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비휘발성 메모리 기반 블록 디바이스 드라이버 성능 향상을 위한 쓰기 감소 기법
김정한(Junghan Kim),엄영익(Young Ik Eom) 한국정보과학회 2019 정보과학회논문지 Vol.46 No.10
최근 NVRAM(Non-Volatile Memory)이 플래시 스토리지 및 DRAM과 비교하여 성능, 가격측면의 경쟁력을 갖추게 되면서 차세대 스토리지로써 새롭게 주목받고 있다. NVRAM을 스토리지로 활용하기 위해서는 기존 파일 시스템 계층 또는 블록 디바이스 계층을 개선하는 방법이 존재한다. 이 중에서도 블록 계층을 수정하는 방법은 파일 시스템 및 페이지 캐시 계층의 변경이 필요 없기 때문에 전체 시스템의 호환성 측면에서 장점을 갖는다. 그러나, 이와 같은 접근은 NVRAM을 블록 단위로 제어하기 때문에 바이트 접근이 가능한 NVRAM의 특성을 고려할 때 내구성 및 성능 측면에서 효과적이지 않다. 이에 본 논문에서는 파일 시스템을 고려하면서 블록 단위 쓰기를 최소화하는 NVRAM 블록 디바이스 드라이버를 제안한다. 제안하는 블록 쓰기 감소 기법은 파일 시스템의 구조에 따라 블록 타입을 분류하고, XOR 연산을 활용한 블록 변경량 비교 과정을 통해서 부분 쓰기를 제공한다. 제안 기법을 리눅스 커널의 NVRAM 블록 계층에 적용하여 다양한 워크로드에서 평가한 결과 기존 블록 단위 쓰기와 비교하여 쓰기량이 최대 90%까지 감소함을 확인하였다. Recently, non-volatile memory (NVRAM) has attracted substantial attention as a next-generation storage device due to the fact that it shows higher read/write performance than flash-based storage as well as higher cost-effectiveness than DRAM. One way to use NVRAM as a storage device is to modify the existing file system layer or block device layer. Leveraging the NVRAM block device driver is advantageous in terms of overall system compatibility, as it does not require any modification of the existing storage stack. However, when considering the byte-level addressing of the NVRAM device, the block write is not effective in terms of durability or performance. In this paper, we propose a block device driver that attempts to optimize the existing block write operations while considering the existing functionalities of the file system. The proposed block write reduction scheme provides a partial block write by classifying the type of blocks according to the structure of the file system as well as the amount of data modified in the block using XOR operation. Several experiments are performed to validate the performance of the proposed block device driver under various workloads, and the results show that, compared to the conventional block write operations, the amount of writes is reduced by up to 90%.
가상 장치의 성능 향상을 위한 커널 레벨 장치 가상화 기술
김정한(Junghan Kim),이동우(Dongwoo Lee),민창우(Changwoo Min),엄영익(Young Ik Eom) 한국정보과학회 2013 정보과학회 컴퓨팅의 실제 논문지 Vol.19 No.2
가상화 기술은 하드웨어와 소프트웨어의 발전과 함께 다양한 분야에 적용되어 컴퓨팅 환경의 자원 활용성을 높이고 있다. 이와 같이 가상화 환경이 널리 사용됨에 따라서 프로세서/메모리/장치 가상화를 효과적으로 지원하기 위한 관련 연구가 진행되고 있다. 그중에서도 장치 가상화는 빈번한 입출력 워크로드를 갖는 대규모 가상 머신 환경을 지원하기 위한 핵심 기술로써 주목받고 있다. 이를 위해 기존의 연구에서 다양한 모델이 제안되었으나 장치 접근 요청에서 발생하는 모드 전환 비용에 대한 해결 방법을 제시하지 못하고 있다. 이에 본 논문에서는 폴링 기반의 커널 레벨 장치 가상화 기술을 제안하여 모드 전환 비용을 제거하였다. 또한, 이에 대한 프토토타입을 구현하여 높은 입출력 워크로드에서 본 폴링 기반장치 가상화 기술의 성능 개선을 확인하였다. Virtualization technologies have been applied in various area, and they improve the utilization of the computing resources. Accordingly, it is important to study on processor, memory, and device virtualization. Above all, the device virtualization has been attracting a core technology to support large scale virtual machines in complex I/O workloads. Even though various models for device virtualization have been proposed, there is no answer to handle mode transition cost. In this paper, we propose a I/O virtualization technology, which is the in-kernel device virtualization technology, to accelerate virtual devices in a virtual machine based on a polling scheme. And, we show experimental results on the complex storage and network workloads using our prototype implementation based on the polling scheme.