KR101341615B1 - 플래시 메모리를 기반으로 이중쓰기를 이용하는 저장 시스템 및 방법 - Google Patents

플래시 메모리를 기반으로 이중쓰기를 이용하는 저장 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 SSD를 메모리와 HDD 사이의 캐시로 활용하여 투자 비용에 비해 높은 효율을 보이는 플래시 메모리를 기반으로 이중쓰기를 이용하는 저장 시스템 및 방법을 개시하고 있다. 저장 시스템은 이중쓰기 버퍼를 통해 호스트 장치로부터 입력받은 원본 데이터를 저장하는 이중쓰기 영역을 포함하는 제 1 저장 장치, 상기 이중쓰기 영역을 배제하여 상기 제 1 저장 장치로부터 데이터를 입력받아 저장하는 데이터 영역만을 포함하는 제 2 저장 장치 및 상기 이중쓰기 버퍼를 포함하며, 데이터 맵핑 테이블을 통해 상기 제 1 저장 장치와 상기 제 2 저장 장치를 제어하며, 상기 제 1 저장 장치의 용량이 다 찬 경우, 상기 제 1 저장 장치에 저장된 데이터를 상기 제 2 저장 장치에 덮어쓰도록 제어하는 제어부를 포함하되, 상기 제 1 저장 장치는 복수 개의 익스텐트를 포함하는 플래시 메모리로서, 상기 제 2 저장 장치에 오류가 발생한 경우, 상기 저장된 원본 데이터를 통해 데이터 복구를 수행하고, 상기 이중쓰기 영역에 대해 순차 쓰기를 이용하여 상기 데이터 영역과의 동기화 주기를 늦추며, 순차 쓰기 이용시 상기 복수 개의 익스텐트에 대해 데이터를 덮어쓸시 참조할 익스텐트를 관리하는 변수를 두어 순차적으로 다음 익스텐트를 쓰도록 관리한다. 따라서, Synchronous IO를 수행하는 부분을 SSD로 처리함으로써 응답 시간이 줄어드는 효과가 있다.

Description

플래시 메모리를 기반으로 이중쓰기를 이용하는 저장 시스템 및 방법{STORAGE SYSTEM AND METHOD USING DOUBLE WRITING BASED ON FLASH MEMORY}
본 발명은 저장 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 SSD(플래시 메모리)를 기반으로 하는 이중쓰기를 이용하는 저장 시스템 및 방법에 관한 것이다.
플래시메모리 Solid State Drive(SSD)는 급속한 관련 기술들의 발전을 통해 빠른 읽기/쓰기 속도, 낮은 전력소모 등 기존 저장장치인 HDD 대비 많은 장점을 지녔다. 그러나 여전히 용량대비 비싼 가격과 안정성 검증 문제로 엔터프라이즈 시장에서 HDD를 완전히 대체하지 못하고 있다. 또, 스마트폰과 SNS의 활성화로 인해 콘텐츠 생산속도가 폭발적으로 증가하면서 플래시메모리 SSD와 HDD는 서로 보완하면서 계속 존재할 것으로 예상된다.
플래시메모리의 읽기/쓰기 단위는 페이지이며, 칩의 페이지크기에 따라 소블록과 대블록으로 나누어지며, 셀이 표현하는 비트의 크기에 따라 다시 단일셀(Single-level cell, SLC)과 다중셀(Multi-level cell, MLC)로 나눌 수 있다. 일반적으로 SLC는 MLC에 비해 수명과 쓰기 속도가 빠르며, 읽기속도는 유사하다.
SSD는 다수의 데이터버스에 여러 칩을 적재하였기 때문에 데이터의 읽기/쓰기 과정에서 내부적인 병렬성을 지니게 된다. 따라서 SSD에 동시에 여러 데이터페이지를 접근할 때 더 높은 성능을 나타낸다. 이는 또한, 순차적 데이터 접근일 경우에, 내부의 SDRAM 버퍼를 활용해 동시에 많은 채널이 활성화(activation)되기 때문에 좋은 성능을 나타낸다. 일반적으로 SSD의 순차읽기 성능은 호스트 인터페이스의 대역폭에 근접하게 되며, 최근 시장에 출시된 여러 모델들은 순차 읽기/쓰기 성능 모두 전체 대역폭에 근접한 성능을 보여준다.
도 1은 일반적인 2채널 2웨이 플래시 메모리 SSD의 구조를 나타낸 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 높은 집적도를 지닌 낸드 플래시 메모리(NAND Flash memoty) 칩은 다수의 블록(block)으로 이루어져 있고, 하나의 블록은 다시 여러 개의 페이지를 가진다. 각 채널은 2개의 웨이를 가지고 있으므로, A-0 웨이에 프로그램을 수행시켜놓고, A-1 웨이에 프로그램을 수행할 수 있으므로 동시에 많은 쓰기 연산을 수행하면, 느린 쓰기 성능을 보완할 수 있게 된다.
하지만, 플래시 메모리 SSD를 데이터 베이스에 활용하는 종래의 연구에서는 SSD의 임의 접근에만 초점을 맞추어 쓰기 성능을 최대로 활용하지 못하는 문제점이 있었다.
(특허문허 1) 대한민국 공개 특허 KR 10-2009-0129095 ("이중버퍼를 이용한 고속 데이터 처리 시스템", (주)명정보기술, 2009.12.16 공개)
상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 SSD를 메모리와 HDD 사이의 캐시로 활용하여 투자 비용에 비해 높은 효율을 보이는 플래시 메모리를 기반으로 이중쓰기를 이용하는 저장 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 시스템 다운시 부분쓰기 문제를 방지하는 이중쓰기 기능을 변형하여 SSD 캐시에 적용함으로써 기존 이중쓰기 구조를 큰 변형 없이 적용 가능하며 데이터 저장 장치 부하를 분담시키고, 빠른 응답속도가 필요한 부분만 SSD에 포함시키고, 그 외의 작업을 병렬로 처리하게 함으로써 향상된 성능과 안정성을 제공하는 플래시 메모리를 기반으로 이중쓰기를 이용하는 저장 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 이중쓰기를 이용하는 저장 시스템은 이중쓰기 버퍼를 통해 호스트 장치로부터 입력받은 원본 데이터를 저장하는 제 1 저장 장치; 상기 제 1 저장 장치와 인터페이싱하여 상기 제 1 저장 장치로부터 데이터를 입력받아 저장하는 제 2 저장 장치; 및 상기 이중쓰기 버퍼를 포함하고, 데이터 맵핑 테이블을 통해 상기 제 1 저장 장치와 상기 제 2 저장 장치를 제어하며, 상기 제 1 저장 장치의 용량이 다 찬 경우, 상기 제 1 저장 장치에 저장된 데이터를 상기 제 2 저장 장치에 덮어쓰도록 제어하는 제어부를 포함하되, 상기 제 1 저장 장치는 플래시 메모리로서, 상기 제 2 저장 장치에 오류가 발생한 경우, 상기 저장된 원본 데이터를 통해 데이터 복구를 수행하기 위한 것일 수 있다.
상기 제 1 저장 장치의 입출력 패턴은 순차 쓰기(FIFO:First Input First Output) 및 임의(Random) 읽기 형태일 수 있다. 상기 제 1 저장 장치는 1 기가 바이트, 2 기가 바이트 및 4 기가 바이트 중 어느 하나의 용량을 가질 수 있다. 상기 제어부는 데이터 버퍼를 더 포함할 수 있다.
상기 맵핑 테이블은 상기 제 1 저장 장치에 존재하는 모든 데이터의 정보와 상기 제 1 저장 장치 내부의 위치 정보를 맵핑하고 있을 수 있다.
상기 호스트 장치로부터 데이터 읽기 요청을 수신하는 경우, 먼저 상기 데이터 버퍼에서 요청된 데이터를 검색하여 읽어오고, 상기 데이터 버퍼에 상기 요청된 데이터가 없는 경우, 상기 맵핑 테이블을 통해 상기 제 1 저장 장치에 존재하는 데이터를 읽어올 수 있다.
상기 맵핑 테이블은 상기 원본 데이터의 데이터 영역 오프셋(offset), 상기 제 1 저장 장치 내에서의 위치 정보 및 해시 체인을 구성하는 포인터로 구성될 수 있다.
상기 제 2 저장 장치는 자기 하드 디스크일 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 이중쓰기를 이용하는 저장 방법은 이중쓰기 버퍼를 통해 호스트 장치로부터 입력받은 원본 데이터를 플래시 메모리인 제 1 저장 장치에 저장하는 단계; 상기 제 1 저장 장치와 인터페이싱하여 상기 제 1 저장 장치로부터 데이터를 입력받아 제 2 저장 장치에 저장하는 단계; 및 제어부가 데이터 맵핑 테이블을 통해 상기 제 1 저장 장치와 상기 제 2 저장 장치를 제어하는 단계를 포함하되, 상기 제어 단계는 상기 제 1 저장 장치의 용량이 다 찬 경우, 상기 제 1 저장 장치에 저장된 데이터를 상기 제 2 저장 장치에 덮어쓰도록 제어하는 단계; 및 상기 제 2 저장 장치에 오류가 발생한 경우, 상기 제 1 저장 장치에 저장된 원본 데이터를 통해 데이터 복구를 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제 1 저장 장치의 입출력 패턴은 순차 쓰기(FIFO:First Input First Output) 및 임의(Random) 읽기 형태일 수 있다. 상기 제 1 저장 장치는 1 기가 바이트, 2 기가 바이트 및 4 기가 바이트 중 어느 하나의 용량을 가질 수 있다. 상기 제어부는 데이터 버퍼를 더 포함할 수 있다. 상기 이중쓰기 버퍼는 상기 제 1 및 제 2 저장 장치에 입력될 데이터를 임시로 보관하고 있을 수 있다.
상기 제어부는 상기 제 1 저장 장치에 존재하는 모든 데이터의 정보와 상기 제 1 저장 장치 내부의 위치 정보를 맵핑하고 있는 맵핑 테이블을 포함할 수 있다.
상기 제어 단계는 상기 호스트 장치로부터 데이터 읽기 요청을 수신하는 경우, 상기 데이터 버퍼에서 요청된 데이터를 검색하여 읽어오는 단계; 및 상기 데이터 버퍼에 상기 요청된 데이터가 없는 경우, 상기 맵핑 테이블을 통해 상기 제 1 저장 장치에 존재하는 데이터를 읽어오는 단계를 포함할 수 있다.
상기 맵핑 테이블은 상기 원본 데이터의 데이터 영역 오프셋(offset), 상기 제 1 저장 장치 내에서의 위치 정보 및 해시 체인을 구성하는 포인터로 구성될 수 있다.
상기 제 2 저장 장치는 자기 하드 디스크일 수 있다.
본 발명에 따른 플래시 메모리를 기반으로 이중쓰기를 이용하는 저장 시스템 및 방법에 따르면, Synchronous IO를 수행하는 부분을 SSD로 처리함으로써 응답 시간이 줄어드는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 플래시 메모리를 기반으로 이중쓰기를 이용하는 저장 시스템 및 방법에 따르면, 종래 이중쓰기는 성능을 저하시키지만 안정성을 위해 어쩔 수 없이 시행하는 것인 반면, 이중쓰기를 캐싱으로 활용함으로써 오히려 성능 향상의 수단으로 삼을 수 있고, 데이터에 비해 작은 용량만을 캐시로 사용하였으나, 그에 비해 시스템의 성능을 큰 폭으로 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
따라서, DBMS(DataBase Management System) 튜닝 관련 분야에 기여가 있을 것으로 예상된다.
도 1은 일반적인 2채널 2웨이 플래시 메모리 SSD의 구조를 나타낸 도면,
도 2는 종래 Inno DB의 이중쓰기 기법을 설명하기 위한 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중쓰기를 이용하는 저장 시스템의 개념을 설명하기 위한 개념도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중쓰기를 이용하는 저장 시스템을 개략적으로 나타낸 블록도,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중쓰기를 이용하는 저장 시스템의 이중쓰기 영역으로의 쓰기 동작을 설명하기 위한 도면,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중쓰기를 이용하는 저장 시스템의 이중쓰기 영역으로의 읽기 동작을 설명하기 위한 도면,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중쓰기를 이용하는 저장 시스템을 개략적으로 나타낸 흐름도,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중쓰기를 이용하는 저장 방법의 읽기 명령을 수행하는 방법을 나타낸 흐름도,
도 9a는 종래 이중쓰기 기법에서의 이중쓰기 영역의 내용이 교체되기 전에 비동기적 쓰기를 완료하고 나서 내용을 교체하는 모습을 도시한 도면,
도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중쓰기를 이용하는 저장 시스템에서의 이중쓰기 영역의 크기가 확장되어 동기화 주기를 늦추어 입출력 명령을 병렬처리하는 모습을 도시한 도면,
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중쓰기를 이용하는 저장 시스템과 다른 방식을 적용한 저장 시스템과의 동시 사용자 증가에 따른 성능 비교를 수행한 그래프,
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중쓰기를 이용하는 저장 시스템에서 플래시 메모리를 통한 캐시 영역의 크기에 따른 성능 및 적중률의 변화를 나타내는 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 2는 종래 Inno DB의 이중쓰기 기법을 설명하기 위한 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 종래의 MySQL의 InnoDB 스토리지 엔진은 partial-page write 문제를 해결하기 위해, 이중쓰기라고 알려진 쓰기 방식을 사용한다.
InnoDB 스토리지 엔진은 RAM(210)과 HDD(220)를 포함할 수 있다. HDD(220)는 데이터 테이블스페이스로서 사용되고, RAM(210)은 버퍼 풀(212)과 이중쓰기 버퍼(214)를 포함할 수 있다. 먼저, InnoDB 스토리지 엔진은 데이터 페이지를 이중쓰기 버퍼(214)라고 불리는 메인 메모리 영역에 복사한다. 이중쓰기 버퍼(214)는 2개의 extents로 이루어져 있으며, 해당 버퍼가 다 차거나 혹은 후에 발생한 버퍼 방출(buffer flush)에 의해 이중쓰기 버퍼(214)의 페이지들은 시스템 테이블 스페이스의 이중쓰기 영역에 동시에 여러 페이지가 순차쓰기로 써진다.
도 2를 참조하면, 이중쓰기 영역은 HDD(220)의 데이터 테이블 스페이스의 앞부분에 있는 것으로, 이중쓰기 영역으로 쓰기 요청이 성공하면, 이중쓰기 버퍼(214)의 모든 페이지들은 IO 쓰레드(IO threads)를 통해 AIO(Asynchronous IO)로 각각의 테이블스페이스로 다시 써진다. 이중쓰기 기법은 교체되는 페이지를 2회씩 쓰게 되므로, IO 부담을 증가시킬 수 있다.
이러한 2단계 쓰기를 통해, InnoDB 스토리지 매니저는 전원 손실(power failure)에 의한 시스템 오류(system crash)에서도 partial-write 페이지들을 복구할 수 있다.
시스템 오류가 발생하면, 시스템 기동시 트랜잭션 로그(transaction log)와 이중쓰기 영역에 존재하는 페이지들의 유효성 검사를 수행한다. 만약, 이중쓰기 영역의 페이지가 partial write된 상태로 존재하고 있다면, 아직 해당 페이지가 속한 데이터 테이블스페이스에 저장되지 않았을 것이므로, 데이터 테이블스페이스에는 변경(update) 이전 상태의 페이지가 남아있다.
따라서, 시스템 오류 이후 WAL 로그를 이용한 복구과정에서 이중쓰기 영역에 있는 페이지 대신 데이터 테이블스페이스의 원본 페이지를 사용한다.
전술한 바와 같이, InnoDB에서의 이중쓰기는 꼭 필요한 기능이기는 하지만 이중쓰기 페이지를 쓰고 원래 데이터 페이지를 쓰기 때문에 작업량이 두 배가 되어 저장장치에 부하를 주고 전체 시스템 성능에 악영향을 줄 수 있다. 이중쓰기 영역은 모아서 한 번에 내려쓰고, 데이터 영역은 비동기적 쓰기로 나누어 호출하여 부담을 완화하고 있으나 이중쓰기 영역을 덮어 쓰기 전에 비동기적 쓰기의 완료를 기다려야 하는 단점이 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중쓰기를 이용하는 저장 시스템의 개념을 설명하기 위한 개념도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 저장 시스템은 SSD(320) 및 HDD(330)를 포함할 수 있다.
도 3을 참조하면, 종래의 HDD(310)의 데이터 테이블스페이스의 일부 영역에 이중쓰기 영역이 존재하였던 것을 본 발명의 일 실시예에 따른 저장 시스템에서는 SSD(320)에 이중쓰기 테이블스페이스를 따로 구성하고, HDD(330)에는 데이터 테이블스페이스만을 구성하여, 이중쓰기 영역을 분리, 확장하여 SSD(320)에 할당하였다. 따라서, 이중쓰기 영역을 데이터 테이블스페이스에서 분리함으로써 데이터 저장 장치에 가하던 하중을 새로운 저장 장치(SSD : 320)가 분담하게 했다.
즉, 이중쓰기 영역의 크기를 확장하고, 순차적으로 채워나감으로써 SSD(320)의 빠른 순차쓰기 특성을 활용하고, 덮어쓰는 주기가 길어짐에 따라 동기화 주기를 늦추어 데이터 저장장치의 출력 병력 처리를 향상시킬 수 있다.
또한, 페이지를 불러오는 경우, 가능하면 확장된 이중쓰기 영역에서 읽어오게 함으로써 HDD(330)보다 뛰어난 SSD(320)의 임의접근 특성을 활용하였고, 따라서, 종래의 저장 시스템의 구조를 크게 변경하지 않고 이중쓰기 영역을 수정/추가 함으로써 시스템 성능을 크게 끌어올릴 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중쓰기를 이용하는 저장 시스템을 개략적으로 나타낸 블록도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 일 실시예에 따른 저장 시스템은 RAM(410), 이중쓰기 테이블스페이스(420 : SSD) 및 데이터 테이블스페이스(430: HDD)를 포함할 수 있다.
도 4를 참조하면, 종래 InnoDB 이중쓰기 영역을 플래시 메모리 SSD(420)로 교체하여, SSD(420)에 대한 IO 패턴이 순차쓰기, 임의읽기로 발생하도록 전환하여 성능 향상을 추가하였다.
먼저, RAM(410)은 버퍼 풀(412), 이중쓰기 버퍼(414), 이중쓰기 해시(416) 및 이중쓰기 맵핑 테이블(418)을 포함할 수 있다. RAM(410)은 이중쓰기 맵핑 테이블(418)을 통해, 이중쓰기 테이블스페이스(420) 및 데이터 테이블스페이스(430)를 제어할 수 있다.
버퍼 풀(412)은 호스트 장치(미도시)로부터 데이터를 수신하였을 때 임시로 보관해 놓는 공간이다. 또한, 이중쓰기 버퍼(414)는 RAM(410)에 의해 복사된 호스트 장치로부터 입력되는 데이터를 임시로 보관할 수 있다.
이중쓰기 해시(416)는 이중쓰기 맵핑 테이블(418)을 구성하는 구성요소로서, 이중쓰기 테이블스페이스(420)에 들어있는 페이지들의 존재 여부를 빠르게 확인하고자 할 때, 사용한다. 해시(416)는 원본 페이지의 데이터 영역 offset, 이중쓰기 영역에서의 위치 정보 dw_offset 및 해시 체인을 구성하는 포인터로 구성될 수 있다.
이중쓰기 맵핑 테이블(418)은 이중쓰기 테이블스페이스(420)를 관리하기 위한 테이블로서, 이중쓰기 테이블 스페이스(420)에 저장된 모든 데이터들의 정보와 상기 이중쓰기 테이블 스페이스(420) 내부의 위치 정보를 맵핑하고 있다.
이중쓰기 테이블 스페이스(420)는 상기 이중쓰기 버퍼(414)로부터 호스트 장치로부터 입력받은 데이터를 저장한다. 이중쓰기 테이블 스페이스(420)는 상기 RAM(410)의 제어를 받는다. 따라서, 맵핑 테이블(418)을 기반으로 제어를 받는다. 이중쓰기 테이블 스페이스(420)의 용량이 다 찬 경우, 이중쓰기 테이블 스페이스(420)에 저장된 데이터를 데이터 테이블 스페이스(430)에 덮어쓸 수 있다. 이중쓰기 테이블 스페이스(420)는 시스템 오류시 원본 데이터를 통해 데이터를 복구하기 위한 장치이다. 따라서, RAM(410)은 시스템 오류가 있는 경우, 맵핑 테이블(418)을 기반으로 상기 이중쓰기 테이블 스페이스(420)에 존재하는 데이터 페이지들의 유효성 검사를 수행하고, 검사 결과를 기반으로 데이터를 복구할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 이중쓰기 테이블 스페이스(420)는 플래시 메모리 SSD이다. 또한, 플래시 메모리의 입출력 패턴은 순차쓰기와 임의읽기인 것이 바람직하다. 이중쓰기는 여러 데이터 페이지를 한 번의 동기 IO 명령으로 저장한 후, 해당 페이지의 데이터 테이블 스페이스로 비동기 IO 요청을 한다. 따라서, 이중쓰기 테이블 스페이스(420)와 데이터 테이블 스페이스(430)는 write-through 형태로 동기화되며, 따라서, InnoDB는 다수의 IO 쓰레드를 사용하기 때문에 두 영역의 IO 요청은 중첩될 수 있다.
더욱이, 이중쓰기 테이블 스페이스(420)의 용량은 1 기가 바이트 이상인 것이 좋다. 이는 데이터 테이블스페이스(430)와의 동기화 주기 측면에서 유리하기 때문이다.
데이터 테이블 스페이스(430)는 이중스기 테이블 스페이스(420)를 통해 데이터를 입력받아 저장한다. 데이터 테이블 스페이스(430)도 RAM(410)의 제어를 받아 동작할 수 있다. 데이터 테이블 스페이스(430)는 HDD인 것이 바람직하다. 시스템 오류가 발생한 경우, 데이터 테이블 스페이스(430)에 저장된 데이터에 오류가 발생할 수 있고, 이러한 경우, 이중쓰기 테이블 스페이스(420)의 데이터를 통해 상기 데이터 테이블 스페이스(430)의 오류가 있는 데이터를 복구할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중쓰기를 이용하는 저장 시스템의 이중쓰기 영역으로의 쓰기 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 호스트 장치(미도시)로부터 입력받은 데이터는 버퍼 풀(512)에서 이중쓰기 버퍼(514)에 임시로 저장되고, 이중쓰기 버퍼(514)로부터 이중쓰기 테이블 스페이스(520)에 저장되고, 상기 이중쓰기 테이블 스페이스(520)에 저장된 데이터는 데이터 테이블스페이스(530)에 이중으로 쓰여진다.
본 발명의 일 실시예에 따른 저장 시스템은 파일 스페이스 구조를 통해 데이터를 관리한다. 하나의 스페이스는 다수의 파일 노드와 연결될 수 있고, 기본적으로 0번 스페이스는 시스템 정보와 데이터를 관리하고, 1번 스페이스는 로그 영역을 관리한다. 이중쓰기 테이블 스페이스는 0번 스페이스의 헤더 부분에 들어있는데 이를 별도의 파일 스페이스로 분리한다. 새로운 파일 스페이스 9번을 생성하고 파일 노드를 연결하며 해당 경로는 분리된 저장 장치로 한다. 이후, 이중쓰기 입출력을 9번 파일 스페이스를 통하도록 함으로써 저장 장치의 입출력 하중을 분산시킬 수 있다.
이중쓰기 테이블 스페이스(520)는 본래 익스텐트(extent) 2개로 이루어져 있다. 따라서, 매번 첫 익스텐트에 덮어쓰는 방식으로 동작하는데 이중쓰기 테이블 스페이스(520)를 확장하게 됨으로써 접근할 때마다 어느 익스텐트를 참조해야 하는지 결정해야 한다. 이를 관리하는 변수를 두어 순차적으로 다음 익스텐트를 사용하도록 관리한다.
도 5를 참조하면, 호스트 장치로부터 데이터 입력을 받으면, 수신된 데이터는 버퍼 풀(512)에 보관된다. 다음으로, 이중쓰기 버퍼(514)에 수신된 데이터를 보내게 되고, 이중쓰기 버퍼(514)는 상기 버퍼 풀(512)로부터 수신한 데이터를 이중쓰기 테이블 스페이스(520)에 저장한다. 다음으로, 이중쓰기 테이블 스페이스(520)에 저장된 데이터는 데이터 테이블 스페이스(530)에 이중으로 저장된다. 여기서, 이중쓰기 테이블 스페이스(520)에 저장되는 방식은 순차 쓰기(FIFO) 방식이 바람직하다. 이중쓰기 테이블 스페이스(520)에 저장시 이중쓰기 맵핑 테이블(518)에 저장된 위치와 저장된 데이터가 맵핑이 되고, 이는 해시(516) 구조를 형성할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중쓰기를 이용하는 저장 시스템의 이중쓰기 영역으로의 읽기 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 호스트 장치(미도시)로부터 읽기 요청을 수신하는 경우, 먼저 버퍼 풀(612)에서 요청된 데이터를 찾아보고, 데이터가 없는 경우, 이중쓰기 해시(616)를 이용하여 이중쓰기 맵핑 테이블(618)을 통해 이중쓰기 테이블 스페이스(620)에서 데이터를 찾아서 인출한다.
도 6을 참조하면, 원하는 데이터 페이지 요청시 요청된 데이터가 버퍼 풀(612)에 있는지 살펴본다. 버퍼 풀(612)에 요청된 데이터가 존재하면 데이터를 인출하고 읽기 요청 관련 동작을 완료한다. 하지만, 버퍼 풀(612)에 원하는 데이터가 없는 경우, 이중쓰기 데이터 스페이스(620)에서 데이터를 인출하는 단계를 수행한다. 즉, 이중쓰기 해시(616)를 이용하여 맵핑 테이블(618)을 참조한다. 맵핑 테이블(618)에는 이중쓰기 테이블 스페이스(620)에 있는 모든 데이터와 이중쓰기 테이블 스페이스(620) 내부의 저장 위치의 맵핑 관계가 있으므로, 이를 참조하여 요청된 데이터가 있는지 탐색한다. 탐색 결과, 데이터가 있으면, 이를 이중쓰기 테이블 스페이스(620)로부터 인출하여 읽기 요청 관련 동작을 완료한다. 데이터가 없는 경우, 데이터 테이블 스페이스(630)를 탐색하여 요청된 데이터를 인출한다.
전술한 바와 같이, 이중쓰기 테이블 스페이스(620)는 SSD, 즉 플래시 메모리로 구성되어 있는 빠른 인출이 가능하기 때문에 먼저 이중쓰기 테이블 스페이스(620)의 데이터 존재 여부를 파악하는 것이 효율적이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중쓰기를 이용하는 저장 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 저장 방법은 이중쓰기 버퍼를 통해 입력받은 원본 데이터를 플래시 메모리인 이중쓰기 테이블 스페이스에 저장하는 단계(710), 이중쓰기 테이블 스페이스로부터 데이터를 입력받아 데이터 테이블 스페이스에 저장하는 단계(720) 및 데이터 맵핑 테이블을 통해 이중쓰기 테이블 스페이스와 데이터 테이블 스페이스를 제어하는 단계(730)를 포함할 수 있다.
도 7을 참조하면, 제 1 저장 장치는 이중쓰기 테이블 스페이스일 수 있고, 제 2 저장 장치는 데이터 테이블 스페이스일 수 있다. 따라서, 호스트 장치(미도시)로부터 입력받은 데이터를 먼저, 이중쓰기 테이블 스페이스에 저장한다(710). 이는 시스템 오류시 데이터 복구를 위해 사용될 수 있다. 다음으로, 이중쓰기 테이블 스페이스에 저장된 데이터를 데이터 테이블 스페이스에 이중으로 저장한다(720). 제어부는 데이터 맵핑 테이블을 통해 이중쓰기 테이블 스페이스와 데이터 테이블 스페이스를 제어할 수 있다(730). 제어 단계(730)는 이중쓰기 테이블 스페이스의 용량이 다 찬 경우, 상기 이중쓰기 테이블 스페이스에 저장된 데이터를 상기 데이터 테이블 스페이스에 덮어쓰도록 제어하는 단계 및 데이터 테이블 스페이스에 오류가 발생한 경우, 상기 이중쓰기 테이블 스페이스에 저장된 원본 데이터를 통해 데이터 복구를 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 이중쓰기 테이블 스페이스를 위한 장치는 플래시 메모리인 것이 바람직하다. 왜냐하면, 플래시 메모리의 빠른 액세스가 이중쓰기 테이블 스페이스에 효과적이기 때문이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중쓰기를 이용하는 저장 방법의 읽기 명령을 수행하는 방법을 나타낸 흐름도이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 저장 방법의 읽기 명령에 따른 동작 단계는 데이터 버퍼(미도시)에서 요청된 데이터를 검색하여 읽어오는 단계(810) 및 맵핑 테이블을 통해 이중쓰기 테이블 스페이스에 존재하는 데이터를 검색하여 읽어오는 단계(820)를 포함할 수 있다.
도 8을 참조하면, 원하는 데이터 페이지 요청시 요청된 데이터가 데이터 버퍼(미도시)에 있는지 살펴본다(810). 데이터 버퍼에 요청된 데이터가 존재하면 데이터를 인출하고 읽기 요청 관련 동작을 완료한다. 하지만, 데이터 버퍼에 원하는 데이터가 없는 경우, 이중쓰기 데이터 스페이스에서 데이터를 인출하는 단계(820)를 수행한다. 즉, 이중쓰기 해시를 이용하여 맵핑 테이블을 참조한다. 맵핑 테이블에는 이중쓰기 테이블 스페이스에 있는 모든 데이터와 이중쓰기 테이블 스페이스 내부의 저장 위치의 맵핑 관계가 있으므로, 이를 참조하여 요청된 데이터가 있는지 탐색한다. 탐색 결과, 데이터가 있으면, 이를 이중쓰기 테이블 스페이스로부터 인출하여 읽기 요청 관련 동작을 완료한다. 데이터가 없는 경우, 데이터 테이블 스페이스를 탐색하여 요청된 데이터를 인출한다.
도 9a는 종래 이중쓰기 기법에서의 이중쓰기 영역의 내용이 교체되기 전에 비동기적 쓰기를 완료하고 나서 내용을 교체하는 모습을 도시한 도면이다. 도 9a에 도시된 바와 같이, 이중쓰기를 이용한 저장 장치(910)는 앞쪽에 이중쓰기 영역을 하나의 저장 장치에 가지고 있는 방식을 사용하여 이중쓰기 영역에 데이터를 저장하고, 저장된 데이터를 다시 데이터 영역에 이중으로 덮어쓰는 방식을 사용하였다.
도 9a를 참조하면, 도면에서의 한 칸은 다수의 페이지를 상징적으로 나타낸 것으로 버퍼 안의 페이지 수는 512개가 들어 있을 수 있다. 이를 데이터의 크기로 환산할 때, 이중쓰기 영역은 2MB의 데이터가 이중쓰기 영역에 저장되어 있는 경우, 이중쓰기 영역이 꽉 차 있게 된다(920). 따라서, 다음의 데이터는 기존 이중쓰기 영역에 있던 데이터를 데이터 영역에 다 덮어쓰고 나서 다음의 새로운 이중쓰기 영역을 생성하고, 새로 생성된 이중쓰기 영역에 다시 데이터를 저장하는 형식이 된다(930). 이러한 경우, 2MB마다 동기화를 수행해야 하고 동기화 쓰기 요청을 빈번하게 할수록 연산량이 많아져서 저장 효율이 떨어지게 되는 문제점이 있다.
도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중쓰기를 이용하는 저장 시스템에서의 이중쓰기 영역의 크기가 확장되어 동기화 주기를 늦추어 입출력 명령을 병렬처리하는 모습을 도시한 도면이다.
도 9b를 참조하면, 이중쓰기 영역(950)을 플래시 메모리로 따로 확보하였기 때문에 최초 4칸의 데이터 즉, 1MB의 데이터를 데이터 영역(960)에 저장하는 경우는 종래의 방식과 동일할 수 있으나, 2MB 이상의 데이터를 저장하는 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 저장 시스템의 경우에는 이중쓰기 영역(970)에 저장 공간의 여유가 있어 데이터를 저장할 수 있고, 또한, 이중쓰기 영역의 동기화 요청 없이도 데이터 영역(980)에 데이터를 저장할 수 있다. 실제로, 이중쓰기 영역(970)은 플래시 메모리의 용량으로 1GB마다 동기화되도록 수정하여 병렬성을 높일 수 있다. 더욱이, 플래시 메모리의 용량은 1GB 이상일 수도 있다. 2GB 또는 4GB의 용량을 갖는 플래시 메모리를 사용할 수도 있다. 이러한 경우, 이중쓰기 영역의 동기화 주기를 늘려, 출력 병렬성을 보다 강화할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중쓰기를 이용하는 저장 시스템과 다른 방식을 적용한 저장 시스템과의 동시 사용자 증가에 따른 성능 비교를 수행한 그래프이다. 여기서, Read Cache는 플래시 메모리 SSD를 캐시로서 사용하는 경우를 말하고, DW-seperate는 이중쓰기 영역을 확장시키지는 않고, 종래와 다르게 분리시킨 경우를 말하며, Original은 종래의 이중쓰기 방식을 이용하는 저장 장치를 말한다. 가로축은 동시 접속 사용자를 가리키고, 세로축은 수행시간 동안의 평균 TPS(Transaction Per Second)를 가리킨다. 이중쓰기 영역을 다른 저장장치로 분리하니 전체적으로 3% 가량의 성능 향상을 보였다. 여기에 읽기 캐시 기능이 적용되자 성능이 크게 증가하였다. 기본적으로 임의 읽기 성능이 SSD가 실험에 사용한 HDD보다 10배나 우수하며, 데이터 페이지 쓰기의 병렬성이 높아졌기 때문이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중쓰기를 이용하는 저장 시스템에서 플래시 메모리를 통한 캐시 영역의 크기에 따른 성능 및 적중률의 변화를 나타내는 그래프이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 동시 사용자 수를 16명으로 고정하고, 캐시 영역의 크기를 1GB~4GB로 증가시키면서 벤치마크를 수행한 결과, 캐시 영역의 크기가 증가할수록 TPS와 적중률이 증가하는 것을 볼 수 있다. 캐시를 사용하지 않은 결과와 비교하면 30GB 데이터에서 1GB 캐시는 평균 47%에서 최대 54% 가량 성능이 향상된 것을 확인할 수 있다.
이상 도면 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 보호범위가 상기 도면 또는 실시예에 의해 한정되는 것을 의미하지는 않으며 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (17)

  1. 이중쓰기 버퍼를 통해 호스트 장치로부터 입력받은 원본 데이터를 저장하는 이중쓰기 영역을 포함하는 제 1 저장 장치;
    상기 이중쓰기 영역을 배제하여 상기 제 1 저장 장치로부터 데이터를 입력받아 저장하는 데이터 영역만을 포함하는 제 2 저장 장치; 및
    상기 이중쓰기 버퍼를 포함하며, 데이터 맵핑 테이블을 통해 상기 제 1 저장 장치와 상기 제 2 저장 장치를 제어하며, 상기 제 1 저장 장치의 용량이 다 찬 경우, 상기 제 1 저장 장치에 저장된 데이터를 상기 제 2 저장 장치에 덮어쓰도록 제어하는 제어부를 포함하되,
    상기 제 1 저장 장치는 복수 개의 익스텐트를 포함하는 플래시 메모리로서, 상기 제 2 저장 장치에 오류가 발생한 경우, 상기 저장된 원본 데이터를 통해 데이터 복구를 수행하고, 상기 이중쓰기 영역에 대해 순차 쓰기를 이용하여 상기 데이터 영역과의 동기화 주기를 늦추며, 순차 쓰기 이용시 상기 복수 개의 익스텐트에 대해 데이터를 덮어쓸시 참조할 익스텐트를 관리하는 변수를 두어 순차적으로 다음 익스텐트를 쓰도록 관리하는 것을 특징으로 하는 플래시 메모리를 통한 이중쓰기를 이용하는 저장 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 저장 장치의 입출력 패턴은 순차 쓰기(FIFO:First Input First Output) 및 임의(Random) 읽기 형태인 것을 특징으로 하는 플래시 메모리를 통한 이중쓰기를 이용하는 저장 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 저장 장치는 1 기가 바이트, 2 기가 바이트 및 4 기가 바이트 중 어느 하나의 용량을 갖는 것을 특징으로 하는 플래시 메모리를 통한 이중쓰기를 이용하는 저장 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 데이터 버퍼를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플래시 메모리를 통한 이중쓰기를 이용하는 저장 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 맵핑 테이블은 상기 제 1 저장 장치에 존재하는 모든 데이터의 정보와 상기 제 1 저장 장치 내부의 위치 정보를 맵핑하고 있는 것을 특징으로 하는 플래시 메모리를 통한 이중쓰기를 이용하는 저장 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 호스트 장치로부터 데이터 읽기 요청을 수신하는 경우, 먼저 상기 데이터 버퍼에서 요청된 데이터를 검색하여 읽어오고,
    상기 데이터 버퍼에 상기 요청된 데이터가 없는 경우, 상기 맵핑 테이블을 통해 상기 제 1 저장 장치에 존재하는 데이터를 읽어오는 것을 특징으로 하는 플래시 메모리를 통한 이중쓰기를 이용하는 저장 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 맵핑 테이블은 상기 원본 데이터의 데이터 영역 오프셋(offset), 상기 제 1 저장 장치 내에서의 위치 정보 및 해시 체인을 구성하는 포인터로 구성되는 것을 특징으로 하는 플래시 메모리를 통한 이중쓰기를 이용하는 저장 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 저장 장치는 자기 하드 디스크인 것을 특징으로 하는 플래시 메모리를 통한 이중쓰기를 이용하는 저장 시스템.
  9. 이중쓰기 버퍼를 통해 호스트 장치로부터 입력받은 원본 데이터를 저장하는 이중쓰기 영역을 포함하는 플래시 메모리인 제 1 저장 장치에 저장하는 단계;
    상기 제 1 저장 장치와 인터페이싱하여 상기 제 1 저장 장치로부터 데이터만을 입력받아 제 2 저장 장치 - 제 2 저장 장치에는 이중쓰기 영역이 배제됨 - 에 저장하는 단계; 및
    제어부가 데이터 맵핑 테이블을 통해 상기 제 1 저장 장치와 상기 제 2 저장 장치를 제어하는 단계를 포함하고, 상기 제어 단계는,
    상기 제 1 저장 장치의 용량이 다 찬 경우, 상기 제 1 저장 장치에 저장된 데이터를 상기 제 2 저장 장치에 덮어쓰도록 제어하는 단계; 및
    상기 제 2 저장 장치에 오류가 발생한 경우, 상기 제 1 저장 장치에 저장된 원본 데이터를 통해 데이터 복구를 수행하는 단계를 포함하되,
    상기 제 1 저장 장치는 복수 개의 익스텐트를 포함하는 플래시 메모리로서, 상기 이중쓰기 영역에 대해 순차 쓰기를 이용하여 상기 데이터 영역과의 동기화 주기를 늦추며, 순차 쓰기 이용시 상기 복수 개의 익스텐트에 대해 데이터를 덮어쓸시 참조할 익스텐트를 관리하는 변수를 두어 순차적으로 다음 익스텐트를 쓰도록 관리하는 것을 특징으로 하는 플래시 메모리를 통한 이중쓰기를 이용하는 저장 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 저장 장치의 입출력 패턴은 순차 쓰기(FIFO:First Input First Output) 및 임의(Random) 읽기 형태인 것을 특징으로 하는 플래시 메모리를 통한 이중쓰기를 이용하는 저장 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 저장 장치는 1 기가 바이트, 2 기가 바이트 및 4 기가 바이트 중 어느 하나의 용량을 갖는 것을 특징으로 하는 플래시 메모리를 통한 이중쓰기를 이용하는 저장 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 제어부는 데이터 버퍼를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플래시 메모리를 통한 이중쓰기를 이용하는 저장 방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 이중쓰기 버퍼는 상기 제 1 및 제 2 저장 장치에 입력될 데이터를 임시로 보관하고 있는 것을 특징으로 하는 플래시 메모리를 통한 이중쓰기를 이용하는 저장 방법.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제 1 저장 장치에 존재하는 모든 데이터의 정보와 상기 제 1 저장 장치 내부의 위치 정보를 맵핑하고 있는 맵핑 테이블을 포함하는 것을 특징으로 하는 플래시 메모리를 통한 이중쓰기를 이용하는 저장 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 제어 단계는,
    상기 호스트 장치로부터 데이터 읽기 요청을 수신하는 경우, 상기 데이터 버퍼에서 요청된 데이터를 검색하여 읽어오는 단계; 및
    상기 데이터 버퍼에 상기 요청된 데이터가 없는 경우, 상기 맵핑 테이블을 통해 상기 제 1 저장 장치에 존재하는 데이터를 읽어오는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플래시 메모리를 통한 이중쓰기를 이용하는 저장 방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 맵핑 테이블은 상기 원본 데이터의 데이터 영역 오프셋(offset), 상기 제 1 저장 장치 내에서의 위치 정보 및 해시 체인을 구성하는 포인터로 구성되는 것을 특징으로 하는 플래시 메모리를 통한 이중쓰기를 이용하는 저장 방법.
  17. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 2 저장 장치는 자기 하드 디스크인 것을 특징으로 하는 플래시 메모리를 통한 이중쓰기를 이용하는 저장 방법.
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