키-밸류 스토어를 이용한 차세대 비휘발성 메모리 유효성 검증

Abstract

NoSQL 어플리케이션 중 인메모리 기반 데이터베이스(예: Redis)는 낮은 접근 지연시간을 갖는 메모리(DRAM)에 모든 데이터를 저장하여 빠르게 데이터를 처리하지만 메모리 용량의 제약이 있다. 반면, 스토리지 기반 데이터베이스(예: RocksDB)는 대용량 스토리지에 많은 데이터를 저장하는 것이 가능하지만 DRAM 보다 더 높은 접근 지연시간과 낮은 대역폭으로 인해 인메모리 데이터베이스 대비 처리 성능이 낮다. 스토리지 기반 데이터베이스에 주로 사용되는 SSD는 하나의 셀에 재기록할 수 있는 한계값이 존재한다. 또한 내구성에 따라 가격 차이가 존재하며, 가격은 저렴하지만 내구성이 낮은 SSD의 사용은 잦은 장비 교체로 인해 total cost of ownership(TCO) 증가를 초래한다. 이러한 저장장치들의 한계점을 극복하기 위한 한 가지 해결책으로 DRAM 대비 대용량 특성을 가지고, SSD에 비해 저지연시간과 고내구성을 갖는 차세대 비휘발성 메모리(Non-Volatile Memory, NVM)가 연구 및 개발되고 있다. 본 연구에서는 블록 디바이스인 NVM을 효율적으로 사용하기 위해 Redis와 RocksDB를 함께 사용하는 플랫폼에 read cache와 write buffer 역할이 모두 가능한 Redis cache를 구현하여 실험을 진행하였다. 이를 통해 SSD로 접근하는 읽기 및 쓰기 횟수를 줄임으로써 데이터베이스의 성능을 높이고 SSD 수명이 향상됨을 보인다. 본 논문은 가상의 NVM을 모사한 testbed에서 NVM을 구성하기 전과 후의 데이터베이스 성능 및 SSD write 횟수 변화량을 관측한다. Yahoo! Cloud Serving Benchmark(YCSB)를 통해 Redis cache 사용 여부에 따른 성능을 비교하였을 때 데이터베이스의 성능은 최대 49%의 성능 향상하고, 하나의 쿼리가 처리되는 지연시간은 최대 33% 감소함을 보였다. 또한 SSD 쓰기량은 Redis cache를 사용하지 않는 데이터베이스 대비 최대 7.3배 감소함을 확인하였으며, 이를 통해 NVM의 유효성을 검증하였다.

In-memory based NoSQL database (such as Redis) achieves fast data processing performance by storing the data on memory (DRAM), but is limited by memory capacity. On the other hand, storage based databases (like RocksDB) can store more data on large storages, but has a low processing performance due to increased latency. As a SSD cell has a limited number of writes it can endure, the price of a SSD varies with respect to its endurance. For example, mixed use SSD, which has 3 times higher endurance compared to Read-intensive SSD, is 1.6 times more expensive. However, lower endurance may increase the total cost of ownership (TCO) as it needs to be replaced more often. Therefore, we must consider the cost of purchasing and replacing SSD composition in the TCO during the server building process. In this paper, we propose an efficient way to use non-volatile memory (NVM) through Redis and RocksDB. NVM has been developed to overcome the limits of DRAM and SSD, having larger capacity than DRAM while offering lower latency and more durability than SSD. To utilize these features of NVM, we designed a Redis cache at NVM to be used as a read cache and a write buffer between Redis and RocksDB. We deployed the proposed Redis cache on a system with a virtual NVM to compare it with a baseline system consisting of only DRAM and SSD. Our experiment shows that the system which uses the proposed Redis cache improves throughput (operations per second) up to 49% compared to the baseline. Furthermore, compared to baseline, SSD write counts decreases up to 7.3 times on write intensive workloads increasing SSD lifespan and potentially lowering TCO.