Feingranulare Transaktionen für NVRAM

For decades, there has been a distinction between fast, volatile and slow, non-volatile memory technologies in the storage hierarchy of computer systems. While volatile memories offer a byte addressable interface, persistence was limited to slower, block-oriented media. As a consequence, processing and storing information implies copying data from the persistent storage to volatile memory and vice versa. In recent years, a new memory technology which is both byte-addressable and non-volatile has been announced: Non-Volatile Random Access Memory (NVRAM). Its unique combination of features allows processing of information exactly at the location where it is stored permanently, thereby eliminating the need for copies. Without the need to create and manage copies, data can be processed significantly faster. The processing of persistent information can be disrupted by failures, like crashes. When changes are only partially performed, data might be left in an inconsistent state. Such a situation can be avoided by creating a copy before starting to change data. That backup is restored when a failure has been detected. Such a procedure relies on a highly specific order of its operations, because the backup can only be disposed after all changes have been carried out successfully. Since NVRAM removes the need for accessing block-oriented media, it removes a major bottleneck in the processing of persistent information, especially when only small amounts of data are modified. As a result, controlling the order of operations dominates the processing performance. This thesis analyses transactional mechanisms for data on NVRAM which can guarantee that sequences of operations are either carried out as one unit or not at all. The idea is based on creating backups, as sketched above. Existing approaches for the traditional storage hierarchy use separate memory locations for backup and modified data. In a first step, the costs of applying existing procedures to NVRAM are identified. Afterwards, a novel approach which couples the versions tighter in space is presented. Enabled by the unique properties of NVRAM, this new approach is able to reduce the costs of ordering. The processing of persistent data can thereby be sped up significantly.In der Speicherhierarchie von Computersystemen existiert seit Jahrzehnten eine Trennung zwischen schnellen, flüchtigen und langsamen, nicht-flüchtigen Speichermedien. Im Gegensatz zu Speichern der ersten Kategorie, welche byteweise adressierbar sind, bieten nicht-flüchtige Speicher bisher nur eine blockorientierte Schnittstelle. Infolge dessen sind bei der Verarbeitung und Speicherung von Informationen Kopieroperationen essentiell. In den letzten Jahren wurde eine neue Speichertechnologie angekündigt, welche die bisher getrennten Welten vereint: Non-Volatile Random Access Memory (NVRAM). Dadurch, dass NVRAM zugleich byteweise adressierbar und nicht-flüchtig ist, ermöglicht er es, Daten an genau dem Ort zu verändern, an dem sie dauerhaft gespeichert werden. Ohne die Notwendigkeit von Kopieroperationen können persistente Daten im NVRAM hochgradig effizient verarbeitet werden. Bei der Informationsverarbeitung können Fehler auftreten, beispielsweise wenn das System abstürzt. Sollten zum Zeitpunkt der Fehlers Änderungen nur teilweise ausgeführt worden sein, können die Daten einen ungültigen Zwischenstand repräsentieren. Hat man vor der Änderung eine Sicherungskopie angelegt, so könnte man nach der Erkennung eines solchen Zustandes zum alten Stand zurückkehren indem man die modifizierten Daten verwirft. Dabei ist es von enormer Wichtigkeit, dass die zeitliche Reihenfolge bei der Verwaltung der Kopie eingehalten wird: die alten Daten dürfen erst dann verworfen werden, wenn die neuen aktiv sind. Während bisher der Zugriff auf das nicht-flüchtige Medium die Verarbeitungsgeschwindigkeit dominiert hat, gewinnt mit NVRAM die Einhaltung von Reihenfolgen an Bedeutung. In dieser Arbeit werden Transaktionsmechanismen für NVRAM untersucht, mit denen sichergestellt werden kann, dass Operationen ganz oder gar nicht ausgeführt werden. Als Grundlage dient dabei auch die Idee einer Sicherungskopie. Es werden zuerst die Kosten untersucht, die entstehen wenn das existierende Vorgehen auf NVRAM übertragen wird und Kopie und modifizierte Daten räumlich voneinander getrennt werden. Danach wird ein neuer Ansatz vorgestellt, der beide Versionen örtlich koppelt, was erst durch die einzigartige Kombination der Eigenschaften von NVRAM möglich wird. Diese Arbeit zeigt, dass mit dem neuen Ansatz die Kosten der Kontrolle von Reihenfolgen deutlich reduziert werden können, wodurch die Verarbeitungsgeschwindigkeit von persistenten Daten im NVRAM gesteigert werden kann