Improving Data Management and Data Movement Efficiency in Hybrid Storage Systems

University of Minnesota Ph.D. dissertation.July 2017. Major: Computer Science. Advisor: David Du. 1 computer file (PDF); ix, 116 pages.In the big data era, large volumes of data being continuously generated drive the emergence of high performance large capacity storage systems. To reduce the total cost of ownership, storage systems are built in a more composite way with many different types of emerging storage technologies/devices including Storage Class Memory (SCM), Solid State Drives (SSD), Shingle Magnetic Recording (SMR), Hard Disk Drives (HDD), and even across off-premise cloud storage. To make better utilization of each type of storage, industries have provided multi-tier storage through dynamically placing hot data in the faster tiers and cold data in the slower tiers. Data movement happens between devices on one single device and as well as between devices connected via various networks. Toward improving data management and data movement efficiency in such hybrid storage systems, this work makes the following contributions: To bridge the giant semantic gap between applications and modern storage systems, passing a piece of tiny and useful information (I/O access hints) from upper layers to the block storage layer may greatly improve application performance or ease data management in heterogeneous storage systems. We present and develop a generic and flexible framework, called HintStor, to execute and evaluate various I/O access hints on heterogeneous storage systems with minor modifications to the kernel and applications. The design of HintStor contains a new application/user level interface, a file system plugin and a block storage data manager. With HintStor, storage systems composed of various storage devices can perform pre-devised data placement, space reallocation and data migration polices assisted by the added access hints. Each storage device/technology has its own unique price-performance tradeoffs and idiosyncrasies with respect to workload characteristics they prefer to support. To explore the internal access patterns and thus efficiently place data on storage systems with fully connected (i.e., data can move from one device to any other device instead of moving tier by tier) differential pools (each pool consists of storage devices of a particular type), we propose a chunk-level storage-aware workload analyzer framework, simplified as ChewAnalyzer. With ChewAnalzyer, the storage manager can adequately distribute and move the data chunks across different storage pools. To reduce the duplicate content transferred between local storage devices and devices in remote data centers, an inline Network Redundancy Elimination (NRE) process with Content-Defined Chunking (CDC) policy can obtain a higher Redundancy Elimination (RE) ratio but may suffer from a considerably higher computational requirement than fixed-size chunking. We build an inline NRE appliance which incorporates an improved FPGA based scheme to speed up CDC processing. To efficiently utilize the hardware resources, the whole NRE process is handled by a Virtualized NRE (VNRE) controller. The uniqueness of this VNRE that we developed lies in its ability to exploit the redundancy patterns of different TCP flows and customize the chunking process to achieve a higher RE ratio

Efficient Intra-Rack Resource Disaggregation for HPC Using Co-Packaged DWDM Photonics

The diversity of workload requirements and increasing hardware heterogeneity in emerging high performance computing (HPC) systems motivate resource disaggregation. Resource disaggregation allows compute and memory resources to be allocated individually as required to each workload. However, it is unclear how to efficiently realize this capability and cost-effectively meet the stringent bandwidth and latency requirements of HPC applications. To that end, we describe how modern photonics can be co-designed with modern HPC racks to implement flexible intra-rack resource disaggregation and fully meet the bit error rate (BER) and high escape bandwidth of all chip types in modern HPC racks. Our photonic-based disaggregated rack provides an average application speedup of 11% (46% maximum) for 25 CPU and 61% for 24 GPU benchmarks compared to a similar system that instead uses modern electronic switches for disaggregation. Using observed resource usage from a production system, we estimate that an iso-performance intra-rack disaggregated HPC system using photonics would require 4x fewer memory modules and 2x fewer NICs than a non-disaggregated baseline.Comment: 15 pages, 12 figures, 4 tables. Published in IEEE Cluster 202

Spatial Locality Aware Disk Scheduling in Virtualized Environment

International audienceExploiting spatial locality, a key technique for improving disk I/O utilization and performance, faces additional challenges in the virtualized cloud because of the transparency feature of virtualization. This paper contributes a novel disk I/O scheduling framework, named Pregather, to improve disk I/O efficiency through exposure and exploitation of the special spatial locality in the virtualized environment, thereby improving the performance of disk-intensive applications without harming the transparency feature of virtualization. The key idea behind Pregather is to implement an intelligent model to predict the access regularity of spatial locality for each VM. Moreover, Pregather embraces an adaptive time slice allocation scheme to further reduce the resource contention and ensure fairness among VMs. We implement the Pregather disk scheduling framework and perform extensive experiments that involve multiple simultaneous applications of both synthetic benchmarks and MapReduce applications on Xen-based platforms. Our experiments demonstrate the accuracy of our prediction model and indicate that Pregather results in the high disk spatial locality and a significant improvement in disk throughput and application performance

Resource-aware Programming in a High-level Language - Improved performance with manageable effort on clustered MPSoCs

Bis 2001 bedeutete Moores und Dennards Gesetz eine Verdoppelung der Ausführungszeit alle 18 Monate durch verbesserte CPUs. Heute ist Nebenläufigkeit das dominante Mittel zur Beschleunigung von Supercomputern bis zu mobilen Geräten. Allerdings behindern neuere Phänomene wie "Dark Silicon" zunehmend eine weitere Beschleunigung durch Hardware. Um weitere Beschleunigung zu erreichen muss sich auch die Soft­ware mehr ihrer Hardware Resourcen gewahr werden. Verbunden mit diesem Phänomen ist eine immer heterogenere Hardware. Supercomputer integrieren Beschleuniger wie GPUs. Mobile SoCs (bspw. Smartphones) integrieren immer mehr Fähigkeiten. Spezialhardware auszunutzen ist eine bekannte Methode, um den Energieverbrauch zu senken, was ein weiterer wichtiger Aspekt ist, welcher mit der reinen Geschwindigkeit abgewogen werde muss. Zum Beispiel werden Supercomputer auch nach "Performance pro Watt" bewertet. Zur Zeit sind systemnahe low-level Programmierer es gewohnt über Hardware nachzudenken, während der gemeine high-level Programmierer es vorzieht von der Plattform möglichst zu abstrahieren (bspw. Cloud). "High-level" bedeutet nicht, dass Hardware irrelevant ist, sondern dass sie abstrahiert werden kann. Falls Sie eine Java-Anwendung für Android entwickeln, kann der Akku ein wichtiger Aspekt sein. Irgendwann müssen aber auch Hochsprachen resourcengewahr werden, um Geschwindigkeit oder Energieverbrauch zu verbessern. Innerhalb des Transregio "Invasive Computing" habe ich an diesen Problemen gearbeitet. In meiner Dissertation stelle ich ein Framework vor, mit dem man Hochsprachenanwendungen resourcengewahr machen kann, um so die Leistung zu verbessern. Das könnte beispielsweise erhöhte Effizienz oder schnellerer Ausführung für das System als Ganzes bringen. Ein Kerngedanke dabei ist, dass Anwendungen sich nicht selbst optimieren. Stattdessen geben sie alle Informationen an das Betriebssystem. Das Betriebssystem hat eine globale Sicht und trifft Entscheidungen über die Resourcen. Diesen Prozess nennen wir "Invasion". Die Aufgabe der Anwendung ist es, sich an diese Entscheidungen anzupassen, aber nicht selbst welche zu fällen. Die Herausforderung besteht darin eine Sprache zu definieren, mit der Anwendungen Resourcenbedingungen und Leistungsinformationen kommunizieren. So eine Sprache muss ausdrucksstark genug für komplexe Informationen, erweiterbar für neue Resourcentypen, und angenehm für den Programmierer sein. Die zentralen Beiträge dieser Dissertation sind: Ein theoretisches Modell der Resourcen-Verwaltung, um die Essenz des resourcengewahren Frameworks zu beschreiben, die Korrektheit der Entscheidungen des Betriebssystems bezüglich der Bedingungen einer Anwendung zu begründen und zum Beweis meiner Thesen von Effizienz und Beschleunigung in der Theorie. Ein Framework und eine Übersetzungspfad resourcengewahrer Programmierung für die Hochsprache X10. Zur Bewertung des Ansatzes haben wir Anwendungen aus dem High Performance Computing implementiert. Eine Beschleunigung von 5x konnte gemessen werden. Ein Speicherkonsistenzmodell für die X10 Programmiersprache, da dies ein notwendiger Schritt zu einer formalen Semantik ist, die das theoretische Modell und die konkrete Implementierung verknüpft. Zusammengefasst zeige ich, dass resourcengewahre Programmierung in Hoch\-sprachen auf zukünftigen Architekturen mit vielen Kernen mit vertretbarem Aufwand machbar ist und die Leistung verbessert