KR101564712B1 - Ｓｃｓｔ를 이용한 총 플래시 어레이 스토리지 가상화 방법 - Google Patents

Ｓｃｓｔ를 이용한 총 플래시 어레이 스토리지 가상화 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 SCST(The generic SCSI target subsystem for Linux)를 이용하여 스토리지 가상화를 하되, 고성능 스토리지인 총 플래시 어레이(All Flash Array)를 40Gb 인피니밴드를 통해 가상화하는, SCST를 이용한 총 플래시 어레이 스토리지 가상화 시스템에 관한 것으로서, RAID-60구조로 구성되는 총 플래시 어레이; 상기 총 플래시 어레이를 직접 연결하고, SCST를 사용하여 상기 총 플래시 어레이에 대한 스토리지 볼륨을 생성하는 SCSI 타겟 시스템; 상기 스토리지 볼륨을 가상화된 스토리지로 제공하는 SCSI 이니시에이터; 및, 상기 SCSI 타겟 시스템과 상기 SCSI 이니시에이터를 연결하는 네트워크를 포함하는 구성을 마련한다.
상기와 같은 스토리지 가상화 시스템에 의하여, 총 플래시 어레이(All Flash Array)를 40Gb 인피니밴드를 통해 가상화함으로써, SCSI 타겟 시스템에 총 플래시 어레이(All Flash Array)를 직접 연결된 경우에 비하여, 순차 또는 임의의 읽기 또는 쓰기의 성능이 많이 떨어지지 않는 가상화 스토리지를 제공할 수 있다.

Description

ＳＣＳＴ를 이용한 총 플래시 어레이 스토리지 가상화 방법 { A system of all flash array storage virtualisation using SCST }
본 발명은 SCST(The generic SCSI target subsystem for Linux)를 이용하여 스토리지 가상화를 하되, 고성능 스토리지인 총 플래시 어레이(All Flash Array)를 4Gb 파이버 채널, 10Gb 이더넷, 40Gb 인피니밴드를 통해 가상화하는, SCST를 이용한 총 플래시 어레이 스토리지 가상화 시스템에 관한 것이다.
과거에는 다루어야 할 데이터의 양이 많지 않았기 때문에 이를 저장하기 위한 스토리지의 관리 역시 어려운 일이 아니었지만, IT산업의 빠른 발전으로 인해 처리해야 할 데이터가 급격하게 증가하여 데이터 스토리지는 점점 더 대형화되기 시작하였다. 데이터 스토리지 시스템은 대형화되면서 많은 디스크 드라이브를 사용하게 되었으며, 수많은 스토리지를 관리하는 것은 어렵고 복잡한 문제로 발전하게 되었다.
이를 해결하기 위한 방법 중 하나는 스토리지 가상화(Storage virtualization)이며, SNIA(Storage Networking Industry Association)는 스토리지 가상화를 스토리지 서브시스템의 내부 기능을 호스트 컴퓨터나 어플리케이션으로부터 추상화하거나 숨기는 행위로 정의하고 있다[비특허문헌 1]. 이는 가상화 기능을 제공하는 소프트웨어나 하드웨어를 통하여 물리적 스토리지 서브시스템의 복잡성을 감춤으로써 스토리지 시스템의 관리를 용이하게 하므로, 분산된 스토리지를 통합하거나 사용되지 않고 있는 스토리지를 필요한 곳에 재배치하는 작업 등을 통해 스토리지의 활용률을 높히며 시스템의 구성비용을 절감할 수 있게 된다.
최근 지속적으로 화두가 되고 있으며 정보통신정책연구원이 선정한 2014년 ICT 주요 이슈 중 하나인 빅데이터의 처리 시에는 수많은 입출력이 발생하므로 고성능의 스토리지 시스템을 필요로 하는데, 여기에 고성능 클라우드 스토리지를 이용하면 빅데이터를 효과적으로 관리하고 처리할 수 있게 된다.
스토리지 가상화는 대규모 스토리지 시스템의 구축을 요하는 클라우드 스토리지 시스템이나 SAN(Storage Area Network) 에서의 핵심이라 할 수 있으므로, 고성능의 스토리지를 가상화하여 사용하는 것은 앞으로 고성능 클라우드 스토리지 시스템의 구축에 필수적인 요소가 될 것이다.
따라서 총 플래시 어레이(All Flash Array)의 구조와 스토리지 네트워크에 SCST를 적용하여 고성능의 스토리지 가상화 방법의 개발이 필요하다.
[비특허문헌 1] Frank Bunn, Nik Simpson, Robert Peglar, Gene Nagle, (2004). SNIA Technical Tutorial{Storage Virtualization} [Online]. Available: http://www.snia.org /sites/default/files/sniavirt.pdf (downloaded 2014, Apr. 17) [비특허문헌 2] Ju-Kyeong Kim, Hui-Seong Heo, Kwang-Soo Lee, Deok-Hwan Kim, "Architectures and Performance Analysis of All Flash Array Storages Adaptable for Cloud Environment", in Proc. IEEK fall Conf., Vol. 2013, No. 11, pp.965-968, Nov., 2013. [비특허문헌 3] DG Andersen, S Swanson, "Rethinking flash in the data center", IEEE Micro, vol. 30, No. 4, pp.52-54, Jul., 2010. [비특허문헌 4] Doyoon Sim, et al., "Extended Buffer Management with Flash Memory SSDs", Journal of KIISE : Databases, Vol. 37, No. 6, pp.308-314, Dec., 2010. [비특허문헌 5] Koller, Ricardo, et al., "Write Policies for Host-side Flash Caches", FAST '13, pp. 45-58, Feb., 2013. [비특허문헌 6] Holland, David A., et al., "Flash caching on the storage client", USENIX ATC '13, pp.127-138, Jun., 2013. [비특허문헌 7] GadelRab, Serag., "10-Gigabit Ethernet Connectivity for Computer Servers", IEEE micro, Vol. 27, No. 3, pp.94-105, Aug., 2007. [비특허문헌 8] Meth, Kalman Z., and Julian Satran. "Design of the iSCSI Protocol.", Mass Storage Systems and Technologies, 2003.(MSST 2003). Proceedings. 20th IEEE/11th NASA Goddard Conference on. IEEE, pp. 116-122, Apr., 2003. [비특허문헌 9] Adlung, Ingo, et al., "FCP for the IBM eServer zSeries systems: Access to distributed storage.", IBM Journal of Research and Development, Vol. 46, No. 4-5, Jul., 2002 [비특허문헌 10] Glass, Mike., "Fibre Channel: leveraging a commercial networking technology for military applications", Digital Avionics Systems Conference, 1999. Proceedings. 18th, Vol. 1., pp. 3.A.3-1 - 3.A.3-14, Nov., 1999. [비특허문헌 11] Eun-kyeung Jae, Young-Hwan Kim, Chang-Won Park, "Improvement of Infiniband performance between Infininband-based Server and Storage", in Proc. IEEK summer Conf., Vol. 36, No. 1, pp. 584-586, Nov., 2013. [비특허문헌 12] Liang, Shuang, Weikuan Yu, and Dhabaleswar K. Panda, "High performance block I/O for global file system (GFS) with infiniband RDMA.", International Conference on Parallel Processing, pp.391-398, Aug., 2006. [비특허문헌 13] Vladislav Bolkhovitin. (2006, Dec. 1). Generic SCSI Target Middle Level for Linux [Online]. Available: http://scst.sourceforge.net/scst_pg.pdf (downloaded 2014, Apr. 17)
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, SCST(The generic SCSI target subsystem for Linux)를 이용하여 스토리지 가상화를 하되, 고성능 스토리지인 총 플래시 어레이(All Flash Array)를 4Gb 파이버 채널, 10Gb 이더넷, 40Gb 인피니밴드를 통해 가상화하는, SCST를 이용한 총 플래시 어레이 스토리지 가상화 시스템을 제공하는 것이다.
특히, 본 발명의 목적은 24개의 SSD를 이용하여 RAID-60 구조의 고성능 스토리지인 총 플래시 어레이(All Flash Array)를 구현하고, SCSI 타겟을 생성하기 위한 리눅스 오픈소스 프로그램인 SCST와 고속 네트워크인 10GbE(10Gigabit Ethernet), 파이버 채널(Fibre-Channel), 인피니밴드(Infiniband)를 통해 총 플래시 어레이(All Flash Array)를 가상화 하는, SCST를 이용한 총 플래시 어레이 스토리지 가상화 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 클라이언트에 스토리지를 제공하는, SCST를 이용한 총 플래시 어레이 스토리지 가상화 시스템에 관한 것으로서, RAID-60구조로 구성되는 총 플래시 어레이; 상기 총 플래시 어레이를 직접 연결하고, SCST를 사용하여 상기 총 플래시 어레이에 대한 스토리지 볼륨을 생성하는 SCSI 타겟 시스템; 상기 스토리지 볼륨을 가상화된 스토리지로 제공하는 SCSI 이니시에이터; 및, 상기 SCSI 타겟 시스템과 상기 SCSI 이니시에이터를 연결하는 네트워크를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 SCST를 이용한 총 플래시 어레이 스토리지 가상화 시스템에 있어서, 상기 총 플래시 어레이는 적어도 8개의 동일 개수의 SSD를 사용하여 하위 계층을 구성할 RAID-6 구조의 논리 디스크를 3개로 구성하고, 상기 3개의 논리 디스크를 RAID-0로 구성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 SCST를 이용한 총 플래시 어레이 스토리지 가상화 시스템에 있어서, 상기 SCSI 타겟 시스템은 상기 총 플래시 어레이의 논리 디스크를 이용하여 상기 스토리지 볼륨을 생성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 SCST를 이용한 총 플래시 어레이 스토리지 가상화 시스템에 있어서, 상기 SCSI 타겟 시스템은 상기 스토리지 볼륨을 상기 SCSI 이니시에이터에 제공하기 위하여 블록 방식으로 입출력을 사용하고, 상기 스토리지 볼륨은 적어도 512 바이트의 블록 크기를 가지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 SCST를 이용한 총 플래시 어레이 스토리지 가상화 시스템에 있어서, 상기 SCSI 타겟 시스템은 상기 스토리지 볼륨의 블록을 적어도 4개의 쓰레드를 이용하여 상기 SCSI 이니시에이터에 제공하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 SCST를 이용한 총 플래시 어레이 스토리지 가상화 시스템에 있어서, 상기 네트워크는 40Gb 인피니밴드를 적용하여 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 SCST를 이용한 총 플래시 어레이 스토리지 가상화 시스템에 있어서, 상기 SCSI 이니시에이터는 상기 스토리지 볼륨을 Btrfs(B-tree file system) 파일시스템으로 포맷하여 사용하되, 상기 SCSI 이니시에이터의 포맷 명령을 상기 총 플래시 어레이로 전달하여, 상기 총 플래시 어레이를 Btrfs 파일시스템으로 포맷하여 사용하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 SCST를 이용한 총 플래시 어레이 스토리지 가상화 시스템에 의하면, 총 플래시 어레이(All Flash Array)를 40Gb 인피니밴드를 통해 가상화함으로써, SCSI 타겟 시스템에 총 플래시 어레이(All Flash Array)를 직접 연결된 경우에 비하여, 순차 또는 임의의 읽기 또는 쓰기의 성능이 많이 떨어지지 않는 효과가 얻어진다.
특히, 40Gb 인피니밴드를 통해 가상화된 총 플래시 어레이(All Flash Array)는 SCSI 타겟 시스템에 연결된 총 플래시 어레이(All Flash Array)에 비해 순차/임의 읽기의 경우에 각각 78%, 79%의 성능을 보였으며, 순차/임의쓰기의 경우에는 83%, 88%의 성능을 보임을 확인하였다.
총 플래시 어레이(All Flash Array) 스토리지에 대한 입출력 성능을 타겟 시스템에 총 플래시 어레이(All Flash Array)가 직접 연결된 경우와, 총 플래시 어레이(All Flash Array)가 10GbE/파이버 채널/인피니밴드를 통해 가상화된 경우의 총 네 가지 경우에 대해서 벤치마크 프로그램 fio(flexible I/O tester)를 이용하여 측정하고 분석한 결과에 의하여, 상기 효과를 확인하였다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 RAID-60의 구조도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 인피니밴드의 유효 대역폭을 나타낸 표.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 SCST와 리눅스(Linux) SCSI 서브시스템의 상호작용을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 RAID-60 구조를 갖는 총 플래시 어레이(All Flash Array)에 데한 구성도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 구성한 SCSI 타겟, 이니시에이터 시스템에 대한 구조도.
도 6은
도 7a는 본 발명의 실험에 사용되는 타겟 시스템의 사양을 나타낸 표.
도 7b는 본 발명의 실험에 사용되는 이니시에이터 시스템의 사양을 나타낸 표.
도 7c는 본 발명의 실험에 사용되는 SSD의 사양을 나타낸 표.
도 7d는 본 발명의 실험에 사용되는 HDD의 사양을 나타낸 표.
도 8은 본 발명의 실험에 따른 4개의 HDD로 구성된 RAID-6 구조의 로컬 HDD 어레이(Array)의 입출력 속도를 나타낸 표.
도 9는 본 발명의 실험에 따른 4개의 SSD를 RAID-6구조의 로컬 총 플래시 어레이(All Flash Array)의 입출력 속도를 나타낸 표.
도 10은 본 발명의 실험에 따른 RAID-60 구조의 로컬 총 플래시 어레이(All Flash Array)의 입출력 속도를 나타낸 표.
도 11은 본 발명의 실험에 따른 RAID-60 구조의 로컬 총 플래시 어레이(All Flash Array) 입출력 속도의 상대표준편차를 나타낸 표.
도 12는 본 발명의 실험에 따른 4Gb 파이버 채널을 통해 가상화된 총 플래시 어레이(All Flash Array)의 입출력 속도를 나타낸 표.
도 13은 본 발명의 실험에 따른 4Gb 파이버 채널을 통해 가상화된 총 플래시 어레이(All Flash Array) 입출력 속도의 상대표준편차를 나타낸 표.
도 14는 본 발명의 실험에 따른 10GbE을 통해 가상화된 총 플래시 어레이(All Flash Array)의 입출력 속도를 나타낸 표.
도 15는 본 발명의 실험에 따른 10GbE을 통해 가상화된 총 플래시 어레이(All Flash Array) 입출력 속도의 상대표준편차를 나타낸 표.
도 16은 본 발명의 실험에 따른 40Gb 인피니밴드를 통해 가상화된 총 플래시 어레이(All Flash Array) 의 입출력 속도를 나타낸 표.
도 17은 본 발명의 실험에 따른 40Gb 인피니밴드를 통해 가상화된 총 플래시 어레이(All Flash Array) 입출력 속도의 상대표준편차를 나타낸 표.
이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 도면에 따라서 설명한다.
또한, 본 발명을 설명하는데 있어서 동일 부분은 동일 부호를 붙이고, 그 반복 설명은 생략한다.
먼저, 본 발명에 사용되는 RAID-60의 구성에 대하여 도 1을 참조하여 설명한다.
RAID(redundant array of inexpensive disk)는 여러 개의 물리 디스크들을 하나의 논리 디스크로 작동하게 하며, 각각의 디스크에 데이터를 나눠서 저장하거나 접근하여 성능을 높히는 기술이다. 이는 디스크 구성 방식에 따라 RAID 0, 1, 3, 4, 5, 6 등으로 나누어진다. 도 1에서 보는 바와 같이, RAID-6 구조로 구성한 논리 디스크들을 RAID-0 구조로 결합한 것이 RAID-60 구조이다.[비특허문헌 2]
RAID-60 구조는 최소 8개의 디스크를 요구하며, 하위계층을 구성하는 각각의 RAID-6 구조 중 2개의 디스크가 고장을 일으켜도 복구할 수 있으므로 스토리지의 신뢰성이 향상된다. 또한 상위 계층을 구성하는 RAID-0 구조로 인해서 고속, 대용량 스토리지를 구현할 수 있다. 따라서 RAID-60 구조를 사용하면 고속, 고신뢰성을 갖는 대용량의 스토리지를 구현할 수 있으며, 이는 주로 데이터 아카이빙이나 서버를 위한 스토리지에 사용된다.
다음으로, 본 발명에 사용되는 총 플래시 어레이(All Flash Array)의 구성에 대하여 설명한다.
총 플래시 어레이(All Flash Array)는 플래시 메모리를 사용하는 SSD (Solid-State Drive)만으로 구성된 스토리지이다. SSD는 자기 디스크를 사용하는 하드디스크와는 달리 반도체를 이용하여 정보를 저장한다[비특허문헌 3]. 이는 순수 전자식으로 동작하기 때문에 기계적으로 헤드를 이동시켜 데이터를 읽어야 하는 하드디스크에 비해 탐색 시간이 매우 빠르다. 입/출력 속도 또한 순차 읽기/쓰기의 경우는 하드디스크의 몇 배, 랜덤 읽기/쓰기의 경우는 수십배 이상 빠르다는 장점이 있다. 따라서 이러한 SSD들으로만 구성된 총 플래시 어레이(All Flash Array)는 입/출력 속도가 매우 빠르기 때문에 많은 입/출력 연산을 요구하는 데이터 센터나 빅데이터의 처리를 위해 사용될 수 있다.
최근 SSD를 클라우드 스토리지의 호스트 측 하드디스크에 대한 캐시 형태로 사용하여 기존의 하드디스크 기반 스토리지 서버에 비해 성능을 향상시키려는 연구나[비특허문헌 4, 5], 클라이언트 측의 운영체제에 대한 버퍼 캐시로 사용하여 입출력 성능을 향상시키려는 연구가 진행되고 있다[비특허문헌 6]. 이는 많은 하드디스크를 추가하지 않고도 스토리지 서버의 IOPS(Input/Output Operation Per Second)를 향상시켜 성능 향상에 필요한 비용을 절감시킬 수 있다는 장점이 있다.
그러나 SSD를 클라우드 스토리지의 호스트 측 하드디스크에 대한 캐시 형태로 사용하는 시스템은 총 플래시 어레이(All Flash Array) 스토리지 시스템과 비슷한 성능을 내기 위해서 많은 수의 하드디스크가 요구되고, 이렇게 성능을 향상시키기 위해 불필요하게 증가된 디스크 용량은 낭비될 수 있다는 단점이 있다. 또한 SSD를 클라이언트 측의 운영체제에 대한 버퍼 캐시로 사용하는 시스템은 클라우드 스토리지를 이용하는 모든 클라이언트 시스템이 버퍼 캐시로 사용될 SSD를 가지고 있어야 하며, 클라우드 스토리지 서버가 하드디스크로 구성된 경우에는 SSD를 클라우드 스토리지의 호스트 측 하드디스크에 대한 캐시 형태로 사용하는 시스템과 마찬가지로 총 플래시 어레이(All Flash Array) 스토리지 시스템과 같은 고성능을 위해 많은 수의 하드디스크를 필요로 한다는 단점이 있다.
따라서 스토리지 서버의 용량에 관계 없이 고성능을 요구하는 스토리지 솔루션으로는 총 플래시 어레이(All Flash Array)가 적합하다고 할 수 있다.
플래시 메모리를 기반으로 하는 SSD는 현재 성능이 지속적으로 향상되고 있으며 용량당 가격이 꾸준히 감소하여 가격 경쟁력을 갖추어 나가고 있어, 기존에 사용되던 하드디스크를 빠르게 대체하고 있다. 따라서 SSD만으로 구성된 총 플래시 어레이(All Flash Array) 역시 활용도가 점차 높아지고 있다.
다음으로, 본 발명에 사용되는 10GbE iSCSI(internet Small Computer System Interface)의 구성에 대하여 설명한다.
IEEE 802.3ae-2002 표준에서 처음으로 정의된 10GbE(10 Gigabit Ethernet)는 초당 100억 비트의 데이터 전송속도를 제공하는 통신기술로써[비특허문헌 7], 기존의 이더넷 프로토콜과 상호 운용이 가능하며 고성능의 서버 시스템에 쓰인다. 또한 iSCSI(internet Small Computer System Interface)는 TCP/IP를 사용하여 SCSI(Small Computer System Interface) 명령을 전달하는 스토리지 네트워크 프로토콜로써 이는 멀리 떨어진 SCSI I/O 디바이스를 IP 네트워크를 사용하여 접근할 수 있게 해준다.[비특허문헌 8]
10GbE iSCSI는 10GbE를 통해 iSCSI를 사용하는 것이며, 이를 사용하면 스토리지 네트워크 시스템 구축 시 기존의 네트워크 인프라를 그대로 이용할 수 있으므로 많은 비용을 들이지 않고도 고속의 SAN(Storage Area Network)을 구축할 수 있게 한다는 장점이 있다.
다음으로, 본 발명에 사용되는 파이버 채널의 구성에 대하여 설명한다.
파이버 채널은 INCITS(InterNational Committee for Information Technology Standards)의 T11 기술위원회(Technical Committe)에 표준화된, 컴퓨터 장치들 간에 데이터를 전송하기 위한 네트워크 기술이다[비특허문헌 9]. 이는 스토리지 네트워크 구성에 주로 사용되며 고속(1, 2, 4, 10, 20Gbps)으로 먼 거리에 데이터를 전송할 수 있고, 데이터 전송 시 오류율과 지연시간이 낮다는 장점이 있다.
파이버 채널의 표준은 점대점, 중재 루프, 스위치 패브릭의 세 가지 다른 형태를 갖는 네트워크 토폴로지를 정의한다. 점대점 토폴로지는 두 장치간에 양방향 연결을 갖는 형태이고 중재 루프 토폴로지는 모든 장치들이 단방향의 링 안에 있는 형태를 갖는다. 스위치 패브릭 토폴로지는 장치들이 모두 파이버 채널 스위치에 연결되어 있는 형태이며, 가장 유연하여 빈번하게 사용되는 토폴로지이다[비특허문헌 10]. 이러한 토폴로지를 통해 여러 개의 서버들이 많은 저장장치들과 연결되며 파이버 채널 SAN(storage area network)을 형성하게 된다.
다음으로, 본 발명에 사용되는 인피니밴드 SRP(Infiniband SCSI RDMA Protocol)의 구성에 대하여 설명한다.
인피니밴드는 하나의 채널만으로도 2.5Gbps 이상의 높은 성능을 갖는 스위치 기반 점대점 양방향 직렬통신이다. 이는 4개 또는 12개의 채널을 묶어서 대역폭을 늘리는 것이 가능하다. 또한 인피니밴드는 전송속도에 따라 SDR(Single Data Rate), DDR(Double Data Rate), QDR(Quad Data Rate)으로 분류할 수 있다. 이는 8b/10b 부호화를 사용하기 때문에 실제로는 데이터 전송 시 20%의 오버헤드를 가진다[비특허문헌 11].
인피니밴드에 기반한 스토리지 네트워크 프로토콜 중에는 SRP(SCSI RDMA Protocol)가 있다. SRP는 한 컴퓨터가 다른 컴퓨터에 연결된 SCSI 스토리지에 RDMA(Remote Direct Memory Access)를 통해 원격으로 접근할 수 있도록 하는 프로토콜이다. RDMA를 사용하면 제로카피(zero-copy)를 통해 CPU의 관여 없이 네트워크 어댑터가 직접 메모리에 액세스하여 입출력할 수 있으므로, SRP는 빠른 입출력을 제공하며 낮은 지연시간을 가진다.[비특허문헌 12]
다음으로, 본 발명에 사용되는 SCST(The generic SCSI target subsystem for Linux)의 구성에 대하여 설명한다.
SCST(The generic SCSI target subsystem for Linux)는 리눅스에서 SCSI 타겟 디바이스를 생성할 수 있게 하는 오픈소스 소프트웨어이다. 이는 SCSI 타겟 드라이버와 리눅스 커널 사이에 일관적인 인터페이스를 제공하기 위해 만들어졌다. SCST는 iSCSI, FC, SRP 등의 다양한 스토리지 네트워크 프로토콜들을 지원할 뿐 아니라 블록 I/O, 파일 I/O 등의 다양한 로컬 스토리지 인터페이스들도 지원한다[비특허문헌 13].
SCST를 사용하면 타겟 시스템에서 설정한 스토리지 디바이스를 SCSI 이니시에이터에 할당할 수 있으며, 타겟과 이니시에이터가 실제로 어떤 네트워크를 통해 연결되었는지와 관계없이 이니시에이터는 타겟의 스토리지를 가상화된 SCSI 스토리지로 인식하게 된다.
SCST는 SCSI 타겟 시스템을 구성할 수 있게 해주는 프로그램이다. SCSI 타겟 시스템을 구성할 수 있게 하는 프로그램은 이 외에도 몇 가지가 있으나, SCST는 기가비트 이더넷, 파이버 채널, 인피니밴드를 통해 데이터를 전송하기 위한 스토리지 네트워크 프로토콜(iSCSI, FCP, SRP)를 전부 지원한다.
다음으로, 본 발명의 일실시예에 따른 SCST를 이용한 총 플래시 어레이(All Flash Array) 스토리지 가상화 방법을 도 4를 참조하여 설명한다.
본 발명의 일실시예에서는 24개의 플래시 메모리 기반 SSD를 이용하여 RAID-60 구조를 갖는 고성능, 고신뢰성 스토리지인 총 플래시 어레이(All Flash Array)를 구성한다. 이는 데이터를 여러 개의 디스크에 분산하여 저장하거나, 여러 디스크에서 데이터를 읽음으로써 기존의 방법보다 데이터 입출력 속도를 향상시키며, 최대 6개까지의 디스크 고장에 대해 데이터를 복구할 수 있어서 신뢰성이 높다는 장점이 있다. 또한 SCST를 사용하여 스토리지 가상화를 위한 타겟 시스템을 구성하고, 총 플래시 어레이(All Flash Array)를 4Gb 파이버 채널, 10GbE, 40Gb 인피니밴드를 통해 가상화 한다.
먼저, RAID-60 구조의 총 플래시 어레이(All Flash Array)의 구성을 설명한다.
RAID-60 구조를 갖는 총 플래시 어레이(All Flash Array) 구성을 위해 총 24개의 SSD를 이용한다. 먼저 8개씩의 SSD를 사용하여 하위 계층을 구성할 RAID-6 구조의 논리 디스크를 3개 구현하고, 이 3개의 논리 디스크를 RAID-0로 구성한다. 이때, 바람직하게는, 리눅스 mdadm 유틸리티를 이용하여 RAID를 구성한다. mdadm은 소프트웨어 RAID를 구성하고 관리할 수 있게 해 주는 오픈소스 프로그램이다.
이렇게 하여, 고성능, 고신뢰성을 갖는 RAID-60 구조의 총 플래시 어레이(All Flash Array) 스토리지를 구성한다. RAID-6와 RAID-0 구성 시, 데이터를 SSD에 분산시켜 저장하기 위한 스트라이프 크기는 512KB로 설정한다.
다음으로, 본 발명의 일실시예에 따른 SCST를 이용한 총 플래시 어레이 스토리지 가상화 시스템의 구성에 대하여 도 5를 참조하여 설명한다.
도 5에서 보는 바와 같이, SCST를 이용한 총 플래시 어레이 스토리지 가상화 시스템은 클라이언트(10)에 총 플래시 어레이(20)의 스토리지를 가상화하여 제공하는 시스템으로서, SSD로 구성하여 스토리지를 구비하는 총 플래시 어레이(20), 총 플래시 어레이(20)의 입출력을 직접 제어하는 SCSI 타겟 시스템(30), 및, 클라이언트(10)에 가상화된 스토리지를 서비스하는 SCSI 이니시에이터(40)로 구성된다. 특히, SCSI 이니시에이터(40)와 SCSI 타겟 시스템(30)은 서로 네트워크(50)로 연결된다.
다음으로, SCST를 이용한 스토리지 가상화 구현 방법을 설명한다.
스토리지 가상화를 위해서 RAID-60구조의 총 플래시 어레이(All Flash Array)에 SCST를 적용하여 SCSI 타겟 시스템을 구성한다. 또한 타겟에서 제공하는 가상화된 스토리지를 인식할 이니시에이터 시스템을 구성한다. 구성한 시스템의 세부적인 구조는 도 6과 같다.
SCSI 타겟 시스템에는 앞서 구현한 RAID-60 구조를 갖는 총 플래시 어레이(All Flash Array)를 직접 연결하고, 타겟은 SCST를 사용하여 이니시에이터에 제공하기 위한 스토리지 볼륨을 생성한다. SCST를 사용하여 스토리지 볼륨을 생성할 때 논리 볼륨인 RAID-60 구조의 총 플래시 어레이(All Flash Array)를 사용하고, 고성능의 스토리지를 이니시에이터 측에 제공하기 위해 블록 입출력 디바이스 핸들러를 사용한다.
또한 가상화된 타겟 스토리지 볼륨은 512B의 블록 크기를 가지며 이를 4개의 쓰레드를 사용하여 이니시에이터에게 제공하도록 설정한다. 타겟은 고성능의 스토리지를 가상화하여 이니시에이터에 제공하므로 타겟과 이니시에이터의 연결에는 고속의 네트워크인 10GbE 또는 인피니밴드를 적용한다. 여기서 10GbE를 사용하는 경우는 스토리지 네트워크 프로토콜로 iSCSI 프로토콜을, 인피니밴드를 사용하는 경우는 SRP를 사용한다.
타겟 시스템과 이니시에이터 시스템은 서로 독립적인 단말에서 구현되며, 타겟 시스템에서는 스토리지를 가상화하여 이니시에이터 시스템에 제공하는 역할을 한다. 이니시에이터에서는 타겟 시스템에서 제공하는 가상화된 스토리지를 받아서 이니시에이터에 직접 연결된 블록 디스크와 같이 사용할 수 있다. 가상화된 고성능 디스크에 많은 입출력 작업을 하게 되면 이와 비례하여 CPU에서 처리해야 할 작업도 많아지기 때문에, 타겟 시스템에서 멀티쓰레딩을 통해 스토리지 가상화를 제공하여 더 많은 CPU 자원을 가상화 작업에 사용하게 한다.
이니시에이터에서는 타겟이 백엔드에서 제공하는 가상화된 총 플래시 어레이(All Flash Array)에 접근하여 이를 사용한다. 본 발명에서는 파이버 채널을 통한 연결을 위해서 Qlogic사에서 제공하는 드라이버를 사용하였고 10GbE iSCSI 프로토콜을 통한 연결을 위해서 iscsi-initiator-utils 프로그램의 Linux-iSCSI 소프트웨어 드라이버를 이용하고, 인피니밴드 SRP를 통한 연결을 위해 인피니밴드 서브넷을 관리할 수 있게 해주는 프로그램인 OpenSM을 이용한다.
이니시에이터는 SCST 서브시스템에 대해 원격 호스트에 위치하고 있으며 이는 SCSI 타겟 드라이버를 통해 SCST에 대해 클라이언트 연결을 생성한다. 이니시에이터에서는 타겟에서 제공하는 가상화된 총 플래시 어레이(All Flash Array)를 타겟과 이니시에이터 간의 연결에 사용된 네트워크의 종류(파이버 채널, 이더넷, 인피니밴드)와 스토리지 네트워크 프로토콜(FC, iSCSI, SRP)에 관계없이 SCSI 인터페이스를 사용하는 하나의 논리 디스크로 인식하게 된다. 이는 마치 로컬 디스크와 같이 마운트해서 사용하거나 관리할 수 있다.
본 발명에서는 이와 같이 가상화된 총 플래시 어레이(All Flash Array)를 이니시에이터에서 Btrfs(B-tree file system) 파일시스템으로 포맷하여 사용한다. 디스크 마운트 시에 Btrfs 파일시스템에서 지원하는 SSD 최적화 옵션인 ssd와 단편화 현상이 발생하는 것을 방지하기 위해 새로운 공간 할당 시 디스크에서 사용되지 않고 있는 큰 공간을 찾는데 더 엄격한 기준을 적용하는 옵션인 ssd_spread를 적용하였다.
타겟 시스템에서 제공하는 블록 스토리지를 이니시에이터에서 사용할 때 btrfs 파일시스템으로 포맷하게 되면, 해당 정보는 스토리지 네트워크를 거쳐 타겟 시스템에 연결된 총 플래시 어레이에 전달된다. 즉, 원격으로 포맷 명령을 전달하여 총 플래시 어레이 자체를 btrfs 파일시스템으로 포맷한다.
부연하면, 총 플래시 어레이는 타겟 시스템에 연결된, RAID-60 구조로 구성된 SSD들의 집합이다. 타겟 시스템에서는 이를 일반적인 PC 등에 연결된 하드디스크와 같이 하나의 블록 디스크로 인식한다. 상기 총 플래시 어레이는 SCST를 이용하여 네트워크 인터페이스를 통해 가상화할 수 있다.
타겟 시스템은 해당 단말(타겟 시스템이 설치된 단말 또는 서버)에 연결된 스토리지를 스토리지 네트워크(기가비트 이더넷, 파이버 채널, 인피니밴드)를 통해 가상화하여 이니시에이터 시스템에 제공하는 역할을 한다. 이 때, 스토리지는 블록 디스크의 형태로 가상화 된다. 즉, 타겟 시스템이 가상화까지 제공한다.
이니시에이터는 타겟 시스템에서 제공하는 블록 스토리지를 받아서 사용한다. 여기서 제공받은 디스크는 블록 디스크로써 사용할 수 있다. 이니시에이터는 타겟 시스템에서 제공하는 가상화된 블록 스토리지를 받아서 사용하는 시스템이다. 타겟 시스템이 서비스 제공자라고 하면, 이니시에이터가 클라이언트에 해당한다. 또한, 이니시에이터에도 타겟 시스템에서 제공한 가상화된 스토리지를 또다시 가상화하여 클라이언트에 제공하는 형태가 되어야 한다.
따라서 도 6과 같은 커널의 계층들을 거쳐서 이니시에이터 시스템에 블록 디스크의 형태로 제공된다. 즉, 이니시에이터 측에서는 이 가상화된 총 플래시 어레이를 스토리지 네트워크를 통해서 접근할 수 있으며, 마치 로컬 디스크와 같이 하나의 블록 스토리지로 인식한다.
만일 이니시에이터를 이용하는 사용자가 커널의 정보에 접근할 수 없다면, 사용자는 이 블록 디스크가 타겟 시스템이 제공하는 가상화된 스토리지인지 이니시에이터에 직접 연결된 로컬 스토리지인지 구분할 수 없다.
다음으로, 실험을 통한 본 발명의 효과를 구체적으로 설명한다.
먼저, 본 발명의 실험을 위한 실험환경을 설명한다.
실험은 크게 두 가지의 경우에 대해서 이루어졌다. 첫 번째 실험에서는 4개의 HDD에 RAID-6구조룰 적용하여 타겟 시스템에 연결하며 이를 로컬 디스크로 사용한 경우에 대해 성능을 측정하였고, 동일한 환경에서 4개의 SSD에 RAID-6 구조를 적용하여 실험하였을 때 얻은 성능과 비교하였다. 이후 두 번째 실험에서는 24개의 SSD로 RAID-60 구조의 총 플래시 어레이(All Flash Array)를 구성하여 타겟 시스템에 연결한 후, 총 플래시 어레이(All Flash Array)가 로컬 디스크인 경우와 4Gb 파이버 채널, 10GbE, 40Gb 인피니밴드를 통해 가상화된 각각의 경우에 대해 성능을 측정하고 분석하였다.
입출력 성능 측정을 위해 사용된 벤치마크 프로그램은 fio이며, 벤치마크 프로그램이 생성하는 워크로드의 크기는 첫 번째 실험에서 1GB, 두 번째 실험에서는 4GB로 설정하였고 스토리지의 성능을 정확하게 측정하기 위해 버퍼를 사용하지 않고 입출력하게 하는 direct 옵션을 사용하였다. 그리고 각각의 경우마다 4KB부터 1024KB까지 청크의 크기를 두 배씩 증가시키면서 10회 반복하여 순차/임의 읽기 성능과 순차/임의 쓰기 성능을 측정하였다. 또한 실험은 리눅스 배포판 중 하나인 CentOS 6.2 환경에서 진행하였고 타겟 시스템은 리눅스 커널 3.8.13버전을, 이니시에이터 시스템은 2.6.32버전의 커널을 이용하였다. 이 외에 실험에 사용한 장비의 세부적인 사양은 도 7a, 7b, 7c, 7d와 같다.
다음으로, 본 발명의 실험에 따른 HDD Array 스토리지와 총 플래시 어레이(All Flash Array) 스토리지의 성능 비교를 설명한다.
4개의 HDD로 구성된 RAID-6 구조의 HDD Array 스토리지가 로컬 디스크인 경우에 성능을 측정한 결과는 도 8과 같으며, 청크의 크기가 커질수록 입출력 속도가 증가하는 경향을 보였다.
도 9는 동일한 환경에서 4개의 SSD를 RAID-6구조의 총 플래시 어레이(All Flash Array)로 구성하여 로컬 디스크로 사용했을 때 얻은 결과이다. 이 경우에도 HDD를 사용한 경우와 마찬가지로 청크의 크기가 커질수록 입출력 속도가 증가하였다.
두 실험 결과를 비교한 결과 총 플래시 어레이(All Flash Array)의 경우에는 임의 읽기와 임의 쓰기의 성능이 HDD Array에 비해 훨씬 높았으며, 낮은 크기의 청크일수록 성능의 격차가 커지는 경향을 보였다. 총 플래시 어레이(All Flash Array)의 성능은 HDD Array에 비해 순차 읽기/쓰기의 경우 각각 460%, 350% 만큼 높았고, 임의 읽기/쓰기는 6310%, 970% 만큼 높은 성능을 나타내었다. 이는 동일한 환경에서 HDD를 SSD로 교체할 시 입출력 성능이 크게 향상되며, 특히 임의 읽기의 경우에 성능의 격차가 두드러짐을 보여준다.
다음으로, 본 발명의 실험에 따른 RAID-60 구조 총 플래시 어레이(All Flash Array) 스토리지의 성능에 대하여 설명한다.
두 번째 실험에서는 24개의 SSD로 RAID-60 구조의 총 플래시 어레이(All Flash Array)를 구성하여, RAID-60 구조의 총 플래시 어레이(All Flash Array)가 로컬 디스크인 경우와, 4Gb 파이버 채널, 10GbE, 40Gb 인피니밴드를 통해 가상화된 경우의 성능을 측정하였다. 네 가지 경우 모두 청크의 크기가 증가할수록 읽기/쓰기 성능이 증가하는 경향을 보였으며, 특히 타겟에 직접 연결된 총 플래시 어레이(All Flash Array)의 순차/임의 읽기의 경우는 1024KB의 청크 크기에서 5GB/s에 달하는 높은 성능을 보여주었다.
4Gb 파이버 채널을 통해 가상화된 총 플래시 어레이(All Flash Array)는 가상화를 위한 세 가지 방법 중 가장 낮은 읽기/쓰기 성능을 보였다. 청크의 크기가 4KB일 때 순차/임의 읽기는 타겟에 연결된 총 플래시 어레이(All Flash Array)의 성능과 비교하면 28%, 35%의 성능을 보였으며, 청크의 크기가 커질 수록 비율이 감소하는 경향을 보여 평균 15%, 13%의 성능을 보였다. 또한 순차/임의 쓰기의 경우는 타겟에 연결된 총 플래시 어레이(All Flash Array)와 비교했을 때 평균적으로 각각 37%, 78%의 성능을 나타내었다.
10GbE를 통해 가상화된 총 플래시 어레이(All Flash Array)는 타겟에서 SCST를 거쳐 이니시에이터에 할당되는 과정에서 거치는 여러 과정들과, TCP/IP 프로토콜이 갖는 네트워크 상에서의 오버헤드로 인해 타겟에 직접 연결된 총 플래시 어레이(All Flash Array)에 비해 순차/임의 읽기, 순차/임의 쓰기 모두에서 전반적으로 낮은 성능을 보였다. 32KB 이하 청크 크기의 경우에 순차/임의 읽기의 성능은 타겟에 직접 연결된 총 플래시 어레이(All Flash Array)에 비해 50% 이하로 감소하였으며, 64KB 이상의 청크에서는 1.2GB/s의 속도만을 보였다. 이 때문에 원래의 스토리지에 비해 성능이 더욱 감소하여 평균적으로는 순차/임의 읽기에서 각각 38%, 32%의 성능을 보였다. 이는 10기가비트 이더넷이 지원하는 최대 대역폭 제한으로 인해 병목현상이 발생했기 때문인 것으로 생각된다. 순차/임의 쓰기의 경우는 청크의 크기가 4KB일 때에 성능의 감소 폭이 가장 커서 타겟에 직접 연결된 총 플래시 어레이(All Flash Array)에 비해 각각 44%, 70%의 성능을 보였지만, 청크의 크기가 커질수록 성능의 감소 폭이 작아졌으며 평균적으로 각각 77%, 85%의 성능을 보였다.
인피니밴드를 통해 가상화된 총 플래시 어레이(All Flash Array)는 파이버 채널이나 10GbE를 통해 가상화된 총 플래시 어레이(All Flash Array)보다 입출력 성능이 높았다. 32KB 이하의 청크 크기에 대한 순차/임의 읽기의 경우 타겟 시스템에 연결된 총 플래시 어레이(All Flash Array)에 비해 각각 86%, 92%의 성능을 보여서 순차/임의 읽기 성능이 50% 이하로 감소했던 10GbE를 통한 가상화에 비해 더 높은 성능을 나타내었다. 청크의 크기가 64KB를 넘으면 순차/임의 읽기의 성능이 3GB/s에서 더 증가하지 못하였는데, 이는 10GbE를 사용한 경우와 마찬가지로 실험에 사용한 인피니밴드 어댑터의 대역폭(4X QDR, 유효 대역폭 32Gbit/s) 제한과 타겟에서 총 플래시 어레이(All Flash Array)를 이니시에이터로 할당하는 과정에서 발생하는 오버헤드로 인한 결과인 것으로 생각된다. 순차/임의 읽기의 성능은 타겟에 연결된 총 플래시 어레이(All Flash Array)에 비해 78%, 79%의 성능을 보였으며, 순차/임의 쓰기의 경우는 각각 83%, 88%의 성능을 나타내었다.
본 발명에서는 총 플래시 어레이(All Flash Array)의 구조와 스토리지 네트워크에 SCST를 적용한 스토리지 가상화 방법을 제안하고 구현하였으며, 가상화된 스토리지의 입출력 성능을 고찰하여 그 결과로 스토리지 가상화 시 인피니밴드를 이용한 경우가 가장 좋은 성능을 나타내는 것을 확인하였다. 4Gb 파이버 채널을 이용하여 가상화된 총 플래시 어레이(All Flash Array)는 타겟에 연결된 총 플래시 어레이(All Flash Array)의 성능과 비교했을 때 순차/임의 읽기에서 평균 15%, 13%의 성능을, 순차/임의 쓰기의 경우는 평균 37%, 78%의 성능을 보였다. 가상화에 10GbE를 사용한 경우는 타겟에 연결된 총 플래시 어레이(All Flash Array)에 비해 순차/임의 읽기에서 38%, 32%, 순차/임의 쓰기에서 각각 77%, 85%의 성능을 보였고, 인피니밴드를 사용한 경우는 순차/임의 읽기에서 78%, 79%, 순차/임의 쓰기에서는 83%, 88%의 성능을 보였다.
여기서 가상화에 10GbE나 인피니밴드를 사용한 경우에서는 청크의 크기가 64KB를 넘어가면 대역폭 제한으로 인해 병목현상이 발생해 읽기속도가 더 증가하지 못하는 것을 확인하였다. 따라서 고성능 스토리지를 가상화하여 사용하는 경우 네트워크 대역폭 제한으로 인한 병목현상의 발생을 방지하기 위해 높은 대역폭을 제공하는 네트워크 인터페이스를 적용하여야 할 것이다.
이상, 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
10 : 클라이언트 20 : 총 플래시 어레이
30 : 타겟 시스템 40 : 이니시에이터
50 : 네트워크

Claims (7)

  1. 클라이언트에 스토리지를 제공하는, SCST를 이용한 총 플래시 어레이 스토리지 가상화 시스템에 있어서,
    RAID-60구조로 구성되는 총 플래시 어레이;
    상기 총 플래시 어레이를 직접 연결하고, 상기 총 플래시 어레이를 가상화하여, 상기 총 플래시 어레이에 대한 스토리지 볼륨을 생성하는 SCSI 타겟 시스템;
    상기 클라이언트에 상기 스토리지 볼륨을 가상화하여, 가상화된 스토리지로 제공하는 SCSI 이니시에이터; 및,
    상기 SCSI 타겟 시스템과 상기 SCSI 이니시에이터를 연결하는 네트워크를 포함하는 것을 특징으로 하는 SCST를 이용한 총 플래시 어레이 스토리지 가상화 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 총 플래시 어레이는 적어도 8개의 동일 개수의 SSD를 사용하여 하위 계층을 구성할 RAID-6 구조의 논리 디스크를 3개로 구성하고, 상기 3개의 논리 디스크를 RAID-0로 구성하는 것을 특징으로 하는 SCST를 이용한 총 플래시 어레이 스토리지 가상화 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 SCSI 타겟 시스템은 상기 총 플래시 어레이의 논리 디스크를 이용하여 상기 스토리지 볼륨을 생성하는 것을 특징으로 하는 SCST를 이용한 총 플래시 어레이 스토리지 가상화 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 SCSI 타겟 시스템은 상기 스토리지 볼륨을 상기 SCSI 이니시에이터에 제공하기 위하여 블록 방식으로 입출력을 사용하고, 상기 스토리지 볼륨은 적어도 512 바이트의 블록 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 SCST를 이용한 총 플래시 어레이 스토리지 가상화 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 SCSI 타겟 시스템은 상기 스토리지 볼륨의 블록을 적어도 4개의 쓰레드를 이용하여 상기 SCSI 이니시에이터에 제공하는 것을 특징으로 하는 SCST를 이용한 총 플래시 어레이 스토리지 가상화 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 네트워크는 40Gb 인피니밴드를 적용하여 구성된 것을 특징으로 하는 SCST를 이용한 총 플래시 어레이 스토리지 가상화 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 SCSI 이니시에이터는 상기 스토리지 볼륨을 Btrfs(B-tree file system) 파일시스템으로 포맷하여 사용하되, 상기 SCSI 이니시에이터의 포맷 명령을 상기 총 플래시 어레이로 전달하여, 상기 총 플래시 어레이를 Btrfs 파일시스템으로 포맷하여 사용하는 것을 특징으로 하는 SCST를 이용한 총 플래시 어레이 스토리지 가상화 시스템.
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