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[국내논문] NVMe 드라이버 구현 방식에 따른 I/O 응답시간 분석
Analysis of I/O Response Time Throughout NVMe Driver Implementation Architectures 원문보기

대한임베디드공학회논문지 = IEMEK Journal of embedded systems and applications, v.12 no.3, 2017년, pp.139 - 147  

강인구 (Kookmin University) ,  주용수 (Kookmin University) ,  임성수 (Kookmin University)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

In recent years, non-volatile memory express (NVMe), a new host controller interface standard, has been adapted to overcome performance bottlenecks caused by the acceleration of solid state drives (SSD). Recently, performance breakthrough cases over AHCI based SATA SSDs by adapting NVMe based PCI Ex...

Keyword

#NVMe   #Storage stack   #Latency   #Linux  

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 그동안의 드라이버 코드 변경점은 데스크톱 및 서버 시스템에 맞추어 작성된 것이므로 최신 버전의 커널 드라이버를 백포팅하는 것이 모바일 장치에서도 더 좋은 특성을 나타낼 지에 대해서는 면밀한 분석이 필요하다. 따라서 본 연구는 NVMe 드라이버의 구현 변화에 따른 I/O 응답시간 관점에서의 성능 차이를 분석하고자 한다.
  • Normal 워크로드는 4-64KB 블록사이즈, 그리고 읽기/쓰기가 섞인 I/O 요청을 동시에 네 프로세스에서 큐 깊이 4로 생성한다. 이 워크로드는 일반적인 상황 [8, 9]에서 평균적인 코드 수행 시간과 그에 따른 응답시간이 어떻게 나오는지를 확인하여 동시다발적 요청이 잘 처리되는지를 보기 위한 것이다.
  • 본 논문은 리눅스 NVMe I/O 계층의 커널 버전별 차이를 구조 및 응답시간 측면에서 분석하였다. 커널 버전 및 그에 따른 NVMe 드라이버 구현방식의 차이에 따른 응답시간에서의 성능 차이가 확연함을 실험을 통해 확인하였다.

가설 설정

  • 5. nvme_submit_iod() 함수가 iod를 command로 변환한다. request->tag가 command_id로 사용된다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
Block-MQ 도입을 전후로 한 Linux 버전에 따른 NVMe 드라이버 구현의 주요 변화는 무엇인가? ● Linux 3.18 이전: 초기 NVMe 드라이버는 블록 레이어를 우회하여 bio 구조체를 직접 처리한다. ● Linux 3.19 이상: bio가 blk-mq를 거쳐 변환된 request 구조체로 변환되어 처리되도록 부분적으로 재작성되었다. 요청 정보를 저장하기 위한 cmd_info, iod 구조체 중 cmd_info는 array로 사전에 할당 된 pool에서 가져오며, iod는 필요에 따라 동적으로 할당된다. ● Linux 4.4 이상: 코드가 최적화 및 오류 수정을 위해 수정된 부분이 있으며, cmd_info와 iod 구조체가 통합되었고 blk-mq의 PDU (프로토콜 데이터 유닛)으로 사전 할당된다.
NVMe의 장점은 무엇인가? NVMe는 기존의 ACHI 인터페이스에 비해 내부 구조 및 구현이 단순하고 프로토콜 오버헤드가 작은 장점 [2]을 가지고 있어 서버 및 데스크탑 환경뿐만 아니라 모바일 기기에서도 기존의 eMMC를 대체하는 차세대 입출력 인터페이스로 고려되고 있으며 일부 스마트폰에 도입되기 시작하였다 [3]. 대표적인 모바일용 운영체제인 안드로이드는 리눅스 커널을 기반으로 하는데, 리눅스 커널 버전 3.
리눅스 시스템에서 I/O 요청을 처리하기 위해 커널 수준에서 처리되는 단계는 어떻게 구분되는가? 리눅스 시스템에서 I/O 요청은 사용자 애플리케이션 수준에서 발생해서 커널을 거쳐 디바이스로 전달된다. 커널 수준에서 처리되는 단계는 가상 파일시스템, 블록 레이어, 디바이스 드라이버로 크게 세 단계로 구분할 수 있다. 블록 레이어는 과거부터 대부분의 장치를 위해 사용되어 온 I/O 스케줄러를 통해 처리되는 경로와 최근에 추가된 blk-mq 방식의 경로 (그림 1)가 있다.
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참고문헌 (9)

  1. I. Kang, Y. Joo, S. Lim. "Analysis of I/O Response Time Throughout NVMe Driver Implementation Architectures," Korean Institute of Information Scientists and Engineers, pp. 517-519. 2016 (in Korean). 

  2. Q. Xu, H. Siyamwala, M. Ghosh, T. Suri, M. Awasthi, Z. Guz, V. Balakrishnan, "Performance Analysis of NVMe SSDs and Their Implication on Real World Databases," Proceedings of the 8th ACM International Systems and Storage Conference pp. 6, 2015. 

  3. E. Baram, "PCIe/NVMe in Mobile Devices," Proceedings of the 2013 Flash Memory Summit 2015. 

  4. M. Bjorling, J. Axboe, D. Nellans, P. Bonnet, "Linux Block IO: Introducing Multi-queue SSD Access on Multi-core Systems," Proceedings of the 6th ACM international. systems and storage conference, 2013. 

  5. W. Fischer, G. Schonberger, "The Linux Storage Stack Diagram," [Online] http://www.thomas-krenn.com/en/wiki/Linux_Storage_Stack_Diagram (License: CC-BY-SA 3.0, modified by Ingu Kang) 

  6. J. Axboe, "Flexible I/O Tester," [Online] https://github.com/axboe/fio 

  7. J. Axboe, "Block Trace," [Online] https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/axboe/blktrace.git/ 

  8. M. Kim, S. Lee, Y. Won, "Comparative Study on I/O Characteristics of Mobile web Browsers," Proceedings of 5th IEEE International Conference on Consumer Electronics-Berlin, 2015. 

  9. S. Jeong, K. Lee, S. Son, Y. Won, "I/O Stack Optimization for Smartphones," Presented as part of the 2013 USENIX Annual Technical Conference, 2013. 

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