이 포스트는 Redis 튜닝에 대해 알아본다.

• 성능 튜닝 포인트
• 시스템 튜닝
  • 대기시간 모니터링
• 서버 튜닝
  • Swapping 모니터링 및 대응
  • AOF 파일에서 발생하는 디스크 IO 문제 대응
  • ScaleOut 을 통한 분산 서버 구축 방안
  • 손상된 메모리 영역에 대한 충분한 테스트/검증을 통한 안정화 방안
  • Redis GDB(Gnu DeBugger) 가이드를 이용한 버그 수집/분석을 통한 안정화 방안
• Slow-Query 튜닝

1. 성능 튜닝 포인트

System 튜닝

Redis 는 메모리 크기, CPU 갯수, 시스템 환경 설정(e.g. Transparent Huge Page, System Process 갯수, Block Size) 등 시스템 환경이 성능에 미치는 영향이 큰 아키텍쳐 구조이다.

Server 튜닝

Redis 서버 아키텍처는 메모리 영역, 프로세스 영역, 파일영역으로 구성되어 있고, 각 영역은 최적화된 환경으로 구축되어야 한다.
만일 구축된 비즈니스 환경과 설계된 데이터 저장 구조가 최적화되지 못한 경우에 관련된 성능 튜닝 영역을 Server 튜닝이라고 한다.

Query 튜닝

인덱스 생성여부, 잘못된 인덱스 타입 선택 등으로 발생하는 성능 지연과 관련된 튜닝 영역을 Query 튜닝이라고 한다.

Design 튜닝

데이터가 저장되는 Object 의 논리적 설계(테이블 구조, 인덱스 구조) 상 구조적 문제로 인해 발생하는 성능 튜닝 영역을 Design 튜닝이라고 한다.

2. 시스템 튜닝

디스크 블록 사이즈

• Redis 서버를 설치하기 전 가장 먼저 고려해야 할 점은 디스크 장치의 블록 사이즈 결정임
  포맷되는 디스크 블록 사이즈는 향후 Redis 서버 전용 메모리 영역의 블록 사이즈로 결정되며, AOF, RDB 파일의 블록 사이즈를 결정하는 기준이 되기 때문임.
• 블록 사이즈는 포맷 시점에 한번 결정되면 변경할 수 없기 때문에 충분한 분석과 설계를 통해 결정해야 함
• 디스크 블록 사이즈를 해당 서버에 설치된 Linux 서버의 용도와 데이터 저장량 등을 고려하여 결정해야 함
  • 동접자가 많고 CRUD 작업이 수행될 예정이라면 기본값보다 한 단계 낮게.
  • Batch 작업, 소수의 사용자가 조회 위주의 데이터를 처리하는 용도이면 한 단계 높게.

NUMA & Transparent Huge Pages(THP) 설정 해제

• Redis 서버는 메모리 영역에 대한 할당과 운영, 관리와 관련된 다양한 메커니즘을 자체적으로 제공하는데
  Linux 서버의 경우에도 시스템 RAM 메모리 영역을 효율적으로 관리하기 위한 메커니즘은 NUMA(Non-Uniform Memory Access) 와 THP (Transparent Huge Page) 를 제공함
• Linux 서버에서 제공하는 메모리 운영 메커니즘들이 작동되는 시스템 환경에서는 Redis 서버에서 제공하는 메모리 운영 메커니즘들이 정상 작동하지 못하기 때문에 성능 지연 문제가 발생할 수 있음
• 이러한 현상은 설치 단계에서 설정 해제를 적극 권장함

Client Keep Alive Time 설정

• 클라이언트가 Redis 서버에 접속한 후 일정한 타임아웃 시간이 지나면 해당 세션은 종료되고 다시 재접속을 하게 되는 상황에서 즉시 접속이 불가한 상태일 때 Wait Time 이 발생.
• 이와 같은 문제점을 해소하기 위해 클라이언트가 일정 시간동안 작업을 수행하지 않더라고 세션을 일정 시간 유지시킴으로써 재접속을 피하고 Wait Time 을 줄인다.

Key Expire 를 통한 대기시간 최소화

• Redis 인스턴스엔 오랜 시간 참조되고 있지 않은 Key 들도 존재하는데 이러한 Key 들이 메모리에 지속적으로 저장되어 있는 것은 메모리 효율성을 저하시키고, 메모리 영역 크기가 부족할 때 대기 시간을 증가시키는 원인이 됨.
• 이를 해소하기 위해 Redis 서버는 Key 를 Expire 시키는 기능을 두 가지 형태로 제공함.
  • LazyFree 파라메터를 이용하여 더 이상 참조되지 않는 Key 를 메모리에서 제거
  • Redis 서버가 내장하고 있는 ACTIVE_EXPIRE_CYCLE_LOOKUPS_PER_LOOP 기능을 이용하여 100 ms 마다 (초당 10회) 만료된 Key 를 자동 삭제
    (default 20, 초당 200 개의 Key 를 만료시켜 제거해줌)

LazyFree 는 Redis - 아키텍쳐 의 4. LazyFree 를 참고하세요.

2.1. 대기시간 모니터링

• Redis 는 서버에서 발생하는 다양한 문제로 인한 성능 지연 상태에 대한 Wait-Time 을 분석할 수 있는 기능 제공
• OS 커널과 가상화를 하게 되면 HyperVisor(가상화 서버 엔진) 에서 발생하는 Wait-Time 과 Redis 서버에서 발생하는 Wait-Time 은 밀접함
• 성능 지연 문제를 유발하는 다양한 원인 중 HyperVisor 의 Wait-Time 을 모니터링하여 최소화하는 것은 매우 중요

OS 커널, HyperVisor 에서 발생하는 고유 대기시간(intrinsic latency) 모니터링

$ redis-cli --intrinsic-latency 10  # 10초 내에 발생하는 latency 분석
Max latency so far: 3 microseconds.
Max latency so far: 4 microseconds.
Max latency so far: 17 microseconds.
Max latency so far: 26 microseconds.
Max latency so far: 38 microseconds.
Max latency so far: 54 microseconds.
Max latency so far: 103 microseconds.
Max latency so far: 250 microseconds.
Max latency so far: 278 microseconds.
Max latency so far: 304 microseconds.

3990275 total runs (avg latency: 2.5061 microseconds / 2506.09 nanoseconds per run).
Worst run took 121x longer than the average latency.  # 평균 지연 시간: 2.5061 microseconds

Network 문제로 인행 발생하는 대기시간

• Redis 서버 내에서 데이터 처리에 소요되는 시간은 대부분 100 microseconds 범위 내이지만, 클라이언트에서 TCP/IP, Socket 을 통해 서버에 접속하여 데이터를 전송하는데 30~200 microseconds 가 소요됨 (=데이터 처리 시간보다 클라이언트에서 서버 접속하고, 그 결과를 다시 전달받는데 소요되는 시간이 더 많이 발생)
• 서버에서 실행되는 job, CPU cache, Numa 등과 같은 환경요소는 실행 시간을 추가로 소요시키는 원인들
• 하나의 서버로 시스템을 구축하는 것보다 여러 대로 물리적 서버를 분리하는 것은 성능 개선에 도움을 줌

또한 Redis 는 단일 스레드 작업이 수행되도록 설계되었는데 Batch 작업, 분석 작업들이 같은 CPU 코어에서 작업되지 않도록 분리하는 것이 중요하다.

3. 서버 튜닝

Redis 서버 설치 시 메모리 영역, 프로세스 영역, 파일 영역으로 구성되는 기본 아키텍쳐가 생성된다.

이 구조가 최적화되지 않은 상태에서 시스템이 구동되면 Redis 서버 성능을 기대할 수 없는데 이에 대한 원인을 분석하고 대응하는 것이 서버 튜닝이다.

3.1. Swapping 모니터링 및 대응

Redis 서버는 사용 가능한 메모리가 부족한 경우 메모리에 저장된 데이터 일부를 디스크로 저장하거나, 디스크에 저장된 데이터를 메모리로 적재하는 경우가 발생하는데 이를 Swapping 이라고 한다.
Swapping 이 자주 발생하면 이를 수행하기 위해 불필요한 시간이 소요되기 때문에 Redis 서버의 성능 지연 문제가 발생할 수 있다.

• Swapping 이 발생하는 경우
  • Redis 인스턴스에 저장되어 있는 DataSet 이 클라이언트에 의해 더 이상 참조되지 않는 유휴상태일 때 OS 커널에 의해 Swapping 될 수 있음
  • Redis 프로세스 일부는 AOF, RDB 파일을 디스크에 저장하기 위해 작동되는데 이 때 Swapping 이 발생할 수 있음

$ redis-cli -p 6379 info | grep process_id
process_id:77258

• Swapping 최소화 대응
  • Redis 인스턴스 크기를 충분히 할당

    $ vi redis.conf
    maxmemory 1000000000  # Redis 인스턴스 크기 늘려줌 
    

    • Redis 서버 설치 시 기본값은 시스템 RAM 메모리가 허용하는 최대 범위까지 사용할 수 있도록 설정됨
    • 이 기본값은 시스템에 하나의 Redis 서버만 독립적으로 설치되고 운영되는 환경이면 문제없지만 다양한 소프트웨어가 함께 운영되면 메모리 효율성이 떨어지게 되며,
      이는 Redis 서버가 사용할 수 있는 메모리가 부족해짐으로써 성능 지연 문제 유발
    • Redis 서버가 독립적으로 설치된다면 전체 RAM 크기의 약 90% 까지 사용할 수 있도록 maxmemory 크기 설정 권장
  • 빅데이터에 대한 Sorting 작업이 빈번하게 발생하는 테이블, DB 는 해당 DB 에 SWAPDB 를 할당

3.2. AOF 파일에서 발생하는 디스크 IO 문제 대응

Redis 서버는 In-Memory 아키텍처를 기반으로 하지만 필요에 따라 AOF 와 RDB 파일로 데이터를 디스크에 저장할 수 있지만, 파일 기반의 DBMS 와는 아키텍처가 다르기 때문에 방대한 데이터를 디스크에 저장 관리하는 것은 한계가 있다.

이러한 데이터 저장 구조 환경에서 데이터 일부를 저장하기 위해 AOF 를 사용하게 되는데 과도한 쓰기 작업은 성능 지연 문제를 유발시키며, 이를 피하기 위해선 appendfsync 파라메터를 적절히 설정하는 것이 좋다.

$ vi redis.conf

appendfsync no  # no, everysec, always

appendfsync

• Redis 인스턴스 상의 데이터를 AOF 파일로 내려쓰기 하는 시점을 언제로 수행할 것인지에 대한 설정
  • everysec
    • 1초마다 쓰기 작업 수행
    • 해당 설정 권장
  • always
    • 실시간으로 쓰기 작업 수행
    • 중요 데이터 손실은 없지만 성능 지연 문제를 피할 수 없음
  • no: default

3.3. ScaleOut 을 통한 분산 서버 구축 방안

3.4. 손상된 메모리 영역에 대한 충분한 테스트/검증을 통한 안정화 방안

In-Memory 기반의 Redis 서버와 시스템 RAM 은 매우 밀접한 관계이다.

RAM 의 손상은 Redis 서버의 성능 지연 문제를 유발할 수도 있는데 2가지 방법으로 테스트가 가능하다.

• Redis 서버에서 할당된 메모리 영역에 대한 손상 여부 확인

  $ redis-server --test-memory 2048  # 테스트할 RAM 크기 지정 
  

• 하드웨어 RAM 상태를 테스트할 수 있는 3rd-party 이용
  • https://www.memtest86.com/

3.5. Redis GDB(Gnu DeBugger) 가이드를 이용한 버그 수집/분석을 통한 안정화 방안

Redis GDB 유틸리티를 이용하여 버그 발생 여부와 로그 내용을 수집하여 개발팀으로 보내면 버그를 해결해주고 있다.

• GDB 유틸리티 특징
  • 현재 실행 중인 Redis 인스턴스에 연결하여 버그가 발새한 시점에 로그 메시지 확인 가능
  • Core 파일에 로그 메시지 저장 가능하며, 이를 Redis 개발팀에 메일로 전달하면 관련 내용 분석 후 조치받을 수 있음
  • GDB 유틸리티의 사용은 Redis 서버 성능 지연 문제를 유발시키지 않기 때문에 안전하게 사용 가가능

4. Slow-Query 튜닝

SLOWLOG 수집/분석

Redis 서버는 사용자가 실행한 쿼리 중 성능 지연 문제가 발생한 쿼리를 자동으로 수집하여 제공한다.
수집 결과에 있는 Execution-Time 은 해당 쿼리가 서버에서 실제 실행된 시간 정보를 나타내는데 이 정보는 SLOWLOG 명령을 통해 분석할 수 있다.

127.0.0.1:6379> set 111 222
OK
127.0.0.1:6379> get 111
"222"

127.0.0.1:6379> slowlog ?
(error) ERR unknown subcommand '?'. Try SLOWLOG HELP.

127.0.0.1:6379> slowlog get 2
1) 1) (integer) 0  # slowquery id
   2) (integer) 1665802066  # OS timestamp
   3) (integer) 32073  # 실행 시간(milliseconds)
   4) 1) "config"
      2) "rewrite"
   5) "127.0.0.1:60258"  # 클라이언트 IP, port
   6) ""

127.0.0.1:6379> slowlog len  # 현재 저장되어 있는 slow query 갯수
(integer) 1

127.0.0.1:6379> slowlog reset  # 저장되어 있는 모든 slow query 초기화
OK

127.0.0.1:6379> get 111
"222"

127.0.0.1:6379> slowlog get 2
(empty array)

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본 포스트는 주종면 저자의 빅데이터 저장 및 분석을 위한 NoSQL & Redis를 기반으로 스터디하며 정리한 내용들입니다.

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