CN113778347B - 一种ceph系统读写质量优化方法及服务端 - Google Patents

一种ceph系统读写质量优化方法及服务端 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种ceph系统读写质量优化方法及服务端，属于通信技术领域，读写质量优化方法包括以下步骤：用户端向OSD存储服务端发起IO请求；OSD存储服务端在接收到用户端发送的IO请求时，判断自身负载情况；若判断到自身处于超载状态，向该用户端返回超负载警示信息；否则，接收该用户端的IO请求；本申请的OSD存储服务端在接收用户端发送的IO请求之前，会预先判断当前是否处于超载状态，若判断到当前处于超载状态，直接向该用户端返回超负载警示信息，不对该IO请求进行处理，若判断到当前未达到超载状态，接收该用户端的IO请求并进行处理，如此，可以保证OSD存储服务端的数据处理能力，减少用户端等待时间。

Description

一种ceph系统读写质量优化方法及服务端
技术领域
本发明属于通信技术领域，尤其涉及一种ceph系统读写质量优化方法及服务端。
背景技术
ceph分布式存储系统中普遍以块设备的方式为上层虚拟机和容器等客户端提供储存服务，其客户端底层把用户的磁盘操作分割成各种IO请求调用librbd发送到osd服务中，osd的ms_fast_dispatch线程频在接收大量IO请求处理情况下会产生频繁的上下文切换，若OSD所在服务器本已处于高负载状态，频繁的上下文切换会加剧CPU资源消耗，OSD的处理数据能力降低，并且返回到客户端的结果耗时较大。
发明内容
（一）发明目的
为了克服以上不足，本发明的目的在于提供一种ceph系统读写质量优化方法及服务端，以解决现有的ceph系统在处理数据过程中，在接收到大量IO请求时，需要不断切换上下文，导致内部的CPU资源消耗较大，降低了ceph系统的数据处理能力的技术问题。
（二）技术方案
为实现上述目的，本申请提供的技术方案如下：
本申请一方面提供了一种ceph系统读写质量优化方法，包括以下步骤：
用户端向OSD存储服务端发起IO请求；
OSD存储服务端在接收到用户端发送的IO请求时，判断当前自身负载是否存在超载趋势；
若OSD存储服务端判断到当前自身存在超载趋势，将IO请求打包成超负载警示信息，并且将其返回到对应用户端；
否则，接收该用户端的IO请求。
本申请的OSD存储服务端在接收用户端发送的IO请求之前，会预先判断当前是否处于超载状态，若判断到当前处于超载状态，会直接将IO请求打包成超负载警示信息并且将其返回到对应用户端，不对该IO请求进行处理，若判断到当前未达到超载状态，接收该用户端的IO请求，将IO请求存入ShardedOp队列中，OSD存储服务端该IO请求的内容进行读取处理，如此，可以避免OSD存储服务端在原本已处于超载状态，还需要频繁切换上下文读取IO请求，加剧内部CPU资源消耗，导致OSD存储服务端的数据处理能力下降，数据处理效率低，同时，直接向用户端发送反馈结果，可避免用户端长时间等待，提高用户的使用体验。
进一步的，当用户端接收到OSD存储服务端返回的超负载警示信息时，休眠预定时间后再次向OSD存储服务端发送IO请求。
进一步的，不同用户端的休眠时间长度不同，客户端休眠时间加入随机抖动机制，使OSD存储服务端收到的IO请求可均匀落到每个时间段上，避免在同一时间接收到多个用户端发送的IO请求，OSD存储服务端需要同时返回多个超负载警示信息，加重了OSD存储服务端的处理任务，导致处理效率降低，加入随机抖动机制可提升OSD存储服务端的处理效率。
进一步的，休眠时间基于用户端发送的IO请求次数增多而延长，这样可以将发送IO请求的机会平均分配于每个用户端，避免其中某一个用户端的IO请求发送过于频繁，占据了大量的IO请求发送机会，导致其他用户端无法发送IO请求的问题。
进一步的，OSD存储服务端判断自身负载情况包括：基于模拟退火算法，判断自身负载情况是否存在超载趋势。
进一步的，基于模拟退火算法，判断当前自身负载情况是否存在超载趋势包括：
设置计时器的溢出阈值并且从0开始进行计数；
计算当前时刻与上一时刻的负载变化值；
在各时刻对负载变化值进行累加；
若当前时刻累加到的负载变化值比上一时刻累加到的负载变化值减小，增加计时器的溢出阈值；
若当前时刻累加到的负载变化值比上一时刻累加到的负载变化值增大，减少计时器的溢出阈值；
在各时刻判断计时值是否达到溢出阈值；
若是，计时器溢出并停止计时，判断存在超载趋势。
进一步的，对每个时刻的负载值进行计算包括：
获取各个时刻用户的活跃进程数量；
统计各个时刻ShardedOp队列中的用户请求数目；
基于权重计算公式：
Figure 718572DEST_PATH_IMAGE001
，计算各个时刻的负载值；
其中，
Figure 543178DEST_PATH_IMAGE002
表示各个时刻的负载值，
Figure 551585DEST_PATH_IMAGE003
表示各个时刻用户的活跃进程数量，
Figure 401729DEST_PATH_IMAGE004
表示 各个时刻ShardedOp队列中的用户请求数目，
Figure 677728DEST_PATH_IMAGE005
与
Figure 830491DEST_PATH_IMAGE006
为两个权重参数比例,
Figure 106621DEST_PATH_IMAGE005
为1,
Figure 901402DEST_PATH_IMAGE006
为0.7。
进一步的，若判断为存在超载趋势，停止对时间进行累加，当检测到下一时刻的负载值增大时再次启动对时间进行累加，如此在OSD存储服务端自身负载瞬间变高的情况下，可以给与一定的缓冲时间让其下降，减少因波峰负载频繁切换的情况，提高系统整体稳定。
本申请另一方面提供了一种ceph系统服务端，包括：
OSD存储服务模块，与用户端通信连接的用于接收用户端的IO请求；
存储服务模块，与OSD存储服务模块通信连接，用于存储经OSD存储服务模块传输过来的数据；
其中，OSD存储服务模块内设置有资源消耗统计子模块，用于在OSD存储服务模块接收到用户端发送的IO请求时，统计当前OSD存储服务模块的负载情况，在判断到当前OSD存储服务模块处于超载状态时，将IO请求打包成超负载警示信息并且将其返回到对应用户端。
附图说明
图1是本发明的ceph系统读写质量优化方法的发起请求场景的信息传输交换图；
图2是本发明的ceph系统读写质量优化方法的返回OVERLOAD结果场景的信息传输交换图；
图3是本发明的ceph系统读写质量优化方法的休眠之后再发起请求场景的信息传输交换图；
图4是现有的ceph系统的发起请求场景的信息传输交换图；
图5是现有的ceph系统的返回结果场景的信息传输交换图；
图6是本发明的ceph系统读写质量优化方法基于模拟退火算法计算自身超载趋势的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
本发明提供的一种ceph系统读写质量优化方法，包括以下步骤：
用户端向OSD存储服务端发起IO请求；
OSD存储服务端在接收到用户端发送的IO请求时，判断是否存在超载趋势；
若OSD存储服务端判断到当前自身存在超载趋势，将IO请求打包成超负载警示信息，并且将其返回到对应用户端；
否则，接收该用户端的IO请求。
具体的，用户端向OSD存储服务端发送IO请求时，多个IO请求会进入到ShardedOp队列进行排队；
具体的，若OSD存储服务端判断当前是超载状态，当收到来自客户端的IO请求时，IO请求将不会存入ShardedOp队列中，会被直接打包成OVERLOAD信息返回到对应的用户端。
具体的，用户端向OSD存储服务端发送IO请求时，一般用时500ms；
现有的，若等待OSD存储服务端完成IO请求处理后，然后将反馈结果返回到用户端，其用时远大于500ms，用户端从发送IO请求到接收到反馈结果，用时远大于1000ms（如图4和图5所示）；
具体的，图4为现有的ceph系统的发起请求场景的信息传输交换图，b表示user逻辑处理程序，占用40%的CPU处理资源，c表示IO处理程序，占用50%的CPU处理资源，a表示CPU的总使用率，为90%；
具体的，图5现有的ceph系统的返回结果场景的信息传输交换图，b表示user逻辑处理程序，占用59%的CPU处理资源，c表示IO处理程序，占用40%的CPU处理资源，a表示CPU的总使用率，为99%。
本申请的，当OSD存储服务端接收到用户端发送的IO请求并且判断到当前处于超负载时，直接向用户端返回结果，无需读取IO请求内容，返回时间远小于500ms，用户端从发送IO请求到接收到反馈结果，用时远小于1000ms（如图1-3所示），可以减少用户端的等待时间。
具体的，图1是本发明的ceph系统读写质量优化方法的发起请求场景的信息传输交换图，b表示user逻辑处理程序，占用40%的CPU处理资源，c表示IO处理程序，占用50%的CPU处理资源，a表示CPU的总使用率，为90%。
具体的，图2是本发明的ceph系统读写质量优化方法的返回OVERLOAD结果场景的信息传输交换图，b表示user逻辑处理程序，占用52%的CPU处理资源，c表示IO处理程序，占用40%的CPU处理资源，a表示CPU的总使用率，为92%。
具体的，图3是本发明的ceph系统读写质量优化方法的休眠之后再发起请求场景的信息传输交换图，b表示user逻辑处理程序，占用40%的CPU处理资源，c表示IO处理程序，占用50%的CPU处理资源，a表示CPU的总使用率，为10%。
具体的，当用户端接收到OSD存储服务端返回的超负载警示信息后，会进入休眠状态，在完成休眠后，再次向OSD存储服务端发送IO请求。
优选的，本方法中加入了休眠抖动机制，使每个用户端的休眠长度不同，每个用户端重新发送IO请求的时间点不同，可以避免多个用户端同时发送IO请求，多个IO请求需要进行排队，并且，OSD存储服务端同一时间接收到多个IO请求时，需要同时对多个IO请求进行处理，处理任务较繁重。
优选的，休眠时间基于用户端发送的IO请求次数而延长，即重新发送的IO请求次数越多，其休眠时间就越长。
具体的，OSD存储服务端判断自身负载情况时，基于模拟退火算法，从而判断自身是否存在超载趋势；
请参阅图3，更具体的，基于模拟退火算法，判断当前系统是否存在超载趋势包括：
设置计时器的溢出阈值并且从0开始进行计数；
计算当前时刻与上一时刻的负载变化值；
在各时刻对负载变化值进行累加；
若当前时刻累加到的负载变化值比上一时刻累加到的负载变化值减小，增加计时器的溢出阈值；
若当前时刻累加到的负载变化值比上一时刻累加到的负载变化值增大，减少计时器的溢出阈值；
在各时刻判断计时值是否达到溢出阈值；
若是，计时器溢出并停止计时，判断存在超载趋势。
更具体的，对判断当前系统是否存在超载趋势进行举例说明：
预先设定溢出阈值为10，当dE增大，溢出阈值减少2，当dE减少，溢出阈值增加2；
（1）检测到当前负载X1为0，dE=0，不大于0，计时器不启动，不进行计时；
（2）检测到当前负载X2为60，X2比X1大，dE=X2-X1=60，dE>0，计时器启动，计时值为0；
（3）检测到当前负载X3为80，X3比X2大，dE=60+（X3-X2)=80，dE>0，计时器的计时值为1，溢出阈值减少2为8（计时值到达8溢出）；
（4）检测到当前负载X4为80，X4与X3一样（在误差范围），dE=80+（X4-X3)=80,dE不变,计时器的计时值为2，溢出阈值为8（计时值到达8溢出）；
（5）检测到当前负载X5为60，X5比X4少，dE=80+（X5-X4)=60，dE>0，计时器的计时值为3，溢出阈值加2为10（计时值到达10溢出）；
（6）①假如dE一直不变，当计时值循环计时到10后，计时器溢出停止计时；
②假如当前负载Xc（c>6）比X5小，dE一直减少，溢出阈值一直增大，但是，当dE减少到0，计时器关闭。
具体的，溢出时，计时器flag置1，判断为超载趋势；
具体的，dE也可以理解为当前时刻与上一时刻的负载变化率，当dE>0后，表示负载趋向于增大的趋势，计时器才启动；
具体的，当dE上升后然后持续减少，下降到原来的水平，计时器关闭，不会切换判断为超载状态。
具体的，需要间隔一个时间点才对前后读取两个负载数据进行采集（周期等待若干时间）；
具体的，对每个时刻的负载值进行计算包括：
获取各个时刻用户的活跃进程数量；
统计各个时刻ShardedOp队列中的用户请求数目；
基于权重计算公式：
Figure 267792DEST_PATH_IMAGE001
，计算各个时刻的负载值；
其中，
Figure 716091DEST_PATH_IMAGE002
表示各个时刻的负载值，
Figure 932046DEST_PATH_IMAGE003
表示各个时刻用户的活跃进程数量，
Figure 999359DEST_PATH_IMAGE004
表示 各个时刻ShardedOp队列中的用户请求数目，
Figure 485835DEST_PATH_IMAGE005
与
Figure 511560DEST_PATH_IMAGE006
为两个权重参数比例,
Figure 949233DEST_PATH_IMAGE005
为1,
Figure 85816DEST_PATH_IMAGE006
为0.7。
优选的，若判断为存在超载趋势，停止对单位时间进行累加，当检测到下一时刻的负载值增大时再次启动对单位时间进行累加。即在T1溢出前，dE负载累加值减少到至零，清除T1并关闭。这样设计的好处在于，一旦负载瞬间变高的情况下，给与系统一定的缓冲时间让其下降，减少因波峰负载频繁切换的情况，提高系统整体稳定。
本申请另一方面提供了一种ceph系统服务端，包括：
OSD存储服务模块，与用户端通信连接，用于接收用户端的IO请求；
存储服务模块，与OSD存储服务模块通信连接，用于存储经OSD存储服务模块传输过来的数据；
其中，OSD存储服务模块内设置有资源消耗统计子模块，用于在OSD存储服务模块接收到用户端发送的IO请求时，统计当前OSD存储服务模块的负载情况，在判断到当前OSD存储服务模块处于超载状态时，将IO请求打包成超负载警示信息并且将其返回到对应用户端；
具体的，本申请的ceph系统服务端用于实现上述的ceph系统读写质量优化方法。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (7)

1.一种ceph系统读写质量优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
用户端向OSD存储服务端发起IO请求；
OSD存储服务端在接收到用户端发送的IO请求时，判断当前自身负载是否存在超载趋势；
若OSD存储服务端判断到当前自身存在超载趋势，将IO请求打包成超负载警示信息，并且将其返回到对应用户端；
否则，接收该用户端的IO请求；
其中，基于模拟退火算法，判断当前自身负载情况是否存在超载趋势；
所述基于模拟退火算法，判断当前自身负载情况是否存在超载趋势包括：
设置计时器的溢出阈值并且从0开始进行计数；
计算当前时刻与上一时刻的负载变化值；
在各时刻对负载变化值进行累加；
若当前时刻累加到的负载变化值比上一时刻累加到的负载变化值减小，增加计时器的溢出阈值；
若当前时刻累加到的负载变化值比上一时刻累加到的负载变化值增大，减少计时器的溢出阈值；
在各时刻判断计时值是否达到溢出阈值；
若是，计时器溢出并停止计时，判断存在超载趋势。
2.根据权利要求1所述的ceph系统读写质量优化方法，其特征在于，当用户端接收到OSD存储服务端返回的超负载警示信息时，休眠后再次向OSD存储服务端发送IO请求。
3.根据权利要求2所述的ceph系统读写质量优化方法，其特征在于，不同用户端的休眠时间长度不同。
4.根据权利要求2或3所述的ceph系统读写质量优化方法，其特征在于，休眠时间基于用户端发送的IO请求次数增多而延长。
5.根据权利要求1所述的ceph系统读写质量优化方法，其特征在于，计算每个时刻的负载值进行包括：
获取各个时刻用户的活跃进程数量；
统计各个时刻ShardedOp队列中的用户请求数目；
基于权重计算公式：
Figure 475506DEST_PATH_IMAGE001
，计算各个时刻的负载值；
其中，
Figure 189384DEST_PATH_IMAGE002
表示各个时刻的负载值，
Figure 641225DEST_PATH_IMAGE003
表示各个时刻用户的活跃进程数量，
Figure 223385DEST_PATH_IMAGE004
表示各个时 刻ShardedOp队列中的用户请求数目，
Figure 975440DEST_PATH_IMAGE005
与
Figure 984854DEST_PATH_IMAGE006
为两个权重参数比例,
Figure 923991DEST_PATH_IMAGE005
为1,
Figure 44262DEST_PATH_IMAGE006
为0.7。
6.根据权利要求1所述的ceph系统读写质量优化方法，其特征在于，若判断为存在超载趋势，停止对时间进行累加，当检测到下一时刻的负载值增大时再次启动对时间进行累加。
7.一种ceph系统服务端，其特征在于，用于处理上述权利要求1-6任意一项所述的ceph系统读写质量优化方法，服务端包括：
OSD存储服务模块，与用户端通信连接，用于接收用户端的IO请求；
存储服务模块，与所述OSD存储服务模块通信连接，用于存储经OSD存储服务模块传输过来的数据；
其中，所述OSD存储服务模块内设置有资源消耗统计子模块，用于在OSD存储服务模块接收到用户端发送的IO请求时，统计当前OSD存储服务模块的负载情况，在判断到当前OSD存储服务模块处于超载状态时，将IO请求打包成超负载警示信息并且将其返回到对应用户端。
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