基于服務(wù)等級目標(biāo)精確保障的虛擬機(jī)存儲性能優(yōu)化技術(shù).pdf

1、實(shí)現(xiàn)服務(wù)等級目標(biāo)（service level objective,簡稱SLO）的精確保障可以有效避免SLO保障中的資源過量供給問題，從而為性能優(yōu)化提供了更多可用的資源;而性能優(yōu)化必須以SLO為約束條件，否則這種優(yōu)化行為將可能增加SLO違例的風(fēng)險(xiǎn)。但是，在共享服務(wù)構(gòu)架下，要實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)的存儲性能SLO的精確保障并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化將面臨以下挑戰(zhàn):1)用戶對虛擬機(jī)存儲性能的保障需求往往是多方面的，而不同性能指標(biāo)之間存在復(fù)雜的相互干擾。2）如何

2、在保證SLO保障水平的前提下實(shí)現(xiàn)服務(wù)等級目標(biāo)的最大化，從而盡可能避免SLO保障中的資源過量供給問題。3）虛擬化構(gòu)架提供的I/O棧隔離使虛擬機(jī)內(nèi)部的I/O請求隊(duì)列變化不易被虛擬機(jī)以外的I/O調(diào)度及時(shí)感知和控制，從而增加了虛擬機(jī)性能SLO保障的難度。4）優(yōu)化某種存儲性能指標(biāo)往往會導(dǎo)致額外的資源開銷，減少其他存儲性能指標(biāo)SLO保障的資源供給，可能導(dǎo)致性能優(yōu)化和SLO保障的相互干擾。圍繞上述挑戰(zhàn)給出了相應(yīng)方法。
　　提出了面向虛擬機(jī)的端到

3、端的SLO精確保障和基于SLO約束性能優(yōu)化的解決方案。該方案基于一種可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定而精確的SLO保障的I/O控制框架SASLO，它可以支持多個(gè)控制器對同一虛擬機(jī)不同的I/O特征變量進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)多性能指標(biāo)的精確保障。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了面向虛擬機(jī)的端到端的比例積分控制器和I/O請求大小波動控制器，對高度變化的I/O請求特征進(jìn)行自適應(yīng)性反饋控制，從而對I/O吞吐率和I/O帶寬SLO進(jìn)行精確保障。實(shí)驗(yàn)表明，SASLO可以同時(shí)使I/O吞吐率/帶寬的均

4、值誤差降至低于1％，同時(shí)I/O吞吐率和I/O延時(shí)的波動相對于主流經(jīng)典控制方法顯著降低，即SASLO框架有助于性能的穩(wěn)定和不同性能指標(biāo)SLO保障的隔離。
　　提出了基于用戶需要的SLO服從率和性能波動水平實(shí)現(xiàn)服務(wù)等級目標(biāo)最大化的方案。它有助于用戶獲得滿足SLO的穩(wěn)定性能，同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)SLO目標(biāo)值和現(xiàn)有存儲服務(wù)能力的有效匹配。該方案在SASLO框架的基礎(chǔ)上根據(jù)用戶訂制的SLO保障水平和SLO需求通過I/O吞吐率SLO優(yōu)化算法和I

5、/O請求大小限定優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)服務(wù)等級目標(biāo)的優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)表明，只要最大資源利用率小于100%，并行虛擬機(jī)數(shù)量的增加就幾乎不會影響SLO保障水平，這使得該方案允許更多虛擬機(jī)充分利用存儲資源，在保證SLO保障水平的前提下實(shí)現(xiàn)SLO最大化。
　　由于網(wǎng)絡(luò)搜索引擎等大型應(yīng)用往往需要部署在大規(guī)模的虛擬機(jī)集群中，應(yīng)用的I/O響應(yīng)時(shí)間就取決于各虛擬機(jī)的I/O延時(shí)水平。從而使得保障虛擬機(jī)的尾延時(shí)性能變得非常重要。尾延時(shí)是指99、99.9甚至99.99

6、百分位的I/O延時(shí)性能。然而，越來越多的應(yīng)用采用異步I/O接口進(jìn)行I/O請求發(fā)送。異步I/O模式支持I/O請求處理流程的高度并發(fā)，旨在提高資源利用率。然而，這會使虛擬機(jī)的I/O請求特征更具突發(fā)性和自主性，從而增加了尾延時(shí)性能的保障難度。因此，提出了聚合虛擬機(jī)環(huán)境中面向高存儲資源利用率的尾延時(shí)SLO精確保障方案T-CAQ。該方案能根據(jù)尾延時(shí)SLO的違例情況對虛擬機(jī)和主機(jī)側(cè)的I/O請求隊(duì)列進(jìn)行可感知I/O擁塞的自適應(yīng)控制。通過調(diào)節(jié)虛擬機(jī)的I

7、/O并行度和主機(jī)側(cè)I/O請求隊(duì)列中各虛擬機(jī)所占I/O槽位數(shù)量的分配， T-CAQ可以在精確保障各虛擬機(jī)尾延時(shí)SLO的前提下優(yōu)化存儲設(shè)備的I/O資源分配，從而獲得盡可能高的資源利用率。大量的實(shí)驗(yàn)證明，T-CAQ能夠?qū)酆咸摂M機(jī)集群的99.9百分位的尾延時(shí)SLO進(jìn)行精確保障，并實(shí)現(xiàn)了基于SLO的I/O資源利用率的優(yōu)化。其中，在RAID-0磁盤陣列作為存儲設(shè)備的情況下，尾延時(shí)SLO的最大保障誤差為8.6%；而在基于SSD設(shè)備的情況下，最大誤差

8、僅為3.5%。
　　提出了聚合虛擬機(jī)環(huán)境下既定百分位I/O延時(shí)和吞吐率SLO精確保障以及基于SLO的性能優(yōu)化方案PSLO。PSLO可以支持一臺主機(jī)上運(yùn)行的多個(gè)虛擬機(jī)具有完全不同百分位的I/O延時(shí)SLO和I/O吞吐率SLO，并實(shí)現(xiàn)在上述兩維SLO約束下的I/O性能優(yōu)化。支持這樣復(fù)雜的SLO保障需求意味著極大的挑戰(zhàn)。這在很大程度上是因?yàn)榧榷ò俜治籌/O延時(shí)和I/O吞吐率的SLO保障對I/O并行度和I/O到達(dá)率具有相互沖突的控制要求。而

9、PSLO能根據(jù)各虛擬機(jī)I/O延時(shí)的SLO違例情況自適應(yīng)地調(diào)整虛擬機(jī)側(cè)I/O請求隊(duì)列的I/O并行度和I/O到達(dá)率，從而有效支持并行虛擬機(jī)不同的百分位I/O延時(shí)和I/O吞吐率SLO的保障需求。此外，PSLO可以在SLO的約束下根據(jù)不同的優(yōu)化策略充分利用可用的存儲I/O資源優(yōu)化性能。實(shí)驗(yàn)證明，PSLO可以在既定百分位I/O延時(shí)SLO約束下優(yōu)化各虛擬機(jī)的I/O吞吐率，同時(shí)保證I/O吞吐率分配公平；此外，PSLO還能在I/O吞吐率SLO的精確執(zhí)行