CN105353981A - 一种pcie ssd优化的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种PCIE？SSD优化的方法，该方法包括三个步骤：步骤1）关闭irqbalance服务；步骤2）确定Nvme中断向量，取得新的IRQ与外设的对应关系,确定新的中断向量与外设的对应关系；步骤3）让设备都在一个node上面。本发明的一种PCIE？SSD优化的方法解决了存储时出现的高延迟的问题，有效的缩短了延迟时间；使得SSD的IOPS（每秒读写次数）性能得到明显提高；该方法也解决了不同PCIe？SSD之间的驱动适用性问题，不需要厂商独立提供驱动支持，PCIe？SSD就可适用于多个不同平台。

Description

一种PCIE SSD优化的方法
技术领域
　　本发明涉及Linux系统下固态硬盘技术领域，具体地说是一种PCIESSD优化的方法。
背景技术
闪存（Flashmemory）诞生于20世纪80年代末，它是一种存取高速、抗震性强、体积小、容量大、功耗低、掉电数据不丢失的存储介质。闪存在近十年来不断发展，已经被广泛应用于手机、数码相机、游戏机等各种便捷式设备和嵌入式系统中。与传统硬盘相比，闪存在抗震性和数据的存储速度上具有明显优势，因而已经成为替代磁盘的首选存储介质。闪存对突发I/O的响应时间也只有传统硬盘的百分之一，直接将现有数据库系统部署在闪存上，联机事务的处理能力有大约5～10倍的提升，响应时间也有大幅改善。此外，闪存比传统硬盘可靠性更高，MTBF（平均故障间隔时间）优于传统硬盘。闪存的这些优势使它非常适合用于存储数据库，提高数据库的存取效率和降低能耗。
以NAND闪存为代表的半导体存储容量密度增大，而且越来越便宜。当那个拐点的时间到来，人们发现用小小的SSD能顶上几十甚至上百块硬盘的性能。在企业级SSD发展初期，更多的应用形式是安装在EMC等存储系统厂商的阵列中，替代磁盘的SASSSD；或者服务器里面使用的SATASSD。它们能够与传统硬盘控制器良好兼容，但当时主流的SATA和SAS接口带宽只有3Gb/s或者6Gb/s（300-600MB/s），如今12Gb/sSAS还没有普及，而x8PCIe2.0的理论带宽已经达到4GB/s，PCIe3.0更是翻了一倍。因此PCIESSD采用标准PCIE接口直连CPU，其速度是传统采用SATA/SAS接口十倍以上。
PCIESSD（固态硬盘）采用NVMe控制接口，该接口是一种为企业级、客户端系统所用的而专门设计的高性能、可扩展主机控制接口。它具有以下优点：
1.低延迟，因为AHCI标准本身就是为高延迟的机械硬盘而设，虽然SSD发展至今，主流产品依然沿用了机械硬盘时代的那一套，但已经开始不能满足性能的高速发展，特别是在延迟方面。而面向PCIeSSD产品的NVMe标准，降低存储时出现的高延迟，就是其要解决的问题之一。造成硬盘存储时延迟的三大因素，存储介质本身、控制器，以及软件接口标准。比起AHCI，NVMe可以大幅度降低控制器和软件接口部分的延迟，NVMe面向的是PCIeSSD，原生PCIe主控与CPU直接相连，而不是传统方式，通过南桥控制器中转，再连接CPU，并且NVMe精简了调用方式，执行命令时不需要读取寄存器；而AHCI每条命令则需要读取4次寄存器，一共会消耗8000次CPU循环，从而造成2.5μs的延迟。
2.IOPS性能提升，NVMe的另一个重点则是提高SSD的IOPS（每秒读写次数）性能。如果我们有详细了解过SSD的主控参数，应该知道会有队列深度这个参数。理论上，IOPS=队列深度/IO延迟，故IOPS的性能，与队列深度有较大的关系（但IOPS并不与队列深度成正比，因为实际应用中，随着队列深度的增大，IO延迟也会提高）。市面上性能不错的SATA接口SSD，在队列深度上都可以达到32，然而这也是AHCI所能做到的极限。但目前高端的企业级PCIeSSD，其队列深度可能要达到128，甚至是256才能够发挥出最高的IOPS性能。而NVMe标准下，最大的队列深度可达64000。此外，NVMe的队列数量也从AHCI的1，提高了64000。
3.驱动适用性广，NVMe标准的也解决了不同PCIeSSD之间的驱动适用性问题。此前的PCIeSSD，均需要安装驱动程序后才能正常使用，而不同的厂商又各自为政，每个厂商产品都有自己的驱动，SSD也不能作为引导使用。但支持NVMe标准之后，PCIeSSD就可适用于多个不同平台，也不需要厂商独立提供驱动支持。目前Windows、Linux、Solaris、Unix、VMware、UEFI等都加入了对NVMeSSD的支持。
发明内容
　　本发明的技术任务是提供一种PCIESSD优化的方法。
本发明的技术任务是按以下方式实现的，该方法包括三个步骤：
步骤1）关闭irqbalance服务；
在红帽6.5中的NVMe驱动会自动把全部的中断向量绑定到core0上，如果有多个SSD,core0将会成为瓶颈；irqbalance用于优化中断分配，自动收集系统数据以分析使用模式，并依据系统负载状况将工作状态置于Performancemode或Power-savemode；
步骤2）确定Nvme中断向量，取得新的IRQ与外设的对应关系,确定新的中断向量与外设的对应关系；
中断向量与IRQ对应关系是在OS中固定不动的，而IRQ与I/O外设的对应关系会应外设变动而变动；外设变动后，重启系统，重建IRQ与I/O外设的对应关系，进而重建中断向量与外设的映射关系；
步骤3）让设备都在一个node上面；
Linux中用一个structpg_data_t表示一个numa节点，Linux内核支持numa调度,并实现CPU的负载均衡；查看是否支持:dmesg|grep-inuma，要查看具体的numa信息用numastat；根据需求将PCIESSD插入仅仅一个CPU的PCIE插槽或者平均插到每个CPU的PCIE插槽,使用usenumactl命令确保PCIESSD所在node与上面运行的程序node号一致从而获取最佳性能。
所述的步骤1）中工作状态置于Performancemode时，irqbalance会将中断尽可能均匀地分发给各个CPUcore，以充分利用CPU多核，提升性能；
置于Power-savemode时，irqbalance会将中断集中分配给第一个CPU，以保证其它空闲CPU的睡眠时间，降低能耗；irqbalance根据系统中断负载的情况，自动迁移中断保持中断的平衡。
所述的步骤2）中重启系统时，执行一个硬件协议，外设宣布准备使用哪些中断线，然后协商一个最终的值以尽可能的减少冲突；一旦外设有了变动后，IRQ线不再对应原来的外设后，这个通过IRQ线建立与外设对应关系的中断向量不再有效；必须重启系统，执行硬件协议，取得新的IRQ与外设的对应关系，从而也就确定新的中断向量与外设的对应关系。
本发明的一种PCIESSD优化的方法和现有技术相比，解决了存储时出现的高延迟的问题，有效的缩短了延迟时间；使得SSD的IOPS（每秒读写次数）性能得到明显提高；该方法也解决了不同PCIeSSD之间的驱动适用性问题，不需要厂商独立提供驱动支持，PCIeSSD就可适用于多个不同平台。
具体实施方式
实施例1：
该PCIESSD优化的方法包括三个步骤：
步骤1）关闭irqbalance服务；
在红帽6.5中的NVMe驱动会自动把全部的中断向量绑定到core0上，如果有多个SSD,core0将会成为瓶颈；irqbalance用于优化中断分配，自动收集系统数据以分析使用模式，并依据系统负载状况将工作状态置于Performancemode或Power-savemode；
步骤2）确定Nvme中断向量，取得新的IRQ与外设的对应关系,确定新的中断向量与外设的对应关系；
中断向量与IRQ对应关系是在OS中固定不动的，而IRQ与I/O外设的对应关系会应外设变动而变动；外设变动后，重启系统，重建IRQ与I/O外设的对应关系，进而重建中断向量与外设的映射关系；
步骤3）让设备都在一个node上面；
Linux中用一个structpg_data_t表示一个numa节点，Linux内核支持numa调度,并实现CPU的负载均衡；查看是否支持:dmesg|grep-inuma，要查看具体的numa信息用numastat；根据需求将PCIESSD插入仅仅一个CPU的PCIE插槽或者平均插到每个CPU的PCIE插槽,使用usenumactl命令确保PCIESSD所在node与上面运行的程序node号一致从而获取最佳性能。
实施例2：
该PCIESSD优化的方法包括三个步骤：
步骤1）关闭irqbalance服务；
在红帽6.5中的NVMe驱动会自动把全部的中断向量绑定到core0上，如果有多个SSD,core0将会成为瓶颈；irqbalance用于优化中断分配，自动收集系统数据以分析使用模式，并依据系统负载状况将工作状态置于Performancemode或Power-savemode；
工作状态置于Performancemode时，irqbalance会将中断尽可能均匀地分发给各个CPUcore，以充分利用CPU多核，提升性能；
置于Power-savemode时，irqbalance会将中断集中分配给第一个CPU，以保证其它空闲CPU的睡眠时间，降低能耗；irqbalance根据系统中断负载的情况，自动迁移中断保持中断的平衡，同时会考虑到省电因素等等。但是在实时系统中会导致中断自动漂移，对性能造成不稳定因素，在高性能的场合关闭。
[rootmemblaze-lyk2~]#serviceirqbalancestop
步骤2）确定Nvme中断向量，取得新的IRQ与外设的对应关系,确定新的中断向量与外设的对应关系；
中断向量与IRQ对应关系是在OS中固定不动的，而IRQ与I/O外设的对应关系会应外设变动而变动；外设变动后，重启系统，重建IRQ与I/O外设的对应关系，进而重建中断向量与外设的映射关系；
重启系统时，执行一个硬件协议，外设宣布准备使用哪些中断线，然后协商一个最终的值以尽可能的减少冲突；一旦外设有了变动后，IRQ线不再对应原来的外设后，这个通过IRQ线建立与外设对应关系的中断向量不再有效；必须重启系统，执行硬件协议，取得新的IRQ与外设的对应关系，从而也就确定新的中断向量与外设的对应关系。
[rootmemblaze-lyk2~]#cat/proc/interrupts|grepnvme
[rootmemblaze-lyk2~]#echo0000aaaa>/proc/irq/161/smp_affinity
[rootmemblaze-lyk2~]#cat/proc/irq/161/smp_affinity
0000,0000aaaa
[rootmemblaze-lyk2~]#cat/proc/irq/161/smp_affinity_list
1,3,5,7,9,11,13,15
步骤3）让设备都在一个node上面；
Linux中用一个structpg_data_t表示一个numa节点，Linux内核支持numa调度,并实现CPU的负载均衡；查看是否支持:dmesg|grep-inuma，要查看具体的numa信息用numastat；根据需求将PCIESSD插入仅仅一个CPU的PCIE插槽或者平均插到每个CPU的PCIE插槽,使用usenumactl命令确保PCIESSD所在node与上面运行的程序node号一致从而获取最佳性能。
numa_hit是打算在该节点上分配内存，最后从这个节点分配的次数，
num_miss是打算在该节点分配内存，最后却从其他节点分配的次数，num_foregin是打算在其他节点分配内存，最后却从这个节点分配的次数，interleave_hit是采用interleave策略最后从该节点分配的次数，local_node该节点上的进程在该节点上分配的次数，
other_node是其他节点进程在该节点上分配的次数。
lscpu可以看到两个node的cpu归属:
lscpu
NUMAnode0CPU(s):0,2,4,6,8,10,12,14,16,18,20,22,24,26,28,30NUMAnode1CPU(s):1,3,5,7,9,11,13,15,17,19,21,23,25,27,29,31
具体策略见下：
根据需求将PCIESSD插入仅仅一个CPU的PCIE插槽或者平均插到每个CPU的PCIE插槽,使用usenumactl命令确保PCIESSD所在node与上面运行的程序node号一致来获取最佳性能.
[rootmemblaze-lyk2numactl]#cat/sys/block/nvme0n1/device/numa_node1
[rootmemblaze-lyk2numactl]#lspci|grepMell
42:00.0Networkcontroller:MellanoxTechnologiesMT27500Family[ConnectX-3]
[rootmemblaze-lyk2numactl]#lspci-t
[rootmemblaze-lyk2numactl]#cat/sys/devices/pci0000/:40/0000/:40/:02.0/numa_node
1
Linux上使用numactl设定进程的numa策略。常见的情况是,数据库daemon进程可能会吃掉很多内存，而一个numa节点上的内存很有限，内存不够时虚拟内存频繁与硬盘交换数据，导致性能急剧下降(标识是irqbalance进程top中居高不下),这时应该采用interleave的numa策略，允许从其他节点分配内存。
读速度:
测试从同一个节点读取:
numactl--cpubind=0--membind=0ddif=/dev/zeroof=/dev/shm/Abs=1Mcount=1000date+%s.%Nnumactl--cpubind=0--membind=0cp/dev/shm/A/dev/nulldate+%s.%Nrm/dev/shm/A
花费0.264556884765625秒,速度是3.779905410081901GB/s。
从另一个节点读取:
numactl--cpubind=0--membind=0ddif=/dev/zeroof=/dev/shm/Abs=1Mcount=1000date+%s.%Nnumactl--cpubind=1--membind=1cp/dev/shm/A/dev/nulldate+%s.%Nrm/dev/shm/A
花费0.3308408260345459秒,速度是3.022601569419312GB/s，加速效果是很明显的。
通过上面具体实施方式，所述技术领域的技术人员可容易的实现本发明。但是应当理解，本发明并不限于上述的几种具体实施方式。在公开的实施方式的基础上，所述技术领域的技术人员可任意组合不同的技术特征，从而实现不同的技术方案。

Claims (3)

1.一种PCIESSD优化的方法，其特征在于，该方法包括三个步骤：
步骤1）关闭irqbalance服务；
在红帽6.5中的NVMe驱动会自动把全部的中断向量绑定到core0上，如果有多个SSD,core0将会成为瓶颈；irqbalance用于优化中断分配，自动收集系统数据以分析使用模式，并依据系统负载状况将工作状态置于Performancemode或Power-savemode；
步骤2）确定Nvme中断向量，取得新的IRQ与外设的对应关系,确定新的中断向量与外设的对应关系；
中断向量与IRQ对应关系是在OS中固定不动的，而IRQ与I/O外设的对应关系会应外设变动而变动；外设变动后，重启系统，重建IRQ与I/O外设的对应关系，进而重建中断向量与外设的映射关系；
步骤3）让设备都在一个node上面；
Linux中用一个structpg_data_t表示一个numa节点，Linux内核支持numa调度,并实现CPU的负载均衡；查看是否支持:dmesg|grep-inuma，要查看具体的numa信息用numastat；根据需求将PCIESSD插入仅仅一个CPU的PCIE插槽或者平均插到每个CPU的PCIE插槽,使用usenumactl命令确保PCIESSD所在node与上面运行的程序node号一致从而获取最佳性能。
2.根据权利要求1所述的一种PCIESSD优化的方法，其特征在于，所述的步骤1）中工作状态置于Performancemode时，irqbalance会将中断尽可能均匀地分发给各个CPUcore，以充分利用CPU多核，提升性能；
置于Power-savemode时，irqbalance会将中断集中分配给第一个CPU，以保证其它空闲CPU的睡眠时间，降低能耗；irqbalance根据系统中断负载的情况，自动迁移中断保持中断的平衡。
3.根据权利要求1所述的一种PCIESSD优化的方法，其特征在于，所述的步骤2）中重启系统时，执行一个硬件协议，外设宣布准备使用哪些中断线，然后协商一个最终的值以尽可能的减少冲突；一旦外设有了变动后，IRQ线不再对应原来的外设后，这个通过IRQ线建立与外设对应关系的中断向量不再有效；必须重启系统，执行硬件协议，取得新的IRQ与外设的对应关系，从而也就确定新的中断向量与外设的对应关系。
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