基于RDMA的分布式键值存储系统性能优化

计算机与现代化 ›› 2023, Vol. 0 ›› Issue (02): 24-27.

基于RDMA的分布式键值存储系统性能优化

（华北计算技术研究所，北京 100083）

出版日期:2023-04-10 发布日期:2023-04-10
作者简介:王哲（1996—），男，湖北黄冈人，硕士研究生，研究方向:分布式系统与并行计算，E-mail： scofieldwz@163.com；王玉玫（1962—），女，河南范县人，研究员，研究方向：计算机应用，E-mail: wym_email@263.net；吴亚非（1977—），男，河南新乡人，高级工程师，研究方向：软件工程，指挥自动化系统设计，E-mail: yfnow@sina.com；臧义华（1980—），女，辽宁抚顺人，高级工程师，研究方向：软件工程，计算机图形应用系统，E-mail: zangyihua@126.com。

Latency Optimization of Distributed Key-value Store Based on RDMA

（North China Institute of Computing Technology， Beijing 100083， China）

Online:2023-04-10 Published:2023-04-10

摘要/Abstract

摘要： 如今分布式键值存储系统在工业界得到了广泛的应用，如何提升其性能成为分布式系统和并行计算领域的研究热点。远程直接数据存取是高性能计算中常用的通信技术，利用其低延迟高带宽的特性，可以有效提升分布式键值存储系统的性能表现。MPI单边通信是一种支持RDMA的通信方法，本文使用MPI单边通信实现分布式键值操作，并根据其特点重新设计通信模型。为了解决RMA带来的数据一致性问题，本文改变键值对的存储结构并制定存取操作的通信策略。通过将单边通信与TCP/IP进行对比，对不同长度的数据测试通信延迟，验证了RDMA给系统带来的性能提升。

关键词: 分布式键值存储系统, 远程内存直接访问, 单边通信

Abstract: Distributed key-value store is widely used in industry， and methods to improve the performance of data transfer in distributed key-value store has drawn great interests in the study of distributed systems and parallel computing. RDMA （Remote Memory Direct Access） is a popular network technology in high-performance computing. Making use of its low latency and high bandwidth features can lead to enormous improvement of the performance of distributed key-value store. MPI offers routines to perform remote memory access （RMA）， also known as one-sided communication， which can benefit from RDMA technology. In this paper， we propose leverageing MPI one-sided communication refactors key-value operations and redesigns the communication model according to the features of one-sided communication. To solve the data inconsistency problem brought by RMA， we modify the storage structure of key-value pair and schedule the communication strategy. We evaluate the improvement by comparing the latency of RMA based key-value operations and TCP/IP based key-value operations when transferring key-value pairs of different lengths and get positive result.

Key words: distributed key-value store, RDMA, one-sided communication

王哲, 王玉玫, 吴亚非, 臧义华. 基于RDMA的分布式键值存储系统性能优化[J]. 计算机与现代化, 2023, 0(02): 24-27.

WANG Zhe, WANG Yu-mei, WU Ya-fei, ZANG Yi-hua. Latency Optimization of Distributed Key-value Store Based on RDMA[J]. Computer and Modernization, 2023, 0(02): 24-27.

参考文献［27］

［1］	YANG J， YUE Y， RASHMI K V. A large-scale analysis of hundreds of in-memory key-value cache clusters at Twitter［J］. ACM Transactions on Storage， 2021，17（3）:1-35.
［2］	ROMANOW A， BAILEY S. An overview of RDMA over IP［C/OL］// Proceedings of the 1st International Workshop on Protocols for Fast Long-Distance Networks， 2003. http://datatag.web.cern.ch/pfldnet2003/paper romanow.pdf.
［3］	涂晓军，孙权，蔡立志. RDMA技术在数据中心中的应用研究［J］. 计算机应用与软件， 2021，38（3）:22-25.
［4］	KALIA A， KAMINSKY M， ANDERSEN D G. Using RDMA efficiently for key-value services［C］// Proceedings of the 2014 ACM Conference on SIGCOMM. 2014:295-306.
［5］	ARLITT M F， WILLIAMSON C L. Internet Web servers: Workload characterization and performance implications［J］. IEEE/ACM Transactions on Networking， 1997，5（5）:631-645.
［6］	NETFIX.Memcached［CP/OL］. ［2022-05-21］. https://memcached.org/.
［7］	REDIS LID. Redis［CP/OL］. ［2022-05-21］. https://redis.io/.
［8］	李首扬，杨仝，代亚非，等. Memcached的分析与改进［J］. 网络新媒体技术， 2016（6）:38-42.
［9］	FITZPATRICK B. Distributed caching with Memcached［J］. Linux Journal， 2004（124）:72-74.
［10］	刘亮，徐步东，谭艳艳. 基于Memcached内存对象缓存技术应用研究［J］. 计算机技术与发展， 2015，25（11）:204-208.
［11］	马豫星. Redis数据库特性分析［J］. 物联网技术， 2015，5（3）:105-106.
［12］	王绍东. 基于Redis Cluster的分布式内存数据库研究与应用［D］. 广州:华南理工大学， 2016.
［13］	FOONG A P， HUFF T R， HUM H H， et al. TCP performance re-visited［C］// Proceedings of the 2003 IEEE International Symposium on Performance Analysis of Systems and Software. 2003:70-79.
［14］	PISANI F， PÉREZ D H C， NEUFELD N. High-speed zero-copy data transfer for DAQ applications［J］. Journal of Physics Conference Series， 2015，608（1）. DOI:10.1088/1742-6596/608/1/012028.
［15］	CHAPMAN B， CURTIS T， POPHALE S， et al. Introducing OpenSHMEM: SHMEM for the PGAS community［C］// Proceedings of the 4th Conference on Partitioned Global Address Space Programming Model. 2010:1-3.
［16］	Maynard C. Comparing one-sided communication with MPI， UPC and SHMEM［C］// Cray User Group 2012 Conference. 2012.
［17］	DINAN J， BALAJI P， BUNTINAS D， et al. An implementation and evaluation of the MPI 3.0 one-sided communication interface［J］. Concurrency and Computation Practice and Experience， 2016，28（17）. DOI:10.1002/cpe.3758.
［18］	周寰，郑启龙，汪睿. 基于单边通信的MPI广播算法［J］. 中国科学技术大学学报， 2011，41（4）:334-340.
［19］	HOEFLER T， DINAN J， THAKUR R， et al. Remote memory access programming in MPI-3［J］. ACM Transactions on Parallel Computing， 2015，2（2）:1-26.
［20］	PANDA D K， SUBRAMONI H， CHU C， et al. The MVAPICH project: Transforming research into high-performance MPI library for HPC community［J］. Journal of Computational Science， 2021，52. DOI:10.1016/j.jocs.2020.101208.
［21］	OPEN MPI. OpenMPI［CP/OL］. ［2022-05-21］. https://open-mpi.org.
［22］	沈佳杰，卢修文，向望，等. 分布式存储系统读写一致性算法性能优化研究综述［J］. 计算机工程与科学， 2022，44（4）:571-583.
［23］	DRAGOJEVIĆ A， NARAYANAN D， HODSON O， et al. FaRM: Fast remote memory［C］// Proceedings of the 11th USENIX Conference on Networked Systems Design and Implementation. 2014:401-414.
［24］	MITCHELL C， GENG Y， LI J. Using one-sided RDMA reads to build a fast， CPU-efficient key-value store［C］// Proceedings of the 2013 USENIX Conference on Annual Technical Conference. 2013:103-114.
［25］	JOSE J， SUBRAMONI H， LUO M， et al. Memcached design on high performance RDMA capable interconnects［C］// Proceedings of the 2011 International Conference on Parallel Processing. 2011:743-752.
［26］	FAN B， ANDERSEN D G， KAMINSKY M. MemC3: Compact and concurrent MemCache with dumber caching and smarter hashing［C］// Proceedings of the 10th USENIX conference on Networked Systems Design and Implementation. 2013:371-384.
［27］	WANG Y D， ZHANG L， TAN J， et al. HydraDB: A resilient RDMA-driven key-value middleware for in-memory cluster computing［C］// Proceedings of the International Conference for High Performance Computing， Networking， Storage and Analysis. 2015:1-11.