情報処理学会第 73 回全国大会

6B-4

OLTP を対象としたアプリケーション協調型大規模ストレージ省電力制御方式の提案及び評価
西川 記史†，

中野美由紀†，

優†

喜連川†東京大学 生産技術研究所

1. はじめに体の電源を OFF にする Power off の 2 種類の省電力機能をサーバやストレージの集約によるデータセンタの高密有している．各筐体は 2 本の 200V 電源ケーブルを持つ．

度化に伴い，データセンタの消費電力は増加の一途を辿っ

我々はこの電源ケーブルにクランプオンセンサを装着し，ている．中でも，データセンタが管理するデータ量の急増電力計測を行った．に伴うストレージの消費電力の増加は著しく，その増加率

負荷生成サーバとストレージは 4 本の 4Gbps ファイバは年率約 13%と他の IT 機器の消費電力の増加率を圧倒しチャネルで接続されている．サーバは 32 台のプロセッサている[1]．データセンタにおけるストレージの電力消費(各 2 cores)と 512GB のメモリを有し，OS は AIX5.3 64 ビ量は急激に高まるものと考えられ，その消費電力の削減はット版，ファイルシステムは JFS2 である．また，ストレデータセンタにおいて喫緊に解決しなければならない重ージのディスク筐体の容量はそれぞれ 11.25TB，合計要な課題である．

112.5TB である．

また，データセンタで使用されるハイエンドストレージのアプリケーションに目を向けると，その約 6 割は DBMS
用 途 に 出 荷 さ れ て お り [2] ， さ ら に そ の 半 数 以 上 がEnterprise Resource Planning (ERP)や Customer Relationship

[VA]

[VA]

400

400

350

350

300

300

250

250

200

200

150

150

10010050

Management (CRM) な ど の Online transaction processing

IDLE
100% write
25% read, 75% write
read 50%, write 50%
read 75%, write 25%
read 100%
sequential write500005001000

1500

20000200400600

800

1000

[IOPS](1 5HDDs ）(OLTP)向けに出荷されている．即ち，OLTP はデータセン

1200[IOPS]( RAID Group ）図 1. I/O 時のディスク筐体消費電力(左)とコントローラ

タにおける主要なアプリケーションの一つである．

筐体消費電力(右)本論文では，OLTP 系アプリケーションが用いるストレ[VA]
300-0.0%ージの消費電力手法の確立を目指し，OLTP の I/O 挙動特250性を用いたアプリケーション協調型のストレージ省電力

200-40.6%150

機構を提案する．OLTP の I/O 挙動特性と消費電力特性を100実測に基づき明らかにすると共に，シミュレーションによ50-100.0%0り提案手法の評価を行う．

Idle

Spindown

Power OFF図 2. ストレージ省電力機能使用時の消費電力

2. ストレージの消費電力特性

ディスク筐体及びコントローラ筐体の消費電力の計測

大規模ストレージ向けの省電力制御方式を開発するに結果を図 1 に，省電力機能使用時のディスク筐体の消費電当り，我々は市販のストレージに電力計を取り付け，その力を図 2 にそれぞれ示す．図 1(左)からわかるように，デ消費電力特性を計測した．ストレージは 1 台のコントロー

ィスク筐体の消費電力は I/O 数が増加するに従いわずかにラ筐体と 10 台のディスク筐体を持つ．コントローラ筐体増加している(アイドル時+10.6%)．一方コントローラ筐体

は 2 つの I/O プロセッサ(各 2 cores)と 2GB のキャッシュメの消費電力は I/O 数が増加してもほとんど変化していない．

モリを有する．ディスク筐体はそれぞれ 15 台の 750GB，また，図 2 より Spin down 機能を用いた場合のディスク筐7200 回転の SATA ディスクを有し，RAID6(13D+2P)構成体の消費電力は-40.6%，Power Off 機能を用いた場合の消を取る．また，本ストレージはディスク筐体内のディスク費電力は 0 であることが分かる．このことから，高い省電の電源のみを OFF にする Spin down，及びディスク筐体全力効果を得るためにはディスク筐体の省電力機能を最大限活用しなければならないことが分かる．

Propose and Evaluation of Application Corroborative Storage
Power Saving Function for OLTP.
Norifumi NISHIKAWA†, Miyuki NAKANO†, andMasaru, KITSUREGAWA†† University of Tokyo Institute of Industrial Science

3. OLTP 系 DBMS の I/O 挙動特性
OLTP 系アプリケーションの I/O 特性の活用方式を検討するために，我々は TPC-C ベンチマークの簡易実装であ1-535

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る tpcc-mysql[3]を用い OLTP 系アプリケーションの I/O 特write 数の削減，ii) i)により生成されたディスク筐体の I/O性の調査を行った．図 3(上)に DBMS からストレージに対余力を用いて高アクセス頻度のデータを少数のディスクして発行された秒当り I/O 数を，図 3(下)にストレージコ筐体への集約と残りのディスク筐体への省電力機能の適ントローラからディスクに発行された秒当り I/O 数を示す．

用，iii) ディスクへの write の遅延によるアイドル時間の[IOPS]延伸，である．

140 0

120 0

100 0

80 0

5. 評価結果

readwri te

627.2
60 0

ストレージキャッシュサイズを変化させた場合の消費

40 0

34 5.4
246 .0346 .2

345.7

347.8

347. 1346.9

3 45.02 01.6

電力とトランザクションスループットを図 5 上・下に示す．

20 1.1

20 0
5 2.3

90 .0

89.2

89.0

88.9

90.4

88.6

8 8.8

Uni t #3

U nit #4

Un it # 5

U nit #6

Un it # 7

Uni t #8

Uni t #9

129 4.8

128 5.5

1289 .6

1289 .1

13 03.4

128 8.9

128 0.6

52 .2

図 5 から分かるように，提案手法によりトランザクション

0
Uni t # 1

Uni t #2

Uni t #1 0

[IOPS]
14 00

スループットの低下をほぼゼロにしつつストレージの消12 00

費電力を最大 44.9%削減することが可能である．

10 00

752.6

8 00

消費電力が削減できた理由はアクセス頻度が高いデー

7 51.4re ad
wr iteタを少数のディスクに集約できたためである(キャッシュ6 00

4 00
275 .0272 .0273. 827 2.3277 .8273 .1

2 00

159.9

容量が DB の 20%の場合 4 ディスク筐体)．また，write 遅

Un it # 10延は DBMS の I/O とは非同期であり性能にはほとんど影

271. 1

15 9.9117. 442.40
Un it # 1

Un it # 2

Uni t #3

Uni t #4

Uni t #5

Un it # 6

Uni t # 7

Uni t #8

Uni t #9

響を与えていない．

図 3. ディスク筐体毎の秒当り I/O 数

Power Cons umption [VA]

(上段: 対コントローラ，下段: 対ディスク間)

4,000

3,331.2
3331. 23,500

3329.53326. 3

ディスクに対する I/O 数はディスクへの write に伴う

3,331.2(-0.0%)

3,000

RAID のパリティ生成のために OLTP がストレージに発行

3317.73304.93,033.0 ( -8.9%)
2, 729.5 ( -17.9%)2,500

2,431.7 ( -26.7%)

2,000

した I/O の数倍に達しディスクが性能ボトルネックとなっ

1,819. 5 ( -44.9%)
1,500ていることが分かった．これは，write 数を削減すること

1,000
S tora g e Cache Size Va ry ing a nd Write Dela y
S tora g e Cache Size Va ry ing without W rite Dela y500

によりパリティ生成数を削減できればディスクの負荷を00.0%大きく下げることができ，この結果アクセス頻度が高いデ

5.0%

10.0%

15.0%

20.0%

25.0%

Storag e Ca che Size [%]Trans action Th roughput [Transaction/ s]

ータをより少数のディスク筐体に集め他のディスク筐体

100

90. 7
90.7

90に省電力機能を適用するチャンスが生じることを示して

9 0.7

90. 7

90.7

90.7
8070いると言える．

60

そこで我々は，ストレージキャッシュのサイズを大きく50した場合にディスクへの I/O 数がどの程度削減できるかを304020調査した．
この結果を図 4 に示す．
図 4 から分かるように，

S torag e Cache Size Varying and W rite Delay100

DB 容量の 5%のキャッシュを追加で用意することにより，

0.0%

5.0%

10.0 %

15.0%

20 .0%

25.0%

Storag e Cac he Size [%]write 数を 20%低減できることが分かる．

図 5. 消費電力とトランザクションスループット

Rate o f D uplicated I/ O Nu mber [% ]3025

5. まとめ20

本論文では，OLTP 系 DBMS の I/O 挙動特性をもちいる15ことにより，ストレージの大幅な省電力化が可能になるこ10とを示した，

500123456C ach e Size (% of Database Size )参考文献

図 4. ストレージキャッシュ容量と write 数削減率

[1]

D. Reinsel, The Real Costs to Power and Cool All theWorld's External Storage, IDC #212714, 2008

4. TPC-C の I/O 挙動特性を用いた省電力制御
TPC-C 向けのストレージの省電力化を行うため，我々は[2]

for Growth, IDC #210290, 2008.

TPC-C が持つ I/O の局所性に着目した省電力制御手法を提案する．その主たるアイデアは，i) 適切なサイズのストReinsel, D., White Paper Datacenter SSDs: Solid Footing[3]

レージキャッシュの割当てによるディスク筐体に対する

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tpcc-mysql,

https://code.launchpad.net/~percona-dev/perconatools/tpcc-mysql.

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