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Studies on Improving Storage System Performances by Using Non-volatile Buffer Cache

Studies on Improving Storage System Performances by Using Non-volatile Buffer Cache
Issue Date
대학원 컴퓨터공학과
이화여자대학교 대학원
Due to the recent advances in semiconductor technologies, non-volatile memory is emerging rapidly. As non-volatile memory is byte-addressable as well as non-volatile, it can be used as both memory and storage media. This thesis focuses on using non-volatile memory as the buffer cache of file systems, thereby providing improved consistency of file systems by absorbing write I/Os as well as accelerating storage performances. Specifically, this thesis discusses the optimality of cache replacement algorithms in non-volatile buffer cache environments and presents three cache management algorithms. The first algorithm, called NBM, uses both volatile memory and non-volatile memory as the host-side buffer cache, and exploits the read and write histories of block references separately to estimate future references of each operation precisely. By so doing, it guarantees the complete consistency of write I/Os without degrading read performances. To improve the storage performance further, we analyze the file access patterns that can be exploited in managing non-volatile write cache in storage devices. Our analysis shows that there are more than 40% of single-write data in storage I/Os. Based on this observation, we show that the performance improvement can be maximized by managing non-volatile write cache selectively. That is, storage performances can be improved by prohibiting data from entering the cache if it is firstly written, and allowing its insertion into the cache only after its second write occurs within a certain time window. Finally, we design a pdflush-aware buffer cache management scheme for non-volatile buffer cache. Pdflush is used to periodically flush the updated data into storage, but it degrades the storage performance significantly as most writes are directly transferred to storage. We show that pdflush accounts for 64-78% of the total write traffic to storage, and present a new buffer cache architecture that adds a small size of non-volatile memory to store modifications to this non-volatile buffer cache. This novel architecture removes a bunch of storage writes caused by pdflush without loss of reliability. ;최근 반도체 기술의 발전으로 비휘발성 메모리가 새로운 저장 매체로 부상하고 있다. 본 논문에서는 비휘발성 메모리를 파일 시스템의 버퍼 캐시로 사용하는 방안에 대해 연구한다. 비휘발성 버퍼캐시는 스토리지 시스템의 성능 개선뿐 아니라 쓰기 입출력을 흡수하여 파일 시스템의 일관성을 높이는 역할을 할 수 있다. 본 논문에서는 비휘발성 버퍼캐시 환경에서의 캐시 교체 알고리즘의 최적성에 대해 분석하고, 이러한 환경에 적합한 새로운 캐시 관리 알고리즘을 제안한다. 제안하는 알고리즘은 블록 참조의 읽기 기록과 쓰기 기록을 별도로 관리하여 각 연산의 미래 참조 가능성을 정교하게 예측한다. 또한, 제안하는 알고리즘은 수정 데이터를 모두 비휘발성 버퍼캐시에 보관하여 쓰기 입출력의 일관성을 보장한다. 버퍼 캐시의 성능을 더욱 향상시키기 위해 본 논문은 비휘발성 버퍼 캐시의 관리에 필요한 스토리지 접근 패턴을 분석한다. 본 논문의 분석 결과에 따르면 스토리지 입출력의 40 퍼센트 이상이 단일 쓰기 접근이며, 이러한 분석을 토대로 비휘발성 메모리의 효과를 극대화시키기 위해 선택적 스토리지 캐시 방식이 필요함을 보인다. 끝으로, 본 논문은 pdflush 인지형 캐시 관리 기법을 제안한다. Pdflush는 수정 데이터를 스토리지에 주기적으로 저장하기 위해 사용되지만, 이로 인한 성능 저하가 상당하게 발생한다. 본 논문에서는 pdflush가 전체 스토리지 쓰기 트래픽의 64-78%를 차지함을 보이고, 이를 해소하기 위한 새로운 아키텍쳐를 제안한다.
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