In traditional buffer cache management scheme such as LRU, useful files characteristics cannot be exploited since it manages disk data at system-wide block-level. Application/File-level Characterization (AFC) Scheme is the first file-level characterization of block reference but it is also generalized management like LRU; AFC is improved only when treating sequential and looping references, that is, not adaptive on various workload.
Modern computer systems run various applications with various storage devices. And this heterogeneity degrades performance with traditional buffer cache since it assumes only zipf-like workload with hard disk. In this paper, we design and implement EBM, extensible buffer cache management scheme for heterogeneous environment to make buffer cache more adaptive to modern computer system.
EBM is composed of several buffer caches managed by their own buffer cache management algorithm, coordinator that control the buffer caches and rule manager that detects and allocates data as being configured by administrator. EBM supports many information and conditions to make the scheme more flexible and extensible. And it uses trace-based coordination to control buffer caches in fair way.
Performance evaluation of EBM implemented on linux kernel 2.6.18.1 shows that EBM reduces total execution time of I/O intensive workload about 50% by reducing the number of I/O requests dramatically.
기존의 버퍼캐시 관리는 모든 워크로드에 대해 Least Recently Used (LRU) 라는 기법을 일괄적으로 적용하였다. LRU는 하드디스크로 가는 데이터 요청이 시간적인 지역성을 가지고 있기 때문에 한 번 요청된 데이터가 다시 요청될 확률이 높다고 가정하고 있다. 그래서 LRU는 최근에 요청된 데이터를 메모리에 많이 유지하도록 동작한다. 지금까지는 데이터 요청에 시간적인 지역성이 있다는 가정이 실제 워크로드와 비슷한 양상을 보였기 때문에 LRU는 높은 적중률을 보여왔다.
그런데 최근 미디어 파일과 같이 LRU에 적합하지 않은 파일들의 비중이 커지고 있어 LRU만을 이용하는 컴퓨터 시스템의 성능을 크게 저하시키고 있다. 또한 기존의 버퍼캐시는 하드 디스크의 물리적인 특성만을 이용하기 때문에 플래시 디스크, 네트워크 디스크 등 다양한 장치를 저장 장치로 이용하고 있는 오늘날의 시스템에 적합하지 않다.
미디어 파일과 같은 특정한 패턴을 보이는 파일이나 플래시 디스크와 같이 하드디스크와는 다른 물리적인 특성을 보이는 저장장치를 충분히 이용하기 위해서는 현재 메모리에 캐시되고 있는 데이터가 어떤 파일, 어떤 저장장치에 속해 있는지를 알 필요가 있다. 또한 이 데이터들의 특성을 충분히 이용하기 위해서는 어떤 파일이나 저장장치에 속한 데이터들을 따로 구분하여 관리할 필요가 있다. 하지만 LRU는 전체 디스크 데이터를 블록 단위로 관리하기 때문에 현재 관리하고 있는 블록들이 어떤 파일에 속해있는지 알 수 있는 방법이 없다.
따라서 이 논문에서는 파일단위로 버퍼캐시를 관리하고, 그 파일의 패턴이나 파일이 저장된 저장장치의 특성을 충분히 이용할 수 있는 새로운 버퍼캐시 구조를 제안한다. 이 구조에서는 다양한 버퍼캐시를 확장적으로 추가할 수 있고, 특별히 관리할 필요가 있는 파일을 따로 분류하여 그에 적합한 방법으로 동작하는 버퍼캐시에 할당할 수 있도록 지원한다. 새로운 버퍼캐시 구조에서는 여러 개의 버퍼캐시가 공존하므로 데이터를 읽어들이는 비용을 기반으로 하여 각각의 버퍼캐시의 크기를 동적으로 조절할 수 있는 방법을 제안한다.
이 논문에서 제안한 버퍼캐시 구조는 리눅스 커널 2.6.18.1에 구현되었다. 실험 결과, FTP 프로그램를 이용하여 다운로드되는 파일을 위한 버퍼캐시 알고리즘을 탑재할 경우 기존의 시스템보다 성능이 50%정도 향상되는 것을 확인하였다. 또한 네트워크의 상태에 따라 네트워크 저장장치의 버퍼캐시 용량을 조절하여 기존의 시스템보다 사용자의 응답속도가 향상되었음을 확인할 수 있었다.
