1、引言
在企業中實施桌面虛擬化項目的時候,項目成敗的關鍵因素往往就是用戶體驗。用戶在采用了虛擬桌面以后,桌面性能是否下降,用戶體驗是否變差,這是評判項目成功與否的一項重要指標。經常遇到的情況是,用戶在使用虛擬桌面后,會花更多時間去登入系統,而且使用一些軟件時速度會變慢,用戶體驗明顯變差。如果這個問題處理不善,有可能使整個桌面虛擬化項目半途而廢。因而,虛擬桌面性能調優技術就成為關系項目成敗的關鍵技術,將虛擬桌面的性能調整到用戶認可的程度可以保證項目的順利實施,掌握好性能調優技術可以保證桌面虛擬化項目的順利完成。
2、虛擬桌面性能分析
2.1 影響虛擬桌面性能的因素
總的來說,虛擬桌面的性能跟服務器硬件資源、存儲系統、桌面操作系統、應用軟件、工作負載和網絡帶寬等因素都有關。服務器硬件:主要考慮CPU處理能力和內存容量。如果單個服務器上面承載的虛擬桌面數量(密度)過大,出現資源競爭,執行命令等待時間延長,必然導致虛擬桌面性能下降。
存儲系統:主要考慮存儲系統支持的最大吞吐量和IOPS(每秒讀寫次數)兩個指標,如果該指標不能滿足需要,致使執行命令等待時間延長,也必然導致虛擬桌面性能下降。
桌面操作系統:一般情況下,處理相同的業務,Windows7比Windows XP更耗費系統資源。如果一臺服務器上承載一定數量的Windows XP的桌面性能正常,如果換成同樣數量的Windows7桌面就可能性能下降。
用戶桌面安裝的軟件:用戶桌面上安裝的一些特殊軟件,譬如大型數據庫軟件、高清圖像軟件、視頻播放器、殺毒軟件等會對性能造成嚴重影響。特別要注意殺毒軟件,如果設定了所有虛擬桌面同一時刻掃面病毒,將會是災難性的。
工作負載:虛擬桌面按照工作壓力可以分為重載,中載和輕載用戶。工作負載越高,需要的服務器和存儲的硬件資源越多,相同數量的桌面,工作負載越高,桌面性能越差。
網絡帶寬:普通辦公操作,平均每個虛擬桌面與客戶端通訊所占帶寬100KB左右,如果觀看視頻,所需帶寬可能會增加十幾倍。如果網絡帶寬不能滿足需要,也必然導致系統性能下降,出現屏幕畫面卡頓現象。
2.2 桌面虛擬化系統常見性能瓶頸——存儲系統IOPS
IOPS(Input/Output Operations Per Second)即每秒進行讀寫操作的次數,用于衡量存儲的性能。桌面虛擬化系統I/O方面的特點是小規模隨機讀寫,因而對存儲系統IOPS要求特別高。IOPS分為前端應用IOPS及后端存儲IOPS,計算起來比較復雜,跟存儲RAID級別相關，跟業務的讀寫比例相關。如果在做系統設計的時候,存儲系統IOPS方面考慮不充分,很容易導致IOPS成為系統性能的瓶頸。另一方面,“啟動風暴”的存在,也加大了IOPS成為系統瓶頸的可能。“啟動風暴”是指,當早上上班時很多用戶同時啟動虛擬桌面,并登錄系統開始工作,這時需要大量的IOPS,導致后臺存儲系統的IOPS相對不足,而令桌面啟動和登錄時間延長。在一些比較極端的例子中,桌面用戶可以等候超過幾十分鐘,或更甚者,完全無法登錄系統。
虛擬桌面在不同狀態下消耗的IOPS是有差別的,表1以Windows XP桌面為例說明各種狀態下IOPS消耗情況,可以看出,桌面啟動時IOPS需求為平時的好幾倍,則高峰時段大量桌面同時啟動形成啟動風暴,此時存儲IOPS就成為整個系統性能的瓶頸。
2.3 改善存儲系統I/O性能的方案
不同類型和轉速的磁盤提供的IOPS不同, 常見的轉速為10krpm和15krpm的SAS磁盤提供的原生IOPS分別是140和180,而SSD(固態硬盤)可以提供5000以上的原生IOPS。提高存儲IOPS最簡單的方法是增加磁盤數量,為了應對啟動風暴時的需求,磁盤數量要增加幾倍,顯然這不是一個好的方案。同樣,將全部磁盤都換成高I/O性能的SSD也是不可取的,SSD的成本是SAS磁盤的好幾倍。有沒有更經濟的方案呢？答案是肯定。在原有存儲上加裝少量SSD,將存儲中讀寫頻繁的數據(或者稱為熱點數據)放到SSD上,則存儲上大部分的讀寫操作都發生在高I/O性能SSD上,存儲性能會大幅提升。具體來說有兩種方案。
方案一: 將頻繁讀取的文件直接存放在SSD上。即將虛擬機的母版映像文件和副本放置在SSD存儲組中。母版映像文件作為只讀磁盤為所有桌面虛擬機所共享,每個虛擬機將單獨保留一份可寫的快照以存放所有對于母盤的修改,這些可寫快照可以存放在較低層級(SAS或SATA)的存儲上。當桌面虛擬機經歷啟動過程時,大部分的磁盤活動來自于母版映像,也就是大部分的操作系統文件和應用文件存放的地方,由于SSD的高I/O性能,因而可以滿足啟動風暴時大量IOPS的需求。
方案二:使用SSD作為緩存層。即將快速的SSD磁盤作為緩存層放置在由SAS和SATA組成的較慢存儲組的前端,通過緩存一些頻繁訪問的數據來提高存儲I/O性能。存儲系統可以識別頻繁訪問的磁盤數據塊,并自動將其緩存,這些數據塊將可以從快速的SSD磁盤讀取,而非從較慢的后端存儲讀取。目前,市場上主流的存儲廠商都有相應的SSD緩存方案,如EMC有FAST Cache技術,NetApp有Flash Cache技術。
3、基于VMware View的桌面虛擬化系統性能調優
3.1 系統性能調整前狀況
某中型研發企業,已經實施了基于VmwareView5.0的桌面虛擬化項目,總共約800個虛擬桌面。用戶反映最大的問題是虛擬桌面速度慢,尤其是每天早晨上班后第一次登錄虛擬桌面的時間太長,影響工作效率。經觀察發現,每天早晨在8:50AM至9:30AM這個時段會有300臺虛擬桌面同時開機和登錄,平均進入桌面時間超過5分鐘。
該企業桌面虛擬化系統配置如下,服務器主機為8臺DELL PowerEdge R710服務器,配置雙路6核2.8GHz CPU,72GB內存。存儲為EMC VNX5100光纖存儲系統,配置60塊SAS 15Krpm 600GB硬盤,做成RAID5。該系統承載約800個Windows XP的虛擬桌面,每個桌面配置單個vCPU和1G內存。
根據現象分析判斷,存儲系統IOPS很可能是整個系統的性能瓶頸。該存儲系統配置60塊硬盤,除去系統盤4塊,熱備盤4塊,實際可用磁盤數為52塊。計算得知,該系統可提供的原生IOPS為9360。這個配置最多支持100多臺虛擬桌面同時啟動和登錄,如果超出這個數量就會出現桌面啟動時間延長及性能下降。存儲性能監控數據也證實了這個判斷。監測數據顯示,在桌面啟動的高峰時段,存儲上單個磁盤平均IOPS達170左右,已達飽和狀態。
3.2 VMware View分層存儲技術
分層存儲,就是將數據存儲在不同層級的介質中,在不同的層級之間使用有差別的存儲介質,以期在相同成本下,既滿足性能的需要又滿足容量的需要。在實際工作中,用戶希望將最重要的經常訪問的數據保存在快速的高I/O存儲上,如SSD,而將不太重要或者不常訪問的數據保存在相對比較便宜的驅動器上,如SAS或SATA。通過這種設置,用戶可以在成本沒有大幅增加的情況下獲得更佳的存儲性能。VMware View 5.0提供分層存儲選項,用戶可以將母盤映像和副本(Replica)存儲在SSD上,而將鏈接克隆存儲在相對比較便宜的驅動器上。借助這一分層存儲選項,可以加快密集型操作(例如同時啟動大量虛擬桌面)的速度,消除啟動風暴的影響。
3.3 FAST Cache技術
FAST(Fully Automated Storage Tiering)全自動存儲分層技術是是EMC開發的一系列提高存儲性能的技術, 其中FAST Cache是其重要成員。FAST Cache是指可通過利用閃存驅動器(即SSD)來擴展 DRAM 緩存的功能,達到優化其存儲系統性能的目的。簡單說來,FAST Cache就是用SSD替代存儲系統上的內存,當做系統內存底下一層的緩存來使用,作為內存的補充。由于SSD也都是基于FLASH技術實現的,因此,速度也確實能夠允許其在內存和磁盤間作為緩存來用。FAST Cache可以確保最常訪問的數據盡可能長時間地保存在閃存驅動器上。
3.4 性能調優方案
由于該企業桌面虛擬化系統是基于VMware View5.0的,絕大部分虛擬桌面是鏈接克隆的,這就可以應用VMware View的分層存儲技術,將虛擬桌面母盤映像存儲在SSD上,提高虛擬桌面系統盤的IOPS性能,加快桌面啟動速度。同時,還可以采用EMC 的FAST Cache技術,擴充存儲的緩存,將更多的熱點數據移動到緩存中,提高命中率,進而提高存儲的整體性能。方案原理參見圖1。
具體方案是原EMC VNX5100存儲系統增加9塊100G SSD,其中2塊做鏡像,配置成FAST Cache;另外6塊做RAID5,保留為存放鏈接克隆虛擬桌面母盤映像區域;最后1塊作為熱備盤。另外,在VMware View5.0軟件中要重新配置虛擬機池的存儲,把鏈接克隆虛擬機母盤映像存放到SSD上。計算得知,這6塊SSD的存儲至少提供的原生IOPS為30000,這個配置至少可以滿足500多臺虛擬機同時啟動的需要。
3.5 方案實施結果
該企業自從實施了存儲升級改造方案之后,桌面虛擬化系統性能大幅提升。高峰時段平均開機時間由5分多鐘縮短到1分半鐘,開機速度提高3倍多。各種桌面辦公軟件的運行速度也加快了,提高了整體辦公效率,得到廣大用戶好評。為了進一步加快早晨上班后用戶第一次登錄系統的速度,該企業還實施了預開機策略,將每天必開的部分虛擬桌面在上班前的1個小時內預先啟動,則用戶每天第一次連接虛擬桌面時就不再需要等待桌面啟動,可以直接進入桌面,時間僅需要十幾秒,大大改善了用戶體驗。
4、結語
隨著桌面虛擬化系統在企業中應用越來越廣泛,系統性能問題就逐漸成為各企業面臨的突出問題。桌面虛擬化系統的優勢是不言而喻的,但其在用戶體驗方面的劣勢一直是阻礙其全面推廣的癥結所在。提高桌面虛擬化系統的性能,改善用戶體驗,達到或接近傳統PC的水平,一直是廣大虛擬化技術人員不斷追求的目標。如果能很好的解決這個問題,桌面虛擬化系統必將得到全面推廣。屆時,傳統PC將在企業中消亡。
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