JP2006323826A - データベース管理システムでログ書込みを実行するシステム - Google Patents

データベース管理システムでログ書込みを実行するシステム Download PDF

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Abstract

【課題】データベース管理システムにおいてログ書込みを実行するトランザクションロギングシステムを提供する。
【解決手段】トランザクションロギングシステムは、オペレーティングシステムと、完全なデータベーストランザクションを表すログ記録が書き込まれるターゲット記憶システムとが関連する。このシステムは、データベース管理システムによってアクセス可能であり且つオペレーティングシステムによって直接アドレス指定可能である不揮発性メモリを具備する。ログ記録がデータベース管理システムから不揮発性メモリに書き込まれる度に、その確認応答がデータベース管理システムに送出され、それによりログ記録に対応するロックが解放されることが可能になる。ログ記録は続いて、不揮発性メモリからターゲット記憶システムに書き込まれる。
【選択図】図3

Description

本発明は、データベース管理システムでログ書込みを実行するシステムに関する。
ACID特性(Atomicity(原子性)、Consistency(一貫性)、Isolation(隔離性又は独立性)及びDurability(耐久性又は持続性))は、Oracle及びSQLサーバ等の多くのデータベース管理システム(DBMS)に対して本質的なものである。原子性特性及び耐久性特性は、耐久性のある記憶装置にトランザクションをロギングすることに依存する。従来のソリューションでは、通常、これらのトランザクションをディスクドライブにロギングする。従来のデータベースシステムは、入念なロギング技法を使用して、RAMバッファの信頼性を向上させ且つトランザクションセマンティックスを実施していた。ロギングのオーバヘッドを低減するために多くのデータベースシステムは不揮発性記憶装置を使用していたが、これらのシステムにおける不揮発性記憶装置は、通常、ターゲットディスク記憶システムに直接関係するディスク記憶装置である。したがって、データの原子性及び耐久性を確実にするために、DBMSスレッド又はプロセスは、ディスクドライブからログ書込みが完了したという確認応答を受け取るまで待たなければならない。ディスク書込みには数ミリ秒かかかるため、この方法はトランザクションに対する応答時間を増大させ、システム性能全体に待ち時間を増大させる。
ディスクキャッシングディスク(Disk Caching Disk)(DCD)システムは、小さいNVRAMキャッシュ及び小さいキャッシュ・ディスクを使用して、2レベルキャッシュを形成する。書込みデータはまず、小さいNVRAMキャッシュにおいてアセンブルされ、その後キャッシュ・ディスクにロギングされる。キャッシュ・ディスクのデータは、アイドル期間中にデータディスクにデステージされる。2レベル階層構造は、大きい不揮発性キャッシュとして作用する。DCDは、低トラフィック作業負荷から中間トラフィック作業負荷に対して優れた性能を提供するが、高I/O作業負荷に対してDCDを直接適用することにより、いくつかの問題がもたらされる可能性がある。すなわち、DCDはデステージを必要とし、これには、キャッシュ・ディスクから「ダーティな(dirty)」データ(たとえば、ディスクにデステージすなわち書込みされなかった書込みキャッシュのデータ)を読み出し、それをデータディスクに書き込む必要がある。デステージプロセスは、高負荷において性能ボトルネックとなる可能性がある。それは、限られたキャッシュ・ディスク帯域幅に対してデステージ読出し動作とログ書込み動作とが競合するためである。さらに、データによってはキャッシュ・ディスクから読み出されなければならないため、DCDの読出し速度もまた低速である。
ディスクに書き込まれるべきデータをキャッシュする従来技術による1タイプのシステムを図1に示す。図1に示すように、DBMS105は、システムメモリ102を使用して、NIC(ネットワークインタフェースカード)115、ディスクファームウェア120及びディスクキャッシュ125を介してターゲットディスク131に送出されるトランザクションをバッファリングする。ディスクキャッシュ125は、通常、NVRAM又は他のタイプの不揮発性記憶装置である。ディスクキャッシュ125はディスク131に物理的に関連するため、図1のシステムは、本質的には、ディスクエンクロージャ130内部の不揮発性RAMから構成される。
図1に示すタイプのシステムは、ディスクキャッシュメモリ125をDBMS105の下流に配置し、DBMS105は、ディスクドライブからの各ログ書込みが完了したというリモート確認応答を必要とする。図1のシステムにおける確認応答情報のフローには、ターゲットディスク131からDBMS105に返信される検証及びハンドシェーキングメッセージ107、109、112、117及び122(破線矢印によって示す)が含まれる。この確認応答手続きにより、データベーストランザクションに対する応答時間が大幅に増大する。それは、ハンドシェーキングが破線矢印122、117、112、109及び107に示す経路にわたって行われなければならないためである。
ディスクに書き込まれるべきデータをキャッシュする別の従来技術によるシステムを図2に示す。図2に示すシステムでは、iSCSI要求に対し2レベル階層キャッシュ(「iキャッシュ(icache)」202)を形成するために、わずかな量の不揮発性RAM(NVRAM)203及び「ログ」ディスク204を使用する。このシステムは、複数の小さい書込み要求を蓄積し、ネットワーク218を介してデータをリモート記憶装置に書き込む前に、データをキャッシュする「ログディスク」204にデータを書き込むためにログ構造化ファイルシステムを利用して、それら要求を大きい要求(「ログ」と呼ばれるが、個々のDBMSトランザクションとは等価ではない)に変換する。NVRAM203における新たに書き込まれたデータの量が十分に大きくなると、又はログディスクが開放されると、データはログディスク204に書き込まれる。ログディスク204に格納されたデータは、iキャッシュ202、iSCSIソフトウェア210及びネットワーク218を介してターゲットディスク220に定期的に書き込まれる。
図2のシステムは、SCSIコマンドをローカライズすることにより、ネットワーク218にわたる不要なトラフィックを低減する。このように、本システムは、本来はネットワーク上を移動していたデータの一部を破棄する記憶装置フィルタとして作用し、それにより限られたネットワーク帯域幅によって課されるボトルネックを低減する。図2のシステムにおける確認応答情報の流れには、ターゲットディスク220からファイルシステム205に返信される検証及びハンドシェーキングメッセージ212、213、214、215、216及び217(破線矢印によって示す)が含まれる。この確認応答手続きにより、システムトランザクションに対する応答時間が大幅に増大する。
図2に示すタイプのシステムにおける「ログ」は、データベース用語における従来のログと同じものではない、ということが留意されるべきである。図2に示すタイプのシステムは、小さいTCP/IPトランザクションをグループ化してより大きいトランザクションにすることにより、iSCSIリンクを調整しようと試みる。図2の図におけるデータフローに関して、図2に表されるタイプのシステムの機能は、2つの相容れないプロトコル、すなわちSCSI及びTCP/IPを、SCSIが利用可能な帯域幅を低減することなくTCP/IPの信頼性を維持する方法で調停することである、ということが留意されるべきである。これには、多くの小さいTCP/IPパケットを合体してわずかな数の大きいパケットにすることが必要である。
パケットを喪失すること(それによりネットワーク信頼性が低減すること)を回避するために、図2のシステムにおいて、NVRAM203に中間データ構造を保管する。これにより、図2のiSCSIシステムは、データを保存するのではなくプロトコル信頼性を保証するように機能する。確立されたDBMSの原理とはさらに対照的に、iSCSIシステムは、DBMSと同じイベントの結果としてデータをロギングせず、データは各トランザクションの最後にロギングされる。
必要なことは、原子性及び耐久性という特性を維持しながら、DBMSからディスクへの書込みに関連するディスクドライブ応答時間を低減する方法である。
データベース管理システムにおいてログ書込みを実行するトランザクションロギングシステムが提供される。トランザクションロギングシステムは、オペレーティングシステムと、完全なデータベーストランザクションを表すログ記録が書き込まれるターゲット記憶システムとが関連する。一実施の形態において、このシステムは、データベース管理システムによってアクセス可能であり且つオペレーティングシステムによって直接アドレス指定可能である不揮発性メモリを具備する。ログ記録がデータベース管理システムから不揮発性メモリに書き込まれる度に、その確認応答がデータベース管理システムに送出され、それによりログ記録に対応するロックが解放されることが可能になる。ログ記録は続いて、不揮発性メモリからターゲット記憶システムに書き込まれる。
本システムでは、DBMS(データベース管理システム)は、DBMSログ記録を格納するためにメモリマップドファイル(I/O動作がオペレーティングシステムのファイルシステムを介して実行される)として又は共有メモリ(DBMSがrawI/Oを実行する)として不揮発性RAMを使用する。不揮発性メモリロケーションに存在するデータは、新たなログエントリに対して場所を空けるために定期的にディスクに書き込まれる。これを、オペレーティングシステムにより(メモリマップドファイル機能を介して)又は共有メモリを介するrawI/Oの場合は別個のDBMSスレッド又はプロセスによって行うことができる。
図3は、不揮発性メモリへのDBMSログ書込みを実行する本トランザクションロギングシステム300の例示的な実施形態の図である。図3に示すように、システム300は、ローカルコンピュータシステム301を備え、それは、ターゲットディスク331及びディスクコントローラファームウェア325を含むターゲット記憶システム330に接続される。ローカルシステム301は、プロセッサ302と、DBMS305及び関連するオペレーティングシステム(O/S)304と、不揮発性メモリ310と、I/Oデバイスドライバ315と、NIC(ネットワークインタフェースカード)320とを含む。NIC320は、別法として、記憶システム330と通信するために適した任意のタイプのアダプタ又は他のデバイスであってもよい。記憶システム330は、通常、ディスクファームウェア325と、物理ディスク記憶媒体331とを含む。不揮発性メモリ310は、オペレーティングシステム304が直接アドレス指定可能であり、特に、例示的な実施形態では、オペレーティングシステムのアドレス空間312に存在する。
不揮発性メモリ310は、NVRAM(バッテリバックアップ式であるRAM、又はバッテリバックアップを必要としないFRAM(強誘電性RAM)であってもよい)、又はたとえばMRAM(磁気RAM)又はARS(atomic resolution storage:原子分解能記憶装置)を使用して構築された「半導体ディスク」メモリ、又はアクセスレイテンシが短い他の不揮発性記憶デバイスであってもよい。
本明細書では、「不揮発性メモリ」という用語を使用して、回転媒体を必要とする従来のディスクメモリとは区別されるように、上述したタイプの非回転メモリを含む任意のタイプの非回転、低レイテンシ不揮発性メモリを言う。通常の不揮発性メモリへのログ書込みには、最大数100ナノ秒かかり、比較すると、ディスクへのログ書込みは、通常数ミリ秒かかる。使用中のシステムでは、DBMSは、毎秒何千ものログ書込みを発行する場合がある。NVRAM等の密結合媒体にこれらの記録を書き込む累積効果により、2つの方法で実質的に全体の性能が向上する。すなわち、ログ書込みに対して応答時間が低減し、ロック常駐(residency)時間(すなわち、DBMSがロックを保持する時間)もまた低減することにより、待ち行列の遅延が低減する。
図4は、本システム300の一実施形態の動作において実行される例示的なステップのセットを示すフローチャートである。本システムの動作は、図3及び図4を互いに関連して見ることにより最もよく理解される。図3及び図4に示すように、ステップ405において、矢印306によって示すように、ログ記録303がDBMS305から不揮発性メモリ310に書き込まれる。各ログ記録303の書込みは、関連するアプリケーション(図示せず)からDBMSに向けられた書込み要求によって開始する。例示的な実施形態では、DBMS305は、たとえば、メモリを割り当てるために採用されるO/Sコール(たとえば、UNIX(登録商標)システムにおける「malloc」コール)を介して、不揮発性メモリ310への書込み動作を実行するように命令される。
任意のDBMSトランザクションに対して2つの部分がある。すなわち、(1)データベース自体への変更と、(2)対応するログ記録の作成とである。本システムでは、DBMSワークフローは一連の完全なトランザクションとして構成される。「完全なトランザクション」は、上記(1)と(2)との両方を意味する。各DBMSトランザクションは、対応するログ記録303が不揮発性メモリ310に書き込まれるように要求する。これらトランザクションは原子的であり、すなわち、失敗し取り消されるか、又は全体としてコミットされる。部分的な結果は認められない。この原子性は、当該技術分野において既知であるロギング及びコミットプロトコルを通して維持される。
本発明は、DBMSに密結合された不揮発性メモリ310を、主にレイテンシを低減するために使用するが、DBMS信頼性もまた向上する。不揮発性メモリ310は、ディスクドライブ記憶装置より信頼性が高く、本システムの不揮発性メモリが、たとえば内部I/Oバスを介して、その後PCIバスインタフェースを介して、最後にSCSIカード及びSCSIバスを通してアクセスされるのではなく(上記コンポーネントのうちのいずれか1つに障害が発生するか又は一時的に利用不能となる場合がある)、オペレーティングシステムのアドレス空間312の一部であるという意味で、よりアクセス性が高い。
ステップ410において、確認応答307が不揮発性メモリ310からDBMS305に送出される(矢印307によって示すように)ことにより、ログ記録303が不揮発性メモリ310に正しく書き込まれたことが通知され、すなわちログ記録書込み動作が完了したことが示される。これにより、現DBMSスレッドは、書込み動作に関連するいかなるラッチ又はロックも解放し、それにより関連するアプリケーションは実行を続けることができる。メモリマップドファイルの場合、矢印307によって示される確認応答は、O/Sファイルシステムによって生成される。共有メモリの場合、確認応答は、O/S仮想メモリシステムから来る。オペレーティングシステムコールインタフェース(図示せず)は、通常、この確認応答機能を提供する。
ステップ415において、矢印311によって示すように、1つ又は複数のログ記録303がI/Oデバイスドライバ315に書き込まれる。ログ記録303を、各確認応答307の直後にディスク331に(ファームウェア325と、デバイスドライバ315及びNIC320等の任意の介入ハードウェアとを介して)書き込んでもよい。各ログ記録303を即時書き込むことにより、たとえばDBMSとNVRAMバッテリバックアップとが共に略同時に故障した場合にシステム信頼性をわずかに向上させることができる。別法として、複数のログ記録を不揮発性メモリ310に格納し又はそこで待ち行列に入れてもよく、不揮発性メモリ310に所定数の記録が蓄積された後、又は所定の最大期間の後、周期的にディスクに「バッチ書き込みされ」てもよい。複数のログ記録をディスクに「バッチ書き込みする」ことにより、ディスクトラフィックと各I/O動作に関連するパス長との量が最小限になる。
I/Oデバイスドライバ315は、NIC、又は記憶システム330と通信するために適した他のデバイスであってもよい、インタフェースカード320を制御するために使用される、任意のドライバソフトウェア又はファームウェアを備える。そして、デバイスドライバ315は、ステップ420において、矢印316によって示すように、ログ記録303をインタフェースカード320に書き込む。ステップ425において、インタフェースカード320は、ログ記録をディスクドライブに送出し、そこでログ記録はディスクファームウェア325によって読出される。矢印321によって示すように、ログ記録は、インタフェースカード320からディスクファームウェア325に、データバス、ローカルエリアネットワーク又は他の任意のタイプのネットワークであってもよい通信ファブリック323を介して送出される。そして、ステップ430において、矢印326によって示すように、ログ記録303は物理ディスク(ターゲットディスク)331に書き込まれる。
なお、図3のデータフロー(矢印306、311、316、321、326によって示す)は、本質的にDBMS305からターゲットディスク331に単方向である(不揮発性メモリ310からDBMS305に送出される確認応答を除く)ことに留意されたい。この単方向データフローにより、応答時間が大幅に低減し、原子性特性及び耐久性特性を維持しながら性能が向上する。ロック常駐時間もまた大幅に低減し、並列性が向上し、ロック時の待ち行列が縮小し低減する。停電又は続く主なシステムコンポーネントの障害中におけるDBMSの可用性もまた向上する。かかるイベントの場合、DBMS及び関連するアプリケーションを単に再始動させることにより回復が達成される。すなわち、すべてのオープントランザクションの現状態が不揮発性メモリ310に維持されるため、複雑なリドゥ・アンドゥ(redo-undo)シーケンスが不要である。
図5は、本トランザクションロギングシステムの例示的な実施形態500を示し、そこでは、ターゲット記憶システム330は本質的にコンピュータシステム501に対して「ローカル」である。図5に示すように、したがってシステム500はコンピュータシステム501を備え、それは、ターゲットディスク331及びディスクコントローラファームウェア325をさらに含むターゲット記憶システム330を含む。コンピュータシステム501は、プロセッサ302と、DBMS305及び関連するオペレーティングシステム304と、不揮発性メモリ310と、I/Oデバイスドライバ315とを含む。不揮発性メモリ310は、オペレーティングシステム304のアドレス空間312の一部である。
システム500をシステム300(図3に示す)と比較すると、システム500にはネットワークインタフェースカード320が存在せず、このためシステム300におけるログ記録303からインタフェースカード320への書込み動作(図3の矢印316によって示す)が、システム500では発生しないことがわかる。システム500の動作について、図6を参照して以下に説明する。
図6は、本システムの代替実施形態の動作において実行される例示的なステップのセットを示すフローチャートである。本システムの動作は、図5及び図6を互いに関連して見ることにより最もよく理解される。図5及び図6に示すように、ステップ605において、矢印506によって示すように、ログ記録303がDBMS305から不揮発性メモリ310に書き込まれる。各ログ記録303の書込みは、関連するアプリケーション(図示せず)からDBMSに向けられた書込み要求によって開始する。DBMS305は、メモリを割り当てるために採用されるO/Sコール(たとえば、UNIX(登録商標)システムにおける「malloc」コール)を介して、不揮発性メモリ310への書込み動作を実行するように命令される。
ステップ610において、不揮発性メモリ310からDBMS305に確認応答が送出されることにより(矢印507によって示すように)、ログ記録303が不揮発性メモリ310に正しく書き込まれたことが通知される。これにより、現DBMSスレッドは、書込みに関連するいかなるラッチ又はロックも解放し、関連するアプリケーションの順方向プロセスが可能となる。
ステップ615において、矢印511によって示すように、ログ記録303がデバイスドライバ315に書き込まれる。デバイスドライバ315は、記憶システム330と通信するために使用される任意のドライバソフトウェア又はファームウェアを備える。一実施形態では、ログ記録303は、各確認応答507の直後にディスク331に書き込まれる。別法として、複数のログ記録が、不揮発性メモリ310に格納され又はそこで待ち行列に入れられ、所定数の記録が不揮発性メモリ310に蓄積された後か、又は所定の最大期間後に、ディスクに定期的に「バッチ書き込みされる」。
ステップ625において、その後デバイスドライバ315は、記憶システム330にログ記録303を書き込み、そこでログ記録はディスクファームウェア325によって読み出される(矢印521によって示すように)そして、ステップ630において、矢印526によって示すように、ログ記録303は物理ディスク(ターゲットディスク)331に書き込まれる。
本明細書で説明することの範囲から逸脱することなく、上記方法及びシステムにおいていくつかの変更を行ってもよい。上記説明に含まれるか又は添付の図面に示すことはすべて、限定する意味ではなく例示的なものとして解釈される、ということが留意されるべきである。たとえば、図3及び図5に示すシステムを、そこに示すもの以外のコンポーネントを含むように構成してもよく、それらコンポーネントを他の構成で配置してもよい。図4及び図6に示す要素及びステップを、本明細書で説明した方法に従って変更してもよく、そこに示すステップを、ここで説明したシステムの精神から逸脱することなく他の構成において一定の順序に配列してもよい。添付の特許請求の範囲は、本明細書で説明した包括的な特徴及び特定の特徴のすべてと、言語の問題としてそれらの間にあるものと言われてもよい本方法、システム及び構造の範囲のすべての記述とを包含することが意図されている。
ディスクに書き込まれるべきデータをキャッシュする従来技術によるシステムを示す図である。 ディスクに書き込まれるべきデータをキャッシュする別の従来技術によるシステムを示す図である。 不揮発性メモリに対するDBMSログ書込みを実行する本システムの例示的な実施形態の図である。 本システムの一実施形態の動作において実行される例示的なステップのセットを示すフローチャートである。 ターゲットディスクシステムが直接不揮発性メモリに接続されている本システムの例示的な実施形態を示す図である。 本システムの一実施形態の動作において実行される例示的なステップのセットを示すフローチャートである。
符号の説明
102・・・メモリ
105・・・DBMS
110・・・デバイスドライバ
115・・・NIC
120・・・ディスクファームウェア
125・・・ディスクキャッシュ
130・・・ディスクエンクロージャ
131・・・ディスク
202・・・iキャッシュ
203・・・NVRAM
204・・・「ログ」ディスク
205・・・ファイルシステム
210・・・iSCSIソフトウェア
218・・・ネットワーク
220・・・ディスク
300・・・トランザクションロギングシステム
301・・・ローカルシステム
302・・・プロセッサ
303・・・ログ記録
304・・・O/S
305・・・DBMS
310・・・不揮発性メモリ
312・・・O/Sアドレス空間
315・・・デバイスドライバ
320・・・NIC
323・・・通信ファブリック
325・・・ディスクファームウェア
330・・・記憶システム
331・・・ディスク
500・・・トランザクションロギングシステム
501・・・コンピュータシステム

Claims (10)

  1. データベース管理システム(305)においてログ書込みを実行し、オペレーティングシステム(304)と、データベーストランザクションに対応するログ記録(303)が書き込まれるターゲット記憶システム(330)とが関連するトランザクションロギングシステム(301)であって、
    前記データベース管理システム(305)によってアクセス可能であり且つ前記オペレーティングシステム(304)によって直接アドレス指定可能である不揮発性メモリ(310)
    を具備し、
    前記ログ記録(303)のうちの1つが前記データベース管理システム(305)から前記不揮発性メモリ(310)に書き込まれる度に、その確認応答(307)が前記データベース管理システム(305)に送出され、それにより前記ログ記録のうちの1つに対応するロックが解放されることが可能になる
    トランザクションロギングシステム。
  2. 前記不揮発性メモリ(310)に書き込まれる前記ログ記録(303)の各々は、前記ターゲット記憶システム(330)に逐次書き込まれる
    請求項1に記載のトランザクションロギングシステム。
  3. 前記不揮発性メモリ(310)は、前記オペレーティングシステムのアドレス空間(312)に存在する
    請求項1に記載のトランザクションロギングシステム。
  4. 前記ログ記録(303)の各々は、各前記確認応答(307)が前記データベース管理システム(305)に送出された直後に、前記不揮発性メモリ(310)から前記ターゲット記憶システム(330)に書き込まれる
    請求項1に記載のトランザクションロギングシステム。
  5. 複数の前記ログ記録(303)は、前記不揮発性メモリ(310)に同時に格納され、前記ターゲット記憶システム(330)に定期的に書き込まれる
    請求項1に記載のトランザクションロギングシステム。
  6. トランザクションロギングシステム(301)であって、ネットワーク(323)を介して前記ターゲット記憶システム(330)にアクセスする
    請求項1に記載のトランザクションロギングシステム。
  7. 前記ターゲット記憶システム(330)は、当該トランザクションロギングシステム(301)に対してローカルである
    請求項1に記載のトランザクションロギングシステム。
  8. データベース管理システム(305)においてログ書込みを実行し、オペレーティングシステム(304)と、データベーストランザクションに対応するログ記録(303)が書き込まれるターゲット記憶システム(330)とが関連するトランザクションロギングシステム(301)であって、
    前記オペレーティングシステム(304)のアドレス空間(312)に存在する非回転不揮発性メモリ(310)
    を具備し、
    前記ログ記録(303)のうちの1つが前記データベース管理システム(305)から前記不揮発性メモリ(310)に書き込まれる度に、その確認応答(307)が前記データベース管理システム(305)に送出され、それにより前記ログ記録(303)のうちの1つに対応するロックが解放され、関連するアプリケーションが実行を続けることが可能になる
    トランザクションロギングシステム。
  9. 前記ログ記録(303)の各々は、各前記確認応答(307)が前記データベース管理システム(305)に送出された直後に、前記不揮発性メモリ(310)から前記ターゲット記憶システム(330)に書き込まれる
    請求項8に記載のトランザクションロギングシステム。
  10. 複数の前記ログ記録(303)は、前記不揮発性メモリ(310)に同時に格納され、前記ターゲット記憶システム(330)に定期的に書き込まれる
    請求項8に記載のトランザクションロギングシステム。
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