[论文解读] Towards Eco-friendly Database Management Systems

Willis Lang, Jignesh M. Patel|ArXiv.org|Sep 9, 2009

Cloud Computing and Resource Management参考文献 4被引用 54

一句话总结

本文通过引入两种技术——PVC（处理器电压与时钟频率调节）和QED（查询执行分解）——提出在数据库管理系统（DBMS）中实现节能型查询处理，以性能为代价换取能耗降低。PVC在仅增加3%响应时间的情况下，将处理器能耗降低高达49%；而QED在简单选择查询中实现54%的能耗降低，代价为响应时间增加43%，表明能量效率可系统性地集成到DBMS设计中。

ABSTRACT

Database management systems (DBMSs) have largely ignored the task of managing the energy consumed during query processing. Both economical and environmental factors now require that DBMSs pay close attention to energy consumption. In this paper we approach this issue by considering energy consumption as a first-class performance goal for query processing in a DBMS. We present two concrete techniques that can be used by a DBMS to directly manage the energy consumption. Both techniques trade energy consumption for performance. The first technique, called PVC, leverages the ability of modern processors to execute at lower processor voltage and frequency. The second technique, called QED, uses query aggregation to leverage common components of queries in a workload. Using experiments run on a commercial DBMS and MySQL, we show that PVC can reduce the processor energy consumption by 49% of the original consumption while increasing the response time by only 3%. On MySQL, PVC can reduce energy consumption by 20% with a response time penalty of only 6%. For simple selection queries with no predicate overlap, we show that QED can be used to gracefully trade response time for energy, reducing energy consumption by 54% for a 43% increase in average response time. In this paper we also highlight some research issues in the emerging area of energy-efficient data processing.

研究动机与目标

• 为应对数据库系统能耗日益增长的运营成本与环境问题，解决能源效率的迫切需求。
• 将能耗视为查询处理中的首要性能目标，而非事后考虑的因素。
• 设计并评估实用技术，使DBMS在不牺牲查询正确性或可用性的情况下降低能耗。
• 探索在真实数据库工作负载中以性能换取能耗节省的可行性。
• 识别并突出未来DBMS开发中节能数据处理的关键研究挑战。

提出的方法

• PVC在查询执行期间动态调整处理器电压与频率至低功耗状态，利用硬件支持的动态电压与频率调节（DVFS）技术。
• QED识别工作负载中多个查询之间的公共子表达式，并重用中间结果，以减少冗余计算与能耗。
• 将这些技术集成至商用DBMS与MySQL中，实现在真实硬件上的受控实验。
• 在不同配置下收集查询执行过程中的能耗与性能指标，以衡量权衡关系。
• 系统监控查询响应时间与处理器能耗，量化性能-能耗权衡关系。
• 在复杂与简单查询工作负载上开展实验，以评估可扩展性与有效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 处理器电压与频率调节能否有效用于降低DBMS查询处理中的能耗？
• RQ2 通过重用公共计算组件，查询级优化在多大程度上可降低能耗？
• RQ3 在真实DBMS工作负载中应用PVC与QED时，性能-能耗权衡关系如何？
• RQ4 这些技术在不同类型查询（尤其是具有重叠谓词的查询）中如何扩展？
• RQ5 在DBMS设计中将能源效率作为首要目标时，面临哪些关键的系统级挑战？

主要发现

• 在商用DBMS中，PVC将处理器能耗降低49%，响应时间仅增加3%。
• 在MySQL中，PVC实现20%的能耗降低，性能损失为6%。
• 对于无谓词重叠的简单选择查询，QED将能耗降低54%，平均响应时间增加43%。
• 结果表明，通过可接受的性能代价可实现显著的能耗节省，尤其在具有共享查询组件的工作负载中。
• 研究证实，利用现有硬件与软件抽象，实现能耗感知的查询处理是可行且有效的。
• 作者识别出一系列节能数据处理中的开放研究问题，包括工作负载建模与运行时自适应策略。