소를 디바이스 드라이버에 전달하여 저장 장치가 이 주소에 DMA를 통해 데이터를 쓰거나 데이터를 읽어갈 수 있게 한다.
	입출력 스택의 장점은 무엇인가?	이러한 입출력 스택의 장점은 다음과 같다. 첫째, 다른 연구에서 제안한 응용 수준의 파일 시스템과 비교했을 때 파일 입출력에 필요한 권한 검사 등을 위한 저장 장치의 하드웨어 수준 최적화를 필요로 하지 않는다. 둘째, 응용 프로그램이 응용 수준의 파일 시스템이 제공하지 못 하는 저널링과 같은 기존 파일 시스템의 기능을 그대로 사용할 수 있다. 셋째, 메모리 버스에 연결된 SCM을 위한 파일 시스템과 달리 메모리 누수, 데이터 변형을 위한 하드웨어 변경을 요구하지 않는다.

참고문헌 (15)

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Adrian M. Caulfield, Todor I. Mollov, Louis Alex Eisner, Arup De, Joel Coburn, and Steven Swanson, "Providing safe, user space access to fast, solid state disks," ASPLOS 2012.
Adrian M. Caulfield, Arup De, Joel Coburn, Todor I. Mollow, Rajesh K. Gupta, and Steven Swanson, "Moneta: A High-Performance Storage Array Architecture for Next-Generation, Non-volatile Memories," MICRO 2010, 2010.
Joel Coburn, Trevor Bunker, Meir Schwarz, Rajesh Gupta, and Steven Swanson, "From ARIES to MARS: transaction support for next-generation, solid-state drives," In Proceedings of the Twenty-Fourth ACM Symposium on Operating Systems Principles (SOSP '13), 2013.
Dong In Shin, Young Jin Yu, Hyeong S. Kim, Jae Woo Choi, Do Yung Jung, and Heon Y. Yeom, "Dynamic interval polling and pipelined post I/O processing for low-latency storage class memory," In Proceedings of the 5th USENIX conference on Hot Topics in Storage and File Systems, 2013.
J. Yang, D. B. Minturn, and F. Hady, "When poll is better than interrupt," In Proceedings of the 10th USENIX Conference on File and Storage Technologies, 2012.
Eric Seppanen, Matthew T. O'Keefe, and David J. Lilja, "High performance solid state storage under Linux," In Proceedings of the 2010 IEEE 26th Symposium on Mass Storage Systems and Technologies, 2010.
X. Wu and A. L. N Reddy, "SCMFS: A file system for storage class memory," In Proceedings of 2011 International Conference for High Performance Computing, Networking, Storage and Analysis, SC '11.
J. Condit, E. B. Nightingale, C. Frost, E. Ipek, B. Lee, D. Burger, and D. Coetzee, "Better I/O through byte-addressable, persistent memory," In Proceedings of the ACM SIGOPS 22nd Symposium on Operating Systems Principles, 2009.
Shuang Liang, Ranjit Noronha, and Dhabaleswar K. Panda, "Swapping to remote memory over InfiniBand: An Approach using a High Performance Network Block Device," In Proceedings of the 2005 IEEE Cluster Computing.
TailwindStorage, "Extreme 3804, http://www.taejin.co.kr"
FIO Benchmark, "http://freecode.com/projects/fio"
FileBench Benchmark, "http://filebench.sourceforge.net/"
BenchmarkSQL, "http://sourceforge.net/projects/benchmarksql"

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표제어: PCR

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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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