Design and Implementation of an Architecture-aware In-memory Key- Value Store

• Main Author: Giordano, Omar
• Format: Others
• Language: English
• Published: KTH, Skolan för elektroteknik och datavetenskap (EECS) 2021
• Subjects: Key-Value Store; Data Plane Development Kit; Last Level of Cache; Sliceaware memory management; Memcached; Haswell microrchitecture.; Sista Nivån av Cache; Skivmedveten Minneshantering; Haswell mikroarkitektur.; Computer and Information Sciences; Data- och informationsvetenskap
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-291213

Key-Value Stores (KVSs) are a type of non-relational databases whose data is represented as a key-value pair and are often used to represent cache and session data storage. Among them, Memcached is one of the most popular ones, as it is widely used in various Internet services such as social networks and streaming platforms. Given the continuous and increasingly rapid growth of networked devices that use these services, the commodity hardware on which the databases are based must process packets faster to meet the needs of the market. However, in recent years, the performance improvements characterising the new hardware has become thinner and thinner. From here, as the purchase of new products is no longer synonymous with significant performance improvements, companies need to exploit the full potential of the hardware already in their possession, consequently postponing the purchase of more recent hardware. One of the latest ideas for increasing the performance of commodity hardware is the use of slice-aware memory management. This technique exploits the Last Level of Cache (LLC) by making sure that the individual cores take data from memory locations that are mapped to their respective cache portions (i.e., LLC slices). This thesis focuses on the realisation of a KVS prototype—based on Intel Haswell micro-architecture—built on top of the Data Plane Development Kit (DPDK), and to which the principles of slice-aware memory management are applied. To test its performance, given the non-existence of a DPDKbased traffic generator that supports the Memcached protocol, an additional prototype of a traffic generator that supports these features has also been developed. The performances were measured using two distinct machines: one for the traffic generator and one for the KVS. First, the “regular” KVS prototype was tested, then, to see the actual benefits, the slice-aware one. Both KVS prototypeswere subjected to two types of traffic: (i) uniformtraffic where the keys are always different from each other, and (ii) skewed traffic, where keys are repeated and some keys are more likely to be repeated than others. The experiments show that, in real-world scenario (i.e., characterised by skewed key distributions), the employment of a slice-aware memory management technique in a KVS can slightly improve the end-to-end latency (i.e.,~2%). Additionally, such technique highly impacts the look-up time required by the CPU to find the key and the corresponding value in the database, decreasing the mean time by ~22.5%, and improving the 99th percentile by ~62.7%.  === Key-Value Stores (KVSs) är en typ av icke-relationsdatabaser vars data representeras som ett nyckel-värdepar och används ofta för att representera lagring av cache och session. Bland dem är Memcached en av de mest populära, eftersom den används ofta i olika internettjänster som sociala nätverk och strömmande plattformar. Med tanke på den kontinuerliga och allt snabbare tillväxten av nätverksenheter som använder dessa tjänster måste den råvaruhårdvara som databaserna bygger på bearbeta paket snabbare för att möta marknadens behov. Under de senaste åren har dock prestandaförbättringarna som kännetecknar den nya hårdvaran blivit tunnare och tunnare. Härifrån, eftersom inköp av nya produkter inte längre är synonymt med betydande prestandaförbättringar, måste företagen utnyttja den fulla potentialen för hårdvaran som redan finns i deras besittning, vilket skjuter upp köpet av nyare hårdvara. En av de senaste idéerna för att öka prestanda för råvaruhårdvara är användningen av skivmedveten minneshantering. Denna teknik utnyttjar den Sista Nivån av Cache (SNC) genom att se till att de enskilda kärnorna tar data från minnesplatser som är mappade till deras respektive cachepartier (dvs. SNCskivor). Denna avhandling fokuserar på förverkligandet av en KVS-prototyp— baserad på Intel Haswell mikroarkitektur—byggd ovanpå Data Plane Development Kit (DPDK), och på vilken principerna för skivmedveten minneshantering tillämpas. För att testa dess prestanda, med tanke på att det inte finns en DPDK-baserad trafikgenerator som stöder Memcachedprotokollet, har en ytterligare prototyp av en trafikgenerator som stöder dessa funktioner också utvecklats. Föreställningarna mättes med två olika maskiner: en för trafikgeneratorn och en för KVS. Först testades den “vanliga” KVSprototypen, för att se de faktiska fördelarna, den skivmedvetna. Båda KVSprototyperna utsattes för två typer av trafik: (i) enhetlig trafik där nycklarna alltid skiljer sig från varandra och (ii) sned trafik, där nycklar upprepas och vissa nycklar är mer benägna att upprepas än andra. Experimenten visar att i verkliga scenarier (dvs. kännetecknas av snedställda nyckelfördelningar) kan användningen av en skivmedveten minneshanteringsteknik i en KVS förbättra förbättringen från slut till slut (dvs. ~2%). Dessutom påverkar sådan teknik i hög grad uppslagstiden som krävs av CPU: n för att hitta nyckeln och motsvarande värde i databasen, vilket minskar medeltiden med ~22, 5% och förbättrar 99th percentilen med ~62, 7%.