深入理解Openstack QoS控制實現(xiàn)與實踐

作者：付廣平 2017-05-04 15:36:54

QoS是一種控制機制，提供針對不同用戶或者不同數(shù)據(jù)流采用相應不同的優(yōu)先級，或者根據(jù)應用程序的要求，保證數(shù)據(jù)流的性能達到一定的水準。

[[190331]]

0.什么是QoSFrom

Wikipedia:

Quality of service (QoS) is the overall performance of a telephony or computer network, particularly the performance seen by the users of the network. To quantitatively measure quality of service, several related aspects of the network service are often considered, such as error rates, bit rate, throughput, transmission delay, availability, jitter, etc.

簡單來說，QoS是一種控制機制，提供針對不同用戶或者不同數(shù)據(jù)流采用相應不同的優(yōu)先級，或者根據(jù)應用程序的要求，保證數(shù)據(jù)流的性能達到一定的水準。QoS的保證對于容量有限的網絡來說是十分重要的，特別是對于流媒體應用，例如VoIP和IPTV等，因為這些應用常常需要固定的傳輸率，對延時也比較敏感。

QoS通常指網絡上的數(shù)據(jù)流控制，本文討論的QoS則更廣泛些，不僅包含了傳統(tǒng)的網絡數(shù)據(jù)流控制(即網絡IO控制)，還包括了本地磁盤的讀寫控制，比如IOPS等。其中包括兩種類型：

質量控制：通過提供不同性能的硬件設備來滿足不同應用的性能需求，比如存儲設備有SATA、SSD、RAID等。
量化控制：針對應用，對其流量進行嚴格控制，比如IOPS、網絡帶寬等。

Openstack同時支持以上兩種QoS控制，這些組件包括但不限于計算服務Nova、網絡服務Neutron、塊存儲服務Cinder、對象存儲Swift等，Ceph雖然不是Openstack的組件之一，但通常作為Openstack的存儲后端，因此本文也會對其進行簡單的介紹。

本文旨在歸納總結Openstack如何在應用層實現(xiàn)QoS控制，讀者如果對底層實現(xiàn)原理感興趣，可以查閱相關資料。

1.Ceph

Ceph是近年來非常火熱的開源統(tǒng)一分布式存儲系統(tǒng)，最初是Sage Weil在University of California, Santa Cruz(UCSC)的PhD研究內容，目前由Inktank公司掌控Ceph的開發(fā)。Ceph同時支持塊存儲(LVM、裸硬盤)、對象存儲(S3、Swift)、文件系統(tǒng)存儲(HDFS、GFS)，并且具有高擴展性、高可靠性、高性能的優(yōu)點。

Ceph其中最廣泛的應用之一是作為Openstack的存儲后端，為Openstack提供統(tǒng)一分布式存儲服務。Openstack組件中Nova、Glance、Cinder都支持直接對接Ceph，云主機的在線遷移、故障轉移、鏡像存儲等功能都依賴于Ceph提供的統(tǒng)一分布式存儲服務。

實際在部署時不同的機房或者機架可能配置不同的存儲設備，比如SSD固態(tài)存儲設備、SATA普通硬盤等，rbd image實例使用不同的存儲后端，顯然能夠提供不同的性能。

我們知道ceph是通過crush算法和crush map決定對象如何分布存儲的，cursh map描述了存儲設備的層級拓撲(可以是物理拓撲，比如機架、機房、區(qū)域等，也可以是邏輯拓撲，比如故障域、性能等)，整個map圖是一個樹狀結構，如圖：

                   ssd 
               /    |     \ 
              /     |      \ 
           rack1  rack2   rack3 
          /    \   ...    /    \ 
       host-1  host-2 host-m  host-n 
       /     \   ...   ...    /    \ 
     osd1   osd2            osd-m  osd-n

其中中間節(jié)點由自定義的bucket type實例構成，通常和物理拓撲名稱一致，比如room、rack、host等，葉子節(jié)點是真正的存儲設備，對應一塊硬盤或者分區(qū)。根據(jù)樹的結構，每個存儲設備(葉子)有唯一一條路徑到root節(jié)點，該路徑定義為crush location，比如：

root=ssd rack=rack1 host=host-1

crush map rule能夠制定某個pool的數(shù)據(jù)放置策略，rule的格式如下：

rule <rulename> { 
 
        ruleset <ruleset> 
        type [ replicated | erasure ] 
        min_size <min-size> 
        max_size <max-size> 
        step take <bucket-name> 
        step [choose|chooseleaf] [firstn|indep] <N> <bucket-type> 
        step emit 
}

其中ruleset為rule的id，type用于區(qū)分是存儲驅動設備(replicated)還是RAID。min_size為最小副本數(shù)，如果副本數(shù)小于這個數(shù)，crush將不會選這個rule，同理max_size為最大副本數(shù)。step take開始選擇root(注意圖上我們只畫了一棵樹，但crush map可以有多棵樹，因此存在多個root type)，choose表示從子樹種選擇對應的bucket type，其中N表示選擇的數(shù)量:

N == 0, 表示設置為pool副本數(shù)量;
N > 0 && N < replicas,表示真實的數(shù)量;
N < 0,表示副本數(shù)減去該數(shù)的絕對值。

比如:

step choose firstn 1 type rack

表示從當前位置向下迭代遍歷隨機選擇一個rack類型。

該step必須位于take或者choose之下。

chooseleaf和choose類似，唯一不同的是在選擇的每個bucket中再從中選擇一個葉子節(jié)點。

以官方例子說明：

rule ssd-primary { 
              ruleset 5 
              type replicated 
              min_size 5 
              max_size 10 
              step take ssd 
              step chooseleaf firstn 1 type host 
              step emit 
              step take sata 
              step chooseleaf firstn -1 type host 
              step emit 
      }

假設冗余副本數(shù)為3，則以上規(guī)則會首先從ssd中選擇其中一個host，然后在host中選擇其中一個osd作為主節(jié)點，然后從sata中選擇3-1=2個host，分別從當中選擇一個osd節(jié)點，一共兩個osd節(jié)點作為副本節(jié)點。

注：

主節(jié)點負責實際和client通信的節(jié)點，而副本節(jié)點不會直接和client通信，但會和主節(jié)點保持數(shù)據(jù)同步，當主節(jié)點掛了，其中一個副本節(jié)點會接管主節(jié)點。
在寫入數(shù)據(jù)時，主節(jié)點會同步到副本節(jié)點，只有當所有的副本節(jié)點都寫完后，主節(jié)點才算寫成功，因此ceph采取的是強一致性模型(而Swift是最終一致性模型)
可以通過primary-affinity值設置選擇為主節(jié)點的概率，值為0表示不會被選擇為主節(jié)點，值為1表示表示選擇為主節(jié)點的概率極大(考慮到有多個節(jié)點都為1的情況)。

關于crush map 和rule參考官方文檔。

ceph中不同的pool可以定義不同的crush以及ruleset，從而可以實現(xiàn)不同的pool，選擇不同的osd，比如固定某個pool選擇ssd，另一個pool選擇sata，其中官方也有個例子：

device 0 osd.0 
device 1 osd.1 
device 2 osd.2 
device 3 osd.3 
device 4 osd.4 
device 5 osd.5 
device 6 osd.6 
device 7 osd.7 
 
      host ssd-server-1 { 
              id -1 
              alg straw 
              hash 0 
              item osd.0 weight 1.00 
              item osd.1 weight 1.00 
      } 
 
      host ssd-server-2 { 
              id -2 
              alg straw 
              hash 0 
              item osd.2 weight 1.00 
              item osd.3 weight 1.00 
      } 
 
      host sata-server-1 { 
              id -3 
              alg straw 
              hash 0 
              item osd.4 weight 1.00 
              item osd.5 weight 1.00 
      } 
 
      host sata-server-2 { 
              id -4 
              alg straw 
              hash 0 
              item osd.6 weight 1.00 
              item osd.7 weight 1.00 
      } 
 
      root sata { 
              id -5 
              alg straw 
              hash 0 
              item sata-server-1 weight 2.00 
              item sata-server-2 weight 2.00 
      } 
 
      root ssd { 
              id -6 
              alg straw 
              hash 0 
              item ssd-server-1 weight 2.00 
              item ssd-server-2 weight 2.00 
      } 
 
    
      
      rule sata { 
              ruleset 1 
              type replicated 
              min_size 0 
              max_size 10 
              step take platter 
              step chooseleaf firstn 0 type host 
              step emit 
      } 
 
      rule ssd { 
              ruleset 2 
              type replicated 
              min_size 0 
              max_size 4 
              step take ssd 
              step chooseleaf firstn 0 type host 
              step emit 
      }

拓撲圖如下:

            ssd             |             sata 
         /        \         |          /        \ 
        /          \        |         /          \ 
       /            \       |        /            \ 
ssd-server-1   ssd-server-2 | sata-server-1  sata-server-2 
   /     \       /      \   |   /     \        /     \ 
  /       \     /        \  |  /       \      /       \ 
osd0     osd1 osd2     osd3 | osd4     osd5   osd6     osd7

我們定義兩個rule，假設冗余副本數(shù)為3，一個是ssd，它會從ssd中(即左邊的樹中)中選擇osd，另一個是sata，從sata中(即右邊的樹種)選擇osd。

我們創(chuàng)建兩個pool，并關聯(lián)ruleset：

ceph osd pool set sata crush_ruleset 1 
ceph osd pool set ssd crush_ruleset 2

通過以上方式我們實現(xiàn)了不同性能的ceph pool，實現(xiàn)QoS質量控制。

那ceph是否支持量化控制呢，rbd目前好像并不支持控制，但可以通過qemu、kvm等控制讀寫速率。

2.Cinder

介紹完Ceph，接下來終于進入Openstack正題，首先從Cinder談起。Cinder是Openstack的基礎組件之一，提供塊存儲服務，類似AWS的EBS服務。但是Cinder本身并不提供塊服務，而只是一個管理工具，由具體后端實現(xiàn)，后端包括比如LVM、Ceph RBD等，Cinder通過調用對應的驅動來完成volume的生命周期管理。

下面以Ceph RBD作為存儲后端為例，首先介紹如何實現(xiàn)volume的QoS質量控制。Cinder支持多后端存儲，不同的后端通過不同的配置組區(qū)別開，如：

[sata-ceph] 
volume_backend_name=sata 
rbd_pool=sata 
volume_driver=cinder.volume.drivers.rbd.RBDDriver 
rbd_ceph_conf=/etc/ceph/ceph.conf 
... 
 
[ssd-ceph] 
volume_backend_name=ssd 
rbd_pool=ssd 
volume_driver=cinder.volume.drivers.rbd.RBDDriver 
rbd_ceph_conf=/etc/ceph/ceph.conf 
...

以上有兩個配置組，分別為sata-ceph和ssd-ceph，這里我們都使用了ceph rbd作為存儲后端，實際部署時可以是完全不同的存儲后端，比如混合rbd和LVM。以上我們指定了不同pool以及不同的后端名稱，后端名稱是為了方便后續(xù)創(chuàng)建volume type引用。我們由上面關于Ceph中介紹可知，不同的pool可以定義不同的rule從而選擇不同特性的硬件，如果能夠綁定Ceph pool和volume問題就解決了，值得慶幸的是，Cinder就是這么實現(xiàn)的。

Cinder自定義volume type，分別創(chuàng)建ssd和sata兩個volume type:

cinder type-create ssd 
cinder type-create sata

創(chuàng)建完后type后綁定volume_backend_name從而實現(xiàn)與ceph pool關聯(lián)起來:

cinder type-key sata set volume_backend_name=sata 
cinder type-key ssd set volume_backend_name=ssd

查看extra-specs：

[root@server-39.0.lg.ustack.in ~ ]$ cinder extra-specs-list 
+--------------------------------------+------+-----------------------------------+ 
|                  ID                  | Name |            extra_specs            | 
+--------------------------------------+------+-----------------------------------+ 
| 1a0cb988-58a6-43bf-b4ea-199e0e02239b | sata | {u'volume_backend_name': u'sata'} | 
| 38344c5c-b61b-4677-9a48-e70d723b8620 | ssd  |  {u'volume_backend_name': u'ssd'} | 
+--------------------------------------+------+-----------------------------------+

此時只需要在創(chuàng)建時指定volume type就可以實現(xiàn)創(chuàng)建不同QoS性能的數(shù)據(jù)卷，比如：

cinder create --volume-type ssd --display-name int32bit-test-ssd 1

以上我們通過自定義volume type并綁定不同的后端實現(xiàn)了對volume訪問的QoS質量控制，接下來我們介紹如何通過制定volume type實現(xiàn)不同的QoS量化控制。和前面的步驟類似，首先創(chuàng)建一個high-iops-type volume type:

cinder type-create high-iops-type

cinder通過qos實例對volume進行量化控制，我們需要創(chuàng)建high-iops，設置讀最大iops為2000，寫最大iopos為1000:

cinder qos-create high-iops consumer="front-end" read_iops_sec=2000 write_iops_sec=1000

查看qos列表:

$ cinder qos-list 
+--------------------------------------+-----------+-----------+---------------------------------------------------------+ 
|                  ID                  |    Name   |  Consumer |                          specs                          | 
+--------------------------------------+-----------+-----------+---------------------------------------------------------+ 
| 4ba70d30-eb36-4267-8ee5-5c9cc2f8af32 | high-iops | front-end | {u'write_iops_sec': u'1000', u'read_iops_sec': u'2000'} | 
+--------------------------------------+-----------+-----------+---------------------------------------------------------+

其中consumer的合法值為front-end、back-end、both。front-end表示使用前端控制(hypervisor控制，會在libvirt xml文件中定義), 而back-end表示使用后端控制(cinder drivers,需要driver支持)，both表示前后端同時進行QoS控制。

最后綁定qos實例和volume type實例:

QOS_SPEC_ID=4ba70d30-eb36-4267-8ee5-5c9cc2f8af32 
VOLUME_TYPE_ID=26e33f06-e011-4cf7-a397-91a00ef0a233 
cinder qos-associate $QOS_SPEC_ID $VOLUME_TYPE_ID

查看綁定情況:

$ cinder qos-get-association 4ba70d30-eb36-4267-8ee5-5c9cc2f8af32 
+------------------+----------------+--------------------------------------+ 
| Association_Type |      Name      |                  ID                  | 
+------------------+----------------+--------------------------------------+ 
|   volume_type    | high-iops-type | 26e33f06-e011-4cf7-a397-91a00ef0a233 | 
+------------------+----------------+--------------------------------------+

下面我們創(chuàng)建一個volume驗證其功能，我們創(chuàng)建時指定volume type為high-iops-type，并掛載到虛擬機中：

cinder create --volume-type high-iops-type --display-name high-iops-test 1 
SERVER_ID=1ea33417-b577-45cb-83a0-fc412e421811 
VOLUME_ID=bb2ccbfb-654a-473e-9f35-ae548c8e59e1 
nova volume-attach $SERVER_ID $VOLUME_ID

查看libvirt xml文件，截取部分disk信息如下:

<disk type='network' device='disk'> 
      <driver name='qemu' type='raw' cache='writeback'/> 
      <auth username='admin'> 
        <secret type='ceph' uuid='bdf77f5d-bf0b-1053-5f56-cd76b32520dc'/> 
      </auth> 
      <source protocol='rbd' name='openstack-00/volume-bb2ccbfb-654a-473e-9f35-ae548c8e59e1'> 
        <host name='10.0.103.61' port='6789'/> 
        <host name='10.0.103.62' port='6789'/> 
        <host name='10.0.103.63' port='6789'/> 
      </source> 
      <backingStore/> 
      <target dev='vdc' bus='virtio'/> 
      <iotune> 
        <read_iops_sec>2000</read_iops_sec> 
        <write_iops_sec>1000</write_iops_sec> 
      </iotune> 
      <serial>bb2ccbfb-654a-473e-9f35-ae548c8e59e1</serial> 
      <alias name='virtio-disk2'/> 
      <address type='pci' domain='0x0000' bus='0x00' slot='0x08' function='0x0'/> 
    </disk>

由xml文件可見在iotune中對讀寫IOPS的控制。

以上總結了Openstack Cinder的QoS的控制，接下來將介紹Nova實現(xiàn)機制。

3.Nova

Nova是Openstack最核心的服務，提供計算服務，其功能類似AWS EC2。官方描述為:

Nova is an OpenStack project designed to provide power massively scalable, on demand, self service access to compute resources.

Nova雖然沒有直接方式對QoS質量進行控制，但我們可以通過主機集合(Host Aggregate)實現(xiàn)，比如我們有兩個計算節(jié)點node-1，node-2，配置SSD磁盤，我們創(chuàng)建對應的主機集合并把兩個節(jié)點加入到該主機集合中:

nova aggregate-create ssd nova 
nova aggregate-set-metadata ssd ssd=true 
nova aggregate-add-host ssd node-1 
nova aggregate-add-host ssd node-2

創(chuàng)建一個新的flavor并設置key指定綁定的key-value:

nova flavor-create ssd.large 6 8192 80 4 
nova flavor-key set_key --name=ssd.large --key=ssd --value=true

查看flavor:

$ nova flavor-show ssd.large 
+----------------------------+-------------------+ 
| Property                   | Value             | 
+----------------------------+-------------------+ 
| OS-FLV-DISABLED:disabled   | False             | 
| OS-FLV-EXT-DATA:ephemeral  | 0                 | 
| disk                       | 80                | 
| extra_specs                | {u'ssd': u'true'} | 
| id                         | 6                 | 
| name                       | ssd.large         | 
| os-flavor-access:is_public | True              | 
| ram                        | 8192              | 
| rxtx_factor                | 1.0               | 
| swap                       |                   | 
| vcpus                      | 4                 | 
+----------------------------+-------------------+

此時當用戶指定ssd.large flavor時，調度器將篩選具有ssd=true標簽的計算節(jié)點，其余不滿足條件的主機將被過濾掉, 最后在node-1和node-2中選取作為虛擬機的宿主機。

同樣地，Nova可通過flavor的Extra Specs實現(xiàn)QoS量化控制,以下內容直接參考官方文檔-compute flavors：

比如限制IO最大讀寫速率為10MB/s:

openstack flavor set FLAVOR-NAME \ 
    --property quota:read_bytes_sec=10240000 \ 
    --property quota:write_bytes_sec=10240000

除了IO控制，還支持CPU以及內存限制：

CPU

openstack flavor set FLAVOR-NAME \ 
    --property quota:cpu_quota=10000 \ 
    --property quota:cpu_period=20000

內存

openstack flavor set FLAVOR-NAME \ 
    --property quota:memory_shares_level=custom \ 
    --property quota:memory_shares_share=15

設置虛擬機最大的disk寫入數(shù)據(jù)為10MB/s：

openstack flavor set FLAVOR-NAME \ 
    --property quota:disk_write_bytes_sec=10485760

另外，除了QoS控制，F(xiàn)lavor的強大之處遠不止這些，還支持用戶自定義CPU拓撲:

openstack flavor set FLAVOR-NAME \ 
    --property hw:cpu_sockets=FLAVOR-SOCKETS \ 
    --property hw:cpu_cores=FLAVOR-CORES \ 
    --property hw:cpu_threads=FLAVOR-THREADS \ 
    --property hw:cpu_max_sockets=FLAVOR-SOCKETS \ 
    --property hw:cpu_max_cores=FLAVOR-CORES \ 
    --property hw:cpu_max_threads=FLAVOR-THREADS

以及NUMA 拓撲:

openstack flavor set FLAVOR-NAME \ 
    --property hw:numa_nodes=FLAVOR-NODES \ 
    --property hw:numa_cpus.N=FLAVOR-CORES \ 
    --property hw:numa_mem.N=FLAVOR-MEMORY

4.Swift

Openstack Swift提供對象存儲服務，功能類似AWS S3以及Ceph RGW，Swift可以通過配置不同的Storage Policies來實現(xiàn)不同性能的后端存儲。具體可參看官方文檔Stroage Policie.

5.Neutron

Neutron是OpenStack項目中負責提供網絡服務的組件，它基于軟件定義網絡(SDN)的思想，實現(xiàn)了網絡虛擬化的資源管理。Neutron支持對虛擬網卡進行帶寬流量限制，主要通過QoS Policy實現(xiàn)，需要在neutron server端配置項service_plugins中開啟qos插件，參考Neutron QoS。

以下內容主要參考官方文檔實例。首先創(chuàng)建一個Qos Policy:

neutron qos-policy-create bw-limiter

設置帶寬：

neutron qos-bandwidth-limit-rule-create bw-limiter --max-kbps 3000 \ 
  --max-burst-kbps 300

通過neutron port-list找到需要限制帶寬的端口(虛擬網卡):

$ neutron port-list 
 
+--------------------------------------+----------------------------------+ 
| id                                   | fixed_ips                        | 
+--------------------------------------+----------------------------------+ 
| 0271d1d9-1b16-4410-bd74-82cdf6dcb5b3 | { ... , "ip_address": "10.0.0.1"}| 
| 88101e57-76fa-4d12-b0e0-4fc7634b874a | { ... , "ip_address": "10.0.0.3"}| 
| e04aab6a-5c6c-4bd9-a600-33333551a668 | { ... , "ip_address": "10.0.0.2"}| 
+--------------------------------------+----------------------------------+

關聯(lián)port和QoS Policy:

neutron port-update 88101e57-76fa-4d12-b0e0-4fc7634b874a --qos-policy bw-limiter

移除port和Qos Policy的關聯(lián):

neutron port-update 88101e57-76fa-4d12-b0e0-4fc7634b874a --no-qos-policy

創(chuàng)建port時可以指定QoS Policy:

neutron port-create private --qos-policy-id bw-limiter

總結

本文詳細介紹了Openstack基礎服務的QoS控制，包括質量控制和量化控制，涉及的內容包括:

Ceph通過crush map和ruleset選取不同性能的后端存儲設備
Cinder支持多后端存儲，Volume type綁定具體的后端從而實現(xiàn)不同性能的后端選擇，并且可以自定義QoS實現(xiàn)數(shù)據(jù)卷的IO讀寫限制。
Nova可以通過Host Aggregate的Metadata以及Flavor Extra Specs控制調度器選取符合某些特性的(比如SSD)計算節(jié)點，通過Flavor Extra Specs實現(xiàn)虛擬機的IO讀寫限制。
Swift 支持多Policy，通過Storage Policies可以實現(xiàn)不同性能的后端存儲設備。
Neutron通過Qos Policy完成對虛擬網卡的帶寬限制。

由此可見，Openstack同時支持計算、存儲和網絡的QoS控制，通過QoS控制可以滿足不同應用對不同資源的異構需求。

【本文是51CTO專欄作者“付廣平”的原創(chuàng)文章，如需轉載請通過51CTO獲得聯(lián)系】

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責任編輯：武曉燕來源： 51CTO專欄

Openstack QoS 實現(xiàn)實踐

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深入理解Openstack QoS控制實現(xiàn)與實踐