CN112000298B - 基于io加权公平排队的存储服务质量保障系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于IO加权公平排队的存储服务质量保障系统，其中，包括：性能比例区分控制器、性能测量监测器和IO资源分配器；性能测量监测器连续并周期性地监视每个负载的性能指标，将测量结果传送给比例控制器，比例控制器的参考基准值依据事先指定的比例性能规范来确定，比例性能规范规定QOS质量等级与负载性能配比关系，根据指定的控制规律计算出每一负载应接受的资源份额，并将相应的比例参数提交给IO资源分配器，IO资源分配器作为执行器，指定控制规律为根据比例性能规范规定的负载性能配比比例来计算资源份额；IO资源分配器按照资源份额参数执行调度策略，选择各个负载的IO请求并派发给公用存储系统，从而实现应用负载的比例性能区分。

Description

基于IO加权公平排队的存储服务质量保障系统
技术领域
本发明涉及一种QoS保障技术，特别涉及一种基于IO加权公平排队的存储服务质量保障系统。
背景技术
各类军事作战指控、情报、保障等系统需要实时存储和处理大量数据，及时精确地提供作战指挥所需的各类信息。这些军事信息系统对数据存储系统的性能要求不断提升，尤其在情报相关系统中，随着各类侦察、探测手段的发展，各类探测器实时产生汇集的数据飞速增长，对后端存储系统的IO性能要求也在不断提升。
新一代武器系统的大扫描宽带固态有源相控阵雷达，有数百路信号源，单路信号数据流达到4Gbps，实时产生的信号聚合数据流达到接近200Gbps；宽带直采雷达单路信号数据流甚至达到40Gbps，实时产生的信号聚合数据流达到接近1000Gbps。为支撑这些信号数据的深度挖掘分析，需要高带宽的存储系统实现对数据的高速及时存储；航天侦查情报系统接收的实时数据流达到数百个Gbps，要求存储系统能够提供持续稳定的IO带宽。目前规划的新一代综合情报处理系统每秒需要存储和处理近50万条短文本情报信息，要求存储系统的聚合IOPS能力达到百万次以上。
此外，部分信息系统需要7*24小时持续运行，且前端应用持续向存储系统进行数据写入，这些由各类采集设备实时产生的数据需要及时写入到存储系统中，一旦产生写入阻塞就会造成数据丢失，因而要求存储系统提供持续的IO带宽保证。
存储储服务质量QoS是系统健壮性的最好体现，更关系到用户的良好体验。分布式存储系统由于存储资源的集中整合带来了一些新的问题，存储资源需要为多个应用所共享，这必然导致资源的冲突和争用，从而使得应用的服务质量难以得到保证，应用所能获得的性能也具有不可预测性。因此存储系统必须最小化应用之间的不利干扰和竞争，实现可预测的服务质量。
衡量网络服务质量的因素主要包括：传输链路的带宽、报文传送时延和抖动、以及丢包率等。因此提高网络的服务质量，就可以从保证传输链路的带宽，降低报文传送的时延和抖动，降低丢包率等方面着手。而这些影响网络服务质量的因素，也就成为QoS的度量指标。
发明内容
本发明一种基于IO加权公平排队的存储服务质量保障系统，用于解决上述现有技术的问题。
本发明一种基于IO加权公平排队的存储服务质量保障系统，其中，包括：性能比例区分控制器、性能测量监测器和IO资源分配器；性能测量监测器连续并周期性地监视每个负载的性能指标，将测量结果传送给比例控制器，比例控制器的参考基准值依据事先指定的比例性能规范来确定，比例性能规范规定QOS质量等级与负载性能配比关系，根据指定的控制规律计算出每一负载应接受的资源份额，并将相应的比例参数提交给IO资源分配器，IO资源分配器作为执行器，指定控制规律为根据比例性能规范规定的负载性能配比比例来计算资源份额；IO资源分配器按照资源份额参数执行调度策略，选择各个负载的IO请求并派发给公用存储系统，从而实现应用负载的比例性能区分。
对于本发明的基于IO加权公平排队的存储服务质量保障系统的一实施例，其中，包括：N个应用负载并发地访问公用存储系统中的数据。
对于本发明的基于IO加权公平排队的存储服务质量保障系统的一实施例，其中，性能指标包括平均响应时间。
对于本发明的基于IO加权公平排队的存储服务质量保障系统的一实施例，其中，比例性能规范规定QOS质量等级与负载性能配比关系包括：将QOS质量服务等级分为5个等级，等级一负载性能占比50％，等级二负载性能占比20％，等级三负责性能占比15％，等级四负载性能占比10％，等级五负责性能占比5％。
对于本发明的基于IO加权公平排队的存储服务质量保障系统的一实施例，其中，IO资源分配器设定系统总资源份额为100M，QOS等级一的负载数为N1，QOS等级二的负载数为N2，QOS等级三的负载数为N3，QOS等级四的负载数为N4，QOS等级五的负载数为N5，每个等级一负载应获得的资源份额应为50M/N1，等级二负载应获得的资源份额应为20M/N2,等级三负载应获得的资源份额应为15M/N3,等级四负载应获得的资源份额为10M/N4，等级五负载应获得的资源份额为5M/N4。
对于本发明的基于IO加权公平排队的存储服务质量保障系统的一实施例，其中，IO资源分配器根据每个负载应获得的资源份额，分配访问共享存储系统资源的份额的算法，假设共享存储系统IOPS资源总份额为Q，该负载获得的资源份额占总资源比例为P，则该负载被IO资源分配器限定的IOPS应不超过Q*P。
对于本发明的基于IO加权公平排队的存储服务质量保障系统的一实施例，其中，还包括：比例设置器，为性能检测器提供设置负载资源配比关系的接口。
对于本发明的基于IO加权公平排队的存储服务质量保障系统的一实施例，其中，比例控制器根据比例设置器输入的资源配比关系向IO资源分配器申请相应份额的资源份额，IO资源分配器分配完相应的资源份额后反馈给参数估计器，参数估计器再根据分配资源的测量值通知比例控制器动态调整资源份额，使分配资源的测量值始终保持稳定。
对于本发明的基于IO加权公平排队的存储服务质量保障系统的一实施例，其中，比例控制器的比例区分模型包括：符号Wi表示负载i的权重；符号yi(k)表示负载i在第k个采样周期的实际响应时间；符号ui(k)表示第k个采样周期共享存储系统所分配的IO带宽，各个负载的相对区分服务等级之比符合如下方程(1.1)：
y1：y2：...：yi...：yN＝w1：w2：...：wi...：wN (1.1)
采用ARMA模型来描述共享存储系统：
A(z-1)y(k)＝z-dB(z-1)u(k) (1.2)
在方程(1.2)中A(z-1)和B(z-1)分别为一延迟因子z-1表示的多项式，即
A(z-1)＝1+a1z-1+...+anz-n (1.3)
B(z-1)＝b0+b1z-1+...+bmz-m (1.4)
符号d则表示时间延迟，根据方程(1.2)，系统的控制规律方程如方程(1.5)所示：
F(z-1)u(k)＝R(z-1)yr(k)-G(z-1)y(k) (1.5)
这里F(z-1)，G(z-1)与R(z-1)为待定多项式，yr(k)则表示第k个采样周期的参考基准值。
本发明经过对服务质量保障技术的研究，设计了基于IO加权公平排队的存储服务质量保障系统。基于分布式存储系统IO的特性设计的WCFQ与传统的IO服务质量保障相比能有效降低数据包传输延时和网络抖动并且能显著降低网络丢包率，在分布式存储系统中起到了良好测试效果。
附图说明
图1为QoS保障系统结构；
图2给出了比例控制器的组织结构。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
图1为QoS保障系统结构，如图1，QoS保障系统通过控制公用存储系统的IO资源分配来达到比例性能保证和性能区分的目的。整个QoS保障系统由三个部分组成：性能比例区分控制器、性能测量监测器和IO资源分配器(即带宽分配器或调度器)，如图1所示。图中的公用存储系统由各种类型的存储服务器或小规模存储系统构成，借助虚拟化等技术整合后，其对外呈现为一个单一的系统映象；还假设有N应用负载并发地访问公用存储系统中的数据。为简化下文的叙述，在此假设这N个负载中的每一个代表一类负载。QoS保障系统的工作过程如下：首先，性能测量监测器连续并周期性地监视每个负载的某一性能指标，如平均响应时间，然后将测量结果传送给比例控制器。控制器的参考基准值依据事先指定的比例性能规范来确定，比例性能规范规定QOS质量等级与负载性能配比关系，例如将QOS质量服务等级分为5个等级，规定其中等级一负载性能占比50％，等级二负载性能占比20％，等级三负责性能占比15％，等级四负载性能占比10％，等级五负责性能占比5％，然后根据指定的控制规律计算出每一负载应接受的资源份额，并将相应的比例参数提交给IO资源分配器(IO带宽分配器)，IO带宽分配器在QoS保障系统中作为执行器。例如指定控制规律为根据比例性能规范规定的负载性能配比比例来计算资源份额，假设按照前述比例性能规范配比，且系统总资源份额为100M，QOS等级一的负载数为N1，QOS等级二的负载数为N2，QOS等级三的负载数为N3，QOS等级四的负载数为N4，QOS等级五的负载数为N5，则每个等级一负载应获得的资源份额应为50M/N1，等级二负载应获得的资源份额应为20M/N2,等级三负载应获得的资源份额应为15M/N3,等级四负载应获得的资源份额为10M/N4，等级五负载应获得的资源份额为5M/N4。最后，调度器(即带宽分配器)按照资源份额参数执行调度策略(调度策略是指执行器根据每个负载应获得的资源份额，分配访问共享存储系统资源的份额的算法，例如假设共享存储系统IOPS资源总份额为Q，该负载获得的资源份额占总资源比例为P，则该负载被调度器限定的IOPS应不超过Q*P)，选择各个负载的IO请求并将其派发给公用存储系统，从而实现应用负载的比例性能区分.
接下来，在此详细描述QoS保障系统中比例控制器的设计。图2给出了比例控制器的组织结构，如图2，在QoS保障系统中采用基于自适应控制方法的自校正控制器。更确切地说，它采用直接自校正控制器(Direct Self-Tuning Regulators，D-STRs)来实现相对性能区分。因为直接自校正控制器便于实现，尤其是其消除了控制器参数的大量计算，这将大大改善在线比例控制器的响应性(responsiveness)。
比例设置器为性能检测器提供设置负载资源配比关系的接口。比例控制器根据比例设置器输入的资源配比关系向调度器申请相应份额的资源份额，调度器分配完相应的资源份额后反馈给参数估计器，参数估计器再根据分配资源的测量值通知比例控制器动态调整资源份额，使分配资源的测量值始终保持稳定。
在此声明各符号的含义。符号Wi表示负载i的权重；符号yi(k)表示负载i在第k个采样周期的实际响应时间；符号ui(k)表示第k个采样周期共享存储系统所分配的IO带宽。根据比例区分模型(此处的比例区分模型指的比例性能规范规定的QOS质量等级与负载性能的配比关系)，各个负载的相对区分服务等级之比符合如下方程(1.1)：
y1：y2：...：yi...：yN=w1：w2：...：wi...：wN (1.1)
在QoS保障系统中采用ARMA(Autoregressive Moving Average)模型来描述共享存储系统(为简化方程的形式，方程中的下标没有标注)：
A(z-1)y(k)＝z-dB(z-1)u(k) (1.2)
在方程(1.2)中A(z-1)和B(z-1)分别为一延迟因子z-1表示的多项式，即
A(z-1)＝1+a1z-1+...+anz-n (1.3)
B(z-1)＝b0+b1z-1+...bmz-m (1.4)
符号d则表示时间延迟。根据方程(1.2)，系统的控制规律方程如方程(1.5)所示：
F(z-1)u(k)＝R(z-1)yr(k)-G(z-1)y(k) (1.5)
这里F(z-1)，G(z-1)与R(z-1)为待定多项式，yr(k)则表示第k个采样周期的参考基准值。
针对分布式存储系统IO服务水平能力波动影响系统带宽性能保证的问题，设计了一种基于IO加权公平排队的存储服务质量保障系统，采用动态的加权带宽份额分配机制和多队列公平排队策略，使得系统多个并发应用获得相应的IO性能，实现系统性能隔离，保证各应用负载的服务质量。WCFQ能成功运行在分布式存储系统中，保障关键业务的稳定服务。
本发明经过对服务质量保障技术的研究，设计了基于IO加权公平排队的存储服务质量保障系统。基于分布式存储系统IO的特性设计的WCFQ与传统的IO服务质量保障相比能有效降低数据包传输延时和网络抖动并且能显著降低网络丢包率，在分布式存储系统中起到了良好测试效果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于IO加权公平排队的存储服务质量保障系统，其特征在于，包括：性能比例区分控制器、性能测量监测器和IO资源分配器；
性能测量监测器连续并周期性地监视每个负载的性能指标，将测量结果传送给比例控制器，比例控制器的参考基准值依据事先指定的比例性能规范来确定，比例性能规范规定QOS质量等级与负载性能配比关系，根据指定的控制规律计算出每一负载应接受的资源份额，并将相应的比例参数提交给IO资源分配器，IO资源分配器作为执行器，指定控制规律为根据比例性能规范规定的负载性能配比比例来计算资源份额；IO资源分配器按照资源份额参数执行调度策略，选择各个负载的IO请求并派发给公用存储系统，从而实现应用负载的比例性能区分；
其中，
比例控制器的比例区分模型包括：
符号Wi表示负载i的权重；符号yi(k)表示负载i在第k个采样周期的实际响应时间；符号ui(k)表示第k个采样周期共享存储系统所分配的IO带宽，各个负载的相对区分服务等级之比符合如下方程(1.1)：
y1：y2：...：yi...：yN＝w1：w2：...：wi...：wN (1.1)
采用ARMA模型来描述共享存储系统：
A(z-1)y(k)＝z-dB(z-1)u(k) (1.2)
在方程(1.2)中A(z-1)和B(z-1)分别为一延迟因子z-1表示的多项式，即
A(z-1)＝1+a1z-1+...+anz-n (1.3)
B(z-1)＝b0+b1z-1+...+bmz-m (1.4)
符号d则表示时间延迟，根据方程(1.2)，系统的控制规律方程如方程(1.5)所示：
F(z-1)u(k)＝R(z-1)yr(k)-G(z-1)y(k) (1.5)
这里F(z-1)，G(z-1)与R(z-1)为待定多项式，yr(k)则表示第k个采样周期的参考基准值。
2.如权利要求1所述的基于IO加权公平排队的存储服务质量保障系统，其特征在于，包括：N个应用负载并发地访问公用存储系统中的数据。
3.如权利要求1所述的基于IO加权公平排队的存储服务质量保障系统，其特征在于，性能指标包括平均响应时间。
4.如权利要求1所述的基于IO加权公平排队的存储服务质量保障系统，其特征在于，比例性能规范规定QOS质量等级与负载性能配比关系包括：
将QOS质量服务等级分为5个等级，等级一负载性能占比50％，等级二负载性能占比20％，等级三负责性能占比15％，等级四负载性能占比10％，等级五负责性能占比5％。
5.如权利要求1所述的基于IO加权公平排队的存储服务质量保障系统，其特征在于，IO资源分配器设定系统总资源份额为100M，QOS等级一的负载数为N1，QOS等级二的负载数为N2，QOS等级三的负载数为N3，QOS等级四的负载数为N4，QOS等级五的负载数为N5，每个等级一负载应获得的资源份额应为50M/N1，等级二负载应获得的资源份额应为20M/N2,等级三负载应获得的资源份额应为15M/N3,等级四负载应获得的资源份额为10M/N4，等级五负载应获得的资源份额为5M/N4。
6.如权利要求1所述的基于IO加权公平排队的存储服务质量保障系统，其特征在于，IO资源分配器根据每个负载应获得的资源份额，分配访问共享存储系统资源的份额的算法，假设共享存储系统IOPS资源总份额为Q，该负载获得的资源份额占总资源比例为P，则该负载被IO资源分配器限定的IOPS应不超过Q*P。
7.如权利要求1所述的基于IO加权公平排队的存储服务质量保障系统，其特征在于，还包括：比例设置器，为性能检测器提供设置负载资源配比关系的接口。
8.如权利要求7所述的基于IO加权公平排队的存储服务质量保障系统，其特征在于，比例控制器根据比例设置器输入的资源配比关系向IO资源分配器申请相应份额的资源份额，IO资源分配器分配完相应的资源份额后反馈给参数估计器，参数估计器再根据分配资源的测量值通知比例控制器动态调整资源份额，使分配资源的测量值始终保持稳定。
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