[論文レビュー] A Survey on Tiering and Caching in High-Performance Storage Systems

Morteza Hoseinzadeh|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2019

Advanced Data Storage Technologies参考文献 49被引用数 10

ひとこと要約

本調査は、SSDとHDDの性能格差を埋めるために非揮発性メモリ（NVM）を高速階層として活用することを焦点に、ハイパフォーマンスストレージシステムにおけるキャッシュおよびティアリング技術について包括的な分析を提供する。Zigguratは、動的しきい値とグループ移行を用いてNVMとディスク間のデータ移行を知的に制御するマルチティアのファイルシステムであり、遅延、帯域幅、NVMの利用効率を最適化することで、エントープライズワークロードにおいて高いスケーラビリティとパフォーマンスを達成する。

ABSTRACT

Although every individual invented storage technology made a big step towards perfection, none of them is spotless. Different data store essentials such as performance, availability, and recovery requirements have not met together in a single economically affordable medium, yet. One of the most influential factors is price. So, there has always been a trade-off between having a desired set of storage choices and the costs. To address this issue, a network of various types of storing media is used to deliver the high performance of expensive devices such as solid state drives and non-volatile memories, along with the high capacity of inexpensive ones like hard disk drives. In software, caching and tiering are long-established concepts for handling file operations and moving data automatically within such a storage network and manage data backup in low-cost media. Intelligently moving data around different devices based on the needs is the key insight for this matter. In this survey, we discuss some recent pieces of research that have been done to improve high-performance storage systems with caching and tiering techniques.

研究の動機と目的

• 大規模データセンターにおけるI/Oボトルネックを解消し、ストレージシステムのパフォーマンスとコスト効率を向上させること。
• HDDとSSDのみに依存する従来のストレージ階層の限界を克服し、アクセスパターンが多様な混合ワークロードを効果的に処理すること。
• 3D XPointのような新規非揮発性メモリ（NVM）技術が、遅延の低減と耐久性の向上を図るために高速階層として果たす可能性を調査すること。
• NVMの利用効率を最大化するとともに、遅延の高いストレージ階層におけるランダムI/Oを最小限に抑える、スケーラブルで効率的かつ適応的なキャッシュおよびティアリングソリューションを設計すること。
• アクセスパターン、書き込み動作、システム負荷に基づいて、NVMとディスク間のデータ移行を動的に管理するファイルシステムを開発すること。

提案手法

• Zigguratは、アプリケーションの書き込みパターンに基づく動的移行しきい値を用いて、NVMからディスクへのデータ移行のタイミングを決定する。
• ファイルアクセスシーケンスを分析し、将来の同期書き込みを特定するためのコールドネス予測子を採用することで、冷たいデータの早期移行を可能にする。
• データ移行は、ディスク帯域幅を最大限に活用し、ランダムI/Oのオーバーヘッドを低減するため、大容量で連続的なチャンク単位で実行される。
• 移行メタデータを追跡するため、NVMにログ構造のインデックスノード構造を採用し、読み込み中心のワークロードではディスクからNVMへの逆方向移行をサポートする。
• ZigguratはNOVAのCPUごとのストレージアロケータを拡張し、CPUごとの移行および書き戻しスレッドを用いることで、高いスケーラビリティを実現する。
• 隣接するファイルブロックを大きな移行ユニットに統合し、将来のI/OサイズおよびCPUキャッシュラインサイズと整合させることで、データフェッチ効率を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模でデータ集約的なワークロードにおけるI/O遅延を低減するために、キャッシュおよびティアリング技術をどのように最適化できるか？
• RQ2 3D XPointのような新規非揮発性メモリ（NVM）技術は、ストレージシステムのパフォーマンスとコスト効率を向上させるために果たす役割は何か？
• RQ3 多様なアクセスおよび書き込みパターン下で、NVMとディスク間のデータ移行をどのように効率的かつスケーラブルに実現できるか？
• RQ4 冷たいデータおよび将来の同期書き込みを効果的に特定するためのヒューリスティクスや予測子は何か？ これにより、知的なティアリング意思決定を支援できるか？
• RQ5 NVMの空き容量を最大限に活用し、同期書き込みを吸収することで、遅延の高いストレージ階層への負荷を軽減するにはどうすればよいか？

主な発見

• Zigguratは、同期書き込みをNVMにオフロードすることで、遅延の高いストレージデバイスの性能低下を最小限に抑える。
• 大容量で連続的なチャンク単位でのグループ移行により、ディスク帯域幅の利用効率が向上し、ランダムI/Oのオーバーヘッドが低減される。
• CPUごとのストレージアロケータおよび移行スレッドを用いることで、システムは並列ワークロードの効率的処理を可能にし、高いスケーラビリティを達成する。
• アプリケーションの書き込み動作に基づく動的移行しきい値により、Zigguratはデータ配置を適応的に管理し、NVMの使用を最適化できる。
• 読み込み中心のワークロード下でディスクからNVMへの逆方向移行により、頻繁にアクセスされるデータが高速ストレージに保持され、パフォーマンスが向上する。
• Zigguratの設計により、NVM容量を完全に活用し、同期書き込みを吸収することで、高価なDRAMの必要性が低下し、全体のシステム効率が向上する。