QEMU-KVM I/O性能优化之Virtio-blk-data-plane

这篇文章介绍了基于virtio-blk的加速技术virtio-blk-data-plane，转过来收藏下，当然这个技术在当前业界的应用中正逐步被vhost_user机制取代，后续一起关注。

原文地址：http://blog.csdn.net/memblaze_2011/article/details/48808147

 

为了充分利用服务器资源，根据工作负载动态配置服务器，减少服务部署周期等问题，IT机构中引入了虚拟化。QEMU-KVM作为Linux平台上的开源虚拟化方案，从诞生开始就以其开放的姿态，吸引众多开发人员，许多虚拟化的新技术都是首先在QEMU-KVM上应用，再在其他虚拟平台上实现推广的。

传统的QEMU-KVM受限于big-qemu-lock机制，IOPS只能达到15万左右。虽然这对于一个虚拟机是已经是非常高的I/O性能了，但随着虚拟化的技术的完善，许多企业级业务，例如数据库、ERP系统以及对低延迟要求较高的金融业务等也往QEMU-KVM上迁移，这些业务需要达50万甚至更高的IOPS性能以及更低的I/O延迟。为了实现系统IOPS性能的突破，Virtio-blk-data-plane技术应运而生。

技术原理

Virtio-blk-data-plane是在Red Hat Enterprise Linux 6.4版本开始引入，由Red Hat KVM 开发团队与IBM 技术中心性能优化组织共同开发完成的。如下图所示，Virtio-blk-data-plane允许块I/O处理操作与其他的虚拟设备并行运行，去除big-qemu-lock的影响，达到高I/O性能的结果。

使用Virtio-blk-data-plane，由QEMU虚拟出的设备运行在用户空间，其提高I/O性能的关键在于为各virtio-blk虚拟设备提供设备专用线程，同其他组件相隔离，避免与其他组件竞争big-qemu-lock。这些为virtio-blk设备提供的专用线程被称为Virtio-blk-data-plane线程，在提交guest I/O请求到host端时，不再需要因保护QEMU内部硬件仿真代码而参与big-qemu-lock的竞争，从而获得高I/O性能。

通常每个块设备有一个专用Virtio-blk-data-plane线程，若想取得更好的I/O性能，virtio-blk-data-plane还可以采用ioeventfd/irqfd的机制，以及Linux内核的异步aio机制用于处理客户机的I/O请求。

由于Virtio-blk-data-plane是为每个Virtio-blk设备分配专用线程，该架构导致部分虚拟化特性不支持。如当前只有raw格式支持Virtio-blk-data-plane，存储镜像迁移，热插拔，I/O流控等，而这些特性在原始的virtio-blk中是支持的。

测试

本次测试的服务器配置如下：

 

虚拟机配置

测试方法

本次测试架构图如下所示：

 

测试方法为将PBlaze4 SSD插入服务器，进行安全擦除，然后通过fio对裸盘进行随机预处理操作（随机写满设备两遍，即运行裸盘随机预处理脚本两遍）。然后将SSD格式化为ext4文件系统，进行文件系统随机预处理（7个文件，随机写5小时），为已经创建好的虚拟机添加virtio-blk设备7个并打开virtio-blk-data-plane特性，启动虚拟机。

虚拟机内部通过fio对virtio-blk裸设备进行随机写预处理5小时，然后再进行测试，测试脚本如下：

虚拟机随机写测试脚本：

 

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1. [root@1vm]# cat 4krw  
2. [global]  
3. ioengine=libaio  
4. direct=1  
5. thread=1  
6. norandommap=1  
7. randrepeat=0  
8. group_reporting  
9. write_bw_log=4krw  
10. write_lat_log=4krwt  
11. write_iops_log=4krw  
12. log_avg_msec=1000  
13. rw=randwrite  
14. bs=4k  
15. numjobs=1  
16. iodepth=32  
17. group_reporting=1  
18. time_based  
19. runtime=7200  
20.   
21. [vdb]  
22. filename=/dev/vdb  
23. [vdc]  
24. filename=/dev/vdc  
25. [vdd]  
26. filename=/dev/vdd  
27. [vde]  
28. filename=/dev/vde  
29. [vdf]  
30. filename=/dev/vdf  
31. [vdg]  
32. filename=/dev/vdg  
33. [vdh]  
34. filename=/dev/vdh  

虚拟机随机读测试脚本：

 

 

[plain] view plain copy

1. [root@1vm]# cat 4krr  
2. [global]  
3. ioengine=libaio  
4. direct=1  
5. thread=1  
6. randrepeat=0  
7. norandommap=1  
8. write_bw_log=4krr_bw  
9. write_lat_log=4krr_lat  
10. write_iops_log=4krr_iops  
11. log_avg_msec=1000  
12. rw=randread  
13. bs=4k  
14. numjobs=1  
15. iodepth=256  
16. group_reporting=1  
17. time_based  
18. runtime=7200  
19.   
20. [vdb]  
21. filename=/dev/vdb  
22. [vdc]  
23. filename=/dev/vdc  
24. [vdd]  
25. filename=/dev/vdd  
26. [vde]  
27. filename=/dev/vde  
28. [vdf]  
29. filename=/dev/vdf  
30. [vdg]  
31. filename=/dev/vdg  
32. [vdh]  
33. filename=/dev/vdh  

测试结果

 

本次测试中出了涉及Virtio-blk-data-plane优化性能以外，还涉及其他qemu-kvm优化项：

1. PV-EOI
2. X2APIC
3. 虚拟机中使用TSC时钟

以下是本次随机读写测试结果图，仅供参考。

 

随机写测试结果（IOPS）：

 

 

随机读测试结果（IOPS）：