SSD를 위한 SMART 기반 신뢰성 분석 방법론 및 도구

김세욱(Sewoog Kim),이상엽(Sangyup Lee),전정호(Jeongho Jeon),최종무(Jongmoo Choi),양중섭(Joongseob Yang),모연진(Yeonjin Mo),신영균(Youngkyun Shin) 한국정보과학회 2011 한국정보과학회 학술발표논문집 Vol.38 No.1B

본 논문에서는 SMART(Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology)를 기반으로 SSD(Solid State Drives) 저장 장치의 신뢰성을 분석할 수 있는 방법론과 도구를 제안한다. 방법론은 SSD를 구성하는 플래시 메모리의 결함 종류, 결함들을 효과적으로 모니터링 할 수 있는 SMART 속성과 임계값, 그리고 이를 기반으로 SSD의 신뢰성을 예측할 수 있는 모델로 구성된다. 이 방법론은 신뢰성 분석 도구로 구현되었으며, 이 도구는 Workload generator, SMART monitor, Dependability analyzer, 그리고 GUI viewer로 구성된다. 실제 두 회사에서 생산한 6개의 SSD를 이용하여 실험한 결과, SMART를 기반으로 SSD의 고장 예측이 가능하며, 여러 속성들을 동시에 고려하였을 때 예측의 정확도가 높아짐을 발견하였다.

가상화 환경에서 NVMe SSD 성능 분석 및 직접 접근 엔진 개발

김세욱(Sewoog Kim),최종무(Jongmoo Choi) 한국정보과학회 2018 정보과학회 컴퓨팅의 실제 논문지 Vol.24 No.3

낸드 플래시 메모리 기반의 NVMe(Non-Volatile Memory express) SSD(Solid State Drive)는 멀티 I/O 큐 환경을 제공하는 PCIe 인터페이스 기반에 NVMe 프로토콜을 사용하는 저장장치이다. NVMe SSD는 Multi-core 시스템에서 병렬 I/O 처리가 가능하고 SATA SSD에 비해 대역폭이 크며 대용량의 저장 공간을 제공하기 때문에 데이터 센터, 클라우드 컴퓨팅 등에 사용될 차세대 저장장치로 주목받고 있다. 하지만 가상화 시스템에서는 소프트웨어 I/O 스택의 병목으로 인하여 NVMe SSD의 성능을 충분히 활용하지 못하고 있다. 특히, Xen과 KVM과 같이 호스트 시스템의 I/O 스택을 사용하는 경우에는, 호스트 시스템과 가상머신의 중복된 I/O 스택을 통해서 입출력이 처리되기 때문에 성능 저하가 크게 발생한다. 본 논문에서는 NVMe SSD에 직접 접근하는 기술을 KVM 가상화 시스템에 적용함으로써 가상머신 I/O의 성능을 향상시키는 Direct-AIO (Direct-Asynchronous I/O)엔진을 제안한다. 그리고 QEMU 에뮬레이터에 제안한 엔진을 개발하고 기존의 I/O 엔진과의 성능 차이를 비교 및 분석한다. NVMe(Non-Volatile Memory Express) SSD(Solid State Drive) is a high-performance storage that makes use of flash memory as a storage cell, PCIe as an interface and NVMe as a protocol on the interface. It supports multiple I/O queues which makes it feasible to process parallel-I/Os on multi-core environments and to provide higher bandwidth than SATA SSDs. Hence, NVMe SSD is considered as a next generation-storage for data-center and cloud computing system. However, in the virtualization system, the performance of NVMe SSD is not fully utilized due to the bottleneck of the software I/O stack. Especially, when it uses I/O stack of the hypervisor or the host operating system like Xen and KVM, I/O performance degrades seriously due to doubled-I/O stack between host and virtual machine. In this paper, we propose a new I/O engine, called Direct-AIO (Direct-Asynchronous I/O) engine, that can access NVMe SSD directly for I/O performance improvements on QEMU emulator. We develop our proposed I/O engine and analyze I/O performance differences between the existed I/O engine and Direct-AIO engine.

가상화 시스템을 위한 큰 단위 대역폭 인지 I/O 스케줄링 기법

김세욱(Sewoog Kim),강동우(Dongwoo Kang),최종무(Jongmoo Choi) 한국정보과학회 2013 정보과학회논문지 : 시스템 및 이론 Vol.40 No.5

본 논문에서는 가상화 시스템을 위한 새로운 I/O 스케줄러인 Coarse-grained Bandwidthaware I/O 스케줄링 기법을 제안한다. 이 기법은 가상화 시스템에서 가상머신들이 동시에 집중적인 I/O를 요청할 때, 전체 I/O 성능저하를 해결하기 위한 기법으로써, 가상머신들의 I/O 요청들 단위가 아닌 I/O 대역폭 단위로 스케줄링을 수행한다. 이 기법은 실시간으로 I/O 대역폭을 측정하여, 특정한 임계값 이상의 대역폭을 요구하는 가상머신들을 특별하게 관리한다. 구체적으로 이러한 가상머신들은 라운드로빈 방식으로 선택되어 가능한 한 최대 대역폭을 할당하고, 그 외의 가상머신들은 기아현상을 막기 위해 최소 대역폭을 할당한다. 제안된 스케줄링 기법은 가상머신들 간의 문맥 교환과 디스크 섹터 접근 거리를 줄임으로써 전체 I/O 성능을 향상시킬 수 있으며, 큰 시간 단위에서 공평성을 유지할 수 있다. 본 논문에서는 DD 유틸리티와 FIO 벤치마크 프로그램에서 1GB의 데이터 I/O를 수행하는 실험을 진행하였으며, 제안하는 기법이 기존 기법보다 약 19%정도 I/O 성능이 향상되는 것을 검증하였다. In this paper, we propose a new I/O scheduling scheme for virtualization systems, called CB-scheduling (Coarse-grained Bandwidth-aware I/O Scheduling). The scheme is motivated by our observation that the overall I/O performance is deteriorated significantly when bursty I/Os are requested by several virtual machines at the same time. To overcome this problem, the CB-scheduling scheme conducts I/O scheduling based on bandwidth, not based on individual I/O requests. It first performs an on-line monitoring about the I/O bandwidth required by each virtual machine. When the required bandwidth is beyond a certain threshold, the virtual machine is treated as bursty. Then, the scheme schedules the bursty virtual machines in a round robin manner where the scheduled virtual machine can utilize the maximum available bandwidth exclusively during its time quantum. Besides, the scheme guarantees the minimal bandwidth to each virtual machine at all times for preventing any virtual machine from being starved. This approach can improve I/O performance not only by reducing the context switching among virtual machines but also by decreasing the seek distances in disks, while keeping fairness at the coarse-grained scale. Implementation based experiments have shown that the proposed scheme can improve the I/O performance with an average of 19%, compared with the traditional scheme.

SSD를 위한 SMART 기반 신뢰성 분석 방법론 : 측정과 의미

김세욱(Sewoog Kim),이상엽(Sangyup Lee),전정호(Jeongho Jeon),최종무(Jongmoo Choi),양중섭(Joongseob Yang),모연진(Yeonjin Mo),신영균(Youngkyun Shin) 한국정보과학회 2011 정보과학회논문지 : 시스템 및 이론 Vol.38 No.5

최근, 셀당 여러 비트를 저장하는 MLC 기술과 단위 면적당 저장 밀도를 향상시키는 기술의 적용으로 플래시 메모리의 용량은 크게 증가하고 있다. 하지만 이러한 기술들은 셀간 간섭을 증가시켜 읽기/쓰기 교란을 야기하며 프로그램/삭제 연산 횟수 제한과 데이터 유지 문제를 악화시켜, 플래시 메모리 기반 저장 장치의 신뢰성에 대한 걱정을 증가시키고 있다. 이러한 걱정을 완화할 수 있는 출발점으로 본 논문에서는 SSD의 신뢰성 이슈를 체계적이고 정량적으로 조사할 수 있는 방법론과 도구를 제안한다.. 이것은 SMART(Self Monitoring Analysis and Reporting Technology) 기술을 이용하여 SSD에서 블록들의 평균 삭제 횟수, I/O 응답 시간, 배드 블록 개수 등의 다양한 속성 정보를 여러 워크로드 상황에서 측정할 수 있다. 또한 측정된 결과를 분석하여 SSD의 평균 수명, 순차/임의 워크로드가 내구성에 끼치는 영향, 배드 블록의 발생이 성능에 끼치는 영향 등의 정보를 제공할 수 있다. 실제 6개의 SSD를 이용한 실험을 통해, 제안된 방법론 및 도구가 SSD의 내부 구조를 적절하게 분석하고 있으며, SSD의 신뢰성을 평가, 향상 시킬 수 있는 유용한 정보를 제공할 수 있음을 보였다. These days, the capacity of flash memory is increasing rapidly by applying MLC (Multi Level Cells) techniques and raising the storage density per unit area. However, such technologies cause the interference among cells such as read and write disturbances and deteriorate the program/erase cycles and data retention problems, leading to the dependability as the primary concern of flash memory based storage devices. As a starting point to mitigate the concern, in this paper, we propose a new methodology and tool that can explore the dependability issues of SSD (Solid State Drives) systematically and quantitatively. Using the SMART (Self Monitoring Analysis and Reporting Technology), it can measure diverse attributes such as the average erase count of blocks, I/O response time, and the number of bad blocks under the various workloads. Also, it analyzes the measurements and provides their implications including the expected lifetime of SSD, the effects of sequential/random workloads on endurance, and the effects of bad blocks on performance. Real experiments with six commercial SSDs have shown that the proposed methodology can interpret the internal behaviors appropriately and suggest useful information to evaluate and enhance the dependability of SSDs.

최신 플래시 메모리 오류 특성 분석 및 의미

김세욱(Sewoog Kim),손대연(Daeyeon Son),최길모(Kilmo Choi),최종무(Jongmoo Choi) 한국정보과학회 2015 한국정보과학회 학술발표논문집 Vol.2015 No.6

환경을 위한 Coarse-grained Bandwidth 스케줄링 기법 및 도구

김세욱(Sewoog Kim),강동우(Downgwoo Kang),최종무(Jongmoo Choi) 한국정보과학회 2013 한국정보과학회 학술발표논문집 Vol.2013 No.6

VirtIO-trace: 가상화 환경에서 NVMe SSD 입출력 특성 분석을 위한 통합 도구

김세욱(Sewoog Kim),최종무(Jongmoo Choi) Korean Institute of Information Scientists and Eng 2018 정보과학회논문지 Vol.45 No.4

Virtualization technology plays a significant-role in diverse computing environments such as cloud computing and data center. CPU manufacturers actively provide hardware-based virtualization techniques for virtualization systems. NIC manufacturers also support virtualization techniques to improve network I/O performance. However, there is a significant performance degradation in storage I/O virtualization, and many studies attempted to overcome this problem. Recently, NVMe(Non-Volatile Memory Express) SSDs(Solid State Drives) have become increasingly popular as storage devices for high-performance virtualized I/O systems. However, such fast storage devices cannot improve I/O performance significantly against one’s expectation. To optimize the storage I/O optimization performance, we need an I/O tracking and analysis tool. In this paper, we propose a novel tool that can monitor I/O behaviors on NVMe SSD in virtualized environments. The tool, which we refer to as VirtIO-trace, basically allows to trace I/O requests and their timing information like the existing blktrace. However, it differs from the traditional tools in that it provides NVMe SSD specific information such as queue status and submission/completion statistics, and virtualization specific information such as I/O processing time in VM/host systems. We implemented the tool in the KVM virtualization system. Experimental results show that the tool can collect I/O information in real time, which can be usefully exploited in analyzing I/O characteristics and exploring a new policy for enhancing performance and fairness on management of NVMe SSD in virtualization systems.

가상화 환경에서 I/O 특성 분석과 통합 도구

김세욱(Sewoog Kim),이남수(Namsu Lee),최종무(Jongmoo Choi),김준모(Joonmo Kim) 한국정보과학회 2011 한국정보과학회 학술발표논문집 Vol.38 No.2A

본 논문에서는 가상화 환경에서 효율적인 I/O 분석을 위한 도구를 제안하고 실험을 통하여 가상화 환경에서의 I/O 문제점을 분석한다. 도구는 I/O의 각 단계별 정보를 추출하고 수행 시간 및 I/O 요청 사이즈에 대한 누적 값을 추출하여 가상화 환경에서의 I/O 흐름에 대한 효율적인 분석을 할 수 있는 모델로 구성된다. 실제 읽기/쓰기 실험을 통하여 현재 가상화 환경의 I/O가 가지고 있는 문제점을 발견하였다. 본 논문에서는 실험 결과를 기반으로 가상화 환경의 I/O가 가지고 있는 문제점을 분석하고 문제 해결을 위한 방법들에 대해서 논의한다.

플래시 메모리에서 마모 평준화를 위한 무작위 블록 선택의 효율성

최길모(Kilmo Choi),김세욱(Sewoog Kim),최종무(Jongmoo Choi) 한국정보과학회 2014 한국정보과학회 학술발표논문집 Vol.2014 No.6

가상화 환경을 위한 고성능 캐시 저장장치 관리 모델

강동우(Dongwoo Kang),김세욱(Sewoog Kim),최종무(Jongmoo Choi) 한국정보과학회 2013 한국정보과학회 학술발표논문집 Vol.2013 No.11