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Grundlagen Überlegungen Techniken Zusammenfassung

BS-Unterstützung für NVRAM

Timo Cramer

17. Oktober 2015

Timo CramerBS-Unterstützung für NVRAM 1 / 21


FRAM

Ferroelectric RAMFerro- als Analogie zumFerro-Magnetismuskein Eisen, kein Magnetismus

Schreiben intuitivLesen durch

1 Schreibversuch2 Bemerken von Änderung3 Zustandswiederherstellung

P

E

[6, 7]Timo CramerBS-Unterstützung für NVRAM 2 / 21


FRAM

Ferroelectric RAMFerro- als Analogie zumFerro-Magnetismuskein Eisen, kein Magnetismus

Schreiben intuitivLesen durch

1 Schreibversuch2 Bemerken von Änderung3 Zustandswiederherstellung

+ nicht flüchtig+ hohe

Geschwindigkeit+ niedriger

Energieverbrauch− teuer− geringe Dichte



Überlegungen

Was könnte sich ändern, wenn wir Systeme mit NVRAMhaben?

schnelle Wiederherstellung des Systemzustandsnach Ausfallnach Reboot

Ersetzen von langsameren, nicht-flüchtigenSpeichermedienweniger „Sicherheitskopien“, die auf Massenspeichergeschrieben werden



nur-NVRAM-Systeme

Systeme, die in Zukunft nur mit NVRAM ausgestattet sind,sind denkbar.

Verschmelzung zwischen Arbeits- und Massenspeicherin-place Bearbeitung von Datenim Extrem: Wegfall von Paging und getrenntenAdressräumen[1]

Problem: Medien sind dann nicht mehr einfach wechselbar



Arten der Wiederherstellung

Systemwiederherstellung kann in verschiedenen Ausformungenpassieren

kompletter Rebootwie Suspend & Resumeauf Gerätetreiber-Ebeneauf Applikations-Ebene

Eine komplette Wiederherstellung ist immer noch nicht(einfach) möglich

flüchtige Register, Caches, etc.neu gestartete Peripherie nach Reboot/Ausfall



Probleme

Speicherschutz wird wichtigerFortpflanzung und Persistenz von FehlernNeustart löst nicht mehr so viele Probleme ;)

SecurityKryptographie-Schlüssel im SpeicherStichwort „Cold-Boot-Attacke“



ACID

Häufigstes Ziel von Datenbanken und verteilten SystemenAtomicy Jede Aktion wird ganz oder gar nicht ausgeführt

Consistency Jede Aktion bringt das System von einemkonsistenten Zustand in den nächsten

Isolation Keine laufende Aktion beeinflusst eine anderelaufende Aktion

Durability Das Ergebnis jeder erfolgreichen Aktion bleibtdauerhaft erhalten



Journaling

Einsatz in Dateisystemen und DatenbankenÄnderungen in Form von TransaktionenSpeichern von Änderungsabsichtenbei Systemausfall: schnelle Wiederherstellung eineskonsistenten Zustandsmögliche Operationen:

Undo – rückgängigRedo – wiederholen



Journaling: Variationen[3]Writeback Mode

Nur Metadaten werden ins Journal geschriebenDaten werden einfach auf die Platte geschrieben

+ Dateisystem-Struktur bleibt konsistent− Möglichkeit für inkonsistente Daten

Ordered Modewie Writeback ModeMetadaten werden nach den Daten ins Journalgeschrieben

+ keine Möglichkeit mehr für inkonsistente DatenData Mode

Metadaten und Daten werden gejournaled+ noch mehr Schutz− geringe Performance



Datenbanken: Shadow Pages[5]

Konsistenzwahrung durch RedundanzÄnderungen passieren in einer temporären PageBei Erfolg: Ersetzen der alten PageBei Fehler: Entfernen der temporären Page

Beispiel: Änderungen an Page B

Page A Page B Page C






Page A Page B

Page B*

Page C






Page A

Page B*

Page C





+ schnelle Wiederherstellung− schlechte Performance



Datenbanken: Checkpointing[5]

hC lC �

Logging (Journaling) von allen Aktionenkein Durchgehen der kompletten HistorieWiederherstellung ab dem letzten CheckpointCheckpoint-Arten

heavyweight Checkpointslightweight Checkpoints („fuzzy Checkpoints“)



Fine-Grained Fault Tolerance[2]

. . . bietet feinere Wiederherstellung von Linux-GerätetreibernNeustart dauert zu langTechniken:

IsolationCheckpoints

Anforderungen:SchnelligkeitAllgemeinheitEinsetzbarkeit bei Multithreading




IsolationTransactional ExecutionMemory safety and fault detectionSynchronization

. . . durch Code-Analyse und -Generierung zur Übersetzungszeit

minimale Kopie der benutzten DatenErstellung der Kopien an entry pointsZurückschreiben bei Erfolg




CheckpointsSpeicher-basierter Ansatz nicht sinnvoll

Doppelbelegung von AdressenSeiteneffekte

Wiederverwendung von Power ManagementSuspend & Resumez. B. Speichern von PCI-Zustand

Kein komplettes Zustandsabbild des Geräteskein einfacher Memory-DumpSpeichern von Konfiguration und Registerinhaltengeteilte Buffer werden bei Wiederherstellung z. B. neuinitialisiert



Whole System Persistence[4]

. . . ist ein Ansatz z. B. für Hauptspeicherdatenbankenmehrere 100GB Hauptspeicherlangwierige Wiederherstellung aus dem MassenspeicherHauptspeicher ist komplett nicht-flüchtig

Idee:Betriebssystem speichert bei Stromausfall den gesamtenZustandSpeichern dauert etwa 5ms, Stromversorgung liefert noch10–300ms Strom



Whole System Persistence[4]Überwachung der Stromversorgung durch einen ArduinoInterrupt-Signal über serielle Schnittstelle



Zusammenfassung

NVRAM hilft uns, persistente Systeme zu erstellenkomplette Wiederherstellung ist immer noch nicht einfachmöglichzustandsbasierte vs. speicherbasierte Sichtweise



Empfehlungen

Whole System Persistencebeeinflusst den Rest der Programmierung nichtHardware/Energiemodell muss vorhanden sein

„Sicherheitskopien“ mit Shadow Objectswir haben ein System mit flüchtigem undnicht-flüchtigem RAMArbeitskopie im SRAM, dauerhafte Kopie im FRAM



Quellen I

Katelin Bailey, Luis Ceze, Steven D. Gribble, andHenry M. Levy.Operating System Implications of Fast, Cheap,Non-Volatile Memory.2011.Asim Kadav, Matthew J. Renzelmann, and Michael M.Swift.Fine-Grained Fault Tolerance using Device Checkpoints.2013.



Quellen II

M. Tim Jones.Anatomy of Linux journaling file systems.http://www.ibm.com/developerworks/library/l-journaling-filesystems/, 2008-06-04.

Dushyanth Narayanan and Orion Hodson.Whole-System Persistence.2012.Jens Teubner.Vorlesungsfolien zu AIDB, WS 14/15.


http://www.ibm.com/developerworks/library/l-journaling-filesystems/

http://www.ibm.com/developerworks/library/l-journaling-filesystems/


Quellen III

Wikipedia User Bigly.Ferroelectric polarisation.svg.https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Ferroelectric_polarisation.svg, 2007-12-03.

Wikipedia User Cyferz.1T FeRAM cell structure.svg.https://en.wikipedia.org/wiki/File:1T_FeRAM_cell_structure.svg, 2007-07-09.


https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Ferroelectric_polarisation.svg

https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Ferroelectric_polarisation.svg

https://en.wikipedia.org/wiki/File:1T_FeRAM_cell_structure.svg

https://en.wikipedia.org/wiki/File:1T_FeRAM_cell_structure.svg

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