多命名空间结合cgroup保障存储QoS

程序员文章站 2024-03-14 21:17:23

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6月， Step Ahead 向前一步——Memblaze 新品发布会在北京召开，Memblaze在发布会现场围绕PBlaze5 910/916及510/516两大系列NVMe SSD的能源效率、Trim保障云业务、多命名空间与cgroup结合保障存储QoS等主题做了演示方案。这些方案全面展示了Memblaze新一代NVMe SSD产品的优势，而且对于企业用户部署和使用NVMe SSD，构建高速、高效的存储系统同样具有借鉴意义。

在此我们将对这些关键的技术细节通过系列文章解读，本文主要介绍的是多命名空间结合cgroup保障存储QoS的方案。

关于多命名空间和cgroup

多命名空间（为方便解释相关操作及原理，后文命名空间会写成namespace）是PBlaze5系列NVMe SSD的一项关键特性，用户空间被多个namespace划开。在PBlaze5系列产品中，可以将逻辑块按需划分为最多32个namespace，每个namespace拥有独立逻辑地址和NSID，独立格式化和访问。Controller 就是通过 NSID 来引用特定的 namespace 。

多命名空间结合cgroup保障存储QoS

划分了32个namespace的PBlaze5

每个namespace 都可以单独配置硬盘的参数，如配置不同的物理扇区大小、执行trim指令、数据保护、加密等。需要指出的是多名命空间在NVMe SSD的实现原理在NVMe标准协议中有明确的定义，但是不同厂商对其有不同的解释。

这就是多命名空间，他为上层的资源调度机制提供了一个基础平台。结合cgroup就可以控制存储的QoS。（关于多命名空间更多细节，参见文章《实锤，PBlaze5实力演绎multiplenamespaces 功能（上）》和《实锤，PBlaze5实力演绎multiplenamespaces 功能（下）》）。

cgroup（control group）是Linux内核提供的一种可以限制、记录、隔离进程组（process groups）所使用的物理资源（如：CPU, Memory, IO等）的机制。最初由Google的工程师提出，2007 年进入 Linux 2.6.24 内核。cgroup 也是 LXC/Docker 为实现虚拟化所使用的资源管理手段。可见cgroup对于Linux的资源管理和容器的实现都具有重要的意义，并且这是一项较为成熟的技术。

cgroup分v1和v2两个版本，v1实现较早但是应用较为广泛；v2则是重新设计之后的版本，该版本从Linux 4.5内核开始可以用于生产环境，并且v1和v2可以混合使用。由于当下cgroup v1版更加成熟，本文也使用v1版进行介绍。

使用cgroup之前需要介绍几个比较重要的概念：

• 任务（task）。在 cgroup 中，任务就是系统的一个进程；

• 控制组（control group）。控制组就是一组按照某种标准划分的进程。cgroup 中的资源控制都是以控制组为单位实现。一个进程可以加入到某个控制组，也从一个进程组迁移到另一个控制组。一个进程组的进程可以使用 cgroup 以控制组为单位分配的资源，同时受到 cgroup 以控制组为单位设定的限制；

• 层级（hierarchy）。控制组可以组织成 hierarchical 的形式，既一颗控制组树。控制组树上的子节点控制组是父节点控制组的孩子，继承父控制组的特定的属性；

• 子系统（subsystem）。一个子系统就是一个资源控制器，本文介绍的方案使用的就是blkio子系统，其他的还有memory、cpu、cpuset等等子系统。子系统必须附加（attach）到一个层级上才能起作用，一个子系统附加到某个层级以后，这个层级上的所有控制族群都受到这个子系统的控制。

关于cgoup的相关信息和使用方法都可以在其官方文档中找到，这里不多赘述，只对blkio子系统使用进行一个介绍。blkio子系统主要功能是控制磁盘等块设备的性能等参数，挂载cgroup root目录以及blkio子系统如下所示：

echo "259:0 102400" > blkio.throttle.read_bps_device
echo "259:0 10" > blkio.throttle.read_iops_device

在对应的子系统目录下通过mkdir创建资源组，rmdir可将对应资源组删除。
实际操作中，以读的IOPS和带宽为例，可以分别设置两个参数的上限，如下所示：

mount -t tmpfs cgroup_root /sys/fs/cgroup
mkdir /sys/fs/cgroup/blkio
mount -t cgroup -o blkio none /sys/fs/cgroup/blkio

第一条命令将259:0设备（这里的设备可以是namespace，下同）的读带宽限定在100KB/s，第二条命令将259:0设备读iops限定在10。

用户可以依照上面的命令格式对读和写的IOPS和带宽分别进行设置，cgroup会依据多个阈值对设备（这里可以是多个1到多个namespace）的性能进行精准的控制，如此一来，即便是读写混合、多种I/O size混合的应用场景，NVMe SSD的QoS仍然有保障。

测试结果展示
多命名空间结合cgroup保障存储QoS的方案能够实现的效果在日前Step Ahead 向前一步——Memblaze 新品发布会上进行了详细的展示，这里我们对进行再次解读。
测试条件
Server： PowerEdge R730xd
cpu：Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2640 v3 @ 2.60GHz
Memory：64GB
Storage：PBlaze5 910 U.2 3.84T NVMe SSD

测试软件：fio-3.2

实验介绍
在戴尔的R730xd上装一块3.84TB的PBlaze5 910 NVMe SSD，创建8个相同容量的namespace。使用fio进行测试，并对读IOPS的控制效果，事实上用户可以依据自身需求对写IOPS，写带宽以及读带宽依照这个思路进行操作。

3.2 测试步骤
1) 创建8个相同容量namespace
2) 初始化处理，确保设备进入稳态
3) 进行IO测试1
前4个namespace读iops限制为3万
后4个namespace读iops限制为1万
4KB 100%随机读，fio queue depth=1，300秒
4) 进行IO测试2
前4个namespace读iops限制为6万
后4个namespace读iops限制为1万
4KB 100%随机读，fio queue depth=16，300秒
测试结果展示

I/O测试1：4个namespace的IOPS被控制为1万，另外四个控制在3万

I/O测试1：4个namespace的IOPS被控制为1万，另外四个控制在6万

多命名空间将NVMe SSD的用户空间划分为多个区域，不同的区域可以独立进行Trim、格式化等操作。并且上层的一些高级功能的实现构建了一个基础平台，cgroup就是这样高级功能中的代表。cgroup诞生于谷歌，并在Linux生态中实践多年，是一项对底层硬件资源管控的成熟技术。多命名空间与cgroup的结合是IT系统中一个软硬件结合并充分发挥各自优势的方案，各类虚拟化、容器、云计算、云存储等应用场景都可以借助这一方案保障存储系统的QoS。

相关阅读：

cgroup v1官方文档

https://www.kernel.org/doc/Documentation/cgroup-v1/cgroup.txt

cgroup v1中块设备控制文档

https://www.kernel.org/doc/Documentation/cgroup-v1/blkio-controller.txt

Cgroup与LXC简介

http://blog.51cto.com/speakingbaicai/1359825

CGroup 介绍、应用实例及原理描述

https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/1506_cgroup/index.html

测试结果视频

https://www.bilibili.com/video/av26458755/