论文阅读非易失内存系统中的写优化和持久化技术研究

Posted 2021-11-02 Anyanyamy

最近看了华科左鹏飞的博士毕业论文，深感写的好，便作此笔记。

论文主要针对NVM做了4部分工作：针对非加密NVM的写优化、一致性优化工作，针对加密NVM的写优化、一致性优化工作。具体来说包括以下4个方案：Path hashing, Level hashing, DeWrite, SuperMem.

背景

计算机发展，对主存DRAM容量要求越来越高，但受工艺限制DRAM难以大容量。

NVM位于DRAM与SSD之间，低能耗、高密度，具有接近DRAM的访问速度与接近SSD的容量，具有可字节寻址、非易失性、访问速度快等优点。

但直接把针对DRAM设计的应用和数据结构用到NVM上，面临写优化、数据持久化、安全性的挑战。

写优化：进行磨损均衡、减少写次数存在挑战

持久化：保证故障一致性：使用clflush+mfence指令保证写的顺序，使用日志/CoW避免大于8B数据的部分更新。这些机制增加额外开销，如何保证一致性存在挑战

安全性：内存中存明文不可行，NVM中需要存密文，使用CME计数器模式加密NVM内存。但加密雪崩 =》NVM写增加，加密NVM2个写请求不能同时持久化 =》数据持久化不能保证故障一致性

 本文设计的4个方案总结如下图所示，总结了每个方案的核心思想

一. Path hashing

背景

现有的hash直接使用在NVM上会带来额外写，降低性能。因此设计path hashing。

链哈希：插删时需要额外NVM写，因为要修改指针

线性探测：删除元素时要移动元素回原来的位置，造成额外NVM写

罗宾汉哈希：插入导致替换，删除需要移动，造成额外NVM写

双选哈希：插删只探测2个位子，无额外NVM写

布谷鸟哈希：插入踢出操作可能造成大量NVM写

 设计

 1. 位置共享

倒二叉树，顶层为可寻址单元，下层为共享的备用单元。用备用元素解决冲突，提升空间利用率

2. 双路径哈希

两条备选路径，进一步减少冲突

3. 路径缩减

把底层无用的位置删掉，缩短查找路径

4. cache优化

cache缩小CPU与主存间的速度差距，cache行是主存与最后一级cache的基本数据传输单元，一般大小64B。如果不在cache中称为未命中，需要从主存加载到cache

属于相同路径的多个存储单元打包存储在1个cache行。划分子树，小方块内预取同1路径的下一级存储单元，如果访问4，找不到，找层3时产生1次cache命中

二. Level hashing

背景

path hashing减少NVM写，但没有保证故障一致性+扩容低效

设计

1. 结构设计 

结合BCH思想（桶中多个slots）、2-choice哈希（用2个hash选2个备选桶）、cuckoo哈希（至多移动一次元素）、2层设计（提升负载因子，搜索最多探测4个bucket）

2. 高效扩容

创建top 2倍大的level，把bottom中的所有元素重哈希到新top中。

提升load factor：b2t策略：把底层满的移动到其他候选顶层，使得顶层与底层可以重分布，提升load factor

提升搜索性能：比较两层，哪个元素多，从哪层开始搜索

3. 故障一致性保证

桶之前有token标记状态，可以实现免日志的操作。

插入：没有元素移动 =》先写元素，再token置1；需要移动元素=》先复制到新位子，新token置1，旧token置0

删除：token置0

扩容：复制到新位子，新token置1，旧token置0

概率性免日志更新：如果存在空位，写新KV，修改新旧token

4. 并发性

对每个slot加细粒度锁

三. DeWrite

背景

NVM内存加密一般采用CME模式，需要尽量减少写入NVM的数据量，从而降低加密负担。cache中有大量重复行，看看内存是否也有重复行，统计后发现写入NVM的内存行很多重复，因此可以执行去重，减少NVM写。

设计

1. NVM上进行加密去重不可行

2. 基于预测的并行策略

数据去重与加密可以直接串行处理（适合重复数据）或者并行处理（适合非重复数据），可以增加1个片上历史窗口，保持最近3个内存行是否重复，用于预测下一个是否重复。

3. 轻量级在线去重

使用CRC-32哈希算法，更轻量。NVM读代价比写低，去重可以用读来消除写。

硬件架构：在LLC中预测下一个内存行数据是否重复，在iMC中执行去重和加密，然后写入到加密NVM中。

 数据结构：地址映射表、重复检测hash表、清理旧hash的反向hash表、空闲空间管理表

4. 元数据共享策略

计数器模式加密需要存储行计数器来加解密数据，每行的计数器是 28 B

把counter嵌入到元数据中，减少存储代价

5. 加密NVM读写操作

写：

1. 预测机制推测是否重复 
2. 计算cache line哈希
3-5. 查hash表。如果有，读NVM比对cache line。如果重复，取消写，更新metadata；如果不重复，写NVM，更新metadata
6-7. 如果hash表中无，写NVM，更新metadata

 读：

1. 请求地址作为initAddr地址号查表，如果值是counter值，则计算OTP
2. 如果值是realAddr真实存储地址，则查询反向hash表获取counter，计算OTP
3. 读密文，OTP异或解密

四. SuperMem

背景

现在保证加密NVM中故障一致性可以使用写回式counter cache，需要大电池或软件层修改；电池贵，修改难移植。持久化与安全性存在矛盾：写入NVM产生的数据写与counter写请求不能同时持久化，可能导致故障时不一致。

目前使用CME进行NVM加密，使用全局key+行地址+counter来形成OTP，加密数据行

现在的计算机系统不能原子地同时持久化两个写请求到 NVM 中

设计

1. 直写式counter cache

直写cache：当data写入NVM，counter也写入NVM，不需要手动刷cache。但每次2个写降低性能

通过把counter与数据写的请求同时添加到写队列，可以保证故障一致性

2. 跨bank的counter存储 - XBank 

counter存储在NVM连续区域SingleBank中

写回counter cache: 大部分counter写缓存在cache
直写counter cache: 每个data产生1个counter写，不同bank的data，产生的counter写都在一个bank，只能串行降低性能

OS给应用分配连续的内存，很可能在附近bank，所以发到远的bank，能够并行

3. counter写聚合 - CWC

 分裂计数器模式：1个页共享大counter M，页内64个行分别有64个7bit的小counter m

内存行重写，更新小counter，如果溢出，更新M，M不会溢出，大于NVM寿命

应用通常给事务分配连续空间，事务中多个cacheline具有连续物理地址，也具有空间局部性

 日志条目：同1页中多个内存行，counter写入相同内存行

后写入的counter cacheline 包括之前写入的counter

直接删掉旧的counter cacheline，最新的计数器行包括了之前的修改
给队列中cacheline增加1位标志是否是cpu cache/counter cache

内存页重加密处理counter溢出：

数据不一致：重加密状态寄存器RSR追踪每行加密状态，如果丢失，可能页一部分加密

 RSR：32bit物理页号，64bit旧M，64bit done每行是否重加密

 用ADR保护RSR不丢失