[論文レビュー] Efficient LSM-Tree Key-Value Data Management on Hybrid SSD/HDD Zoned Storage

Jinhong Li, Qiuping Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2022

Advanced Data Storage Technologies被引用数 4

ひとこと要約

HHZS は、LSM-Tree KV ストア（例：RocksDB）からのアプリケーションヒントを活用することで、ハイブリッドゾーン型SSD/HDDシステム上での効率的なキー値ストレージを実現するミドルウェアシステムです。書き込み指向の配置戦略、ワークロードに適応した移行、アプリケーションヒントに基づくキャッシュを採用し、実際のZNS SSDおよびHM-SMR HDDハードウェア上でベースライン比28.0–69.3%の高いスループットを達成しています。

ABSTRACT

Zoned storage devices, such as zoned namespace (ZNS) solid-state drives (SSDs) and host-managed shingled magnetic recording (HM-SMR) hard-disk drives (HDDs), expose interfaces for host-level applications to support fine-grained, high-performance storage management. Combining ZNS SSDs and HM-SMR HDDs into a unified hybrid storage system is a natural direction to scale zoned storage at low cost, yet how to effectively incorporate zoned storage awareness into hybrid storage is a non-trivial issue. We make a case for key-value (KV) stores based on log-structured merge trees (LSM-trees) as host-level applications, and present HHZS, a middleware system that bridges an LSM-tree KV store with hybrid zoned storage devices based on hints. HHZS leverages hints issued by the flushing, compaction, and caching operations of the LSM-tree KV store to manage KV objects in placement, migration, and caching in hybrid ZNS SSD and HM-SMR HDD zoned storage. Experiments show that our HHZS prototype, when running on real ZNS SSD and HM-SMR HDD devices, achieves the highest throughput compared with all baselines under various settings.

研究の動機と目的

• ZNS SSDおよびHM-SMR HDDを用いたハイブリッドゾーン型ストレージ上でLSM-Treeキー値ストアを展開する際のパフォーマンスおよび効率性の課題に対処すること。
• 従来のブロックベースのストレージインタフェースが引き起こす翻訳オーバーヘッドおよびガベージコレクションの干渉を克服すること。
• フラッシュ、コンパクション、キャッシュ操作からのアプリケーションレベルのヒントを活用し、ハイブリッドゾーン型ストレージにおけるデータ配置および移行を細かく、ホストレベルで制御できること。
• LSM-Treeの意味論とゾーン型ストレージの特性を整合させることで、ハイブリッドゾーン型環境におけるスループットの最適化とタイルレイテンシの低減を図る共同設計されたシステムを設計すること。
• ヒント駆動型のデータ管理が、ハイブリッドゾーン型ストレージワークロードにおいて自動的または静的配置方式を著しく上回ることを実証すること。

提案手法

• LSM-Tree KV ストア（RocksDB）とハイブリッドZNS SSDおよびHM-SMR HDDストレージを、アプリケーションヒントを介して接続するミドルウェア層としてHHZSを提案する。
• LSM-Treeのフラッシュおよびコンパクション操作から得られる書き込み寿命ヒントを活用し、低レベルのデータ用にSSDのゾーンにSSTableを配置することで、書き込みアンプリフィケーションを最小限に抑える。
• レート制限を施したワークロードに適応した移行を採用し、アクセスパターンに応じてSSTableをSSDとHDDの間で動的に移行させ、フォontグランドI/Oへの干渉を低減する。
• アプリケーションヒントに基づくキャッシュを適用し、頻繁にアクセスされるデータブロックをSSDに保持することで、読み取りパフォーマンスとヒットレートを向上させる。
• ゾーン対応のファイルシステムであるZenFSと統合し、ゾーンインタフェースを公開し、ゾーンライフサイクル操作（例：ゾーンリセット、追加のみの書き込み）を管理する。
• LSM-Treeの内部操作と下位ストレージレイヤーの間で最適なパフォーマンスを実現するため、ヒント駆動型のデータ管理パイプラインを実装する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LSM-Treeの操作から得られるアプリケーションヒントを、ハイブリッドゾーン型ストレージ（ZNS SSDおよびHM-SMR HDD）におけるデータ配置に効果的に活用する方法は何か？
• RQ2 SSDとHDD間での動的かつワークロードに適応したデータ移行が、ハイブリッドゾーン型ストレージにおけるパフォーマンスおよびタイルレイテンシに与える影響は何か？
• RQ3 アプリケーションヒントに基づくキャッシュは、書き込みアンプリフィケーションの増加を伴わずに、ハイブリッドゾーン型ストレージにおける読み取りパフォーマンスを向上させることができるか？
• RQ4 LSM-Tree KV ストアとゾーン型ストレージの間でヒント駆動型の共同設計を実施した場合、従来の自動的または静的配置方式を上回る性能を発揮するか？
• RQ5 フォontグランドI/Oへの干渉を考慮した場合、パフォーマンス向上とバランスを取る最適なバックグラウンドデータ移行レートは何か？

主な発見

• HHZS は、実際のZNS SSDおよびHM-SMR HDDハードウェア上で6つのYCSBワークロードにわたって、SpanDBの自動配置方式と比較して28.0–69.3%の高いスループットを達成した。
• 移行レートを1 MiB/sから64 MiB/sに引き上げた場合、99.99パーセンタイルのレイテンシが104%増加した。これは、攻撃的な移行がタイルパフォーマンスを劣化させることを示している。
• 保守的な移行レート4 MiB/sを採用することで、HHZSは性能向上と干渉の両立を図り、低タイルレイテンシを維持した。
• 書き込み指向の配置戦略により、低レベルのSSTable用にSSDのゾーンが効果的に予約され、書き込みアンプリフィケーションが低減され、書き込みスループットが向上した。
• ワークロードに適応した移行により、ホットなSSTableがHDDからSSDに動的に移行され、過度なI/O干渉を伴わずに読み取り効率が向上した。
• アプリケーションヒントに基づくキャッシュにより、頻繁にアクセスされるデータブロックが高速なSSDに保持され、読み取りヒットレートが顕著に向上した。