High Performance Design for HDFS with Byte-Addressability of NVM and RDMA——论文泛读

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ICS 2016 Paper 分布式元数据论文阅读笔记整理

问题

非易失性存储器（NVM）提供字节寻址能力，具有类似DRAM的性能和持久性，提供了为数据密集型应用构建高通量存储系统的机会。HDFS（Hadoop分布式文件系统）是MapReduce、Spark和HBase的主要存储引擎。尽管HDFS最初是为商品硬件设计的，但它越来越多地被用于HPC（高性能计算）集群。HPC系统的性能要求使HDFS的I/O瓶颈成为重新思考其NVM存储体系结构的关键问题。

挑战

内存存储正越来越多地用于HPC系统上的HDFS[3，20]，但使用这些内存进行存储可能会导致计算性能下降，原因是计算和I/O之间对物理内存的竞争。研究[3，20，27]提出了内存中的数据放置策略，以提高写入吞吐量。但是内存中的数据放置使得持久性任务具有挑战性。NVM不仅可以增加整体内存容量，还可以提供持久性，同时显著提高性能。

• 将NVM用于HDFS的替代技术有哪些？

• HDFS中基于RDMA的通信能否在HPC系统上利用NVM？

• 如何重新设计HDFS以充分利用NVM的字节寻址能力来提高I/O性能？

• 能否为Spark和HBase提出先进、经济高效的加速技术，以在HDFS中利用NVM？基于NVM的HDFS是否也可以用作突发缓冲层，用于在Lustre等并行文件系统上运行Spark作业？

本文方法

本文提出了一种新的HDFS设计，称为NVFS（NVM和RDMA感知HDFS），以利用NVM的字节寻址能力进行基于RDMA（远程直接内存访问）的通信。

• 通过从NVM分配内存用于基于RDMA的通信，最大限度地减少了计算和I/O的内存争用。

• 重新设计了HDFS存储体系结构，以利用NVM的内存语义进行I/O操作（HDFS写入和读取）。

• 为HBase和Spark提供了经济高效的加速技术，利用基于NVM的HDFS设计，仅将HBase预写日志和Spark作业输出存储到NVM。

• 使用基于NVM的HDFS作为突发缓冲区的增强功能，用于在Lustre等并行文件系统上运行Spark作业。

• 提出了使用NVFS设计作为突发缓冲区，用于在Lustre等并行文件系统上运行Spark作业。

性能评估表明，设计可以将HDFS的写入和读取吞吐量分别提高4倍和2倍，基准测试的执行时间最多减少了45%。与HDFS相比，将SWIM工作负载的总体执行时间减少了18%，作业38的最大效益为37%。对于Spark TeraSort，本文的方案可获得高达11%的性能增益。HBase插入、更新和读取操作的性能分别提高了21%、16%和26%。基于NVM的突发缓冲区可以将Spark PageRank的I/O性能比Lustre提高24%。

总结

针对利用NVM优化HDFS，本文提出NVFS（NVM和RDMA感知HDFS），以利用NVM的字节寻址能力进行基于RDMA的通信。包括四个技术：（1）从NVM分配内存用于RDMA通信，减少了计算和I/O的内存争用。（2）重新设计HDFS存储体系结构，以利用NVM的内存语义进行I/O操作。（3）在底层文件系统中仅针对作业输出和预写日志（WAL）使用NVM来加速Spark和HBase。（4）使用NVFS作为突发缓冲层的增强功能，用于在并行文件系统（如Lustre）上运行Spark作业。

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