Part 4: DPAS 커널 실습

사전 준비

플랫폼별 QEMU 설치 및 Ubuntu VM 구축이 완료된 상태여야 합니다.

• macOS 환경 구축 가이드
• Linux 환경 구축 가이드
• Windows 환경 구축 가이드

Part 1: DPAS 커널 설치

제공된 deb 패키지로 DPAS 패치가 적용된 커널을 설치합니다.

1-1. 패키지 전송

다운로드한 deb 파일을 호스트에서 VM으로 전송합니다.

# 호스트 터미널에서 실행
scp -P 2222 linux-image-5.18.0-dpas_*.deb <username>@localhost:~/
scp -P 2222 linux-headers-5.18.0-dpas_*.deb <username>@localhost:~/

1-2. 설치 및 재부팅

# VM 내부에서 실행
sudo dpkg -i ~/linux-image-5.18.0-dpas_*.deb ~/linux-headers-5.18.0-dpas_*.deb
sudo reboot

1-3. 설치 확인

uname -r
# 5.18.0-dpas

Part 2: 실습 — 모드별 성능 비교

2-1. 벤치마크 스크립트

통합 벤치마크 스크립트 bench.sh를 사용합니다. 5개 I/O completion 모드를 선택적으로 실행하며, 각 모드에서 job 수(1,2,4,8,16)별 IOPS, latency, CPU 사용률, context switch 횟수를 측정합니다.

bench.sh 다운로드

지원 모드

주요 특징

• CPU 0 고정 (taskset -c 0)
• 모드/job 변경마다 modprobe nvme 리로드
• 모드별 NVMe 로드: INT는 poll_queues 없이, 나머지는 poll_queues=jobs (nproc cap)
• DPAS 논문 설정: param1=0, param2=10, param3=10, param4=1
• DPAS 실행 후 모드별 IO breakdown 출력
• 출력 항목: IOPS, avg latency (us), CPU % (usr+sys), context switches

사용법

# VM으로 전송
scp -P 2222 bench.sh <username>@localhost:~/

# VM 내부에서 실행
chmod +x bench.sh

# 기본: 모드 지정 필수, R(read)/W(write) 선택, 반복 횟수 선택
sudo bash bench.sh [모드...] [R|W] [반복횟수]

# 예시
sudo bash bench.sh ALL                  # 전체 모드, randread, 1회
sudo bash bench.sh INT CP DPAS W 3      # 3개 모드, randwrite, 3회
sudo bash bench.sh DPAS 2               # DPAS만, randread, 2회
sudo bash bench.sh ALL W 2              # 전체 모드, randwrite, 2회

# 인자 순서 자유 (아래는 모두 동일)
sudo bash bench.sh INT 2 R CP
sudo bash bench.sh R CP INT 2
sudo bash bench.sh 2 CP R INT

출력 예시

=== INT ===
Jobs         IOPS       lat_us     cpu%        ctx
----       ------       ------    -----     ------
1            7253        137.3      0.2     145087
2           16294        122.2      0.8     250851
...

=== DPAS ===
Jobs         IOPS       lat_us     cpu%        ctx   breakdown
----       ------       ------    -----     ------   ----------
1           18694         53.1     94.7      18058   cp:170035 pas:17100 ol:0 int:0
2           24119         82.1      2.3     398800   cp:1000 pas:800 ol:2801 int:236614
...

2-2. 결과 기록

스크립트 출력의 IOPS를 아래 표에 기록합니다.

2-3. DPAS mode transition 확인

bench.sh 실행 결과의 DPAS breakdown에서 모드 전환을 확인합니다:

기대 동작

2-4. 분석 질문

1. INT와 CP 모드에서 j=1일 때 IOPS 차이의 원인은 무엇인가?
2. CP 모드에서 job 수를 늘려도 IOPS가 크게 증가하지 않는 이유는? (CPU 사용률 관점)
3. DPAS가 j=1에서 CP에 근접하고, j≥4에서 INT에 근접하는 이유를 mode transition 관점에서 설명하시오.
4. switch_stat의 DPAS breakdown에서 pas io 수가 polled io보다 항상 적은 이유는?
5. d_init 값이 DPAS 모드 전환에 미치는 영향을 설명하시오.

Part 3: DPAS 커널 내부 구조

3-0. IO 경로와 DPAS 개입 지점

fio가 IO를 제출하면 커널 block layer를 거쳐 NVMe 드라이버에 도달합니다. DPAS는 polling 경로에서 completion 대기 방식을 제어합니다.

/* Userspace */
fio (pvsync2 --hipri)
  └─ preadv2(RWF_HIPRI)                   /* polling 요청 플래그 */

/* Kernel: IO 제출 (block/fops.c) */
  └─ blk_mq_submit_bio()                  /* block layer 진입 */
       ├─ ★ INT→OL 전환 (int_cnt ≥ 10000)  /* 제출 경로에서 재평가 */
       └─ nvme_queue_rq()                   /* NVMe 드라이버로 전달 */

/* Kernel: IO 완료 대기 (block/blk-mq.c) */
  └─ blk_mq_poll()                        /* polling 진입점 */
       └─ blk_mq_poll_hybrid()             /* ★ DPAS 핵심: 모드 판단 */
            ├─ blk_mq_poll_pas_nsecs()      /* adaptive sleep 계산 (dur, tf) */
            ├─ mode transition logic         /* CP↔PAS→OL→INT 전환 */
            └─ hrtimer_nanosleep()           /* PAS: sleep 후 poll */
               또는 즉시 poll (CP)
               또는 return → interrupt 대기 (INT)

sysfs 인터페이스

DPAS 커널은 /sys/block/nvme0n1/queue/ 아래에 다음 파라미터를 제공합니다.

3-1. 핵심 제어 로직 (block/blk-mq.c)

아래 코드는 blk_mq_poll_hybrid() 내부의 DPAS 모드 전환 로직입니다. sysfs 파라미터가 실제로 어떻게 사용되는지 확인하세요.

① PAS 평가 (100 IO마다)

/* PAS 모드에서 100개 IO를 수집하면 평가 */
if(sc->mode == _PAS && sc->pas_cnt >= 100) {
    average_qd = sc->qd_sum * 10 / sc->pas_cnt;  /* 10x 정밀도 */

    if(sc->param4 >= 1 && average_qd == 10) {  /* ← switch_param4: PAS→CP 활성화 */
        sc->mode = _CP;          /* QD=1.0 → polling이 유리 */

    } else if(sc->tf > sc->param1) {            /* ← switch_param1: PAS→OL 임계치 */
        sc->mode = _OL;          /* timer failure → overloaded */

    } else {                                  /* 유지: PAS에 머무름 */
        sc->pas_cnt = 0;
        sc->qd_sum = 0;
        sc->tf = 0;              /* tf 리셋 (매 평가마다) */
    }
}

② OL 평가 (100 IO마다)

/* OL(Overloaded) 모드에서 100개 IO를 수집하면 평가 */
if(sc->mode == _OL && sc->ol_cnt >= 100) {
    average_qd = sc->qd_sum * 10 / sc->ol_cnt;

    if(average_qd <= sc->param2) {             /* ← switch_param2: OL→PAS 복귀 */
        sc->mode = _PAS;         /* 부하 감소 → sleep 재시도 */

    } else if(average_qd > sc->param3) {       /* ← switch_param3: OL→INT 전환 */
        sc->mode = _INT;         /* 고부하 → interrupt 모드 */

    } else {                                  /* 유지: OL에 머무름 */
        sc->ol_cnt = 0;
        sc->qd_sum = 0;
    }
}

③ Adaptive Sleep & Timer Failure

/* sr_pnlt: 이전 IO가 oversleep(0) / undersleep(1)
   sr_last:  현재 IO가 oversleep(0) / undersleep(1)
   case: sr_pnlt*2 + sr_last → 0,1,2,3 */
cur_case = stat.sr_pnlt * 2 + stat.sr_last;
switch(cur_case) {
    case 0: adj -= dn;                         /* over,over → sleep 감소 */
    case 1: adj = div + up;                     /* over,under → sleep 약간 증가 */
    case 2: adj = div - dn;                     /* under,over → sleep 약간 감소 */
    case 3: adj += up;                          /* under,under → sleep 증가 */
}

stat.dur = stat.dur * adj / div;              /* sleep 시간 업데이트 */

if(stat.dur < q->d_init) {                   /* ← pas_d_init: 최소 sleep */
    stat.dur = q->d_init;                     /* floor clamp */
    sc->tf++;                                 /* timer failure 증가! */
}                                             /* → tf가 쌓이면 PAS→OL 전환 */

Part 4: 커널 소스 컴파일 도전과제

deb 패키지 대신 직접 커널 소스에 DPAS 패치를 적용하고 빌드합니다.

4-1. 빌드 의존성 설치

sudo apt install -y build-essential libncurses-dev bison flex libssl-dev \
    libelf-dev bc pahole dwarves zstd

4-2. 커널 소스 다운로드

cd ~
wget https://cdn.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/linux-5.18.tar.xz
tar xf linux-5.18.tar.xz
cd linux-5.18

4-3. DPAS 패치 적용

# 호스트에서 VM으로 패치 전송 후
patch -p1 < ~/dpas.patch

4-4. 커널 설정 (최소화)

cp /boot/config-$(uname -r) .config
yes '' | make localmodconfig

4-5. 빌드

make -j$(nproc) bindeb-pkg

빌드 완료 시 홈 디렉토리에 linux-image-*.deb, linux-headers-*.deb 파일이 생성됩니다.

4-6. 설치

sudo dpkg -i ~/linux-image-5.18.0-dpas_*.deb ~/linux-headers-5.18.0-dpas_*.deb
sudo reboot

트러블슈팅

참고: QEMU 환경의 제약