ZNS-Support 파일시스템에서 Predictive-Append 모델을 활용한 Zone 내 I/O 병렬 기법 연구
Methods for Intra-Zone I/O Parallelism Using Predictive-Append Model in ZNS-Support File System
- 주제어 (키워드) 파일시스템; Zoned Namespaces Solid-State Drive , Zone Append , File System
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 김영재
- 발행년도 2025
- 학위수여년월 2025. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 컴퓨터공학과
- 실제 URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000079540
- UCI I804:11029-000000079540
- 본문언어 한국어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권 보호를 받습니다.
초록 (요약문)
ZNS SSD는 복잡한 FTL을 단순화하고 DRAM 비용을 절감할 수 있는 장점이 있지만, NVMe ZNS Specification의 엄격한 write ordering 요구사항으로 인해 I/O 병렬성에 제약이 있다. 이를 해결하기 위해 제안된 Zone Append 명령어는 효과적인 I/O 병렬성을 제공하지만, 두 가지 중요한 문제가 발생한다. 본 논문에서는 ZNS-Support 파일시스템에서 Zone Append 도입 시 발생하는 Write Path Serialization (WPS)와 Random Ordering 문제를 식별하고, 이를 해결하기 위한 A2FS를 제안한다. A2FS는 Write Pointer 위치를 기반으로 PLBA를 예측하여 비동기적으로 I/O를 처리하는 Predictive-Append 접근 방식을 도입하며, Random Ordering Table과 Pre-append Cache를 통해 파일시스템의 일관성을 보장한다. 실험 결과, A2FS는 Write model 대비 최대 1.27배, WPS 문제가 반영된 Append model 대비 최대 5.2배의 성능 향상을 달성하였다. 특히 멀티코어 환경에서 Zone Append의 병렬성을 효과적으로 활용할 수 있음을 보였으며, 약 20MB의 작은 메모리 오버헤드로 1TB 데이터의 일관성을 보장할 수 있음을 입증하였다.
more초록 (요약문)
ZNS SSD offers advantages such as simplifying complex FTL and reducing DRAMcosts.However,it faces limitations on I/O parallelism due to the strict write ordering constraints of the NVMe ZNS specification. To address this, the proposed Zone Append command provides effective I/O parallelism but introduces two critical issues. This paper identifies the Write Path Serialization and Random Ordering problems that arise when adopting Zone Append in ZNS-supported file systems and proposes Append-enabled File System (A2FS) as a solution. A2FS introduces a Predictive-Append approach that processes I/O asynchronously by predicting the PLBA based on the write pointer’s position. It ensures file system consistency through the Random Ordering Table and Pre-append Cache. Experimental results demonstrate that A2FS achieves up to 1.27× performance improvement compared to the Write model and up to 5.2× improvement compared to the Append model which reflects the WPS problem. Particularly, it effectively utilizes the I/O parallelism of Zone Append in multi-core environments and guarantees the consistency of 1TB of data with a modest memory overhead of approximately 20MB.
more목차
1 서론 6
2 배경지식 9
2.1 Zoned Namespaces SSD 9
2.2 ZNS-Support 파일시스템 10
2.2.1 ZNS의 write ordering 제약 12
3 문제정의 15
3.1 Write Path Serialization 15
3.2 Random Ordering 17
3.3 파일시스템의 Append model 도입 18
4 설계및구현 22
4.1 개요 22
4.2 A2FS에서의 P-Append model 도입 23
4.3 P-Append 모델에서 발생하는 일관성 문제의 사례 분석 24
4.4 P-Append 모델에서의 일관성 문제 해결 26
4.4.1 Pre-append Cache 26
4.4.2 Random Ordering Table 27
5 실험결과 30
5.1 실험 세팅 및 환경 30
5.2 I/O 시맨틱에 따른 원시 성능 평가 31
5.3 A2FS 성능 평가 32
5.4 Random Ordering Table 크기 시뮬레이션 33
6 관련연구 37
7 결론및향후연구 39
참고문헌 41
