스왑/zRAM

개요

스왑은 물리적 RAM 용량이 부족할 때, 사용하지 않는 메모리 페이지를 디스크에 임시로 저장하여 시스템이 더 많은 메모리를 가진 것처럼 동작하게 하는 가상 메모리 기법입니다. 전통적인 스왑은 디스크 I/O를 동반하여 지연시간과 SSD 마모를 유발하지만, zRAM은 RAM 내에 압축 블록 디바이스를 만들어 디스크 I/O 없이 스왑을 처리하여 이러한 문제를 크게 완화합니다.

zRAM은 Linux 3.14부터 메인라인에 포함되어 모바일, 임베디드, 클라우드 환경에서 널리 사용되며, Android의 RAM Plus, Samsung의 Extended RAM 같은 이름으로 상용화되어 있습니다. 본 문서에서는 스왑의 동작 원리, zRAM의 내부 구조와 설정 방법, zswap과의 차이, 그리고 운영 관점에서의 선택 기준을 분석합니다.

그림 1. 스왑에서 zRAM까지의 메모리 계층과 데이터 흐름

핵심 개념

스왑의 동작 원리

스왑은 페이지 교환(page swapping)을 통해 물리적 RAM을 초과하는 가상 메모리 공간을 제공합니다. 커널은 사용 빈도가 낮은 페이지를 감지하고, 이를 swap 디바이스에 기록하여 해당 RAM 영역을 다른 프로세스에 재할당합니다.

• PTE(Page Table Entry): 각 프로세스의 주소 공간에서 페이지의 물리적 위치와 상태를 관리합니다.
• Swap entry: PTE에서 스왑 영역으로 교체된 페이지를 나타내는 특별한 형식입니다.
• Swap cache: 스왑 I/O 중복을 줄이기 위한 커널 내 캐시 계층입니다.

zRAM 구조

zRAM은 RAM 내에서 압축 블록 디바이스를 동적으로 생성합니다. 이 디바이스는 /dev/zram<id>로 노출되며, 일반 블록 디바이스처럼 mkswap, swapon으로 활성화할 수 있습니다.

• 압축 풀: RAM에 할당된 압축 데이터 저장 영역으로, on-demand로 할당되고 해제됩니다.
• 메타데이터: 각 페이지의 압축된 크기와 상태를 관리하는 테이블입니다.
• blk-mq 통합: Linux 블록 레이어의 멀티큐와 통합되어 높은 병렬성을 제공합니다.
• 운영 통계 노드: /sys/block/zram0/mm_stat, io_stat, bd_stat로 압축률, 실제 메모리 사용량, writeback량을 관측할 수 있습니다.

zswap과의 차이

zswap과 zRAM은 모두 RAM 기반 압축 swap을 지원하지만, 아키텍처와 사용 사례가 다릅니다.

비교/분석

스왑 기술 비교

압축 알고리즘 비교

동작 원리

zRAM 데이터 흐름

쓰기 경로:
  프로세스 메모리 → 커널 swap → zRAM 압축 → 압축된 RAM 풀

읽기 경로:
  압축된 RAM 풀 → zRAM 해제 → 프로세스 메모리 복원

Writeback 경로:
  압축된 RAM 풀 → 백업 스토리지 (비압축성/아이들 페이지)

zRAM 설정 단계

1. 모듈 로드: modprobe zram num_devices=N으로 zRAM 디바이스를 생성합니다.
2. 압축 알고리즘 선택: /sys/block/zram0/comp_algorithm으로 알고리즘을 설정합니다.
3. 디스크 크기 설정: /sys/block/zram0/disksize에 디스크 크기를 지정합니다. RAM 크기의 2배를 넘기지 않는 것이 일반적입니다.
4. 메모리 제한: /sys/block/zram0/mem_limit으로 압축 데이터에 사용할 최대 메모리를 제한합니다.
5. 활성화: mkswap /dev/zram0 && swapon /dev/zram0으로 스왑으로 활성화합니다.

운영 중에는 mm_stat의 orig_data_size, compr_data_size, mem_used_total을 함께 보면서 실제 절감률과 메타데이터 오버헤드를 확인하는 것이 중요합니다. bd_stat는 writeback이 실제로 얼마나 발생했는지 보여 주므로, SSD 마모 관리가 필요한 환경에서 유용합니다.

writeback 동작

CONFIG_ZRAM_WRITEBACK이 활성화되면, zRAM은 비압축성(huge) 페이지나 아이들(idle) 페이지를 백업 스토리지에 기록할 수 있습니다. 이때 backing_dev는 일반적으로 disksize를 설정하기 전에 준비해야 합니다.

• huge writeback: 압축할 수 없는 페이지를 백업 스토리지에 기록합니다.
• idle writeback: 접근이 없는 콜드 페이지를 백업 스토리지에 기록합니다.
• writeback_limit: 일일 writeback량을 제한하여 SSD 마모를 관리합니다.

recompression 동작

CONFIG_ZRAM_MULTI_COMP는 여러 압축 알고리즘을 지원합니다. 기본 알고리즘 1개와 보조 알고리즘 여러 개를 두고, 메인 알고리즘으로 압축 효율이 낮은 페이지를 더 높은 압축률의 보조 알고리즘으로 다시 압축할 수 있습니다.

1차 압축 (빠름): LZ4로 시도
  → 실패 시 2차 압축 (높은 압축률): ZSTD로 재압축
  → 콜드 페이지: 더 효율적인 알고리즘으로 재압축하여 메모리 절약

장단점

장점

• 디스크 I/O 완전 제거로 SSD 수명 연장 및 시스템 성능 향상
• 모바일/임베디드 환경에서 RAM 용량 가상 확장 (최대 2~5배)
• 디스크 스왑 대비 수백 배 빠른 지연시간 (μs vs ms)
• 커널 모듈 형태로 유연한 설정과 관리 가능
• writeback/recompression으로 메모리 효율 최적화 가능

단점

• CPU 연산 자원을 소모하여 압축/해제 오버헤드 발생
• 비압축성 데이터(이미지, 암호화 데이터)에서는 효과 급감
• 높은 메모리 사용 시 오버헤드가 커질 수 있음
• 기본 설정만으로는 최적이 아닐 수 있어 튜닝 필요
• zswap 대비 설정 복잡도가 높음

관련 기술

참고 문헌

• Linux Kernel Documentation, "zram: Compressed RAM-based block devices", https://docs.kernel.org/admin-guide/blockdev/zram.html
• Linux Kernel Documentation, "zswap — Compressed swap cache", https://docs.kernel.org/admin-guide/mm/zswap.html
• Nitin Gupta, "Compcache: in-memory compressed swapping", LWN.net, 2009
• Jonathan Corbet, "Modernizing swapping: virtual swap spaces", LWN.net, 2026
• Chris Down, "Debunking zswap and zram myths", chrisdown.name, 2026
• Fedora Project, "Swap on zRAM default", Fedora 33+, 2020

관련 문서

• linux_0020_hardware_compression.html - 하드웨어 메모리 압축
• linux_0025_software_compression.html - 소프트웨어 메모리 압축
• linux_0015_linux_memory_optimization.html - Linux 메모리 최적화
• system_0050_pim_architecture_overview.html - PIM/NMP 아키텍처 개요

핵심 정리

1. zRAM은 RAM 내에 압축 블록 디바이스를 생성하여 디스크 I/O 없이 스왑을 처리하는 Linux 커널 모듈입니다.
2. LZO-RLE, LZ4, ZSTD 같은 압축 알고리즘은 지연시간과 압축률의 균형점이 달라 워크로드에 맞춰 선택해야 합니다.
3. writeback은 비압축성/아이들 페이지를 백업 스토리지에 기록하여 메모리 효율을 높이며, writeback_limit으로 SSD 마모를 관리할 수 있습니다.
4. recompression은 콜드 페이지를 더 효율적인 알고리즘으로 재압축하여 메모리 사용량을 추가로 절약합니다.
5. 모바일/임베디드 환경에서는 zRAM이 디스크 스왑의 성능 문제를 크게 완화하며, 서버 환경에서는 zswap과 함께 쓰는 정책도 유효합니다.