基于用户级融合I/O的Key-Value存储系统优化技术研究

传统分布式键值存储系统大都基于操作系统提供的套接字与可移植操作系统接口构建,受限于接口语义及内核开销,难以发挥底层新型网络和存储硬件高吞吐与低延迟的性能优势.聚焦键值存储系统的数据通路,面向高速以太网与NVMe(non-volatile memory express)固态存储,于用户态整合网络栈与I/O栈,协同设计以优化吞吐性能与延迟稳定性.用户级融合I/O栈的控制平面由同一处理器核心于同一上下文中统一管理网卡与固态存储设备的硬件队列,消除了传统分离式设计所导致的多次进出内核态、多次上下文切换以及潜在的核间通信与数据迁移等的弊端,最大限度降低系统软件层面的管控开销.数据平面采用统一的内存池,借助用户级设备驱动,数据于上层键值系统与底层设备之间直接通过DMA传输,没有额外数据拷贝与操作系统干涉.针对大消息访问请求,通过将数据分片并交叠执行网络与存储DMA操作,进一步掩藏了访问延迟.实现了全用户态键值存储系统UKV,支持内存-外存2层存储以及广泛应用的Memcache接口.将UKV与由Twitter开源的Fatcache系统进行了测试对比.实验结果表明,涉及外存的SET请求的每秒查询吞吐量提高了14.97%~97.78%,GET操作的每秒查询吞吐量提高了14.60%~51.81%;涉及外存的SET操作的p95延迟降低了26.12%~40.90%,GET操作的p95延迟降低了15.10%~24.36%.     

基于高性能I/O技术的Memcached优化研究

内存对象缓存系统在通信方面受制于传统以太网的高延迟,在存储方面受限于服务器内可部署的内存规模,亟需融合新一代高性能I/O技术来提升性能、扩展容量.以广泛应用的Memcached为例,聚焦内存对象缓存系统的数据通路并基于高性能I/O对其进行通信加速与存储扩展.首先,基于日益流行的高性能远程直接内存访问(remote direct memory access, RDMA)语义重新设计通信协议,并针对不同的Memcached操作及消息大小设计不同的策略,降低了通信延迟.其次,利用高性能NVMe SSD来扩展Memcached存储,采用日志结构管理内存与外存2级存储,并通过用户级驱动实现对SSD的直接访问,降低了软件开销.最终,实现了支持JVM环境的高性能缓存系统U2cache.U2cache通过旁路操作系统内核和JVM运行时与内存拷贝、RDMA通信、SSD访问交叠流水的方法,显著降低了数据访问开销.实验结果表明,U2cache通信延迟接近RDMA底层硬件性能;对大消息而言,相较无优化版本,性能提高超过20%;访问SSD中的数据时,相比通过内核I/O软件栈的方式,访问延迟最高降低了31%.