CN104636201B - 一种虚拟i/o 调度方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种虚拟I/O调度方法和系统。该方法包括：当上层应用对文件系统产生I/O请求Rk时，CFD通过文件系统的过滤驱动截获请求Rk，根据文件Fk、进程Pk和时间戳Tk将该请求分类，将分类标记Ck附加在请求Rk中，并根据附加的分类标记Ck将该I/O请求插入到各自类别的I/O队列中；在本地缓存中查找该I/O请求所需的数据块，如果找到，则返回。本发明实现了低开销、对操作系统少修改的方式，解决了云计算环境下终端设备产生的大量混杂类型I/O导致系统性能不高的问题。
Description
技术领域
本发明涉及云计算领域，特别是涉及一种虚拟I/O调度方法和系统。
背景技术
当今计算时代正在由信息共享向服务共享过渡，在这个跨越中出现了新的计算模式——云计算。云计算支持用户根据自己的需求，从使用的各种设备（包括固定和移动及家庭各类设备）找到相关计算服务，而这些服务又是存储在位于分布式网络的服务器。云计算作为一种网络化按需加载的分布式系统，终端系统会产生大量的混杂类型的虚拟I/O。其中包括系统类的I/O请求、非实时性文件I/O请求和实时性文件I/O请求等，图1所示为云计算环境下虚拟I/O的处理过程。然而近年来CPU计算速度的飞速提升并没有带来计算机I/O处理速度的提高，I/O一直是计算机性能的瓶颈，对于云计算模式也不例外。因此，改善终端系统性能的一个有效方法是提高I/O的处理性能。
传统的I/O调度方法存在以下问题：
第一、通用的I/O调度算法（如SCAN，SSTF）都将力图减少物理磁盘的寻道时间和旋转时间作为提高磁盘系统响应时间和吞吐率的一个重要因素。但云计算终端是由虚拟磁盘机制向加载的操作系统提供平面寻址的虚拟块设备，因此终端的磁盘I/O处理和调度机制无需考虑磁盘的物理属性。
第二、支持QoS控制的I/O的调度算法需要操作系统中有支持硬实时的QoS控制模块来提供QoS控制参数，会给上至应用程序下到物理磁盘调度带来较大开销，而且对操作系统的修改也较大，实现复杂。
第三、云计算在处理虚拟磁盘I/O的路径上增加了网络传输以及服务器上的I/O处理，路径较单机系统更长，所以大量小I/O产生的小数据包会使得网络传输的性能降低，网络I/O的性能下降。因此将小I/O聚合对于I/O处理路径较长的云计算系统有重要影响。现有聚合小I/O的方法如Collective I/O，无法获得上层的语义信息，即没有区分I/O的类型，从而聚合的效率不高。
发明内容
鉴于以上，本发明提出一种虚拟I/O调度方法和系统，以解决现有技术存在的至少一个问题。
根据本发明一方面，提出一种虚拟I/O调度方法，包括：当上层应用对文件系统产生I/O请求Rk时，CFD通过文件系统的过滤驱动截获请求Rk，根据文件Fk、进程Pk和时间戳Tk将该请求分类，将分类标记Ck附加在请求Rk中，并根据附加的分类标记Ck将该I/O请求插入到各自类别的I/O队列中；在本地缓存中查找该I/O请求所需的数据块，如果找到，则返回。
进一步，在本地缓存中未查找到该I/O请求所需的数据块时，为不同类别的I/O队列赋予不同的处理优先权重；对某一队列的I/O进行处理时，对队列中的I/O进行聚合，将连续块的请求聚合为一个请求；未工作的NBD实例被唤醒，将该I/O请求封装成NBD包，调用本地网卡驱动，发送到服务器上处理，以从服务器获取I/O请求所需的数据块。
进一步，创建文件Fk、进程Pk和时间戳Tk到分类集合Ck的映射函数f，并根据该映射函数将请求分类。
进一步，根据分配给每类I/O的优先权重来规定每类I/O处理在每轮处理中的所占时间。
进一步，预先创建多个NBD实例，当处理一个聚合I/O请求时，未工作的NBD实例被唤醒。
根据本发明一方面，提出一种虚拟I/O调度系统，包括CFD和CBC，其中：CFD，当上层应用对文件系统产生I/O请求Rk时，通过文件系统的过滤驱动截获请求Rk，根据文件Fk、进程Pk和时间戳Tk将该请求分类，将分类标记Ck附加在请求Rk中，并根据附加的分类标记Ck将该I/O请求插入到各自类别的I/O队列中；CBC，在本地缓存中查找该I/O请求所需的数据块，如果找到，则返回。
进一步，CBAS，在本地缓存中未查找到该I/O请求所需的数据块时，为不同类别的I/O队列赋予不同的处理优先权重，根据分配给每类I/O的优先权重来规定每类I/O处理在每轮处理中的所占时间；对某一队列的I/O进行处理时，对队列中的I/O进行聚合，将连续块的请求聚合为一个请求，并插入到一个新的队列中；当处理一个聚合I/O请求时，未工作的NBD实例被唤醒，CBAS将该I/O请求封装成NBD包，调用本地网卡驱动，发送到服务器上处理，以从服务器获取I/O请求所需的数据块。
进一步，CDM创建文件Fk、进程Pk和时间戳Tk到分类集合Ck的映射函数f。
进一步，根据分配给每类I/O的优先权重来规定每类I/O处理在每轮处理中的所占时间。
进一步，预先创建多个NBD实例，当处理一个聚合I/O请求时，未工作的NBD实例被唤醒。
本发明通过在文件驱动层对混杂I/O类型进行分类，支持用户自定义的虚拟I/O优先策略，实现了低开销、对操作系统少修改的方式，解决了云计算环境下终端设备产生的大量混杂类型I/O导致系统性能不高的问题。
本发明将小I/O聚合成大的I/O再发送到服务器上处理，减少I/O的平均路径长度和跨网络处理开销。
本发明通过在终端上引入缓存提高响应速度；通过并行处理虚拟I/O的传送提高跨网络处理磁盘I/O的吞吐率。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1所示为现有技术中云计算环境下虚拟I/O的处理过程。
图2所示为本发明一实施例中的一种虚拟I/O调度系统的结构示意图。
图3所示为本发明一实施例中的一种虚拟I/O调度方法的流程示意图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置和数值不限制本发明的范围。
同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
图2所示为本发明一实施例中的一种虚拟I/O调度系统的结构示意图。本发明提出一种云计算系统中的终端虚拟I/O机制，包括在云计算终端上的I/O处理部分、网络封装部分和发送部分。按功能层次分为位于操作系统的文件系统中的分类标记部分、位于操作系统的设备驱动层中的聚合处理部分和并行发送部分，共三个部分。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
分类处理为下层的I/O处理提供上层的语义信息，是优化云计算终端的虚拟I/O处理的基础。本发明没有提供复杂的QoS服务，因为那样会带来很大的开销。基于性能方面的考虑，通过一种低开销、对操作系统少修改的方式，让设备驱动层为虚拟I/O的分类聚合提供前提条件。
分类标记通过分类过滤驱动模块（Classification Filter Driver，CFD）完成。CFD是一个虚拟的设备驱动，当上层应用对文件系统产生一个I/O请求Rk时，CFD通过文件系统的过滤驱动截获请求Rk，并根据文件Fk、进程Pk和时间戳Tk组成的三元组，将该请求分类，并将分类标记Ck附加在请求Rk中。通过对操作系统的块级I/O数据结构（如Linux中的BIO结构，Windows中的IRP结构）增加一个分类标记域，使得由操作系统产生的每一个I/O请求都关联上一个分类标记。这样可以利用操作系统原有的设备模型的分层机制，将分类信息传递到下层的设备驱动层，这样既不影响操作系统其他机制，而且时间和空间上的开销都很小。
分类指导模块（Classification Direction Module，CDM）负责分类规则的管理，为CFD提供分类规则f。CDM的分类规则f是I/O的文件Fk、进程Pk和时间戳Tk到分类集合Ck的映射函数，可表达为f(Fk,Pk,Tk)→Ck。比如，mplayer播放Avatar.avi文件的I/O被设置为实时性要求高的媒体类I/O（MM），设置规则可抽象为(Avatar.avi,mplayer,*)=MM，表示当I/O请求传递给CFD具有前两个参数值，则该I/O为MM类I/O，与时间无关。规则(*,mplayer,*)=MM，则表示mplayer进程对文件系统产生的所有I/O请求都被归为MM类。分类规则可以通过CDM模块由服务器统一预制形成缺省的分类规则，也可按需更改。CDM为不同的I/O类别分配不同的优先权重，即I/O请求完成分类后，就带有优先权重。
分类聚合处理位于设备驱动层中的虚拟磁盘驱动中，在收到从文件层通过操作系统的设备模块传递下来I/O请求时，根据附加的分类标记Ck，I/O被插入到各自类别的I/O队列中。分类控制缓存（Classification-Based Caching，CBC）模块在本地缓存中查找该I/O请求所需的数据块，如果找到，则返回。
本发明通过在文件驱动层对混杂I/O类型进行分类，支持用户自定义的虚拟I/O优先策略，实现了低开销、对操作系统少修改的方式，让块设备驱动层为虚拟I/O的分类聚合提供前提条件。基于分类的I/O调度可以提供差异化的存储服务，而不是简单的进行FCFS（First Come First Served，先来先服务）调度，解决了云计算环境下终端设备产生的大量混杂类型I/O导致系统性能不高的问题。
在本发明的另一实施例中，如果在本地缓存中未查找到该I/O请求所需的数据块，则由分类聚合调度模块（Classification-based Aggregation scheduling，CBAS）对队列中的I/O进行调度处理。
CBAS的基本思想是以round-robin的方式处理所有队列，但为不同类别的I/O队列赋予不同的处理优先权重。与优先权重对应的是每一轮处理分配给该类队列的处理时间。与现有基于优先权的混杂数据调度方法的重要不同是，CBAS不是一种分配CPU处理时间的特权方式调度方法，也没有规定一个固定的时间片。CBAS通过规定了一个指导性的每轮处理的总时间，根据分配给每类I/O的优先权重来规定每类I/O处理在每轮处理中的所占时间，一类队列处理时间用尽后，开始处理下一类的I/O。在该实施例中，使用round-robin的方式处理分类队列，为不同类别的I/O队列赋予不同的处理优先权重，根据分配给每类的优先权重来规定每类I/O处理在每轮处理中的所占时间，实现不同类型虚拟I/O的差异化处理。由于采用异步的方式处理虚拟磁盘I/O，因此分类聚合调度模块不会出现闲置等待的情况。
对某一队列的I/O进行处理时，分类聚合调度模块还可以对该队列中的I/O进行聚合，将连续块的请求聚合为一个请求，并插入到一个新的队列中。在该实施例中，将小I/O聚合成大的I/O再发送到服务器上处理，会减少I/O的平均路径长度和跨网络处理开销。CBAS聚合发送算法的示例如下所示。
算法中Qi是当前队列，Q′i是聚合后的队列，M是分类队列的总数，Pi是第i个队列的优先权重，TRound是每一轮的标准处理时间，TRest是该队列处理所剩的处理时间，TServing是将一个聚合I/O取出处理的时间。allServed过程的功能是检查队列是否为空。Update过程的功能是将Qi中新产生的I/O请求从队列中取出，并按先后顺序插入到聚合队列Q′i中。Aggregate过程的功能是对聚合I/O队列Q′i中的I/O请求聚合，将连续块请求的I/O聚合成一个大的I/O。
算法流程如下：首先计算出当前队列Qi处理所剩的处理时间，调用Update将Qi中新产生的I/O请求从队列中取出，并按先后顺序插入到聚合队列Q′i中。此时原I/O请求复制到内存堆空间中，用来收到异步I/O数据后形成I/O应答回复上层，其内存地址作为索引被记录下来。接着，调用allServed检查队列Q′i是否为空。如果队列为空，返回step1，处理下一个队列。如果队列不为空，调用Aggregate对队列Q′i中的I/O请求聚合，将连续块请求的I/O聚合成一个大的I/O，聚合后的I/O请求在队列中的顺序改变，聚合前最小块号的I/O请求的位置将作为新位置。同时原I/O和聚合I/O之间的映射信息被临时记录。在CBAS算法Step2中，当执行一次Aggregate后，位于Q′i首部的聚合I/O被取出处理，此时原I/O的请求队列和聚合I/O后的请求之间的映射信息和聚合信息被记录下，用于接收到I/O应答时重定向至原I/O请求的应答。
为了提高吞吐率，采用并行方式提高I/O的异步处理能力，对聚合I/O的发送没有采用在需要处理I/O发送时再动态生成一个NBD的方式，因为该方式开销太大，而是预先创建多个NBD实例。NBD（Network Block Device，网络块设备）是Linux下的一个网络存储设备，NBD在Linux操作系统系统中，呈现为一个设备节点，将远程主机上的磁盘空间当作一个块设备来使用。当CBAS处理一个聚合I/O请求的时候，未工作的NBD实例被唤醒，将该I/O请求封装成NBD包，然后调用本地网卡驱动，发送到服务器上处理，以从服务器获取I/O请求所需的数据块。该实施例中，通过在终端上引入缓存提高响应速度；通过并行处理虚拟I/O的传送提高跨网络处理磁盘I/O的吞吐率。
本发明可以应用于对终端设备的I/O处理，还可应用在其它使用网络存储的计算设备上，如各种应用服务器。
图3所示为本发明一实施例中的一种虚拟I/O调度方法的流程示意图。该方法包括以下步骤：
步骤31，当上层应用对文件系统产生I/O请求Rk时，CFD通过文件系统的过滤驱动截获请求Rk，根据文件Fk、进程Pk和时间戳Tk将该请求分类，将分类标记Ck附加在请求Rk中，并根据附加的分类标记Ck，将该I/O请求插入到各自类别的I/O队列中。
其中，创建文件Fk、进程Pk和时间戳Tk到分类集合Ck的映射函数f，并根据该映射函数将请求分类。
步骤32，判断在本地缓存中是否查找该I/O请求所需的数据块，如果找到，则执行步骤33，否则，执行步骤34。
步骤33，返回数据。
步骤34，在该实施例中，即在本地缓存中未查找到该I/O请求所需的数据块时，为不同类别的I/O队列赋予不同的处理优先权重，根据分配给每类I/O的优先权重来规定每类I/O处理在每轮处理中的所占时间，一类队列处理时间用尽后，就开始处理下一类I/O。
步骤35，对某一队列的I/O进行处理时，对队列中的I/O进行聚合，将连续块的请求聚合为一个I/O请求。
步骤36，预先创建多个NBD实例，当处理一个聚合I/O请求时，唤醒未工作的NBD实例，将该I/O请求封装成NBD包，调用本地网卡驱动，发送到服务器上处理，以从服务器获取I/O请求所需的数据块。
本发明通过在文件驱动层对混杂I/O类型进行分类，支持用户自定义的虚拟I/O优先策略，实现了低开销、对操作系统少修改的方式，解决了云计算环境下终端设备产生的大量混杂类型I/O导致系统性能不高的问题。
本发明将小I/O聚合成大的I/O再发送到服务器上处理，减少I/O的平均路径长度和跨网络处理开销。
本发明通过在终端上引入缓存提高响应速度；通过并行处理虚拟I/O的传送提高跨网络处理磁盘I/O的吞吐率。
至此，已经详细描述了本发明。为了避免遮蔽本发明的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。
可能以许多方式来实现本发明的方法以及装置。例如，可通过软件、硬件、固件或者软件、硬件、固件的任何组合来实现本发明的方法以及装置。用于所述方法的步骤的上述顺序仅是为了进行说明，本发明的方法的步骤不限于以上具体描述的顺序，除非以其它方式特别说明。此外，在一些实施例中，还可将本发明实施为记录在记录介质中的程序，这些程序包括用于实现根据本发明的方法的机器可读指令。因而，本发明还覆盖存储用于执行根据本发明的方法的程序的记录介质。
虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种虚拟I/O调度方法，其特征在于：
当上层应用对文件系统产生I/O请求Rk时，分类过滤驱动CFD通过文件系统的过滤驱动截获请求Rk，根据文件Fk、进程Pk和时间戳Tk将该请求分类，将分类标记Ck附加在请求Rk中，并根据附加的分类标记Ck将该I/O请求插入到各自类别的I/O队列中；
在本地缓存中查找该I/O请求所需的数据块，如果找到，则返回。
2.根据权利要求1所述虚拟I/O调度方法，其特征在于：
在本地缓存中未查找到该I/O请求所需的数据块时，为不同类别的I/O队列赋予不同的处理优先权重；
对某一队列的I/O进行处理时，对队列中的I/O进行聚合，将连续块的请求聚合为一个请求；
未工作的网络块设备NBD实例被唤醒，将该I/O请求封装成NBD包，调用本地网卡驱动，发送到服务器上处理，以从服务器获取I/O请求所需的数据块。
3.根据权利要求1或2所述虚拟I/O调度方法，其特征在于：
创建文件Fk、进程Pk和时间戳Tk到分类集合Ck的映射函数f，并根据该映射函数将请求分类。
4.根据权利要求2所述虚拟I/O调度方法，其特征在于：
根据分配给每类I/O的优先权重来规定每类I/O处理在每轮处理中的所占时间。
5.根据权利要求2所述虚拟I/O调度方法，其特征在于：
预先创建多个NBD实例，当处理一个聚合I/O请求时，未工作的NBD实例被唤醒。
6.一种虚拟I/O调度系统，包括分类过滤驱动CFD和分类控制缓存CBC，其特征在于：
CFD，当上层应用对文件系统产生I/O请求Rk时，通过文件系统的过滤驱动截获请求Rk，根据文件Fk、进程Pk和时间戳Tk将该请求分类，将分类标记Ck附加在请求Rk中，并根据附加的分类标记Ck将该I/O请求插入到各自类别的I/O队列中；
CBC，在本地缓存中查找该I/O请求所需的数据块，如果找到，则返回。
7.根据权利要求6所述虚拟I/O调度系统，其特征在于：
分类聚合调度CBAS，在本地缓存中未查找到该I/O请求所需的数据块时，为不同类别的I/O队列赋予不同的处理优先权重，根据分配给每类I/O的优先权重来规定每类I/O处理在每轮处理中的所占时间；对某一队列的I/O进行处理时，对队列中的I/O进行聚合，将连续块的请求聚合为一个请求，并插入到一个新的队列中；当处理一个聚合I/O请求时，未工作的网络块设备NBD实例被唤醒，CBAS将该I/O请求封装成NBD包，调用本地网卡驱动，发送到服务器上处理，以从服务器获取I/O请求所需的数据块。
8.根据权利要求6或7所述虚拟I/O调度系统，其特征在于：
分类指导模块CDM创建文件Fk、进程Pk和时间戳Tk到分类集合Ck的映射函数f。
9.根据权利要求7所述虚拟I/O调度系统，其特征在于：
根据分配给每类I/O的优先权重来规定每类I/O处理在每轮处理中的所占时间。
10.根据权利要求7所述虚拟I/O调度系统，其特征在于：
预先创建多个NBD实例，当处理一个聚合I/O请求时，未工作的NBD实例被唤醒。
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| GR01 | Patent grant | ||
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