[논문]비휘발성 메모리를 활용하는 Log-Structured File System의 설계 및 구현

강양욱; 최종무; 이동희; 노삼혁

비휘발성 메모리를 활용하는 Log-Structured File System의 설계 및 구현
Design and Implementation of the Log-Structured File System Utilizing Nonvolatile Memory 원문보기

강양욱 (홍익대학교 컴퓨터공학과) , 최종무 (단국대학교 정보컴퓨터학부) , 이동희 (서울시립대학교 컴퓨터과학부) , 노삼혁 (홍익대학교 컴퓨터공학과)

Log-Structured File system은 쓰기에 최적화한 파일 시스템으로 변경된 데이터를 최대한 모아서 순차적으로 기록하는 방식을 가지고 있다. 그러나 실제 시스템에서는 주기적인 동기화로 인해 작은 크기의 데이터들이 디스크로 쓰여지게 되면서 원래의 디자인 목표를 살리지 못하게 된다. 본 연구에서는 최근 급속도로 발전하고 있는 비휘발성 메모리(NVRAM)를 이용해서 주기적인 동기화를 없애고 작은 단위의 쓰기는 NVRAM을 통해 흡수하도록 하였다. 이를 통하여 DRAM만 있는 LFS에 비해 33% 가량 TPC-C 수행 성능이 향상되고, 더 빠르고 고른 응답 시간을 보일 수 있었다.

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문제 정의

개발하는 연구를 진행하고 있다. 더 지능적이고 효율적인 알고리즘을 통해서 성능을 향상하고 클리너의 부담을 줄이는 것을 목표로 한다.
본 연구는 LFS가 휘발성 메모리를 전제로 한 운영체제의 가정에 막혀 발생하는 문제점들을 해결하기 위해 NetBSD 상에 NVRAM을 활용하는 LFS를 디자인하고 구현하였다. 페이지 캐시 레벨에서 비휘발성 메모리의 사용으로 작은 단위의 쓰기 문제를 해결하고 메모리에 데이터를 오랫동안 보관해야 하는 부담을 줄여 안전한 파일 시스템을 만들 수 있게 하는데 의의가 있다.
본 연구는 이러한 상황에서 NVRAM을 이용하여 LFS의데이터의 안정성 문제와 주기적인 동기화 문제를 해결하고자 한다. 작은 단위의 쓰기를 비휘발성 메모리에서 흡수하고 변경된 데이터는 NVRAM에 위치하도록 하여 안정성을 보장할 수 있다.
본 연구에서는 NetBSD 3.1 최신 커널 상에 NVRAM을 활용하는 LFS를 구현하였다. NetBSD는 LFS가 기본으로 탑재되는 유일한 운영체제이다.

가설 설정

비휘발성 메모리 영역의 할당과 구조 - UVM이 물리 메모리의 일부를 NVRAM으로 가정하고 별도로 관리한다.

제안 방법

TPC-C 트레이스는 약 1200 만개의 읽기와 쓰기 명령으로 구성되어있고, TPC-C 트레이스의 각 명령을 실행하기 전과 후의 시간 차이를 응답 시간으로 계산하였다. 응답 시간을 기록하는데 있어서 파일 시스템에 미치는 영향을 없애기 위하여 구해진 응답 시간은 네트워크를 통해 응답 시간 수집 서버로 전송하였다.
UVMe 이곳에 지정된 페이지 헤더를 통해 NVRAM 페이지의 위치를 찾을 수 있다. 또한 복구를 위해서 기존의 vm_page 구조체에 복구를 위한 정보를 추가하였다. 이 정보는 정상적인 상황에서는 페이지 구조체에 연결된 다른 구조체들로부터 추출할 수 있는 데이터이지만, 복구상황에서는 이들에 접근할 수 없기 때문에 필수적인 데이터들을 중복해서 저장한다.
본 논문에서 설계한 NVRAM을 인식하는 페이지 캐시는 모든 변경되는 페이지가 NVRAM에 있을 수 있도록 파일 시스템의 읽기 작업에는 휘발성 메모리를 할당하고, 쓰기 작업에는 비휘발성 메모리를 할당하도록 하였다. 쓰기 요청된 페이지가 휘발성 메모리에 있었다면, 그 페이지를 비휘발성 메모리로 복사하고, 이전 페이지를 해제한다.
본 연구에서 구현한 LFS는 NVRAM에 복구에 필요한 정보와 자료구조를 포함하였다.
실제 비휘발성 메모리는 페이지 캐시에서 사용될 만큼 큰 용량이 개발되지 않았기 때문에 운영체제의 물리 메모리(DRAM)의 일부를 비휘발성 메모리 영역으로 설정하였다. 추후 실제 NVRAM이 사용 가능한 경우를 대비해서 실제 NVRAM이 적용되더라도 디자인의 변경이 일어나지 않도록 설계하였다.
후의 시간 차이를 응답 시간으로 계산하였다. 응답 시간을 기록하는데 있어서 파일 시스템에 미치는 영향을 없애기 위하여 구해진 응답 시간은 네트워크를 통해 응답 시간 수집 서버로 전송하였다.
매 읽기나 쓰기 요청시 남은 NVRAM 메모리 공간을 확인하여 디스크로 쓰여져야 하는지 판단한다. 이 구현에서는 남은 NVRAM 메모리 공간이 캐싱된 총 데이터 크기보다 작을 때 디스크로 쓰도록 하였다.
DRAM만이 존재하는 환경에서는 페이지 하나를 할당할 때 빈페이지 리스트에서 하나의 페이지를 가져오면 되지만, NVRAM이 존재하고 필요에 따라 NVRAM과 DRAM을 선택하여 할당하고자 한다면 리스트 검색이 필요하기 때문이다. 이러한 오버헤드를 피하기 위해서 [그림 2]와 같이 비휘발성 메모리를 관리하는 새로운 빈 페이지 리스트를 추가하고 페이지데몬이 활성화 혹은 비활성화 상태에 있는 페이지를 해제할 때 각각의 빈 페이지 리스트에 들어갈 수 있도록 설계하였다. 페이지 데몬은 적정 수준의 NVRAM이 항상 빈 페이지로 존재할 수 있도록 유지한다.
주기적인 동기화를 제거한 효과를 알아보기 위해서 TPC-C 트레이스를 실행하면서 각 명령의 응답 시간을 측정해보았다. 응답 시간의 측정을 통해서 주기적인 동기화 작업의 유무가 사용자의 요청에 대한 응답에 어떠한 영향을 끼치는 지 알 수 있다.

대상 데이터

LFS의 응답 시간 분포 그래프이다. NetBSD LFS시스템에서는 DRAM 512MB, 실험에 사용된 수정된 LFS에서는 DRAM 256MB, NVRAM 256MB를 함께 사용하였다. 전체 수행 시간도 [그림 6](a)에 보이는 것처럼 TPCC 전체를 실행하는데 걸린 시간이 NetBSD LFS에 비해 33% 정도 향상되었다.

성능/효과

NetBSD LFS시스템에서는 DRAM 512MB, 실험에 사용된 수정된 LFS에서는 DRAM 256MB, NVRAM 256MB를 함께 사용하였다. 전체 수행 시간도 [그림 6](a)에 보이는 것처럼 TPCC 전체를 실행하는데 걸린 시간이 NetBSD LFS에 비해 33% 정도 향상되었다. 또한 [그림 6](b)에 나타났듯이 NetBSD LFS와 수정된 LFS의 평균 응답 시간은 각각 8195us, 5273us로 수정된 LFS 시스템의 평균 응답 시간이 각 요청당 2922us정도 빨라졌다.
페이지 캐시 레벨에서 비휘발성 메모리의 사용으로 작은 단위의 쓰기 문제를 해결하고 메모리에 데이터를 오랫동안 보관해야 하는 부담을 줄여 안전한 파일 시스템을 만들 수 있게 하는데 의의가 있다. TPC-C 트레이스 실험 결과 전체수행 시간이 33%, 응답 시간이 35% 향상되었다. LFS의 고질적인 문제인 클리너의 오버헤드는 파일 시스템의 동기화명령이 줄어들면서 완화될 수 있다.

후속연구

용량 면에서도 주요 반도체 회사 중 하나인 삼성전자는 2006년 512Mb NVRAM을 개발하였고 2008년부터 양산을 계획하고 있다[7]. 앞으로 점차 NVRAM이 현재의 휘발성메모리의 일부를 대체하게 될 것으로 예상한다.
앞으로 주기적인 동기화를 없애고 이를 대체할 새로운 메커니즘을 개발하는 연구를 진행하고 있다. 더 지능적이고 효율적인 알고리즘을 통해서 성능을 향상하고 클리너의 부담을 줄이는 것을 목표로 한다.
설정하였다. 추후 실제 NVRAM이 사용 가능한 경우를 대비해서 실제 NVRAM이 적용되더라도 디자인의 변경이 일어나지 않도록 설계하였다.

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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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