초록

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전 세계 주요 56개국 성인 인구의 스마트폰 보급률이 평균 약 60%에 달하고. 지난 월 기준 한국 스마트폰의 보급률은 83.0%에 달해 세계 4위를 기록하였다. 안드로이드, iOS를 포함한 대부분의 모바일 플랫폼은 SQLite 데이터베이스를 기본 데이터베이스로 사용하고 있는 것으로 알려져 있다. 현재 보급된 대부분의 스마트폰의 저장장치는 플래시 메모리를 기반으로 하고 있다. 그러나 현재까지 안드로이드 운영체제의 기본 파일시스템은 Ext4 파일시스템으로 알려져 있으며, 플래시메모리에 최적화되었다고 주장하는 다른 파일시스템에 대한 성능 평가 및 데이터 입출력 특징의 자세한 분석 연구는 존재하지 않았다. 본 논문에서는 가장 잘 알려진 파일 시스템 Ext4, XFS, Btrfs 세 종류에서 실제 안드로이드 애플리케이션 쿼리를 사용하여 성능 측정을 진행하였다. 실험 결과 기본 파일 시스템으로 사용되고 있는 Ext4가 가장 빠른 성능을 나타낸 것을 확인하였고, 각 파일시스템마다 완연히 다른 데이터 입출력 특징을 갖고 있는 것을 확인하였다.

전 세계 주요 56개국 성인 인구의 스마트폰 보급률이 평균 약 60%에 달하고. 지난 월 기준 한국 스마트폰의 보급률은 83.0%에 달해 세계 4위를 기록하였다. 안드로이드, iOS를 포함한 대부분의 모바일 플랫폼은 SQLite 데이터베이스를 기본 데이터베이스로 사용하고 있는 것으로 알려져 있다. 현재 보급된 대부분의 스마트폰의 저장장치는 플래시 메모리를 기반으로 하고 있다. 그러나 현재까지 안드로이드 운영체제의 기본 파일시스템은 Ext4 파일시스템으로 알려져 있으며, 플래시메모리에 최적화되었다고 주장하는 다른 파일시스템에 대한 성능 평가 및 데이터 입출력 특징의 자세한 분석 연구는 존재하지 않았다. 본 논문에서는 가장 잘 알려진 파일 시스템 Ext4, XFS, Btrfs 세 종류에서 실제 안드로이드 애플리케이션 쿼리를 사용하여 성능 측정을 진행하였다. 실험 결과 기본 파일 시스템으로 사용되고 있는 Ext4가 가장 빠른 성능을 나타낸 것을 확인하였고, 각 파일시스템마다 완연히 다른 데이터 입출력 특징을 갖고 있는 것을 확인하였다.

AI 본문요약

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• 연구 주제
• 연구 방법
• 연구 결과

문제 정의

•   향후 실제 파일시스템 구현 방식에 대한 소스 코드 레벨에서의 분석을 통해, 플래시메모리에 최적화되었다고 주장하는 파일시스템들이 더 느린 이유를 자세히 분석하려고 한다.
• 후)성능 평가를">성능평가를 진행하였다 [8, 9, 10]. 또한 플래시 메모리에 최적화했다고 주장하는 각 파일시스템들의 실제 데이터 입출력 패턴을 파악함으로써 향후 파일시스템 연구에 대한 방향성을 제시하고자 한다.

제안 방법

•   B+tree 데이터베이스 분야에서 on-disk 데이터를 관리하기 위해 유용히 사용된다는 관찰을 바탕으로, B+tree에서 대처하지 못하는copy-on-write 문제를 해결하는 변경된 B-tree구조를 기반으로 개발되었다.

• 3.3 파일시스템 데이터 입출력 특징 분석

  각 파일시스템에 대하여 첫 번째 워크로드인 Androbench 애플리케이션에 대한 트레이스를 SQLite를 통해 수행하면서, Linux의 blktrace 도구를 통하여 데이터 입출력 로그를 추출하였다. 각 64비트 기억 공간 제한을 없애고 Ext3의 성능을 향상시키며, 하위 Ext2,3와 하위 호환성이 있는 확장 버전으로서, 많은 부분이 본래, 병렬 분산 파일시스템을 위해 클러스터 파일 시스템스사에서 개발되었다. 그러나 다른 커널 개발자들은 안정성을 이유로 이를 반대했으며, 모든 개발에서 Ext3 사용자에게는 영향을 주지 않으면서 Ext3에서 분화하여 Ext4로 이름을 변경하기를 제안했다. 이 제안이 받아들여져 Ext4가 개발되었다.

• 실험 결과를 위해 각 파일시스템 상에서 각 애플리케이션 별 SQLite 를 통한 트레이스 수행 시간을 초 단위로 측 정하였다. 각 이러한 배경지식을 바탕으로 본 논문에서는 실제 안드로이드 기기에서 추출한 유명 애플리케이션들의 SQLite를 통한 데이터 관리 SQL 트레이스를 통해, Ext4, XFS, BTRFS 세 가지의 파일시스템에 대해 SQLite의 성능평가를 진행하였다 [8, 9, 10]. 또한 플래시 메모리에 최적화했다고 주장하는 각 후)지연할당">지연 할당 기능이라고 알려진 allocate-on-flush 기술을 사용하여 파일 시스템 자체의 성능을 향상시켰다. 이 기술은 데이터가 실제로 디스크에 쓰이기 전까지 해당 파일에 공간 할당을 지연시켜, 실제 데이터가 디스크에 쓰이는 시점에 필요한 공간만큼을 extent 단위로 할당한다.

이론/모형

• 각 파일시스템의 데이터 입출력 분석을 위해서는 Linux에서 기본적으로 제공하는 blktrace 패키지를 사용하였다.

성능/효과

• 64비트 파일의 모든 가능성을 사용하여 2GB이상의 파일에 대한 관리를 허용하며, 다른 저널링 파일시스템과 같이 저널링 기술을 이용하여 파일 시스템의 안정성을 보장한다. Ext4 파일 시스템과는 다르게 최소 512bytes 단위의 페이지 사이즈를 기준으로 후)예상되는데이터">예상되는 데이터 입출력 패턴을 보임을 알 수 있다. Androbench 애플리케이션에 대한 워크로드 수행중 발생하는 모든 데이터 쓰기 요청이 순차 쓰기와 임의 쓰기가 섞여 있음에도 불구하고, 계속해서 파일시스템 상의 새로운 공간을 할당하여 해당 데이터를 씀으로써 실제 패턴그래프에서 순차 쓰기 형태의 패턴을 보임을 알 수 있다.  SQLite의 데이터베이스 파일 및 그 Rollback 저널 파일에대해 2줄의 5배의 빠른 성능을 보임을 알 수 있다. 두 번째 워크로
  드인 Gmail 애플리케이션 트레이스에 대해서 Ext4는 XFS대비 1.3배, BtrFs 대비 1.9배의 빠른 성능을 보임을 알 수 있다. 마지막 워크로드인 KakoTalk 트레이스에 대해 Ext4는 XFS 대비 1.
• 후)파일 시스템으로">파일시스템으로 구현되어 있어, 파일에 대한 데이터 입출력에 대해 비슷한 접근 패턴을 보이는 것을 알 수 있다. 두 파일시스템 모두 저널링 방식을 제공하기 때문에 SQLite에서 직접적으로 요청하는 데이터 입출력 외에 추가적인 데이터 입출력 패턴이 발생함을 확인할 수 있다.
• 후)파일 시스템을">파일시스템을 기반으로, SQLite 데이터베이스나 운영체제의 소스코드 변화 없이 곧바로 상용 모바일 플랫폼에 적용할 수 있는 변화들을 보여주고 있다. 또한, 실제 파일시스템들의 데이터 입출력 패턴 분석을 통해 해당 파일시스템의 구현 방식에 따른 특성을 분석할 수 있었고, 순차 쓰기/임의 쓰기와 같은 특성에 따른 미래의 파일시스템에 대한 가능성을 확인할 수 있다.
• 후)성능 측정에서">성능측정에서 확인할 수 있다. 모든 애플리케이션에 대하여 Ext4 파일시스템이 가장 나은 성능을 보여주는 것을 확인할 수 있다. 첫 번째 워크로드인 Androbench 애플리케이션 트레이스에 대해서 Ext4는 XFS 대비 1.
• 후)파일 시스템들도">파일시스템들도 아직까지는 더 발전이 필요한 것을 알 수 있었다. 본 논문에서의 실험결과는 이미 개발되었고 공신력 있게 받아들여지고 있는 파일시스템을 기반으로, SQLite 데이터베이스나 운영체제의 소스코드 변화 없이 곧바로 상용 모바일 플랫폼에 적용할 수 있는 변화들을 보여주고 있다. 또한, 실제 실험을 통해 Androbench, Gmail, KakaoTalk 세 가지의 모든 애플리케이션 쿼리에 대해서 Ext4가 가장 빠른 성능을 나타내는 것을 볼 수 있었다. 이를 통해 플래시메모리에 후)성능 악화가">성능 악화가 더 큰 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 SSD에 특화된 파일시스템이라고 발표된 XFS, BtrFS는 아직 최적화가 되지 않았으며, 안드로이드의 기본 파일시스템으로 사용되는 Ext4가 가장 빠른 성능을 나타내고, 안드로이드 시스템의 Ext4는 올바른 채택임을 확인할 수 있다.
• 후)파일 시스템이">파일시스템이 가장 나은 성능을 보여주는 것을 확인할 수 있다. 첫 번째 워크로드인 Androbench 애플리케이션 트레이스에 대해서 Ext4는 XFS 대비 1.2배, BtrFS 대비 2.5배의 빠른 성능을 보임을 알 수 있다. 두 번째 워크로
  

후속연구

• 후)파일 시스템들이">파일시스템들이 더 느린 이유를 자세히 분석하려고 한다. 이러한 분석을 통해 차세대 파일시스템이 갖춰야 할 구조적 특징을 제시할 것이다.

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질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
SQLite	SQLite에서 모바일 플랫폼상에서 기기 성능 저하를 일으키는 원인은 무엇인가?	SQLite가 제공하는 데이터 관리의 편의성, 데이터 원자성 및 데이터 영속성에도 불구하고, 저널링 모드로 인한 불필요한 데이터 페이지의 다중 쓰기와 force-write 정책으로 인한 데이터 페이지 쓰기는 모바일 플랫폼상에서 기기의 성능 저하를 일으키는 원인으로 알려져 있다[3]. 이러한 문제점을 해결하기 위해 SQLite의 저널링 모드를 변경하거나 새로운 형태의 데이터베이스를 제안하는 연구들이 진행되고 있다 [4, 6, 7].
SQLite가 제공하는 저널링 모드	SQLite가 제공하는 저널링 모드는 무엇으로 분류되는가?	SQLite가 제공하는 저널링 모드는 크게 Rollback 저널링 모드와 WAL 저널링 모드로 분류된다. 그러나 구현상의 안정성, 역사성 및 다중 파일에 대한 원자성 지원 여부에 따른 차이점으로 인해 현재 모바일 플랫폼에서 사용되는 SQLite는 대부분 Rollback 저널링 모드를 기본 저널링모드로 사용하고 있다.
allocate-on-flush 기술	Ext4는 allocate-on-flush 기술을 통해 어떻게 성능을 향상시키는가?	이 기술은 데이터가 실제로 디스크에 쓰이기 전까지 해당 파일에 공간 할당을 지연시켜, 실제 데이터가 디스크에 쓰이는 시점에 필요한 공간만큼을 extent 단위로 할당한다. 이를 통해 하나의 파일에 대한 블록이 여러 곳으로 분산되는 현상을 막고 디스크의 이동을 최소화시킴으로써 성능을 향상 시킨다.

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