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[db tech showcase Tokyo 2016] A35: NVMe徹底検証 by 株式会社インサイトテクノロジー 平間 大輔

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[db tech showcase Tokyo 2016] A35: NVMe徹底検証 by 株式会社インサイトテクノロジー 平間 大輔

  1. 1. * 記載されている会社名、サービス名、製品名は、株式会社インサイトテクノロジーおよび各社の商標または登録商標です。 Copyright 2016 Insight Technology, Inc. All Rights Reserved. NVMe徹底検証 平間大輔 株式会社インサイトテクノロジー ビッグデータ・ソリューション事業部
  2. 2. * 記載されている会社名、サービス名、製品名は、株式会社インサイトテクノロジーおよび各社の商標または登録商標です。 Copyright 2016 Insight Technology, Inc. All Rights Reserved. 今回のお題は NVM : Non-Volatile Memory = 不揮発性メモリ • NVMeでどれだけ速くなるの? • データベースで使って効果はあるの? • 外部ストレージとしてもちゃんと使えるの? ひたすら検証してみました
  3. 3. * 記載されている会社名、サービス名、製品名は、株式会社インサイトテクノロジーおよび各社の商標または登録商標です。 Copyright 2016 Insight Technology, Inc. All Rights Reserved. 自己紹介 • Apple II発売開始の日に生まれた39歳 • 学生時代の所属ゼミの研究テーマは「データベース」 (ただし学部は文系の社会学部) • 某外資系ITサービス会社(後に某外資系ハードウェアベンダーが 買収)にてアプリケーションエンジニア、DBA、プロジェクトマ ネージャ等を10年ほど経験 • 2011年7月にOracle Databaseの技術コンサルタントとしてインサイ トテクノロジーに入社 • 2012年に「ビッグデータ・ソリューション開発部」(当時)発足 と同時に所属。その後現在までデータベース専用サーバー 「InsightQube」やActian社の高速DWH向けRDBMS (Vector, Matrix)の 製品企画・プリセールス・デリバリー・サポート等を担当 • 暑さと湿気に弱い道産子
  4. 4. * 記載されている会社名、サービス名、製品名は、株式会社インサイトテクノロジーおよび各社の商標または登録商標です。 Copyright 2016 Insight Technology, Inc. All Rights Reserved. NVMeって? • NVM Express (NVMe)とは、PCI Express(PCIe)でSolid-State Drive(SSD) を扱うための規格 • 既存のPCIeをベースとすることでI/Fの柔軟性と安定性、スケーラ ビリティーを確保 • 汎用I/FだったSCSIから脱却してSSDのコントロールに特化すること で、プロコルスタックの簡素化やコマンド数の削減(SCSI:200以上 →NVMe:20程度)に成功し、低レイテンシーを実現 • PCIeからCPUに直結する形となるためHBA/RAIDカードが不要とな りこれらのコスト/オーバーヘッドも削減 • 業界団体(NVM Express, Inc.)によって規格策定が進められており、 Windows, Linux, Solaris, FreeBSDなど各種OSでIn-Boxドライバが提供 されているため、ベンダーロックインの心配なく使用することが 可能 これらの効果を見ていこう!
  5. 5. * 記載されている会社名、サービス名、製品名は、株式会社インサイトテクノロジーおよび各社の商標または登録商標です。 Copyright 2016 Insight Technology, Inc. All Rights Reserved. 頭打ちとなるSAS/SATA 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 SATA3/SAS2 SAS3 インターフェイス別SSDスループット (1MB sequential read) 理論最大値 実測値
  6. 6. * 記載されている会社名、サービス名、製品名は、株式会社インサイトテクノロジーおよび各社の商標または登録商標です。 Copyright 2016 Insight Technology, Inc. All Rights Reserved. PCI Express直結で限界突破 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 SATA3/SAS2 SAS3 NVMe インターフェイス別SSDスループット (1MB sequential read) 理論最大値 実測値 ※NVMeの理論値はPCI Express 3.0 x4でのもの。実測値も同じ環境。
  7. 7. * 記載されている会社名、サービス名、製品名は、株式会社インサイトテクノロジーおよび各社の商標または登録商標です。 Copyright 2016 Insight Technology, Inc. All Rights Reserved. データの流れを比較する 出典: https://www.openfabrics.org/images/eventpresos/workshops2013/2013_Workshop_Tues_1130_Akerson _NVMe_Overview.pdf 出典: http://nvmexpress.org/about/why-nvm-express/
  8. 8. * 記載されている会社名、サービス名、製品名は、株式会社インサイトテクノロジーおよび各社の商標または登録商標です。 Copyright 2016 Insight Technology, Inc. All Rights Reserved. 低レイテンシーを実現 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 random read random write ミリ秒 Response time (I/O size 4kB, thread=1) SAS3 NVMe
  9. 9. * 記載されている会社名、サービス名、製品名は、株式会社インサイトテクノロジーおよび各社の商標または登録商標です。 Copyright 2016 Insight Technology, Inc. All Rights Reserved. Queueの強化 • CPUコアごとに1つ以上のI/O Submission QueueとI/O Completion Queue、MSI-X(拡張メッ セージシグナル割り込み)が設定される。CPUコア間でのキュー・割り込みが共有されな いためコア間でのロック待ちなく動作が可能。 • 1つ当たり64k個のコマンドをキューイングできるキューを最大64k個持つことができ、 最大で2の32乗個のコマンドをキューイング可能。(SATAは深さ32、SASは深さ256の キューが1個) 出典:http://nvmexpress.org/wp-content/uploads/2013/04/IDF-2012-NVM-Express-and-the-PCI-Express-SSD-Revolution.pdf
  10. 10. * 記載されている会社名、サービス名、製品名は、株式会社インサイトテクノロジーおよび各社の商標または登録商標です。 Copyright 2016 Insight Technology, Inc. All Rights Reserved. Queueの強化 出典:http://nvmexpress.org/wp-content/uploads/2013/04/FMS-2012-How-the-Streamlined-Architecture-of-NVM-Express-Enables-High-Performance-PCIe-SSDs.pdf 1. ホストがsubmission queueに書き込む 2. ホストがsubmission queueの末尾のポインタをdoorbellに書き込む 3. コントローラがコマンドをフェッチする 4. コントローラがコマンドを実行する 5. コントローラが完了メッセージをcompletion queueに書き込む 6. コントローラがMSI-X割り込みを発行する 7. ホストが処理を完了させる 8. ホストがcompletion queueの先頭のポインタをdoorbellに書き込む
  11. 11. * 記載されている会社名、サービス名、製品名は、株式会社インサイトテクノロジーおよび各社の商標または登録商標です。 Copyright 2016 Insight Technology, Inc. All Rights Reserved. IOPSが大きく向上 0 100000 200000 300000 400000 500000 600000 700000 random read random write IOPS I/O size=4kBでのIOPS (threads=512) SAS3 NVMe
  12. 12. * 記載されている会社名、サービス名、製品名は、株式会社インサイトテクノロジーおよび各社の商標または登録商標です。 Copyright 2016 Insight Technology, Inc. All Rights Reserved. 高負荷時も低レイテンシー 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 random read thread 1 random read thread 16 random read thread 128 random read thread 512 random write thread 1 random write thread 16 random write thread 128 random write thread 512 ミリ秒 threads Response time (thread数を増やした場合の変化) SAS3 NVMe
  13. 13. * 記載されている会社名、サービス名、製品名は、株式会社インサイトテクノロジーおよび各社の商標または登録商標です。 Copyright 2016 Insight Technology, Inc. All Rights Reserved. Enterprise用途で使うには 形状: • PCI Express add-in card • U.2 (別名SFF-8639、2.5インチ PCI Express x4、hot swap可能) • M.2 (Enterprise用途ではあまり使われない) 構成時の注意: • HBA/RAIDカード不要  よってRAIDカードによるHW RAIDは構成できない • IPMI経由での管理が可能 • 最新OS (RHEL6.5以降、Windows Server 2012R2など)ではOS標準の ドライバが提供済み
  14. 14. * 記載されている会社名、サービス名、製品名は、株式会社インサイトテクノロジーおよび各社の商標または登録商標です。 Copyright 2016 Insight Technology, Inc. All Rights Reserved. カタログスペックと実測値 製品 128k Sequential Read (MB/s) 4k Random Read (IOPS) 128k Sequential Write (MB/s) 4k Random Write (IOPS) カタログ 実測 カタログ 実測 カタログ 実測 カタログ 実測 A社 3.2TB 3000 2954 743000 745008 1600 1469 140000 246252 B社 800GB 3100 2830 660000 680361 2350 2544 185000 208374 C社 3.2TB 3200 2761 800000 742575 2100 1888 170000 184638 D社 1.2TB 2800 2878 700000 743282 1300 1236 180000 224579 ※ DWPDはB社製品のみ10、あとは3のモデルを検証。 512 threads時の値を記載。 • エンタープライズモデルのSSDはsteady state(一通り書き込みがなされて性能が安定した 状態)の性能をカタログスペックとして載せている。 • カタログスペックはおおむね信用できるが、やはり実測値とのずれはある(測定方法の 違い、測定機器の違い、ドライバの違いetc…)。 • 可能であればやはり実際に使用する環境で実際のワークロードに近い負荷をかけて測定 してから選びたい。 • なお、同一製品でも容量やDWPDの差によって性能にも差がある(特にrandom write)こと に注意。検証の際は自分が使用する予定の容量・DWPDのものを使うこと。
  15. 15. * 記載されている会社名、サービス名、製品名は、株式会社インサイトテクノロジーおよび各社の商標または登録商標です。 Copyright 2016 Insight Technology, Inc. All Rights Reserved. DB用途で効くのはどこ? • DWH(OLAP)系処理 シーケンシャルI/Oにおけるスループット性能が高 いストレージが効果的 • OLTP系処理 ランダムI/OにおけるIOPSの高さ、およびログファ イル書き込みにおける低レイテンシーが求められる NVMeはどちらも得意なはず 実際に検証してみよう
  16. 16. * 記載されている会社名、サービス名、製品名は、株式会社インサイトテクノロジーおよび各社の商標または登録商標です。 Copyright 2016 Insight Technology, Inc. All Rights Reserved. Oracle入れて動かそう! SAS3 NVMe • Intel Xeon E5-2667 v3 x2個 (16 core) • 256GB Memory • OS: Red Hat Enterprise Linux 7.2 ※プロトタイプ版のスペックです。製品版のCPUはE5-2600 v4 ファミリーとなります。 SAS3, NVMeそれぞれ2枚1セットでOracle ASMの ディスクグループを構成。ディスクグループは 通常冗長性(2重化)とする。 Oracle Database 12c Enterprise Editionを使用するが、 PartitioningやIn-Memoryなど のオプションは使用しな い。 InsightQube NVMeモデルを使う! 近日プレスリリース予定… でもSQL Server 2016 SSD Applianceとしては発表済み https://www.microsoft.com/ja-jp/server-cloud/products-SQL-Server-2016-SSD.aspx …結果は?
  17. 17. * 記載されている会社名、サービス名、製品名は、株式会社インサイトテクノロジーおよび各社の商標または登録商標です。 Copyright 2016 Insight Technology, Inc. All Rights Reserved. DWHでは… 0 200 400 600 800 1000 1200 SAS3 NVMe 秒 TPC-H SF=100GB Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8 Q9 Q10 Q11 Q12 Q13 Q14 Q15 Q16 Q17 Q18 Q19 Q20 Q21 Q22
  18. 18. * 記載されている会社名、サービス名、製品名は、株式会社インサイトテクノロジーおよび各社の商標または登録商標です。 Copyright 2016 Insight Technology, Inc. All Rights Reserved. DWHでは… • 大きなブロックサイ ズのreadが主なI/O ワークロード • DBの処理時間はCPU と比較してI/O待ちの 時間が長い • よってSequential readのスループット の違いが処理速度の 違いに直結する
  19. 19. * 記載されている会社名、サービス名、製品名は、株式会社インサイトテクノロジーおよび各社の商標または登録商標です。 Copyright 2016 Insight Technology, Inc. All Rights Reserved. • HammerDBを使用してTPC-Cを実行 • 各インスタンスには32GBのメモリを割り当て • REDOログファイルは500MBを10個用意 • データファイルもREDOログと同じディスクグループに配置 • それ以外の設定(初期パラ等)はdbcaでの作成時のデフォルト • スケールファクター(warehouseテーブルの行数)を1000としてデータベー スを作成 (スキーマサイズ:約90GB) • 同時セッション数128で処理を実行 • 1セッションあたり100,000回処理し、最後のセッションが終了するまで の時間を測定してTPS(Transactions Per Sec)を計算 OLTPでは… ??????
  20. 20. * 記載されている会社名、サービス名、製品名は、株式会社インサイトテクノロジーおよび各社の商標または登録商標です。 Copyright 2016 Insight Technology, Inc. All Rights Reserved. 10330.91 11873.84 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 SAS3 NVMe TPS (Transactions Per Second) OLTPでは…
  21. 21. * 記載されている会社名、サービス名、製品名は、株式会社インサイトテクノロジーおよび各社の商標または登録商標です。 Copyright 2016 Insight Technology, Inc. All Rights Reserved. OLTPでは… • Small size writeが主なI/O ワークロード • 処理時間の大半はコミッ ト処理(=log file sync)に費 やされる • REDOログ書き込みのレイ テンシーの差が処理性能 の差となる • このベンチマークでのlog file syncの平均時間はSAS3 が7ms、NVMeが6ms。Log file parallel writeはSAS3が 3ms、NVMeが2ms。
  22. 22. * 記載されている会社名、サービス名、製品名は、株式会社インサイトテクノロジーおよび各社の商標または登録商標です。 Copyright 2016 Insight Technology, Inc. All Rights Reserved. やっぱりディスクは共有したい InsightQube clusterモデルの基本構成 (InfiniBand SRPを使用) 出典: https://www.openfabrics.org/images/eventpresos/workshops2015/DevWorkshop /Monday/monday_10.pdf • ストレージサーバーやフラッシュアプライアンスなど、NVMeを搭載した外部ストレージ を接続するにはどうしたら良いか。 • ポピュラーな接続方法だとiSCSIやストレージ製品でよく使われるFibre Channel。 • 弊社製品のInsightQube clusterモデルなどInfiniBand接続ではRDMA (CPUを介さずに相手先マ シンのメモリに直接データを転送する技術) を使うiSERやSRPといったプロトコルがよく使 われる。 • しかしこれらはすべて上でSCSIコマンドがやりとりされる。せっかくのNVMeなのに ちょっともったいなくない?
  23. 23. * 記載されている会社名、サービス名、製品名は、株式会社インサイトテクノロジーおよび各社の商標または登録商標です。 Copyright 2016 Insight Technology, Inc. All Rights Reserved. iSCSIを使ってしまうと… 0 500 1000 1500 2000 2500 sequential read sequential write MB/s スループット SAS3 (local) NVMe (local) NVMe over iSCSI 0 100000 200000 300000 400000 500000 600000 700000 random read random writeIOPS IOPS SAS3 (local) NVMe (local) NVMe over iSCSI • 何も考えずにOS標準のiSCSI機能を用いると上の通りスループット、IOPSともに大幅に性能 が落ちてしまう。 • 通常はもう少し考慮してNICのオフロード機能やRDMA対応のプロトコル(iSER, SRPなど)を 使うことが想定されるが、それでもSCSIのプロトコルに変換することによるオーバーヘッ ドからは逃れられない。
  24. 24. * 記載されている会社名、サービス名、製品名は、株式会社インサイトテクノロジーおよび各社の商標または登録商標です。 Copyright 2016 Insight Technology, Inc. All Rights Reserved. 強い味方:NVMe over Fabrics 出典:https://www.openfabrics.org/images/eventpresos/workshops2015/DevWorkshop/Monday/monday_10.pdf • RDMA(InfiniBand, RoCE, iWARP)の高速通信を使って、あたかもローカル のNVMeにアクセスするようにNVMeをアクセス可能! • 2016/6/5(私の誕生日)にSpecificationのRevision 1.0が公開!
  25. 25. * 記載されている会社名、サービス名、製品名は、株式会社インサイトテクノロジーおよび各社の商標または登録商標です。 Copyright 2016 Insight Technology, Inc. All Rights Reserved. NVMe over Fabricsの構成 出典:http://www.nvmexpress.org/wp-content/uploads/NVMe_FMS_2015_Presentations.zip zipファイル内の FMS 15 - NVM Express over Fabrics - Performance and emerging NVM impact-....pdf ホスト側 ターゲット側
  26. 26. * 記載されている会社名、サービス名、製品名は、株式会社インサイトテクノロジーおよび各社の商標または登録商標です。 Copyright 2016 Insight Technology, Inc. All Rights Reserved. iWARPを使ってみました • Chelsio T580-LP-CR (40Gigabit Ethernet Adapter) • Chelsio社のNICではRDMAでTCPを転送するiWARPが使用可能 • Chelsio社提供のNVMe over Fabricsテストコードを使用 • コミュニティ版のコードも以下で公開済みだが、まだ安定していないらしい…。 git://git.infradead.org/nvme-fabrics.git • RHEL 7.2のカーネルを入れ替えて実行
  27. 27. * 記載されている会社名、サービス名、製品名は、株式会社インサイトテクノロジーおよび各社の商標または登録商標です。 Copyright 2016 Insight Technology, Inc. All Rights Reserved. ローカルと遜色なし! 0 500 1000 1500 2000 2500 sequential read sequential write MB/s スループット SAS3 (local) NVMe (local) NVMe via iSCSI NVMe over Fabrics 0 100000 200000 300000 400000 500000 600000 700000 random read random write IOPS IOPS SAS3 (local) NVMe (local) NVMe via iSCSI NVMe over Fabrics
  28. 28. * 記載されている会社名、サービス名、製品名は、株式会社インサイトテクノロジーおよび各社の商標または登録商標です。 Copyright 2016 Insight Technology, Inc. All Rights Reserved. レイテンシーも健闘 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 random read random write ミリ秒 Response time (I/O size 4kB, thread=1) SAS3 (local) NVMe (local) NVMe via iSCSI NVMe over Fabrics
  29. 29. * 記載されている会社名、サービス名、製品名は、株式会社インサイトテクノロジーおよび各社の商標または登録商標です。 Copyright 2016 Insight Technology, Inc. All Rights Reserved. レイテンシーも健闘 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 random read thread 1 random read thread 16 random read thread 128 random read thread 512 random write thread 1 random write thread 16 random write thread 128 random write thread 512 ミリ秒 threads Response time (thread数を増やした場合の変化) SAS3 (local) NVMe (local) NVMe via iSCSI NVMe over Fabrics
  30. 30. * 記載されている会社名、サービス名、製品名は、株式会社インサイトテクノロジーおよび各社の商標または登録商標です。 Copyright 2016 Insight Technology, Inc. All Rights Reserved. NVMe over FabricsでOracle! NVMeNVMe iSCSI NVMeOF • InsightQube NVMeモデルをもう1台用意 し、その間をChelsio社の40Gbit Ethernetで 直結する。 • ターゲット側のNVMeを2枚ずつiSCSIと NVMe over Fabricsでイニシエータ側に接続 し、それらのディスクをASMのディスクグ ループとしてセットアップし、Oracleで使 用可能とする。 40GbE 結果は… わかりますよね?
  31. 31. * 記載されている会社名、サービス名、製品名は、株式会社インサイトテクノロジーおよび各社の商標または登録商標です。 Copyright 2016 Insight Technology, Inc. All Rights Reserved. NVMe over FabricsでDWH! 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 SAS3 (local) NVMe (local) NVMe via iSCSI NVMe over Fabrics 秒 TPC-H SF=100GB Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8 Q9 Q10 Q11 Q12 Q13 Q14 Q15 Q16 Q17 Q18 Q19 Q20 Q21 Q22
  32. 32. * 記載されている会社名、サービス名、製品名は、株式会社インサイトテクノロジーおよび各社の商標または登録商標です。 Copyright 2016 Insight Technology, Inc. All Rights Reserved. 10330.91 11873.84 10423.45 11091.85 0.00 2000.00 4000.00 6000.00 8000.00 10000.00 12000.00 14000.00 SAS3 (local) NVMe (local) NVMe via iSCSI NVMe over Fabrics TPS (Transactions Per Second) NVMe over FabricsでOLTP!
  33. 33. * 記載されている会社名、サービス名、製品名は、株式会社インサイトテクノロジーおよび各社の商標または登録商標です。 Copyright 2016 Insight Technology, Inc. All Rights Reserved. 実は… • NVMe over FabricsのコードがマージされたLinux kernel がリリースされるのはもう少し先(おそらく4.7)。 • さらにRHELやUbuntuがこのコードをバックポートする のはおそらくもっと先。 • ディスク障害時の動作など、実際の運用に必要な動作 についてはさらに検証・作り込みが必要 • SRPなどでも同じですが… • ちなみにターゲット側でNVMeを抜いただけだとホスト側は無 反応でした。 • 次に起こるのはネットワークボトルネック。100Gbitで も足りない! • 今回の40Gbit Ethernetだと2本で上限 • InsightQubeだとNVMeが最大8本搭載できてしまう
  34. 34. * 記載されている会社名、サービス名、製品名は、株式会社インサイトテクノロジーおよび各社の商標または登録商標です。 Copyright 2016 Insight Technology, Inc. All Rights Reserved. まとめ • PCIeベースとすることでスループット・IOPSには絶大 な威力。DWH系処理では速度向上に直結。 • レイテンシー低下によりOLTPにも効果あり。ただし劇 的というほどではない。OLTP処理でもっと処理能力を 上げるには、別のソリューション(NVDIMMとか)が必要 かも。 • ノード間接続はNVMe over Fabricsが今後の標準。NVMe の性能の優位性をそのまま確保できる。 • ただし実用的に使えるようになるにはまだ時間がかか りそう。
  35. 35. * 記載されている会社名、サービス名、製品名は、株式会社インサイトテクノロジーおよび各社の商標または登録商標です。 Copyright 2016 Insight Technology, Inc. All Rights Reserved. 記載されている会社名、サービス名、製品名は、株式会社インサイトテクノロジーおよび各社の商標または登録商標です。 Copyright 2016 Insight Technology, Inc. All Rights Reserved.

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