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Speicherhierarchie-Optimierung & RocksDB Tuning

Dieser Leitfaden beschreibt, wie du die Speicherhierarchie für THEMIS mit RocksDB effektiv konfigurierst.

RocksDB Kompression

Verfügbare Algorithmen

THEMIS unterstützt folgende Kompressionsalgorithmen (konfigurierbar via compression_default und compression_bottommost):

Algorithmus	Kompressionsrate	CPU-Overhead	Write-Speed	Read-Speed	Empfehlung
None	1.0x (keine)	Minimal	⚡ Sehr schnell	⚡ Sehr schnell	Nur für sehr schnelle SSDs mit viel Speicher
LZ4	2-3x	Niedrig	⚡ Schnell	⚡ Schnell	✅ Empfohlen für Level 0-5
ZSTD	3-5x	Mittel	Mittel	Schnell	✅ Empfohlen für Level 6+ (bottommost)
Snappy	2-2.5x	Niedrig	Schnell	Schnell	Alternative zu LZ4
Zlib	3-4x	Hoch	Langsam	Mittel	⚠️ Nicht empfohlen

Benchmark-Ergebnisse

Test: 10.000 Entities à ~2KB (gemischte JSON-Daten mit Text)

Compression         DB Size (MB)    Ratio    Write (MB/s)    Read (MB/s)
------------------------------------------------------------------------------
none / none             ~45         1.0x        34.5           125.3
lz4 / zstd              ~19         2.4x        33.8           118.4
zstd / zstd             ~15         2.9x        32.3           112.7
snappy / zstd           ~19         2.3x        33.1           115.9

Empfehlung: compression_default = "lz4" + compression_bottommost = "zstd" für besten Trade-off zwischen Speicherplatz und Performance.

Konfiguration

RocksDBWrapper::Config config;
config.compression_default = "lz4";       // Für Level 0-5
config.compression_bottommost = "zstd";   // Für Level 6+ (selten gelesen)

Bei der DB-Erstellung wird die Kompression automatisch aktiviert. Prüfen mit:

# OPTIONS-Datei inspizieren
cat data/themis_server/OPTIONS-* | grep compression

Ziele

• WAL (Write-Ahead-Log) auf schnelle NVMe
• SSTables verteilt auf mehrere NVMe-Pfade (Hot/Cold möglich)
• Großer Block-Cache im RAM, Index/Filter bevorzugt (High-Priority-Pool)
• Direkte I/O für Flush/Compaction optional, um OS-Cache zu umgehen
• Bloom-Filter und Partitioned-Filter für schnelle Point-Lookups

Relevante Konfiguration (RocksDBWrapper::Config)

• Verzeichnisse

  • db_path: Hauptpfad für DB
  • wal_dir: separates WAL-Verzeichnis (z. B. NVMe1) — leer = Standard unter db_path
  • db_paths: Liste aus { path, target_size_bytes } (z. B. NVMe2, NVMe3)

• Kompression

  • compression_default: Algorithmus für Level 0-5 (empfohlen: "lz4")
  • compression_bottommost: Algorithmus für Level 6+ (empfohlen: "zstd")

• Caches/Filter

  • block_cache_size_mb: Größe des Block-Caches in MB
  • cache_index_and_filter_blocks (true)
  • pin_l0_filter_and_index_blocks_in_cache (true)
  • partition_filters (true)
  • high_pri_pool_ratio (0.5): Anteil für Index/Filter im Cache
  • bloom_bits_per_key (10)

• Write Buffer / Compaction

  • memtable_size_mb (z. B. 256)
  • max_write_buffer_number (3)
  • min_write_buffer_number_to_merge (1)
  • use_universal_compaction (false/true)
  • dynamic_level_bytes (true)
  • target_file_size_base_mb (64)
  • max_bytes_for_level_base_mb (256)

• I/O

  • use_direct_reads (false)
  • use_direct_io_for_flush_and_compaction (false)

• WAL

  • enable_wal (true) — write_options.sync

• Kompression (best-effort)

  • Default: LZ4 (Levels), ZSTD (Bottommost)

Beispielkonfiguration

themis::RocksDBWrapper::Config cfg;
cfg.db_path = "D:/data/vccdb";            // Hauptpfad
cfg.wal_dir = "E:/logs/vccdb_wal";       // WAL auf separater NVMe
cfg.db_paths = {
    {"D:/data/vccdb",       500ull * 1024 * 1024 * 1024}, // 500 GB
    {"F:/data/vccdb_hot",   500ull * 1024 * 1024 * 1024}  // 500 GB
};

cfg.memtable_size_mb = 512;
cfg.block_cache_size_mb = 4096; // 4 GB Cache
cfg.cache_index_and_filter_blocks = true;
cfg.pin_l0_filter_and_index_blocks_in_cache = true;
cfg.partition_filters = true;
cfg.high_pri_pool_ratio = 0.5;
cfg.bloom_bits_per_key = 10;

cfg.max_write_buffer_number = 4;
cfg.min_write_buffer_number_to_merge = 1;
cfg.use_universal_compaction = false;
cfg.dynamic_level_bytes = true;
cfg.target_file_size_base_mb = 128;
cfg.max_bytes_for_level_base_mb = 1024;

cfg.use_direct_reads = false;
cfg.use_direct_io_for_flush_and_compaction = true;

Hinweise

• Direct I/O kann Performance verbessern, wenn der RocksDB-Block-Cache groß ist und OS-Cache thrashen würde. Testen!
• db_paths verteilt neue SSTables über Pfade entsprechend target_size_bytes.
• Für GPU-ANN (Faiss-GPU) ist VRAM-Management separat (Task 6/Weiteres); hier nicht enthalten.
• Prüfe rocksdb.stats (siehe RocksDBWrapper::getStats) nach Lasttests und passe Parameter an.

THEMIS_INFO("{}", db.getStats());

Troubleshooting

• Langsame Point-Lookups: bloom_bits_per_key erhöhen, cache_index_and_filter_blocks aktivieren.
• Hohe Latenzen beim Flush/Compaction: use_direct_io_for_flush_and_compaction testen; mehr Background-Jobs (max_background_jobs).
• RAM zu knapp: block_cache_size_mb reduzieren, memtable_size_mb anpassen.