As many people are getting mobile device such as smart phone and smart pad, NAND flash memory which has great capacity and high reliability and Mobile Database Management System (MDBMS) which has fast searching time and reliable tracsaction process are utilized to store the data in current era. While the MDBMS is executing frequent write operation due to various mobile applications, however the NAND flash memory has the well-known problems in write operation. The first one is asymmetric write operation speed which is slower than read operation speed. And the second one is garbage collection overhead which is caused by the out-of-place feature of NAND flash memory. It means that periodically NAND flash memory erases the invalidated data for new coming data because it cannot update the data in same physical location at write operation. This process degrades performance mostly in NAND flash memory. Therefore, lots of researchers are trying to integrate the non-volatile memory (NVRAM) which is smaller than NAND flash memory but has faster access performance with NAND flash memory to enhance the write performance of storage system. One of the previous works tries to enhance the performance handling metadata of file which is frequently accessed than real data in the file system level with Phase-Change RAM (PCRAM). They utilize limited PCRAM as metadata storage and migrate the metadata if the space is limited. Other work tries to store instant rollback journal data of database in the PCRAM to enhance the performance. Moreover there is one more approach which handles the bigger data block in File Translation Layer (FTL) to enhance the storage device. However the previous works has some restrictions in the mobile database which is lite and reliable in mobile devices. Because the mobile database handles only a single file, the performance enhancement due to metadata handling is not expected. And because the mobile database has some chunk unit access difference, the previous file unit handling is limited to enhance the performance. Moreover the previous works do not consider the file migration in case of the shortage in NVRAM. The large block approach is not rational because the mobile database has repeatedly accessed chunk with small size.
Therefore we present that the advanced mobile database which enhances the write performance of storage system considering the chunk write access frequency. First to enhance the write performance, we design the section table which records the frequency of each chunk in the file. Then based on the frequency data in the section table, the mobile database store the frequent written chunks in NVRAM and rare written chunks in previous NAND flash. Second to maximize the write performance, we design dynamic hot data decision module. This module dynamically selects how many chunks will be migrated to the NVRAM to maximize the performance based on expectation value based on Exponentially Weighted Moving Average. And lastly to maximize the space utilization of NVRAM, chunk migration scheme is implemented in our work. It is explained that the least recently used chunk in NVRAM is migrated to the NAND flash memory and allocate the new coming chunk in NVRAM to maximize the write performance of MDBMS.
Through the methods which utilize section table introduced above, we improve the write performance in the previous NAND flash memory by 69% on average. By dynamic hot chunk decision, adaptively we control the number of hot chunks according to various applications. Moreover, by migrating the cold chunk from NVRAM to NAND flash memory to maximize the limited capacity of NVRAM, we improve the performance when even the context of working process is changed. By these works, as a result we decrease the number of write count in NAND flash memory and the number garbage collection in NAND flash memory.
많은 사람들이 스마트폰, 스마트 패드 등 모바일 컴퓨터들을 이용하면서 저장 장치로는 많은 용량과 높은 신뢰성을 지닌 낸드 플래시가, 데이터베이스 관리 시스템으로는 mobile DBMS인 SQLite가 각광받고 있다. 현재의 모바일 장치에서는 다양한 어플리케이션에 의해 MDBMS의 비번한 쓰기가 일어나고 있지만 이를 저장하는 낸드 플래시는 읽기 속도보다 비교적 느린 쓰기 속도에 의한 성능 저하와 out-of-place에 의한 가비지 컬렉션 오버헤드라는 쓰기에서의 문제점을 지니고 있다. 따라서 이러한 문제를 해결하고자 비휘발성 메모리를 낸드 플래시와 같이 사용하여 전체적인 저장 장치의 쓰기 성능을 높이려고 하였다. 기존의 방법 중에서 첫 번째로 일반적인 파일보다 훨씬 자주 변경되는 메타데이터를 파일 시스템 레벨에서 비휘발성 메모리에 저장하여 쓰기 성능을 높인 연구들이 있다. 또한 데이터 베이스 프로그램에서 비교적 자주 쓰였다가 지워지는 롤백 저널 파일을 비휘발성 메모리에 저장하여 쓰기 성능을 높인 연구들도 있다. 마지막으로 플래시 메모리 변환 계층(Flash Translation Layer)에서 큰 블록 단위로 데이터들을 관리하여 쓰기 성능을 높인 연구도 있다. 그러나 이러한 기존의 방식들은 우리가 현재 널리 사용하는 모바일 데이터베이스에서 사용하게 될 경우 큰 문제를 가지고 오는 것을 알 수 있었다. 먼저 모바일 데이터베이스는 데이터를 하나의 파일로 관리하기 때문에 메타데이터에 의한 쓰기 성능의 향상이 거의 없다는 문제점을 지니고 있었고, 저널 파일과 같이 파일 단위로 관리하거나 큰 블록 단위로 관리하게 될 경우 파일 내부에서 나타나는 청크 단위의 접근성이 무시되기 때문에 쓰기 성능이 크게 떨어지는 문제점을 지니고 있다는 것을 알 수 있었다.
따라서 본 논문에서는 기존의 하나의 파일 단위로 저장되던 데이터 베이스 파일을 각 청크별로 쓰기 정도를 고려하여 저장함으로써 모바일 데이터 베이스 관리 시스템의 쓰기 성능을 개선하였다. 먼저 쓰기 성능 향상을 위하여 각 청크별로 빈번하게 쓰이는 정도를 기록하여 빈번한 청크는 비활성 메모리에 빈번하지 않은 청크는 낸드 플래시에 저장하도록 하였다. 이것을 위해 섹션 테이블을 고안하여 각 청크가 저장된 위치와 쓰기 횟수를 기록할 수 있도록 하였다. 또한 각 청크별로 빈번한 정도를 Exponentially Weighted Moving Average를 이용한 기대 값 산출 방식으로 적응적으로 맞추어 비휘발성 메모리에 저장함으로써 최적의 성능을 가지고 오게 하는 청크 할당 기법을 제안하였다. 또 제한된 비휘발성 메모리의 공간을 효율적으로 사용하기 위한 청크 마이그레이션 방법을 사용하였다. 이것은 유동적으로 변화하는 비휘발성 메모리의 공간 점유율을 파악하고 만약 그 크기가 제한되어 청크를 할당하지 못하게 되면 잘 사용하지 않는 청크를 낸드 플래시로 이동시키고 그 위치에 새롭게 쓰이는 청크를 할당하는 것으로 자주 쓰이는 청크를 최대한 비휘발성 메모리에 저장하게 함으로써 최대의 성능을 가져오도록 하였다.
위에서 소개한 방식을 통하여 기존의 낸드 플래시에서의 쓰기 시간을 평균적으로 약 69% 감소시키는 결과를 보였으며 적응적인 청크 할당 기법을 통하여 주어진 상황에 맞추어 유동적으로 성능을 최대화시킬 수 있도록 하였다. 또한 제한된 비휘발성 메모리에 최대한 자주 사용되는 청크만을 분리시키는 방법을 통하여 어떠한 상황에서도 자주 쓰이는 청크가 비휘발성 메모리에 할당될 수 있도록 하였다. 또한 기존에 성능을 저하시키던 낸드 플래시에서의 쓰기 횟수와 가비지 컬렉션 횟수를 대폭 감소시켰다.
