For the system availability, the journaling technique was applied to most of current well-used file systems. Journaling file systems such as EXT3 [4], ReiserFS [5], XFS [6] and JFS [7] provide fast recovery time from the unclean system shutdown. In these journaling file systems, there are three different journaling modes: writeback, ordered and journaled modes. They have different characteristics with respect to data consistency and run-time performance: The writeback mode does not guarantee the data consistency of any file while this mode provides the best run-time performance among three journaling modes. The ordered mode only guarantees the data consistency of appended files among three types of files, i.e., appended, modified, and deleted files. This mode generally provides a slightly lower performance compared to the writeback mode. On the other hand, the journaled mode provides the best guarantee of data consistency, but, the worst run-time performance in general.
In this dissertation, a new journaling mode called the adaptive journaling mode is proposed. In the adaptive mode, the file data blocks are explicitly classified as appended, overwritten and deleted types depending on their properties and different journaling oper- ations are applied to each type of file data block. This adaptive mode not only guarantees the same data consistency as the journaled mode but also provides the run-time perfor- mance comparable to that of the ordered mode or the writeback mode. Our experiment confirms that the proposed journaling mode is up to twice as fast as the journaled mode of a conventional EXT3 file system.
As well, in this dissertation, a technique that efficiently handles fragmented data work- loads is proposed. The technique, called HFD, reduces positioning time of a disk in writing them, and thus, enables fast writebacks. The HFD technique is based on a journaling file system which provides the reliability and a high level of data consistency by handling all data participating in the writebacks atomically. With this atomic handling, the first method of the HFD sorts write orders of data which must be written together, i.e., atomic data sets, in terms of their disk block numbers before issuing any write request of them. This sorted data writeback considers where data will be written in a disk layout instead of keeping or- ders when data were modified, and thus, minimize overall positioning time of a disk. The second method of the HFD finds data fragments with the sorted data sets, and tries to fill up holes, i.e., absent blocks, between adjacent data fragments with data blocks cached in the memory or metadata blocks which are not members of the data sets. This filling holes of fragments makes fragmented data blocks into sequential ones, and thus, lowers the number of write requests, resulting in the reduction of positioning time. Experiments confirm that the proposed HFD enhances the performance of EXT3 of Linux several times for various data workloads consisting of small files under hundreds of kilobytes.
As well, in this dissertation, a journal remapping technique is proposed, which efficiently eliminates logging overheads of data and metadata when a journaling file system is set up upon flash memory. When constructing flash memory based storage, a flash translation layer (FTL) manages mapping between logical addresses of a file system and physical addresses of flash memory. In addition, since the FTL writes all data to a new region by an address mapping method, which is known as an out-of-place update, previous data on flash memory is not overwritten by an update of the data. By using this characteristic of the FTL, the proposed journal remapping technique remaps addresses of the logged file system changes to addresses of their home locations, instead of once more writing the changes to flash memory. Thus, the technique efficiently eliminates the redundant duplicates of the same data on flash memory while preserving the consistency of journaling file systems. Experiments confirm that when associated with a writeback or ordered mode of a conventional EXT3 file system, the FTL based on the journal remapping technique, called JFTL, enhances the performance of EXT3 by up to 20 %. Furthermore, when the JFTL operates with a journaled mode of EXT3, the performance gain is close to two times in many cases. Moreover, the recovery performance of the JFTL is much better than that of the FTL.
시스템의 이용성을 위해서, 현재 많이 사용되고 있는 파일 시스템들에 저널링 기술이 적용되었다. 적절치 않게 시스템이 종료되었을 때, EXT3, ReiserFS, XFS 및 JFS 같은 저널링 파일 시스템들은 빠른 복구 시간을 제공한다. 이러한 저널링 파일시스템은, 세가지 저널링 모드, 즉, writeback, ordered 및 journaled 모드를 제공하며, 이 모드들은 데이터 일관성과 성능의 관점에서 서로 다른 특성을 가진다. 이를 정리하면, writeback 모드는 세가지 모드들 중 가장 좋은 성능을 제공하지만 데이터 일관성을 보장하지 않고, ordered 모드는 데이터가 추가되는 파일에 대한 데이터 일관성만 보장하며, writeback보다 약간 낮은 성능을 제공한다. 반면, journaled 모드는 가장 좋은 데이터 일관성을 제공하지만, 일반적으로 다른 모드들에 비해서 매우 느린 실시간 성능을 갖는다.
이 논문에서는, 새로운 저널링 모드인 adaptive 저널링 모드를 제안한다. 이 모드는 파일 데이터 블럭을 명시적으로 블럭들의 특성에 따라 추가된, 겹쳐 씌여진, 그리고 지워진 유형으로 분류하며, 각각의 파일 데이터 블럭의 유형에 따라 서로 다른 저널링 동작을 적용한다. 이 adaptive 모드는 journaled 모드와 동일한 데이터 일관성을 보장함과 동시에 ordered 모드에 필적하는 성능을 제공한다. EXT3 저널링 파일 시스템에서의 실험을 통해, 제안하는 저널링 모드가 journaled 모드보다 두 배까지 성능을 향상시키는 것을 확인할 수 있다.
또한, 본 논문에서는, ordered 모드로 동작하는 저널링 파일 시스템에서, 조각난 데이터를 효과적으로 처리하는 로깅 제어 기법을 제안한다. 이 기법은 조각난 데이터를 디스크로 쓸 때, 이 데이터의 쓰기 위치를 디스크 내에서 찾는데 걸리는 시간을 줄여줌으로써 시스템 성능을 향상시킨다. Ordered 모드에서는 데이터와 메타데이터의 쓰기 순서를 꼭 지켜져야 한다. 다시 말해, 메타데이터를 디스크에 쓰기 전에, 관련된 모든 데이터들을 디스크에 써야만 한다. 이러한 필요조건 하에서, 제안하는 기법의 첫 번째 처리 방법은, 함께 디스크로 써야 하는 데이터들을, 쓰기 시작에 앞서, 디스크 블럭 번호 순으로 정렬하는 것이다. 이 정렬된 데이터 쓰기는 데이터가 언제 변경되었는가를 고려하는 대신에, 데이터가 디스크 레이아웃의 어디에 씌여야 하는가를 고려한 것으로 쓰기 시간을 단축시킨다. 데이터들의 정렬이 끝난 후에, 두 번째 처리 방법은 추가적인 디스크 헤드의 움직임을 유발하는 조각난 데이터들을 찾아내어, 데이터 조각들 사이의 빈 공간을 (즉, 빈 블럭들을) 메모리 상의 캐싱된 데이터 또는 파일 시스템 상의 미할당된 블럭들, 그리고 메타데이터 블럭들로 메우는 것이다. 이 방법은 조각난 데이터 블럭들을 연속적인 데이터 블럭들로 변환시킴으로써 쓰기 요구의 횟수를 감소시킨다. 저널링 파일 시스템에서 조각난 데이터를 처리하기 위한 두 방법, 즉, 정렬된 데이터 쓰기 및 조각 데이터 메우기는, 데이터 쓰기에 있어서, 디스크의 움직임을 감소시킴으로써 시스템의 성능을 향상시킨다. 실험을 통해, 수백 킬로 바이트 이하의 작은 파일들로 구성된 다양한 데이터 부하들에 대해, 제안하는 로깅 제어 기법이 EXT3의 성능을 몇 배 향상시킴을 확인할 수 있다.
또한, 본 논문에서는, 플래시 메모리 상에 저널링 파일 시스템이 구축될 때, 데이터와 메터데이터의 로깅에 대한 부담을 효율적으로 제거하는 저널 재사상 기법을 제안한다. 플래시 기반의 스토리지를 구축할때, 플래시 변환 계층은 (FTL) 파일 시스템의 논리적인 주소를 플래시 메모리의 물리적인 주소로 사상한다. FTL은 모든 데이터를, FTL 고유의 주소 사상 방법을 통하여, 항상 새로운 영역에 쓰기 때문에, 플래시 메모리 상의 변경 전 데이터는, 그 데이터가 갱신될 때, 새로운 내용으로 덮어 씌여지지 않는다. 이것은 다른 위치로의 갱신 (out-of-place update) 으로 알려져 있다. 이러한 FTL의 특성을 이용하여, 저널 재사상 기법은 파일 시스템 변경 내용들을 저널 영역에 기록한 후, 그 변경 내용들을 또 한번 플래시 메모리에 쓰는 대신에, 저널 영역에 기록된 로그들의 주소를 이들의 갱신될 위치의 주소로 사상한다. 이를 통해, 저널 재사상 기법은 파일 시스템의 일관성을 보전하는 동시에, 효과적으로 플래시 메모리 상의 중복되는 데이터를 제거하여, 데이터와 메타데이터 로깅에 의한 성능 저하를 방지한다. 실험을 통해, JFTL (저널 재사상 기법에 기반한 FTL)은 writeback 또는 ordered 모드와 연계해 동작할 때, EXT3의 성능을 20 % 까지 향상시키며, journaled 모드와 연계해 동작할때, EXT3의 성능을 많은 경우에 두 배까지 향상시킨다. 또한, JFTL의 복구 성능은 FTL의 복구 성능보다 훨씬 더 좋다.
