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基于rdma分布式key-value存储系统的设计与实现

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基于RDMA分布式key-value存储系统的设计与实现

作者：杨敏国防科学技术大学

学位级别：硕士

随着互联网+时代的到来,传统行业和互联网相互结合,以及Web2.0社交网络和商务金融产生了大量的动态数据,这对传统的RDBS(Relational Database Server)带来的重大的挑战。分布式key-value系统作为一种非关系型数据缓存/存储系统被广泛的... 详细信息

随着互联网+时代的到来,传统行业和互联网相互结合,以及Web2.0社交网络和商务金融产生了大量的动态数据,这对传统的RDBS(Relational Database Server)带来的重大的挑战。分布式key-value系统作为一种非关系型数据缓存/存储系统被广泛的应用于互联网+的系统中,相比于RDBS,其拥有高性能、高可扩展性和最终一致性。然而面对大量的动态数据和集群数目的不断扩展,网络的性能开销成为了分布式key-value系统的性能瓶颈,因为系统从网卡到内核再到应用系统要经过很多层次。针对以上难题,本文结合被广泛应用于高性能计算的InfiniBand,主要的工作和创新如下:首先,在Memcached和Redis上保留原有的BSD Socket套接字的通信模块的同时,结合InfiniBand设计了IB Verbs混合元语网络模块,客户端使用IB WRITE发送命令和数据,这样服务器可以使用较少的CPU参与,客户端不用暴露自己的内存地址空间给服务器端,获得较低的时延和较高的吞吐量。设计实现了InfiniBand rdma注册的内存池和线程池,达到rdma注册的内存池的重复利用和线程池的重复利用以及减少每次注册rdma区域带来的开销。其次,随着网络时延的减小,反而应用本身的开销就凸显出现,我们发现传统的BSD Socket应用内部在接收到网络的数据以后会拷贝到数据存储的内存中,这并不适用于InfiniBand。所以我们将以前的通信内存和数据存储的内存进行融合,实现了部分融合的系统InnerCache和完全融合的NewCached系统。InnerCache借鉴了操作系统cache的机制,实现了cache-in-cache,既cache中的cache。NewCached将通信区域与存储区域的完全融合,并且在融合以后的区域分为两部分;一分部是rdma既可以读也可以写的稀疏区域,另一部分是rdma只读的密集区域。最后,在整个集群结构上,Memcached采用了代理节点或者mcrouter节点,其运行一致性哈希算法,提供了非常良好的可扩展性,但是随着大量的客户端的访问,客户端首先会访问代理节点获取对应的Memcached节点,这样代理节点面对高并发是很可能成为系统的瓶颈。我们设计了一种更加适合InfiniBand的Sharding分布式key-value系统集群结构,它是一种无中心的结构,客户端可以任意连接到任何一个节点,节点与节点之间共享它们的rdma区域,并且可以根据服务器负载动态调节客户端连接到别的服务器节点。

关键词： InfiniBand rdma IB Verbs混合元语分布式key-value

基于rdma和HTM的分布式事务系统的设计与实现

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基于RDMA和HTM的分布式事务系统的设计与实现

作者：陈彦哲上海交通大学

学位级别：硕士

事务作为一种编程抽象,简化了关系型数据的处理。随着数据规模的增加和并发级别的高,诸如Web服务,证券交易和电子商务等众多场景越来越需要低延迟和高吞吐量的事务处理系统的支持。然而,传统的事务处理系统效率低下,不能够支持海量的数... 详细信息

事务作为一种编程抽象,简化了关系型数据的处理。随着数据规模的增加和并发级别的高,诸如Web服务,证券交易和电子商务等众多场景越来越需要低延迟和高吞吐量的事务处理系统的支持。然而,传统的事务处理系统效率低下,不能够支持海量的数据和大规模的并发访问。与此同时,硬件领域的高速发展也使得一些高级的硬件特性开始普及。例如大容量(非易失性)的DRAM,硬件事务内存(HTM)和远程直接内存访问(rdma)技术。这些高级硬件技术为实现低延迟、高吞吐的事务处理供了新的机会:大容量的DRAM使得基于内存的事务变得可行,这能够显著降低事务处理中的I/O开销;硬件事务内存在硬件级别供了原子性,一致性和隔离性(ACI),这使得我们可以将复杂的并发控制交由硬件完成,保证并发性能的同时极大地降低了工程复杂度;rdma技术降低了群集内节点的通信开销,进而可以进一步降低分布式事务的延迟。一方面,现有的研究成果已经有力地证明了综合利用这些高级硬件特性可以极大的升事务处理的性能,另一方面,这些研究在一些重要的方面仍然存在不足。例如,有些系统仅仅利用了一部分的高级硬件特性,要么不能供分布式的支持,要么不能供事务的支持,或是依赖于复杂的细粒度锁机制实现事务;另一些系统则对所能支持的事务类型存在限制(例如需要前获知事务读写集合等),或是仅仅支持事务的部分特性(例如仅仅保证事务的持久性等)。因此,本文的主要工作在于解决现有系统没有完全解决的问题,充分利用高级硬件特性的同时,供足够通用和功能完善的事务处理系统。本文设计与实现了DrTM+R,一个兼顾性能与通用性的分布式事务处理系统。它充分利用了rdma和HTM的硬件特性,供了一个基于内存的数据库。DrTM+R在逻辑上分为两层:事务层和存储层。在事务层,DrTM+R结合HTM和rdma,设计了一套硬件友好的混合乐观并发控制协议来保证并发事务的正确执行。在存储层,DrTM+R设计了对HTM和rdma友好的Cluster散列法,将大规模的数据均衡地存储到集群的各个节点中,并供了对事务层透明的位置缓存,保证了分布式环境数据的快速访问。与之前的工作相比,DrTM+R的事务层消除了原有的限制,不需要前获知事务的读写集,保证了事务的通用性;DrTM+R的存储层与事务层充分解耦,通过位置缓存的方式,大幅高了数据访问的效率。使用典型的OLTP工作负载(如TPC-C和SmallBank)进行评估表明,DrTM+R在6节点的集群上可以很好地扩展,分别在TPC-C和SmallBank上实现超过每秒5.69和9400万次事务处理的性能,比当前最先进的分布式事务系统(Calvin)升了一个数量级。

关键词：分布式事务 rdma HTM 通用并发控制

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基于rdma的分布式虚拟机监控器设计

基于RDMA的分布式虚拟机监控器设计

作者：陈育彬上海交通大学

学位级别：硕士

随着科学技术的发展,人们有能力将大量数据存储起来并通过对它们进行数据挖掘和机器学习以产生价值,这对计算基础设施提出了更高要求。单台物理机已经无法满足人们的需求,于是各种水平扩展方案应运而生,通过分布式技术将数据切分到多台... 详细信息

随着科学技术的发展,人们有能力将大量数据存储起来并通过对它们进行数据挖掘和机器学习以产生价值,这对计算基础设施提出了更高要求。单台物理机已经无法满足人们的需求,于是各种水平扩展方案应运而生,通过分布式技术将数据切分到多台物理机组成的集群上处理,并提供相应的框架供开发者使用,如MapReduce,Spark等。解决大数据问题还能从系统层面入手,通过资源聚合来满足应用对海量资源的需求。目前主流的解决方案是通过操作系统或虚拟化技术来实现。操作系统实现资源聚合的代表是MOSIX,用户需要使用特定的操作系统,带来了额外的学习成本。虚拟化实现资源聚合的方案包括Hecatonchire、DVMM和vSMP ServerONE,然而这些方案在功能性和可用性上都存在各种限制,无法满足实际应用的需求。为此本文提出了一种分布式的虚拟机监控器dQEMU。它通过对主流的虚拟机监控器QEMU-KVM进行扩展,实现在多台物理机上运行单台虚拟机的功能。dQEMU能够对不同物理机的CPU、内存、I/O设备资源进行聚合,以适用不同的应用场景。为此dQEMU实现了以下机制:(1)中断转发以保证处于不同物理机的vCPU和vCPU之间、vCPU和I/O设备之间能够相互发送中断。(2)PIO转发和MMIO转发以保证vCPU和I/O设备位于不同物理机时vCPU能够执行I/O操作。(3)指令转发以保证在任意一个QEMU和vCPU上发出的指令能够发送给集群中的所有QEMU并得到相应的处理。(4)时间同步以保证位于不同物理机的vCPU之间的时间一致。本文还对这些机制的基础设施进行了说明,上层只需调用路由接口即可实现通信,而无需考虑具体的目标和链路,请求能够在路由模块的帮助下送达目标。在网络上,实现了TCP和rdma两种连接方式。相比已有的解决方案,dQEMU的创新点在于:(1)针对大数据处理需要海量资源的问题,首次提出基于QEMU-KVM的多虚一方法,解决了CPU、内存和I/O资源的聚合问题。(2)针对分布式虚拟机监控器的实现问题,从架构上实现了请求处理、路由和网络传输模块的松耦合,开发者和开源社区能够在此基础上不断进行完善,使其成为一个产品级系统。(3)针对虚拟化资源聚合方案有硬性配置要求的问题,实现了通用的传输模块,保证用户在大多数配置下都能够启动分布式虚拟机。本文在单机和集群上对dQEMU进行了实验,验证了dQEMU启动的虚拟机能够运行包括sv6和Linux在内的主流操作系统。通过实验,本文测试了不同负载下各通信机制所带来的时间开销,并验证了使用rdma网络比TCP网络具备更低的传输延迟和更好的虚拟机性能。在不同的客户操作系统下,dQEMU虚拟机的性能也呈现出差异,sv6相比Linux具有更好的性能和可扩展性。

关键词：分布式系统虚拟机监控器多虚一 rdma

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基于高实时分布式网络的爬虫软件设计与实现

基于高实时分布式网络的爬虫软件设计与实现

作者：张峰浙江大学

学位级别：硕士

随着互联网,尤其是移动互联网的发展,网络数字信息几何级的规模增长,如何有效的提取这些信息,使数据分析更为方便,是网络爬虫研究的主要内容。随着分布式系统的兴起,包括分布式计算与分布式存储,这些技术框架的广泛应用使人们看到分布... 详细信息

随着互联网,尤其是移动互联网的发展,网络数字信息几何级的规模增长,如何有效的提取这些信息,使数据分析更为方便,是网络爬虫研究的主要内容。随着分布式系统的兴起,包括分布式计算与分布式存储,这些技术框架的广泛应用使人们看到分布式系统在面对大规模数据的处理问题上的优势。本文实现了一种高实时分布式的网络爬虫软件,并以新浪微博为例实现了对微博用户信息以及博文的爬取,根据实际需要实现了分布式系统框架,包括节点通信与负载分配问题。本文的主要工作内容如下:1)分析国内外爬虫软件与分布式系统的研究现状,介绍典型技术框架的原理以及应用情况。2)在分布式系统方面,本文提出了应用rdma技术实现节点之间的内核旁路低延迟传输技术,保证了爬虫软件的运行效率以及实时性。为了保证负载均衡与系统的健壮性,本文提出了一种简单但有效的负载分配方案。3)针对微博页面制订了爬虫策略,应用Scrapy框架实现了爬虫模块,运用数据库服务器做为节点之间的枢纽,并根据实验结果调整爬虫策略。4)利用分词技术与话题热度评估技术实现了主题发现模块,发现微博热门主题并可以通过爬虫软件后续跟踪。5)验证分布式爬虫软件的系统功能与性能。

关键词：爬虫分布式 rdma 微博

基于rdma的共享缓冲区分布式数据库事务处理设计与实现

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基于RDMA的共享缓冲区分布式数据库事务处理设计与实现

作者：魏寒华东师范大学

学位级别：硕士

随着互联网技术和大数据的飞速发展,传统的集中式数据库系统已经难以满足高并发处理负载的需求。于是,出现了不同架构的分布式数据库系统用以解决高并发负载的需求。共享缓冲区的分布式数据库支持多节点写入,多台节点共享一份存储,缓冲... 详细信息

随着互联网技术和大数据的飞速发展,传统的集中式数据库系统已经难以满足高并发处理负载的需求。于是,出现了不同架构的分布式数据库系统用以解决高并发负载的需求。共享缓冲区的分布式数据库支持多节点写入,多台节点共享一份存储,缓冲区也是共享的。相比于无共享架构的数据库来说,由于需要共享缓冲区,所以网络的开销是较高。针对以上问题,为了有效解决大数据背景下高并发负载问题和低延迟需求,我们设计与实现了一种基于远程内存访问(rdma)的共享缓冲区分布式数据库,充分发挥rdma技术在网络传输中低延迟的特点,优化共享缓冲区内的数据传输效率。还利用了新型存储硬件持久化内存(PM)技术,提高了全局事务管理器(GTM)中提交日志信息的持久化效率。本文设计的数据库系统能够支持事务的特性,提出了一整套事务处理过程中遇到的冲突解决方案。此外,共享缓冲区数据库具有高可扩展性,能够横向扩展缓冲区,避免磁盘IO的发生。本文的主要贡献可以概括为以下几点:1.基于Open Gauss设计和实现了一个共享缓冲区的分布式数据库系统,并且利用了rdma和持久内存技术进行了优化,提出了一个定制化、轻量级的网络通信框架,充分发挥了rdma低延迟的特性。2.基于共享缓冲区分布式数据库系统,本文提出了一套有效的缓存管理模式,协调了不同节点之间缓冲区访问的冲突。由于修改缓冲区会导致其它节点内缓冲区副本的失效,本文也提出了全局缓存服务的方式,解决了缓存一致性的问题。3.为了在分布式环境下满足事务的一致性,本文提出了一种高效的集群事务管理模式,有效的解决了全局时间戳问题,为不同的计算节点提供了统一的快照和提交时间戳。同时,本文基于共享缓冲区分布式数据库提出了一种多节点写入的并发控制算法,采用了乐观锁的方式解决了事务之间的写写冲突,有效的避免了分布式锁的网络开销。4.将实现的共享缓冲区分布式数据库系统进行大量实验,进一步验证了这些方法都是正确且高效的。

关键词：共享缓冲区分布式数据库系统 rdma 持久内存事务并发控制

用户级通信中基于网络接口的虚实地址变换技术

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计算机工程与科学 2008年第9期30卷 154-157页

作者：刘路谢旻张磊傅清朝国防科技大学计算机学院湖南长沙410073

用户级通信允许应用程序直接访问网络接口,减小了通信操作的软件层开销。为了支持用户级通信,高效的虚拟地址到物理地址的变换起到关键作用。本文提出了基于地址变换表的地址变换机制,虚实地址变换都在网络接口控制器上完成,变换过程不... 详细信息

用户级通信允许应用程序直接访问网络接口,减小了通信操作的软件层开销。为了支持用户级通信,高效的虚拟地址到物理地址的变换起到关键作用。本文提出了基于地址变换表的地址变换机制,虚实地址变换都在网络接口控制器上完成,变换过程不需要操作系统的参与,并且无需失效处理。采用这种机制,我们实现了基于PCI-X面向集群系统的互连通信子系统CNI。实际测试获得了2.4μs的最小单边延迟和850MB/s的峰值带宽。

关键词：地址变换用户级通信 rdma

维普期刊数据库

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大规模分布式矩阵分解的性能优化研究

大规模分布式矩阵分解的性能优化研究

作者：耿金坤清华大学

学位级别：硕士

矩阵分解作为一项基础通用的机器学习技术,在实际的工业生产中具有广泛应用。然而,随着训练数据的增长,大规模的矩阵分解无法在单机节点完成,需要将训练数据分发至多个节点上进行高效的分布式的训练。传统的分布式矩阵分解采用以梯度下... 详细信息

矩阵分解作为一项基础通用的机器学习技术,在实际的工业生产中具有广泛应用。然而,随着训练数据的增长,大规模的矩阵分解无法在单机节点完成,需要将训练数据分发至多个节点上进行高效的分布式的训练。传统的分布式矩阵分解采用以梯度下降为核心的迭代算法进行,然而,依托典型的MapReduce架构或者Parameter Server的分布式架构不能高效地完成快速迭代。整个训练过程中具有显著的通信开销和I/O开销,由此极大地延长了训练时间,造成资源的浪费;同时,由于多对一的通信模式广泛存在,传统的分布式矩阵分解方案严重影响rdma的扩展性部署,因此不能很好地利用rdma技术带来的性能提升。基于此,本文提出一种新型的大规模矩阵分解方案Rima,摒弃了传统的中心化架构,采用去中心化的环形架构消除中心化瓶颈,并实现高效可扩展的大规模分布式矩阵分解。Rima采用环状并行模式,消除中心化瓶颈;通过“一步置换”策略,可以减少一半通信传输,极大提高带宽利用率;并且引入三种“部分随机化”策略,增强算法鲁棒性,保证算法收敛;此外,Rima通过“预定义模式序列”策略,预加载模式序列,从而进一步讲磁盘读取开销和计算通信开销重叠,避免了 I/O开销严重影响训练时间。实验结果表明,Rima相比于传统的分布式矩阵分解方案DSGD,在TCP传输协议下,训练时间可以缩短68.7%,在rdma传输协议下,训练时间可以缩短85.4%,充分证明了 Rima显著提高分布式矩阵分解的训练速度。

关键词：矩阵分解 rdma 通信效率训练速度

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基于纠删码卸载的负载均衡策略设计

基于纠删码卸载的负载均衡策略设计

作者：何秉通南京大学

学位级别：硕士

随着在线服务和云计算的快速发展,大规模数据中心已经遍布全世界。由于过高的CPU消耗与传输时延,传统的TCP/IP协议栈在面对新一代的数据中心工作负荷时已经显得力不从心,数据中心网络经常成为制约应用性能的瓶颈。rdma的出现为加速数据... 详细信息

随着在线服务和云计算的快速发展,大规模数据中心已经遍布全世界。由于过高的CPU消耗与传输时延,传统的TCP/IP协议栈在面对新一代的数据中心工作负荷时已经显得力不从心,数据中心网络经常成为制约应用性能的瓶颈。rdma的出现为加速数据中心网络传输指明了一个可行的方向,一些大规模的数据中心已经长期部署并使用rdma作为数据中心网络传输协议。但是当前广泛部署于数据中心中的ECMP并不能很好的实现流量的负载均衡,在高吞吐、低时延的rdma网络中,负载均衡显得尤其重要,现有rdma工作并没有充分利用数据中心网络的多路径特性,充分利用多条路径传输数据不仅可以提高整个网络的利用率,还可以改善网络传输的时延,一定程度提高应用的吞吐量。同时,已有的工作通常是针对特定应用利用rdma而进行紧耦合方式的开发,开发者首先需要对rdma足够地了解,再结合充分的底层硬件知识调试相应的rdma参数,为特定应用提供高性能的网络传输。这些都给想要利用rdma加速应用的用户带来了麻烦。因此,为了解决rdma面临的以上问题,本文设计了一种基于RNIC纠删码卸载的负载均衡策略,并在此基础上设计实现了一个通用多路径rdma传输系统,本文的工作与贡献主要为以下三个方面:（1）本文首先简要介绍了现有负载均衡工作的优缺点,结合rdma网卡支持的纠删码卸载与分层数据中心网络的多路径的特性,探究了使用rdma网卡支持的纠删码卸载实现负载均衡与多路径rdma传输的可行性。（2）针对ECMP面临的问题,设计了一种基于RNIC纠删码卸载的负载均衡策略,为部署有rdma的数据中心网络提供了良好的流量负载均衡支持。仿真实验展示,策略可以有效改善应用性能,提高数据中心网络利用率。（3）充分利用数据中心网络的多路径特性,设计了一个基于RNIC纠删码卸载的多路径rdma传输系统。通过使用该系统,用户可以充分利用rdma高吞吐、低时延、低CPU开销的传输性能,最后通过实验验证了我们的设计。

关键词： rdma 纠删码卸载负载均衡多路径传输

内存NoSQL系统Redis性能优化研究与实现

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内存NoSQL系统Redis性能优化研究与实现

作者：唐文慧国防科技大学

学位级别：硕士

在互联网领域,迅猛的互联网技术的发展伴随着海量数据的产生,各种各样基于大数据的应用场景对大数据存储和管理系统的性能方面的要求进一步提升如降低延时、提高吞吐率等。而非关系型数据存储和管理系统（NoSQL）由于其高可扩展性以及... 详细信息

在互联网领域,迅猛的互联网技术的发展伴随着海量数据的产生,各种各样基于大数据的应用场景对大数据存储和管理系统的性能方面的要求进一步提升如降低延时、提高吞吐率等。而非关系型数据存储和管理系统（NoSQL）由于其高可扩展性以及对半结构化或非结构化数据的有效处理是大数据处理过程中的重要组件之一。各种各样的NoSQL系统面向不同的上层应用的需求,它们提供了大量的配置参数对系统本身以及系统使用的资源进行管理和设置,设置最适合当前应用场景的配置参数是对系统性能调优的关键手段之一。Redis作为当前的热门NoSQL系统之一,是一种开源的支持持久化功能的高性能键值对内存数据库,如何根据具体应用场景对Redis系统进行调优,帮助用户获得系统的最大性能是值得考虑的问题。同时Redis作为内存NoSQL系统将所有的数据集和中间结果保存在主存系统中,这也使得网络延时、网络带宽以及CPU利用率成为其的主要性能瓶颈。而InfiniBand作为常用的rdma技术之一,由于它的高带宽、低延时的特点,被频繁地使用在高性能计算领域。如何将其与具体的内存NoSQL系统Redis结合,有效地提高内存NoSQL系统的网络通信的性能,在降低CPU利用率的同时,提高吞吐率并降低网络延时是需要考虑的问题。本文的主要完成工作如下:（1）从Redis系统本身特征出发,基于Redis的性能度量指标对系统进行性能调优。内存NoSQL系统Redis因开源而广受欢迎,它的使用往往依赖于经验丰富的数据库管理员对系统的运行参数的优化配置来得到高效的系统性能。而对于尚未具备Redis系统运维经验的新手而言,往往只能使用Redis系统所提供默认配置,只能满足最基本的功能需求,对于更高级的性能需求没有办法高效的满足。因此,针对内存NoSQL系统Redis,为了帮助更多的使用它的用户得到相对来说更优的性能,分析了影响Redis性能的相关因素,并给出了针对相关性能影响因素的调优方法,然后根据相关分析结果总结出对性能影响明显的调优规则并设计了基于规则的参数管理系统。（2）对InfiniBand提供的两种消息传输语义进行性能测试与评估。在Redis的性能度量指标的分析过程中,将Redis的访问延时分为了排队延时和网络延时,为了降低Redis系统的网络传输延时,提高系统的实时访问性能,利用常用rdma技术之一的InfiniBand对网络延时进行优化。但由于InfiniBand本身提供了SEND/RECEIVE操作和rdma操作两种传输语义,并且不同的传输语义提供不同的设置,不同的传输语义在不同的通信模式设置下性能会存在差异,如何选取最优的传输语义和设置是需要考虑的问题。本课题对InfiniBand所提供的消息传输语义进行了性能评估和比较分析,然后在所得到的测试结果的基础之上,提出了传输语义和设置的选择分析。Redis客户端使用处于UC传输类型下的设置为unsignaled模式和inlined模式的rdma WRITE操作来传输客户端请求到Redis服务器端;而Redis服务器端使用处于UD传输类型下的设置为inlined模式的SEND操作响应客户端的请求。（3）在对InfiniBand的传输语义的性能评估的基础之上,利用rdma对内存NoSQL系统Redis进行性能优化,有效降低网络通信延时提高系统吞吐率。为了不损坏Redis原有通信模块,提出了一种可替换通信模型框架,使得优化后的Redis系统同时支持基于Socket的通信模块和基于rdma的通信模块,并且实现了基于rdma的通信模块,对其进行了延时评估与分析。在基于rdma的通信模块中提出了一种动态的内存区域分配方法,避免了一次性分配过多的内存所造成的内存浪费,有效地节约了内存空间,也可以避免分配的内存过少;设计了客户端命令请求轮询方法,帮助Redis服务器检查客户端请求的接收情况;完成了大规模数据分片方法。在一般情况下,优化后的Redis使用基于rdma的通信模块时比使用基于IPoIB协议的传统网络通信模块时快8到10倍;而当工作负载全是SET操作并且key-value的value大小等于3KB时,使用基于rdma的通信模块的Redis系统比使用基于IPoIB协议的传统网络通信模块的Redis快两倍。

关键词：内存NoSQL Redis 性能优化大数据 rdma