隨著云計(jì)算數(shù)據(jù)中心虛擬化技術(shù)的引入，將一個(gè)物理服務(wù)器虛擬化多個(gè)虛擬服務(wù)器已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，即虛擬化桌面云。采用虛擬化桌面云為核心的數(shù)據(jù)中心應(yīng)用范圍廣泛，應(yīng)用類型眾多，同時(shí)面向不同的應(yīng)用場(chǎng)景和客戶群體。
目前虛擬化桌面云架構(gòu)中，存在以下三個(gè)因素，限制了用戶業(yè)務(wù)應(yīng)用的性能和規(guī)模：(1)服務(wù)器主機(jī)的CPU/內(nèi)存；(2)網(wǎng)絡(luò)帶寬；(3)存儲(chǔ)I/0。
隨著服務(wù)器多核多線程的x86架構(gòu)CPU和內(nèi)存技術(shù)的發(fā)展，CPU/內(nèi)存資源可以支持服務(wù)器主機(jī)上創(chuàng)建大規(guī)模數(shù)量的虛擬機(jī)。而l0Gbe NICs和帶TOE(TCP/IP offlOAd)的LOMs(LAN-on—motherboard)技術(shù)的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)帶寬也不是制約虛擬機(jī)規(guī)模化增長(zhǎng)的瓶頸。在CPU、內(nèi)存和網(wǎng)絡(luò)帶寬等資源不斷增長(zhǎng)的同時(shí)，存儲(chǔ)的I/O負(fù)載也在不斷加大。
過去，例如l臺(tái)NAS/SAN的存儲(chǔ)陣列，可支持50臺(tái)物理服務(wù)器，即50個(gè)主機(jī)連接。如今，平均一臺(tái)物理服務(wù)器上平均創(chuàng)建l0～30個(gè)虛擬機(jī)，則同樣50臺(tái)物理服務(wù)器可支持500～1500個(gè)虛擬機(jī)，即有500～l500個(gè)虛擬服務(wù)器連接這臺(tái)存儲(chǔ)陣列。每臺(tái)物理服務(wù)器上的多個(gè)虛擬機(jī)產(chǎn)生的讀寫I/O數(shù)據(jù)之間是沒有關(guān)聯(lián)的，數(shù)據(jù)訪問模型以隨機(jī)數(shù)據(jù)為主。因此，存儲(chǔ)的I/O會(huì)有兩個(gè)瓶頸。
(1)存儲(chǔ)設(shè)備的瓶頸：存儲(chǔ)設(shè)備需要處理大量的隨機(jī)讀寫I/O請(qǐng)求，若存儲(chǔ)設(shè)備的CPU和磁盤I/O的性能不夠，會(huì)使業(yè)務(wù)應(yīng)用產(chǎn)生停頓。
(2)高延時(shí)：虛擬機(jī)的業(yè)務(wù)應(yīng)用需要等待很高延時(shí)，才能完成讀或?qū)懙腎/O請(qǐng)求。
為了同時(shí)滿足眾多的客戶需求，提供優(yōu)質(zhì)的數(shù)據(jù)服務(wù)，I/O虛擬化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。通過將用戶的I/0請(qǐng)求存儲(chǔ)在高速緩存設(shè)備上，加速I/0的響應(yīng)性能，來滿足數(shù)據(jù)中心對(duì)I/O的高帶寬、低延時(shí)的業(yè)務(wù)需求。隨著SSD硬盤的價(jià)格不斷降低，在服務(wù)器端增加高速存儲(chǔ)設(shè)備(Cache)，緩存用戶數(shù)據(jù)，提高讀寫I/0性能，越來越被廣泛應(yīng)用。例如，在數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用方面，通過將數(shù)據(jù)庫(kù)的日志等頻繁刷新的非用戶數(shù)據(jù)，緩存在服務(wù)器的大容量Cache存儲(chǔ)設(shè)備上，提高數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的I/O性能。
因此，本系統(tǒng)采用Cache軟件，利用SSD硬盤的高速讀寫能力，應(yīng)用在虛擬桌面云系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)I/0訪問的加速。
一 云計(jì)算系統(tǒng)I/O加速的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
傳統(tǒng)的虛擬桌面云系統(tǒng)采用三層結(jié)構(gòu)：第一層是服務(wù)器，運(yùn)行虛擬機(jī)及用戶的業(yè)務(wù)應(yīng)用；第二層是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)；第三層是存儲(chǔ)設(shè)備，存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)。服務(wù)器的虛擬機(jī)(業(yè)務(wù)應(yīng)用)通過數(shù)據(jù)存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，訪問存儲(chǔ)設(shè)備，獲取或存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)。
當(dāng)虛擬機(jī)用戶數(shù)量增大時(shí)，可以通過擴(kuò)展服務(wù)器的性能(CPU、內(nèi)存等)和存儲(chǔ)設(shè)備的容量(磁盤組數(shù)量)來提高支持的用戶數(shù)。虛擬機(jī)用戶數(shù)的增加，帶來數(shù)據(jù)存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的讀寫I/0請(qǐng)求數(shù)也相應(yīng)增加，對(duì)存儲(chǔ)設(shè)備的I/O性能要求也提高。若存儲(chǔ)設(shè)備的性能不能滿足要求時(shí)，則系統(tǒng)就達(dá)到了I/0瓶頸。
在整個(gè)虛擬桌面云系統(tǒng)層面，根據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用模型，可從服務(wù)器端、存儲(chǔ)端、網(wǎng)絡(luò)端三個(gè)方面，對(duì)I/0采用Cache數(shù)據(jù)的方法，做性能優(yōu)化。本方案在服務(wù)器端，增加高速存儲(chǔ)設(shè)備，緩存用戶的讀寫數(shù)據(jù)，進(jìn)而減少讀寫I/0響應(yīng)時(shí)間，如圖l所示。
在服務(wù)器層增加Cache軟件和SSD緩存設(shè)備，存儲(chǔ)用戶的I/O數(shù)據(jù)，可以減少存儲(chǔ)設(shè)備的I/0壓力。當(dāng)虛擬機(jī)用戶有寫I/0請(qǐng)求時(shí)，數(shù)據(jù)先存儲(chǔ)到Cache軟件寫緩存區(qū)域上，Cache軟件定期把匯聚后的I/0數(shù)據(jù)(減少寫I/0請(qǐng)求數(shù))，經(jīng)過存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)刷新到存儲(chǔ)設(shè)備。當(dāng)虛擬機(jī)用戶有讀I/0請(qǐng)求時(shí)，在通過網(wǎng)絡(luò)從存儲(chǔ)設(shè)備讀入I/0數(shù)據(jù)的同時(shí)，Cache軟件將I/O數(shù)據(jù)寫入讀緩存區(qū)域，當(dāng)下一次用戶讀取同一份I/0數(shù)據(jù)時(shí)，直接通過Cache軟件從讀緩存區(qū)域中讀取，而不用從存儲(chǔ)設(shè)備中讀取，如圖2所示。
Cache軟件根據(jù)讀寫模式不同，具有writethrough(透寫)模式、WriteBack(回寫)模式和ReadOnly(只讀)模式。Writethrough(透寫)模式，指的是Cache軟件在將用戶的寫I/O數(shù)據(jù)寫往后端存儲(chǔ)設(shè)備的同時(shí)，會(huì)緩存寫I/O數(shù)據(jù)在SSD緩存設(shè)備上；WriteBack(回寫)模式，指的是Cache軟件中將用戶的寫I/0數(shù)據(jù)緩存在SSD緩存設(shè)備上，而不直接寫往后端存儲(chǔ)設(shè)備，SSD設(shè)備上的數(shù)據(jù)會(huì)定期寫入到后端存儲(chǔ)中；ReadOnly(只讀)模式，指的是Cache軟件中只將用戶的讀I/O數(shù)據(jù)緩存到SSD設(shè)備中，寫I/O數(shù)據(jù)不做緩存。
二 應(yīng)用效果分析
評(píng)價(jià)系統(tǒng)在I/0方面的應(yīng)用效果，以回寫模式為主要方向，從讀I/O和寫I/0兩方面的處理過程來分析。
2.1 虛擬機(jī)用戶的寫I/O請(qǐng)求
虛擬機(jī)用戶的寫I/O請(qǐng)求，采用存儲(chǔ)在Cache軟件寫緩存區(qū)域中，再匯聚多個(gè)寫I/O數(shù)據(jù)后，刷新到存儲(chǔ)設(shè)備中，這種模式，具有以下特點(diǎn)。
(1)減少數(shù)據(jù)存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中的寫I/O請(qǐng)求數(shù)，以及減少存儲(chǔ)設(shè)備需要響應(yīng)的寫I/O請(qǐng)求數(shù)。
(2)回寫模式會(huì)在寫I/0數(shù)據(jù)寫入SSD設(shè)備后，就認(rèn)為寫操作結(jié)束，將結(jié)果返回給業(yè)務(wù)應(yīng)用，這種模式會(huì)減少寫I/O延時(shí)。
(3)將多個(gè)隨機(jī)寫I/0數(shù)據(jù)匯聚成一個(gè)順序?qū)慖/0后，再刷新到存儲(chǔ)設(shè)備中，可以減輕存儲(chǔ)設(shè)備的I/0負(fù)載。
(4)通過設(shè)置刷新臟數(shù)據(jù)的閥值或時(shí)間間隔，提供不同的寫性能。(閥值：初始狀態(tài)，數(shù)據(jù)均寫在Cache中，當(dāng)臟數(shù)據(jù)超過總?cè)萘康拈y值比率，開始向后端存儲(chǔ)刷新數(shù)據(jù)。時(shí)間間隔：每隔一定的時(shí)間，向后端存儲(chǔ)刷新數(shù)據(jù)。)
相比傳統(tǒng)虛擬桌面云的架構(gòu)，通過匯聚I/0請(qǐng)求數(shù)，間接提高存儲(chǔ)設(shè)備的I/O處理能力，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的I/0處理能力，增加支持的虛擬機(jī)用戶數(shù)量。
虛擬機(jī)用戶的匯聚多個(gè)寫I/0請(qǐng)求，只能對(duì)邏輯地址連續(xù)的I/0數(shù)據(jù)的寫操作進(jìn)行匯聚，因此，適用于對(duì)某部分區(qū)域頻繁寫操作的業(yè)務(wù)應(yīng)用，而對(duì)于寫I/O隨機(jī)性較大的業(yè)務(wù)應(yīng)用，性能提升不大。
2.2 虛擬機(jī)用戶的讀I/O請(qǐng)求
虛擬機(jī)用戶的讀I/0請(qǐng)求，第一次讀取I/0數(shù)據(jù)時(shí)，還是從存儲(chǔ)設(shè)備中讀取，當(dāng)?shù)诙巫x取同樣的I/0數(shù)據(jù)時(shí)，可以通過讀取Cache軟件讀緩存區(qū)域，而減少數(shù)據(jù)存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中的讀I/0請(qǐng)求數(shù)，以及減少存儲(chǔ)設(shè)備需要響應(yīng)的讀I/0請(qǐng)求數(shù)。相比傳統(tǒng)虛擬桌面云，通過減少對(duì)存儲(chǔ)的讀I/O請(qǐng)求數(shù)，間接提高存儲(chǔ)設(shè)備的I/O處理能力，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的I/O處理能力，增加支持的虛擬機(jī)用戶數(shù)量。
虛擬機(jī)用戶的讀I/0請(qǐng)求，若是集中在某些數(shù)據(jù)區(qū)域(熱點(diǎn)數(shù)據(jù))，也就是對(duì)某些數(shù)據(jù)區(qū)域產(chǎn)生多次讀I/O，則性能較傳統(tǒng)虛擬桌面云模型，會(huì)有明顯改善。若數(shù)據(jù)區(qū)域完全離散，即虛擬機(jī)用戶的讀I/O對(duì)所有數(shù)據(jù)區(qū)域的訪問是均勻的，則性能不會(huì)有明顯改善。
2.3 三種模式對(duì)比(回寫，透寫和只讀)
Cache軟件的回寫和透寫模式，可以緩存用戶的寫I/O請(qǐng)求和讀I/0請(qǐng)求，而Cache軟件的只讀模式，只對(duì)虛擬機(jī)用戶的讀I/O請(qǐng)求做緩存。因此，只讀模式適合絕大部份為讀操作的業(yè)務(wù)模型。Cache軟件的透寫模式，當(dāng)讀I/O數(shù)據(jù)是剛處理的寫數(shù)據(jù)I/0數(shù)據(jù)，則會(huì)減少讀I/0的延時(shí)，適合反復(fù)讀寫用戶數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)模型。Cache軟件的回寫模式，主要可以減少I/O延時(shí)和合并寫I/O操作，減少后端存儲(chǔ)的寫I/O處理總量，適合具有熱點(diǎn)數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)模型。
三 結(jié)語
在虛擬化桌面云系統(tǒng)中，具有明顯的熱點(diǎn)數(shù)據(jù)，例如虛擬機(jī)的系統(tǒng)盤數(shù)據(jù)，根據(jù)測(cè)試，在系統(tǒng)中，把熱點(diǎn)數(shù)據(jù)緩存在SSD高速存儲(chǔ)設(shè)備上作為Cache，會(huì)大幅度提高系統(tǒng)I/O性能，并減少虛擬機(jī)用戶的I/O請(qǐng)求的處理延時(shí)，具有一定的實(shí)際應(yīng)用意義。
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本文標(biāo)題：Cache加速在虛擬桌面云上的應(yīng)用
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