[論文レビュー] Silentium! Run-Analyse-Eradicate the Noise out of the DB/OS Stack

Wolfgang Mauerer, Ralf Ramsauer+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Advanced Data Storage Technologies被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、データベース/オペレーティングシステムスタックからの干渉を段階的に除去することで、マルチテントのメモリ内データベースにおけるパフォーマンスノイズを体系的に解消する手法を提案し、競合するテントのワークロードに影響を与えずに、ベアメタル性能と同等のサブミリ秒未塔のレイテンシの決定論的性能を達成する。主な結果として、エキスパートによるOS設定により、ほぼベアメタル性能に到達でき、特定のワークロードではカスタムOSの開発が必ずしも必要でないことが示された。

ABSTRACT

When multiple tenants compete for resources, database performance tends to suffer. Yet there are several scenarios where guaranteed sub-millisecond latencies are crucial, such as in real-time scenarios, IoT, or when operating in safety-critical environments. In this paper, we study how to make query latencies deterministic in the face of noise (whether caused by other tenants or unrelated operating systems tasks). We perform controlled experiments with an in-memory database in a multi-tenant setting, where we successively eradicate noisy interference from within the system software stack, to the point where the engine runs close to bare-metal on the underlying hardware. We show that we can achieve query latencies comparable to the database engine running as the sole tenant, but without noticeably impacting the workload of competing tenants. We discuss these results in the context of ongoing efforts to build custom operating systems for database workloads, and point out that for certain use cases, the margin for improvement is rather narrow. In fact, for scenarios like ours, existing operating systems might just be good enough, provided that they are expertly configured. We then critically discuss these findings in the light of a broader family of database systems (e.g., including disk-based), and the technological disruption of the advances in modern hardware.

研究の動機と目的

• リソースの競合とシステムノイズによって引き起こされるマルチテントのメモリ内データベースにおけるパフォーマンスのばらつきという課題に対処すること。
• 既存のオペレーティングシステムがエキスパートによる設定によってほぼベアメタル性能に到達できるかどうかを調査し、カスタムOS開発の必要性を低減すること。
• リアルタイムおよびセーフティクリティカルワークロードにおけるクエリレイテンシに及ぼす、競合するテントおよびOSタスクによるノイズの影響を評価すること。
• 現代のハードウェア環境におけるスタックレベル最適化によるパフォーマンス向上の実用的限界を特定すること。

提案手法

• パフォーマンス干渉を分離して測定できるように、マルチテント環境におけるメモリ内データベースを用いて制御された実験を実施する。
• アプリケーションレベルのチューニングから始めて、徐々に低レベルのハードウェアおよびカーネル最適化へと進むことで、OSおよびデータベーススタックからのノイズ要因を体系的に除去する。
• CPUスケジューリング、メモリ管理、割り込み処理などのOSコンponentのワークロードに適応した設定を適用し、ジャイターやレイテンシのスパイクを低減する。
• 各最適化ステップの前後でクエリレイテンシを測定し、各ノイズ要因を除去した影響を定量的に評価する。
• 最終的なパフォーマンスを単一テントのベアメタルデプロイメントと比較し、マルチテント構成が最適パフォーマンスにどれほど近づけるかを評価する。
• パフォーマンス向上と競合するテントのワークロードへの影響のトレードオフを評価し、非干渉的な運用を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 システム的なスタックレベル最適化によって、マルチテントのメモリ内データベースにおけるパフォーマンスノイズはどの程度除去可能か？
• RQ2 エキスパートが決定論的なデータベースワークロードに最適化した場合、標準OSはベアメタル性能にどの程度近づけるか？
• RQ3 DB/OSスタックからのノイズを除去した場合、競合するテントに及ぼすパフォーマンスへの影響は何か？
• RQ4 どのような状況ではデータベース用カスタムOSの開発が依然として必要となり、またどのような状況では既存OSのエキスパート設定で十分なのか？

主な発見

• DB/OSスタックからのノイズを体系的に除去することで、著者らは、ベアメタルハードウェア上で単一テントとして実行しているデータベースと同等のクエリレイテンシを達成した。
• パフォーマンス向上は顕著であり、レイテンシのジャイタが著しく低減されたが、競合するテントのパフォーマンスに顕著な悪影響は及ばなかった。
• リアルタイムおよびセーフティクリティカルワークロードにおいては、エキスパートによるチューニングが施された既存のオペレーティングシステムが十分である可能性が示された。これにより、カスタムOS開発の必要性が低下する。
• エキスパート設定済みの標準OSとベアメタルデプロイメントとの間のパフォーマンスギャップは狭く、このような状況ではさらなるOS特化によるリターンの減少が示唆された。
• 本研究は、ハードウェアの進化と現代のOSの能力の向上により、特定のワークロードではカスタムデータベースオペレーティングシステムのパフォーマンス優位性が縮小していることを強調している。