聯(lián)通沃云虛擬機(jī)擴(kuò)展內(nèi)存技術(shù)的方法研究

孟璞輝 高 豐

1中國(guó)聯(lián)通云數(shù)據(jù)有限公司100084北京

2英特爾中國(guó)100013北京

1 研究背景

在云場(chǎng)景下，由于虛擬機(jī)的內(nèi)存占用機(jī)制，其內(nèi)存資源一旦分配，就會(huì)被虛擬機(jī)操作系統(tǒng)持續(xù)占用，即使該虛擬機(jī)大量?jī)?nèi)存資源空閑，被占用的宿主機(jī)內(nèi)存資源也無(wú)法被其他虛擬機(jī)利用，造成資源池內(nèi)存資源不足。

針對(duì)以上實(shí)際生產(chǎn)中的問(wèn)題，傳統(tǒng)的解決方法一般不外乎兩種，一種是簡(jiǎn)單粗暴地增加服務(wù)器的內(nèi)存配比，通過(guò)加大內(nèi)存的方式解決內(nèi)存不足的問(wèn)題。第二種方法是通過(guò)swap的方式，將部分內(nèi)存保存在硬盤(pán)上，緩解內(nèi)存不足的壓力。

其中方法一自然是簡(jiǎn)單有效，并且沒(méi)有任何風(fēng)險(xiǎn)隱患。然而目前市面上DIM內(nèi)存普遍價(jià)格為$10/GB，高昂的成本對(duì)于陷入紅海的云計(jì)算從業(yè)者們更感到雪上加霜，難以接受。

而通過(guò)swap的方式解決內(nèi)存問(wèn)題則很不可靠。由于linux本身的內(nèi)存優(yōu)化機(jī)制，還有硬盤(pán)本身的性能所限，當(dāng)應(yīng)用直接訪(fǎng)問(wèn)swap內(nèi)的資源時(shí)，往往會(huì)對(duì)應(yīng)用造成極大的不利影響。

最新的Linux kernel都支持內(nèi)存超分[1-3](Memory Overcommit)，KVM還可以對(duì)相同類(lèi)型的虛機(jī)利用KSM(Kernel Same-page Merging)合并完全一致的內(nèi)存頁(yè)表。但當(dāng)部署密度較大時(shí)，隨著活躍的內(nèi)存頁(yè)表增加，仍然容易出現(xiàn)swap，從而引起應(yīng)用程序被強(qiáng)制中斷或者運(yùn)行異常。

在云場(chǎng)景中，虛機(jī)內(nèi)部應(yīng)用訪(fǎng)問(wèn)到swap資源，造成應(yīng)用崩潰，進(jìn)而影響到虛機(jī)的穩(wěn)定性。當(dāng)希望重新創(chuàng)建一個(gè)新的虛機(jī)接替原有的虛機(jī)時(shí)，本地內(nèi)存資源仍然在被占用，而新虛機(jī)被迫在swap上創(chuàng)建內(nèi)存，造成新虛機(jī)創(chuàng)建失敗。這種負(fù)面的連鎖效應(yīng)對(duì)于整個(gè)云計(jì)算系統(tǒng)而言是災(zāi)難性的。

Optane[4-5]系列產(chǎn)品作為intel新推出的SSD產(chǎn)品線(xiàn)，采用了創(chuàng)新性的3D Xpoint存儲(chǔ)介質(zhì)，從基礎(chǔ)材料上改變了傳統(tǒng)NAND SSD的存儲(chǔ)特性。其擁有更高的隨機(jī)寫(xiě)性能，更低的訪(fǎng)問(wèn)延時(shí)和高達(dá)30 DWPD(Drive Write Per Day)的耐用性。

Intel Memory Drive Technology(IMDT)[6]是一種全新的擴(kuò)展內(nèi)存技術(shù)，利用Optane產(chǎn)品的優(yōu)良特性以及高效的內(nèi)存預(yù)取算法，可以將Optane系列SSD產(chǎn)品作為現(xiàn)有DRAM內(nèi)存的擴(kuò)充，從而為用戶(hù)提供一種經(jīng)濟(jì)的大內(nèi)存解決方案。而且這種內(nèi)存擴(kuò)展技術(shù)，對(duì)OS和應(yīng)用/虛機(jī)而言是透明的，也就是不用修改OS內(nèi)核、軟件接口等。對(duì)于支持的平臺(tái)，用戶(hù)的軟件堆棧將可以平滑遷移，提高解決方案上線(xiàn)的效率。

本項(xiàng)目就是針對(duì)其IMDT功能在云場(chǎng)景下的應(yīng)用做出的驗(yàn)證性測(cè)試工作。本次實(shí)驗(yàn)中的Optane系列SSD產(chǎn)品通過(guò)PCIE 3.0接口與服務(wù)器相連，以擴(kuò)展內(nèi)存的形式為云服務(wù)器提供內(nèi)存資源。

2 測(cè)試場(chǎng)景

在本次測(cè)試工作中，我們嘗試通過(guò)采用Optane來(lái)擴(kuò)展內(nèi)存，解決內(nèi)存不足問(wèn)題。

首先在實(shí)驗(yàn)室搭建了聯(lián)通沃云生產(chǎn)環(huán)境一致的測(cè)試環(huán)境，宿主機(jī)采用的是Dell R730服務(wù)器，其處理器為Intel的至強(qiáng)E5-2650 v4，雙路12核，總計(jì)48線(xiàn)程。內(nèi)存采用的是128GB DDR 4內(nèi)存。硬盤(pán)為SATA SSD。BIOS啟動(dòng)配置修改UEFI：on。宿主機(jī)的操作系統(tǒng)為Centos7.1。虛擬機(jī)的操作系統(tǒng)是紅帽7.3，QEMU為1.5.3版本。IMDT版本為8_2_1455_29。Optane型號(hào)為Intel_SSD_DC_P4800X 375GB。

2.1 對(duì)照組

在對(duì)照?qǐng)鼍爸?，我們?cè)跊](méi)有Optane的情況下，模擬正常的云業(yè)務(wù)。根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)場(chǎng)景，測(cè)試采用占比較多的通用計(jì)算型虛擬機(jī)，其規(guī)格為4核16GB。

由于128GB內(nèi)存的限制，我們依照順序在宿主機(jī)上啟動(dòng)了7臺(tái)虛擬機(jī)，在全部虛擬機(jī)啟動(dòng)，并且占用了全部?jī)?nèi)存資源的時(shí)候，內(nèi)存分配達(dá)到112GB，處理器占用28線(xiàn)程。此時(shí)內(nèi)存分配已接近資源極限，在VM啟動(dòng)時(shí)利用linux自帶工具free可觀察到這一現(xiàn)象。

每臺(tái)虛擬機(jī)內(nèi)部通過(guò)stream[7-8]內(nèi)存測(cè)試軟件，通過(guò)CPU對(duì)數(shù)據(jù)塊執(zhí)行add(加法)、copy(復(fù)制)、scale(乘法)及triadd(前三種操作合一)操作，得到內(nèi)存的IO帶寬和延遲數(shù)據(jù)。通過(guò)設(shè)定參數(shù)，虛機(jī)的活躍內(nèi)存為8GB，占比為50%，總活躍內(nèi)存為56GB。

在測(cè)試過(guò)程中，7臺(tái)虛機(jī)并不是同時(shí)啟動(dòng)，而是根據(jù)時(shí)序，逐臺(tái)啟動(dòng)。這樣我們可以獲得宿主機(jī)在不同負(fù)載的情況下，內(nèi)部虛擬機(jī)的內(nèi)存性能曲線(xiàn)。

每個(gè)時(shí)序啟動(dòng)一臺(tái)vm，每個(gè)時(shí)序內(nèi)，啟動(dòng)的每臺(tái)vm執(zhí)行3次stream內(nèi)存測(cè)試。

2.1.1 測(cè)試結(jié)果

帶寬：?jiǎn)蝪m時(shí)平均帶寬最大，可達(dá)到33GB/s(triad操作)，隨啟動(dòng)虛機(jī)數(shù)量增長(zhǎng)逐步下降，7臺(tái)虛機(jī)啟動(dòng)時(shí)，單vm平均帶寬19GB/s(triad操作)，全部7臺(tái)vm總帶寬達(dá)到133GB/s(triad操作)，如圖1所示。

圖1 對(duì)照?qǐng)鼍皢翁摍C(jī)內(nèi)存帶寬圖

時(shí)延：?jiǎn)蝪m時(shí)時(shí)延最低，為2.88ns(triad操作)，隨啟動(dòng)虛機(jī)數(shù)量增長(zhǎng)逐步增長(zhǎng)，7臺(tái)虛機(jī)啟動(dòng)時(shí)，單vm平均時(shí)延5.586ns(triad操作)，全部7臺(tái)vm最大時(shí)延9.41ns(triad操作)。

2.1.2 結(jié)果分析

結(jié)果顯示，當(dāng)宿主機(jī)只有少量虛機(jī)活躍的情況下，每臺(tái)虛機(jī)可以獲得最優(yōu)的內(nèi)存性能。其單臺(tái)虛機(jī)的內(nèi)存帶寬達(dá)到33GB/s(triadd操作)，延遲為2.88ns(triadd操作)。而隨活躍虛機(jī)的增加，宿主機(jī)上全部虛機(jī)的整體內(nèi)存帶寬仍在不斷增加，但是對(duì)于單臺(tái)虛機(jī)來(lái)說(shuō)，其內(nèi)存帶寬已經(jīng)受到影響而逐漸降低，而延遲也隨之升高。在7臺(tái)虛機(jī)全部啟動(dòng)，并活躍工作的時(shí)候，宿主機(jī)整體內(nèi)存帶寬為133GB/s(triadd操作)，單虛機(jī)平均帶寬為19GB/s(triadd操作)，單虛機(jī)平均時(shí)延為5.586ns(triadd操作)，最大時(shí)延為9.41ns(triadd操作)。此時(shí)，宿主機(jī)上活躍內(nèi)存總量為56GB，分配值為112GB。

可以看到，即使是全部采用真實(shí)DRAM內(nèi)存，宿主機(jī)的總內(nèi)存帶寬是存在一個(gè)比較明顯且容易觸及的極限。在全部虛機(jī)負(fù)載都較大的時(shí)候，各虛機(jī)共享宿主機(jī)的內(nèi)存帶寬，存在資源搶占，并且對(duì)于單個(gè)虛擬機(jī)，單個(gè)虛擬機(jī)內(nèi)應(yīng)用，內(nèi)存性能存在較大的波動(dòng)性(延遲從6.64ns到9.41ns)。

2.2 計(jì)算型虛機(jī)IMDT測(cè)試組

在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試場(chǎng)景中，我們?cè)黾恿薕ptane作為擴(kuò)展內(nèi)存，模擬云業(yè)務(wù)。虛擬機(jī)的規(guī)格上，測(cè)試依然采用占比較多的通用計(jì)算型虛擬機(jī)，規(guī)格為4核16GB。

在通過(guò)Optane擴(kuò)展內(nèi)存時(shí)，我們按照其1:2的推薦比例使用。由于之前宿主機(jī)上是128GB的DIM內(nèi)存，通過(guò)Optane獲得了額外217GB實(shí)際可用的內(nèi)存資源，此時(shí)在宿主機(jī)上已經(jīng)可以看到內(nèi)存資源擴(kuò)展到了342GB。我們依照順序在宿主機(jī)上啟動(dòng)了11臺(tái)虛擬機(jī)，在虛擬機(jī)全部啟動(dòng)，并且占用了全部?jī)?nèi)存資源的時(shí)候，內(nèi)存分配達(dá)到176GB，處理器占用44線(xiàn)程。此時(shí)處理器已接近資源極限。

每臺(tái)虛擬機(jī)內(nèi)部仍然通過(guò)stream內(nèi)存測(cè)試軟件，通過(guò)CPU對(duì)數(shù)據(jù)塊執(zhí)行add、copy、scale及triadd操作，得到內(nèi)存帶寬和延遲數(shù)據(jù)。通過(guò)設(shè)定參數(shù)，虛機(jī)的活躍內(nèi)存為8GB，占比為50%，活躍內(nèi)存達(dá)到88GB。由于stream軟件的特性，在測(cè)試過(guò)程中，不論實(shí)際的活躍內(nèi)存大小是多少，stream應(yīng)用都會(huì)完全占用處理器線(xiàn)程的計(jì)算資源。因此在場(chǎng)景2中，虛擬機(jī)數(shù)量被處理能力限制在了11臺(tái)的規(guī)模(44/48線(xiàn)程)。

相較于對(duì)照?qǐng)鼍埃ㄟ^(guò)采用Optane擴(kuò)展內(nèi)存，使得我們可以在同樣的宿主機(jī)上多啟動(dòng)了4虛擬機(jī)，增幅60%。在實(shí)際生產(chǎn)中，考慮到應(yīng)用往往不會(huì)完全占用計(jì)算資源，所以在實(shí)際生產(chǎn)中還有更大提升潛力。

在測(cè)試過(guò)程中，11臺(tái)虛機(jī)根據(jù)時(shí)序逐臺(tái)啟動(dòng)，以便獲得宿主機(jī)在不同負(fù)載的情況下內(nèi)部虛擬機(jī)的內(nèi)存性能曲線(xiàn)，并方便與對(duì)照?qǐng)鼍白鰧?duì)比。

每個(gè)時(shí)序啟動(dòng)一臺(tái)vm，每個(gè)時(shí)序內(nèi)，啟動(dòng)的每臺(tái)vm執(zhí)行10次stream內(nèi)存測(cè)試。

2.2.1 測(cè)試結(jié)果

帶寬：?jiǎn)蝪m時(shí)平均帶寬最大，可達(dá)到33GB/s(triad操作)，隨啟動(dòng)虛機(jī)數(shù)量增長(zhǎng)逐步下降，11臺(tái)虛機(jī)啟動(dòng)時(shí)，單vm平均帶寬13GB/s(triad操作)，全部11臺(tái)vm總帶寬達(dá)到147GB/s(triad操作)，如圖2所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試單虛機(jī)內(nèi)存帶寬圖

時(shí)延：?jiǎn)蝪m時(shí)時(shí)延最低，為2.94ns(triad操作)，隨啟動(dòng)虛機(jī)數(shù)量增長(zhǎng)逐步增長(zhǎng)，11臺(tái)虛機(jī)啟動(dòng)時(shí)，單vm平均時(shí)延8.539ns(triad操作)，全部7臺(tái)vm最大時(shí)延16.26ns(triad操作)，如圖3所示。

2.2.2 結(jié)果分析

結(jié)果顯示出與對(duì)照?qǐng)鼍邦?lèi)似的趨勢(shì)，即當(dāng)宿主機(jī)只有少量虛機(jī)活躍的情況下，每臺(tái)虛機(jī)可以獲得最優(yōu)的內(nèi)存性能，而隨啟動(dòng)的虛機(jī)增加，總體性能逼近宿主機(jī)極限，所有虛機(jī)則共享宿主機(jī)資源。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試單虛機(jī)最大內(nèi)存時(shí)延圖

標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試場(chǎng)景中，其單臺(tái)虛機(jī)的內(nèi)存帶寬最大帶寬達(dá)到33GB/s(triadd操作)，最低延遲為2.94ns(triadd操作)，出現(xiàn)在第一時(shí)序內(nèi)，此時(shí)只有1臺(tái)虛擬機(jī)啟動(dòng)工作，負(fù)載最低。該結(jié)果可以認(rèn)為等同于場(chǎng)景1的結(jié)果，其偏差完全在正常波動(dòng)之內(nèi)。這說(shuō)明，Optane在內(nèi)存調(diào)用的優(yōu)化，使得系統(tǒng)可以?xún)?yōu)先使用真實(shí)DRAM內(nèi)存，保證應(yīng)用在真實(shí)DRAM內(nèi)存充足的時(shí)候不會(huì)受到任何影響。

隨活躍虛機(jī)的增加，整體趨勢(shì)與場(chǎng)景1基本一致，即使分配內(nèi)存值超過(guò)真實(shí)DRAM大小，測(cè)試結(jié)果仍然沒(méi)有出現(xiàn)內(nèi)存帶寬的劇烈波動(dòng)。在11臺(tái)虛機(jī)全部啟動(dòng)，并活躍工作的時(shí)候，宿主機(jī)整體內(nèi)存帶寬為147GB/s(triadd操作)，單虛機(jī)平均帶寬為13GB/s(triadd操作)，單虛機(jī)平均時(shí)延為8.539ns(triadd操作)，最大時(shí)延為16.26ns(triadd操作)。此時(shí)，宿主機(jī)上活躍內(nèi)存總量為88GB，分配值為176GB。此時(shí)雖然宿主機(jī)上分配給虛機(jī)的總內(nèi)存大小已經(jīng)超過(guò)了128GB，但活躍內(nèi)存仍然小于真實(shí)DRAM大小，這反映出Optane針對(duì)內(nèi)存的活躍度對(duì)內(nèi)存資源進(jìn)行了有效資源分類(lèi)，并通過(guò)算法優(yōu)化了內(nèi)存地址的映射算法，保證應(yīng)用性能。

2.3 計(jì)算型虛機(jī)內(nèi)存大負(fù)載場(chǎng)景IMDT測(cè)試組

在大負(fù)載測(cè)試場(chǎng)景中，我們?cè)跇?biāo)準(zhǔn)測(cè)試場(chǎng)景的基礎(chǔ)上，增加了虛機(jī)內(nèi)應(yīng)用的負(fù)載，將活躍內(nèi)存率推高至80%。測(cè)試依然采用占比較多的通用計(jì)算型虛擬機(jī)，規(guī)格為4核16GB。大負(fù)載測(cè)試場(chǎng)景作為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試場(chǎng)景的擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)，虛機(jī)數(shù)量依然為11臺(tái)，并且采取同時(shí)啟動(dòng)的方式，直接將應(yīng)用負(fù)載推到預(yù)定值。此時(shí)宿主機(jī)上通過(guò)Optane獲得了額外217GB實(shí)際可用的內(nèi)存資源，宿主機(jī)上可以看到內(nèi)存資源擴(kuò)展到了342GB。同時(shí)處理器負(fù)載為44/48線(xiàn)程，內(nèi)存為176G分配，143GB活躍內(nèi)存。虛擬機(jī)中為4/4線(xiàn)程滿(mǎn)負(fù)載，內(nèi)存為13GB/16GB(活躍/總計(jì))。此時(shí)活躍內(nèi)存數(shù)也超過(guò)了真實(shí)DRAM內(nèi)存的大小。一次性啟動(dòng)全部11臺(tái)vm，執(zhí)行2次stream內(nèi)存測(cè)試。

2.3.1 測(cè)試結(jié)果

帶寬：11臺(tái)虛機(jī)在活躍內(nèi)存達(dá)到80%時(shí)，單vm平均帶寬15GB/s(triad操作)，全部11臺(tái)vm總帶寬達(dá)到168GB/s(triad操作)，如圖4所示。

時(shí)延：11臺(tái)虛機(jī)在活躍內(nèi)存達(dá)到80%時(shí)，單vm平均時(shí)延達(dá)到12.63ns(triad操作)，全部11臺(tái)vm最大時(shí)延為24.66ns(triad操作)，如圖5所示。

2.3.2 結(jié)果分析

測(cè)試結(jié)果看到，其延遲有較大增長(zhǎng)，平均時(shí)延達(dá)到12.63ns，最大時(shí)延達(dá)到24.66ns。較之前標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試場(chǎng)景有較大增長(zhǎng)。

最大24.66ns的結(jié)果，相較于測(cè)試中最優(yōu)的2.88ns而言，劣化了接近10倍。雖然仍需結(jié)合具體應(yīng)用，但是考慮到普遍的應(yīng)用系統(tǒng)場(chǎng)景，其中網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算等其他因素造成的延遲，我們認(rèn)為在內(nèi)存上的100ns以?xún)?nèi)的延遲，仍屬于可以接受的范圍。

2.4 內(nèi)存型虛機(jī)IMDT測(cè)試組

在大內(nèi)存虛機(jī)測(cè)試場(chǎng)景中，我們?nèi)匀徊捎肙ptane擴(kuò)展內(nèi)存，實(shí)現(xiàn)342GB的內(nèi)存容量，但是更改了虛擬機(jī)的規(guī)格?？紤]到目前出現(xiàn)了大量高內(nèi)存型虛機(jī)需求(計(jì)算內(nèi)存比1:8)，測(cè)試依然采用新的大內(nèi)存型虛擬機(jī)，規(guī)格為2核16GB。

每臺(tái)虛擬機(jī)內(nèi)部仍然通過(guò)stream內(nèi)存測(cè)試軟件，通過(guò)CPU對(duì)數(shù)據(jù)塊執(zhí)行add、copy、scale及triadd操作，得到內(nèi)存帶寬和延遲數(shù)據(jù)。通過(guò)設(shè)定參數(shù)，虛機(jī)的活躍內(nèi)存仍為8GB，占比保持為50%。

在虛機(jī)數(shù)量上，我們選擇了18臺(tái)作為本場(chǎng)景中虛擬機(jī)數(shù)量。此時(shí)宿主機(jī)上處理器分配資源達(dá)到32線(xiàn)程，分配內(nèi)存值為288GB，活躍內(nèi)存值為144GB。

在測(cè)試過(guò)程中，18臺(tái)虛機(jī)根據(jù)時(shí)序，逐臺(tái)啟動(dòng)。以便獲得宿主機(jī)在不同負(fù)載的情況下，內(nèi)部虛擬機(jī)的內(nèi)存性能曲線(xiàn)，方便與對(duì)照?qǐng)鼍?、?biāo)準(zhǔn)測(cè)試場(chǎng)景做對(duì)比。

每個(gè)時(shí)序啟動(dòng)一臺(tái)vm，每個(gè)時(shí)序內(nèi)，啟動(dòng)的每臺(tái)vm執(zhí)行1次stream內(nèi)存測(cè)試。

圖4 大負(fù)載場(chǎng)景單虛機(jī)內(nèi)存帶寬圖

2.4.1 測(cè)試結(jié)果

帶寬：?jiǎn)蝪m時(shí)帶寬最大，可達(dá)到17GB/s(triad操作)，隨啟動(dòng)虛機(jī)數(shù)量增長(zhǎng)逐步下降，18臺(tái)虛機(jī)啟動(dòng)時(shí)，單vm平均帶寬9GB/s(triad操作)，全部18臺(tái)vm總帶寬達(dá)到169GB/s(triad操作)。如圖6所示。

時(shí)延：?jiǎn)蝪m時(shí)時(shí)延最低，為5.72ns(triad操作)，隨啟動(dòng)虛機(jī)數(shù)量增長(zhǎng)逐步增長(zhǎng)，18臺(tái)虛機(jī)啟動(dòng)時(shí)，單vm平均時(shí)延11.52ns(triad操作)，全部18臺(tái)vm最大時(shí)延22.57ns(triad操作)，如圖7所示。

圖5 大負(fù)載場(chǎng)景下單虛機(jī)內(nèi)存時(shí)延圖

2.4.2 結(jié)果分析

測(cè)試結(jié)果顯示單虛擬機(jī)時(shí)帶寬最大，可達(dá)到17GB/s(triad操作)，隨啟動(dòng)虛機(jī)數(shù)量增長(zhǎng)逐步下降，18臺(tái)虛機(jī)啟動(dòng)時(shí)，單虛擬機(jī)平均帶寬9GB/s(triad操作)，全部18臺(tái)虛擬機(jī)總帶寬達(dá)到169GB/s(triad操作)。在時(shí)延方面，單虛擬機(jī)時(shí)時(shí)延最低，為5.72ns(triad操作)，隨啟動(dòng)虛機(jī)數(shù)量增長(zhǎng)逐步增長(zhǎng)，18臺(tái)虛機(jī)啟動(dòng)時(shí)，單虛擬機(jī)平均時(shí)延11.52ns(triad操作)，全部18臺(tái)虛擬機(jī)最大時(shí)延22.57ns(triad操作)。

同大負(fù)載測(cè)試場(chǎng)景相比，活躍內(nèi)存值相當(dāng)，分配內(nèi)存則接近擴(kuò)充后的總內(nèi)存極限，為全部場(chǎng)景中，對(duì)于宿主機(jī)壓力最大的一種場(chǎng)景。通過(guò)Optane擴(kuò)展內(nèi)存，實(shí)現(xiàn)了18臺(tái)大內(nèi)存型虛機(jī)在50%活躍內(nèi)存的場(chǎng)景下正常工作。其時(shí)延、帶寬性能也與大負(fù)載測(cè)試場(chǎng)景類(lèi)似，這一結(jié)果無(wú)疑是令人鼓舞的。

圖6 大內(nèi)存場(chǎng)景單虛機(jī)內(nèi)存帶寬圖

圖7 大內(nèi)存場(chǎng)景單虛機(jī)內(nèi)存時(shí)延圖

2.5 計(jì)算型虛機(jī)Swap測(cè)試組

在該場(chǎng)景中，首先移除Optane ,配置swap擴(kuò)展內(nèi)存。然后啟動(dòng)7臺(tái)vm，將宿主機(jī)上的內(nèi)存占用至112GB。之后嘗試啟動(dòng)vm8，使內(nèi)存占用達(dá)到128GB的極限，嘗試驗(yàn)證在使用swap的場(chǎng)景下，vm的IO狀況和應(yīng)用的健康情況。虛機(jī)的規(guī)格上采用了標(biāo)準(zhǔn)的4核16GB的配置。虛機(jī)內(nèi)同樣執(zhí)行stream測(cè)試腳本。

2.5.1 測(cè)試結(jié)果

帶寬：前7臺(tái)虛機(jī)啟動(dòng)的時(shí)候，總帶寬達(dá)到138GB/s，單臺(tái)虛擬機(jī)帶寬達(dá)到19GB/s。vm8啟動(dòng)的時(shí)候，各虛擬機(jī)狀態(tài)出現(xiàn)不穩(wěn)定，無(wú)法得出正常數(shù)據(jù)。如圖8所示。

時(shí)延：7臺(tái)虛機(jī)啟動(dòng)的時(shí)候，平均延遲6.125ns。vm8啟動(dòng)的時(shí)候，各虛擬機(jī)狀態(tài)出現(xiàn)不穩(wěn)定，無(wú)法得到穩(wěn)定數(shù)據(jù)，記錄最大延遲達(dá)到18.51ns，如圖9所示。

2.5.2 結(jié)果分析

前7臺(tái)vm穩(wěn)定工作后，啟動(dòng)vm8后，全部虛機(jī)都出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)。圖10顯示出虛機(jī)健康狀況隨測(cè)試變化情況。其中綠色代表虛機(jī)工作正常，淺綠色代表虛機(jī)進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)，紅色代表虛機(jī)內(nèi)stream應(yīng)用崩潰?？梢?jiàn)在vm8在時(shí)序1啟動(dòng)并執(zhí)行內(nèi)存測(cè)試腳本后，僅有3臺(tái)虛機(jī)仍正常工作，vm2程序崩潰，其余4臺(tái)vm進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)。之后更多虛機(jī)內(nèi)應(yīng)用崩潰，最終只有vm1仍保持正常。

實(shí)驗(yàn)顯示，在采用swap方式擴(kuò)展內(nèi)存的時(shí)候，在內(nèi)存活躍度達(dá)到50%的時(shí)候，就會(huì)造成應(yīng)用因內(nèi)存不足而崩潰。

Swap方式對(duì)照?qǐng)鼍暗臏y(cè)試結(jié)果，再次證明了在云計(jì)算業(yè)務(wù)下，如果只利用普通的memory commit技術(shù)，配合swap方式擴(kuò)展內(nèi)存的實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)。在負(fù)載壓力增加時(shí)，將造成整體系統(tǒng)高度不穩(wěn)定，甚至虛機(jī)崩潰，不推薦在生產(chǎn)環(huán)境中商用。

3 理論分析

CPU訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)存的總帶寬受限于CPU本身QPI總線(xiàn)和內(nèi)存總線(xiàn)帶寬的影響。NUMA架構(gòu)下，內(nèi)存分別直連各自的CPU核心。當(dāng)CPU訪(fǎng)問(wèn)臨近的內(nèi)存數(shù)據(jù)時(shí)，可以獲得較低的時(shí)延，而對(duì)于雙路服務(wù)器而言，仍有50%的幾率會(huì)訪(fǎng)問(wèn)到另一顆CPU所連接的內(nèi)存，此時(shí)CPU對(duì)于內(nèi)存的訪(fǎng)問(wèn)就需要經(jīng)過(guò)CPU之間的UPI總線(xiàn)(Purley之前服務(wù)器為QPI總線(xiàn))，從而造成內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)時(shí)延加大。而對(duì)于四路服務(wù)器，這一高時(shí)延訪(fǎng)問(wèn)的可能性增加至75%。因此，當(dāng)啟動(dòng)運(yùn)行的虛擬機(jī)數(shù)量足夠多的時(shí)候，全部虛擬機(jī)的內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)總帶寬會(huì)逼近宿主機(jī)的物理極限，在各個(gè)測(cè)試場(chǎng)景下都可以看到這一現(xiàn)象。

圖8 Swap場(chǎng)景下單虛機(jī)內(nèi)存帶寬圖

圖9 Swap 場(chǎng)景單虛機(jī)內(nèi)存時(shí)延圖

圖10 Swap場(chǎng)景虛機(jī)健康圖

對(duì)于宿主機(jī)來(lái)說(shuō)，虛擬機(jī)的內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)都要受到宿主機(jī)內(nèi)存控制器的統(tǒng)一調(diào)度，而各個(gè)虛擬機(jī)對(duì)于宿主機(jī)而言是等價(jià)的，所以會(huì)出現(xiàn)不同的虛擬機(jī)所享有的內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)帶寬、時(shí)延上的差異，即各個(gè)虛機(jī)之間存在內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)資源搶占的問(wèn)題。這一點(diǎn)在測(cè)試中也體現(xiàn)得很明顯。

IMDT在于其通過(guò)大量的測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法，可以有效篩選真正的“熱數(shù)據(jù)”，并將熱數(shù)據(jù)保存至工作CPU/core直連的內(nèi)存中。通過(guò)數(shù)據(jù)“冷熱”分類(lèi)，可以更高效地將數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ)到DRAM和Optane內(nèi)。

IMDT同時(shí)協(xié)調(diào)CPU指令，將CPU對(duì)內(nèi)存的同步操作部分優(yōu)化至異步，減小內(nèi)存讀取時(shí)延對(duì)于CPU操作的影響。

最后IMDT通過(guò)自身的預(yù)取機(jī)制增加CPU訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)存的命中率，進(jìn)一步減少數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)時(shí)延。

IMDT的這些特性結(jié)合Optane P4800X自身在低IO隊(duì)列下的高IO性能，使得我們可以用Optane SSD擴(kuò)展DRAM器件，實(shí)現(xiàn)類(lèi)似的內(nèi)存IO性能。在使用IMDT的場(chǎng)景下，內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)時(shí)延存在一定的增長(zhǎng)，其增長(zhǎng)在應(yīng)用系統(tǒng)可接受的范圍內(nèi)，完全符合預(yù)期。

通過(guò)上述分析，可以看出并不是所有應(yīng)用程序和應(yīng)用場(chǎng)景都適合IMDT。IMDT適用于高并發(fā)，存在熱點(diǎn)數(shù)據(jù)的場(chǎng)景。由于可以充分發(fā)揮系統(tǒng)預(yù)取的功能，IMDT的使用效果非常明顯。同時(shí)，在部署中還建議DRAM和Optane容量比不超過(guò)1:8，從而避免過(guò)少DRAM造成存儲(chǔ)熱點(diǎn)數(shù)據(jù)不足的潛在問(wèn)題。本文中的KVM虛擬化場(chǎng)景，不但滿(mǎn)足了更大內(nèi)存容量需求，也能保障吞吐和時(shí)延在合理的范圍內(nèi)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本次測(cè)試項(xiàng)目中，我們成功地使用Optane為云服務(wù)場(chǎng)景中的宿主機(jī)擴(kuò)展了內(nèi)存，并且通過(guò)該服務(wù)器正常生成指定數(shù)量的虛擬機(jī)，提供可行的云服務(wù)。通過(guò)在云服務(wù)場(chǎng)景內(nèi)引入Optane，并使用其內(nèi)存擴(kuò)展功能，解決了我們之前遇到的宿主機(jī)內(nèi)存不足的問(wèn)題。并且相較于其他解決方案，體現(xiàn)出IO性能、可用性、價(jià)格上的優(yōu)勢(shì)。表1總結(jié)了本次測(cè)試的環(huán)境及主要結(jié)果。

表1 測(cè)試場(chǎng)景及主要結(jié)果

通過(guò)本次測(cè)試工作，用數(shù)據(jù)驗(yàn)證了Optane在11/18臺(tái)活躍虛擬機(jī)場(chǎng)景下的內(nèi)存性能特征，而這一虛機(jī)數(shù)量并非IMDT技術(shù)的極限。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的內(nèi)存性能需求,并通過(guò)優(yōu)化處理器及內(nèi)存比例后，虛擬化比例完全可以進(jìn)一步上升。

Swap測(cè)試場(chǎng)景的結(jié)果證明了該方式在云環(huán)境下的缺陷，而相較于真正的DRAM內(nèi)存，Optane的價(jià)格也有優(yōu)勢(shì)。目前市場(chǎng)上Optane系列內(nèi)存的價(jià)格在$4/GB，是DRAM內(nèi)存價(jià)格(179$/16GB[9])的36%。在使用Optane擴(kuò)展內(nèi)存的時(shí)候，建議按照不超過(guò)1:2的比例配置，即1GB的DIM內(nèi)存，輔以2GB的Optane。目前Optane系列產(chǎn)品規(guī)格為375G，即我們可以通過(guò)配置192GB的DIM內(nèi)存，加上1塊375GB的Optane卡，達(dá)到512GB內(nèi)存的需求，其價(jià)格為傳統(tǒng)的64%，單臺(tái)服務(wù)器節(jié)約$2060。

新技術(shù)的涌現(xiàn)，總能為應(yīng)用找到新的模式、場(chǎng)景和機(jī)遇。在本次測(cè)試和研究的開(kāi)展過(guò)程中，英特爾又發(fā)布了最新一代的至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器，能使單臺(tái)物理服務(wù)器更容易支持，整合更多數(shù)量的虛擬機(jī)(據(jù)英特爾的測(cè)試，它支持的虛擬機(jī)數(shù)量可比上一代產(chǎn)品提升20%)，而且還可借助VMD(Volume Management Device)和VROC(Virtual RAID on Chip)技術(shù)，更為靈活地部署、更加便利地管理Optane，并有望更充分地釋放其3D XPoint技術(shù)的性能潛力，而這或許也意味著虛擬機(jī)的內(nèi)存擴(kuò)展，將會(huì)迎來(lái)更大的彈性和更高的極限。

基于這樣的考慮，我們準(zhǔn)備在接下來(lái)的工作中，在配備至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器的服務(wù)器平臺(tái)上，通過(guò)Optane做更多的應(yīng)用層的驗(yàn)證，如驗(yàn)證在沃云平臺(tái)虛擬化環(huán)境中，Optane作為Swap盤(pán)的性能特性研究、以及作為內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用的性能特性研究等。希望這些嘗試，能將新的科技迅速轉(zhuǎn)化為新的應(yīng)用和收獲。

[1]Redhat.Virtualization getting started guide[EB/OL].[2018-01-16].https://access.redhat.com/documentation/en-us/red_hat_enterprise_linux/7/html/virtualization_getting_started_guide/index

[2]Redhat.Virtualization deployment and administration guide[EB/OL].[2018-01-16].https://access.redhat.com/documentation/en-us/red_hat_enterprise_linux/7/html/virtualization_deployment_and_administration_guide/index

[3]Redhat.Virtualization tuning and optimization guide[EB/OL].[2018-01-16].https://access.redhat.com/documentation/en-us/red_hat_enterprise_linux/7/html/virtualization_tuning_and_optimization_guide/index

[4]Intel.Intel? Optane? SSD DC P4800X Series Products[EB/OL].[2018-01-16].https://www.intel.com/content/www/us/en/products/memory-storage/solid-statedrives/data-center-ssds/optane-dc-p4800x-series.html

[5]Intel.Experience Transformative Technology[EB/OL].[2018-01-16].https://www.intel.com/content/www/us/en/architecture-and-technology/intel-optane-technology.html

[6]Inetl.Intel? Memory Drive Technology -- Enabling more affordable or bigger memory solutions for data centers[EB/OL].[2018-01-16].https://www.intel.com/content/www/us/en/software/intel-memory-drivetechnology.html

[7]LMbench-Tools for Performance Analysis[EB/OL].[2018-01-16].http://www.bitmover.com/lmbench/

[8]John D McCalpin.STREAM: Sustainable Memory Bandwidth in High Performance Computers[EB/OL].[2018-01-16].http://www.cs.virginia.edu/stream/

[9]成本測(cè)算參考價(jià)格[EB/OL].[2018-01-16].http://memory.it168.com/a2017/0321/3105/000003105503.shtml及https://memory.net/memory-prices/