虚拟化I/O qos——mClock算法介绍

这里介绍VMware在2010年在OSDI发表的一篇论文mClock: handling throughput variability for hypervisor IO scheduling论文中实现的算法。

该算法在最近才在分布式存储ceph项目得到开发和应用。

在云计算平台中，保证I/O的服务质量（QOS），对于虚拟机的稳定性至关重要。所谓QOS，其实是指对虚拟机使用I/O资源的界定参数，比如比例（proportion 或者 share）、最小值（reservation）、最大值（limit）等等。这篇论文中提到的mClock算法实际上就是要保证虚拟机的I/O尽可能的保持weight、reservation、limit等限制条件。

1 考虑一个简单的例子

有三台虚拟机v1、v2 、v3 ， v1和v2要求reservation值为250 IOPS，它们的权重分别是1:2:3，现在有1200IOPS，如何分配IOPS？
v1 : 250 IOPS
v2 : 380 IOPS
v3 : 570 IOPS

基本思想：首先保证最小值IOPS，然后对于没有超过最大值IOPS的虚拟机，按照权重分配IOPS。

2 mClock算法

2.1 整体把握在线IO请求分配如何实现基本思想

• 保证最小值，不超过最大值
  记录虚拟机的IO请求获得分配的数量N，记录虚拟机开始IO请求的时间戳，对比当前时间，总时间长为t，很容易计算虚拟机平均的IOPS，可以用于对比分配给的虚拟机IOPS的最小值r，和最大值l。
  

• 维持比例
  假设虚拟机v1、v2的IO请求获得分配数量分别为N1和N2，它们运行的时间都为t，比例分别为p1 和p2。那么如果它们的IOPS满足权重的要求：
  
  如果N1/p1 > N2/p2，为了维持上述等于关系，v2的I/O请求将会比v1先获得分配。

2.2 基于标签和时间戳的算法

上面一个部分，我们对在线IO请求分配算法如何实现基本思想有了一个整体的把握，实际上这种公平调度算法在大量论文中得以运用，它的名字叫做基于标签的算法（tag-based algorithm）。

2.2.1 标签标记和IO分配调度

在基于标签的算法中，在虚拟机发出IO请求后，针对QOS中的三个参数proportion、reservation、limit，给到达的IO请求打上三个标签（分别用P、R、L），对于第一个IO请求，这三个标签均是第一个IO请求到达的时间，之后每个IO请求，它们的标签分别是：（其中i标签指的是第i台虚拟机,ri表示第i台虚拟机的IO最小值、li表示第i台虚拟机的最大值，wi表示第i台虚拟机的权重或者比例）

其中share tag代表比例的标签。

这些标签中，如果对应的标签的值是大于当前时间的，对于R标签来说，表示这个虚拟机IO请求到达时，虚拟机最小值已经满足，对于L标签来说，表示这个虚拟机IO请求到达时，虚拟机已经达到IO请求的上限，不能进行分配。如果对应的标签的值是小于等于当前时间，那么对于R标签来说，表示这个虚拟机IO请求到达时，虚拟机的IO最小值要求没有满足，对于L标签来说，表示虚拟机IO请求到达时，虚拟机的IO请求没有达到上限，还可以继续为其IO请求分配IO资源。

对于P标签来说，IO请求的P标签越大，表明其权重越小。P标签不会用来与时间做比较

根据这些标签和当前时间比较，我们可以将IO请求分为三类：

1. IO请求到达时，虚拟机的IO请求还没有满足最小值，这一部分IO请求优先分配
2. IO请求到达时，虚拟机的IO请求达到上限，这一部分在分配时暂不考虑
3. IO请求到达时，虚拟机的IO请求达到最小值，但没有达到上限，这一部分IO请求将会通过P标签代表的权重来分配IO资源。

对于上述第三种情况，在给对应的IO请求分配资源后，要求对应的虚拟机vk的所有IO请求的R标签减去1/rk。举一个比较形象的例子来说明这样做的原因：如果不对R标签减去1/r，一台虚拟机在之前获得了大量的IO请求，现在有新的虚拟机需要请求IO，那么原有的虚拟机IO请求在很长一段时间内都会处于第3类，容易出现饥饿问题。

因此，最终的分配策略是这样的：
当虚拟机监控器的处理IO请求的模块接收到这样的IO请求之后，会根据所有IO请求的这些标签，首先查看这些IO请求R标签是否存在小于当前时间，如果存在，表示，存在虚拟机不满足最小值的要求，应该首先满足这些虚拟机，然后从这些小于当前时间的R标签所代表的IO请求中，选择R标签最小的来为其分配IO资源。如果所有IO请求R标签都是大于当前时间，表示虚拟机的所有IO最小值都已经满足。此时，从所有IO请求中选择L标签小于当前时间的集合，从中选择P标签最小的IO请求来应答。

2.2.2 细节问题——标签的调整

P标签标记时，会遇到一个问题是，如果新的虚拟机开启，它的第一个到达的IO请求的P标签是当前时间。但是其他虚拟机的IO请求的P标签实际上与当前时间已经没有多少关系，因为我们只关注IO请求之间的P标签的大小，而不关注P标签与时间之间关系。这样造成的问题是，其他虚拟机的IO请求P标签可能远远大于这个刚刚开启的虚拟机的IO请求的P标签。造成的问题是，这个IO分配策略总是给新开启的虚拟机分配IO请求，造成其他虚拟机饥饿。

因此在虚拟机刚开启时，会对P标签进行调整。调整算法如下：

• 首先从所有IO请求中取得P标签最小的P标签值minPtag
• 所有IO请求的P标签都减去minPtag-t的值，这样原来的IO请求的P标签最小值就是t，也就完成了我们的调整目标。

3 dmClock算法

上述mClock算法主要用于一台服务器上，而由mClock算法改进的dmClock算法用于分布式存储。虚拟机Vi将IO请求发送到存储集群中的某一个节点。

事实上，dmClock只是对标签标记的方法做出简单的修改：

其中公式中的 ρi 表示对于这台虚拟机，在这台存储节点服务的上一次IO请求，与目前这一次IO请求之间，有多少IO请求是被当作第一类IO请求被发送到其他的存储节点上分配IO资源的。 σi 是指对于这台虚拟机，在这台存储设备节点服务的上一次IO请求，与目前这一次IO请求之间，有多少IO请求是被当作第三类IO请求被发送到其他存储节点上被分配IO资源。