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OpenStack 针对特定场景的 8 个高级特性

2018-5-23 15:39| 发布者: 炼数成金_小数| 查看: 15738| 评论: 0|原作者: 付广平|来自: talkwithtrend

摘要: OpenStack K版本引入了许多CPU高级特性功能,不仅支持自定义CPU拓扑功能,支持设置虚拟机CPU的socket、core、threads等,还支持CPU pinning功能,即CPU核绑定,甚至能够配置虚拟机独占物理CPU,虚拟机的vCPU能够固定 ...

存储 测试 架构 GPU 虚拟化 Openstack

本文将介绍OpenStack的几个高级特性,这里所谓的高级特性,不是指那些人人都需要的OpenStack通用默认配置,而是专门针对一些特定场景需求设定的。

1 虚拟机软删除
通常情况下,当用户删除虚拟机时,虚拟机会立即从hypervisor底层删除,不可撤回。为了防止人为误操作,Nova支持开启软删除(soft delete)功能,或者称为延迟删除,延迟删除时间通过Nova配置项 /etc/nova/nova.conf 的 reclaim_instance_interval项指定,如下:

此时虚拟机执行普通删除操作时,nova不会立即删除虚拟机,而是会等待两分钟的时间,在此时间间隔内,管理员可以随时恢复虚拟机,只有在超过120秒后虚拟机才会真正执行删除操作,不可恢复。

为了演示该功能,我们删除一台虚拟机 int32bit-test-2:


通过 nova list 命令并指定 --deleted 选项可以列出已删除的所有虚拟机实例:


通过 nova restore 命令可以恢复虚拟机:


可见,刚刚删除的虚拟机已经恢复了。

注意如果管理员通过 nova force-delete 命令强制删除虚拟机,虚拟机会立即从底层删除而无视延迟时间。

需要注意的是,由于这个功能早期设计的缺陷,开启虚拟机软删除功能必须保证所有计算节点和API节点配置一样并且时间同步,并且所有节点的延迟时间不可动态修改,这非常不灵活。我在我们内部私有云二次开发中改善了该功能,延时时间不再通过配置文件指定,而是通过虚拟机的 admin metadata 指定,这样就不再依赖于各个节点的配置项的同步与更新,并且可随时调整延时时间。

2 CPU拓扑以及核绑定
2.1 概述
OpenStack K版本引入了许多CPU高级特性功能,不仅支持自定义CPU拓扑功能,支持设置虚拟机CPU的socket、core、threads等,还支持CPU pinning功能,即CPU核绑定,甚至能够配置虚拟机独占物理CPU,虚拟机的vCPU能够固定绑定到宿主机的指定pCPU上,在整个运行期间,不会发生CPU浮动,减少CPU切换开销,提高虚拟机的计算性能。除此之外,OpenStack还支持设置threads policy,能够利用宿主机的SMT特性进一步优化虚拟机的性能。

接下来简单介绍下如何配置OpenStack的CPU高级特性。

2.2 规划CPU和内存
在配置之前,首先需要规划计算节点的CPU和内存,哪些CPU分配给虚拟机,哪些CPU给宿主机本身的进程预留,预留多少内存等。为了性能的最优化,还需要考虑宿主机CPU的NUMA架构。

Linux环境下可以通过以下命令查看CPU信息:


由以上信息可知,该宿主机一共两个CPU(socket),每个CPU 10核(core),每个核可以开启两个超线程(thread),即一共有40个逻辑CPU,包含两个NUMA node,其中node0包括0,2,4,...,38,node1包括1,3,5,...,39。

预留CPU个数和内存需要根据实际情况调整,比如若计算节点和存储节点融合,则需要预留更多的CPU来保证存储服务的性能。

本例子仅作为测试使用,测试环境预留了4个逻辑CPU(1-3)和4GB物理内存给宿主机,剩下的资源全部分配给虚拟机使用。

配置虚拟机使用的CPU集合(cpuset)是通过计算节点的 vcpu_pin_set 配置项指定,目前支持以下三种语法格式:

1,2,3 # 指定CPU号,逗号隔开。

2-15, 18-31 # 使用-表示连续CPU序列,使用逗号分隔。

^0,^1,^2,^3 # 使用^表示排除的CPU号,剩下的全部作为虚拟机使用。

以上三种语法格式可以组合使用。

compute节点Nova参考配置如下:


如果需要配置虚拟机CPU独占,则还需要配置内核参数 isolcpu 来限制其他进程使用指定的CPU。比如我们需要把CPU 2,3,6,7作为CPU pinning给虚拟机独占,设置如下:

在nova-scheduler节点上,需要配置默认filter,filters中必须包含AggregateInstanceExtraSpecFilter和NUMATopologyFilter这两个filter:

配置完重启所有的nova-scheduler服务:

2.3 创建主机集合
在实际环境中肯定不是所有的计算节点都开启这些高级功能,并且CPU特性也有差别,我们可以通过主机集合(host aggregate)把所有相同的CPU配置放到一个集合中,通过主机集合(host aggregate)区分哪些计算节点开启CPU核绑定功能,哪些不开启。

首先创建pinned-cpu主机集合:

此时nova scheduler只要接收到包含pinned=true元数据的请求就会自动从包含pinned=true元数据的主机中调度。

2.4 创建flavor
目前Nova并不支持启动时直接指定主机集合的metadata(hint只支持指定server group),需要通过flavor的extra specs配置,并与主机集合的metadata匹配,不匹配的主机将被过滤掉,不会被选择作为候选主机。

flavor支持很多内置的extra specs,通过内置extra specs,可以配置虚拟机的CPU拓扑、QoS、CPU pinning策略、NUMA拓扑以及PCI passthrough等,更详细的介绍可参考官方文档。这里我们只关心CPU拓扑和核绑定功能。

如下是设置CPU topology的语法,自定义CPU的socket数量、core数量以及超线程数量:


注意以上配置项不需要全部设置,只需要设置其中一个或者几个,剩余的值会自动计算。

CPU核绑定配置语法如下:


其中CPU-POLICY合法值为shared、dedicated,默认为shared,即不进行CPU核绑定,我们需要把这个值设置为dedicated。

CPU-THREAD-POLICY和SMT有关,合法值为:

prefer: 宿主机不一定需要符合SMT架构,如果宿主机具备SMT架构,将优先分配thread siblings。

isolate: 宿主机SMT架构不是必须的,如果宿主机不具备SMT架构,每个vCPU将绑定不同的pCPU,如果宿主机是SMT架构的,每个vCPU绑定不同的物理核。

require: 宿主机必须满足SMT架构,每个vCPU在不同的thread siblins上分配,如果宿主机不具备SMT架构或者core的空闲thread siblings不满足请求的vCPU数量,将导致调度失败。

通常设置成默认值 prefer 或者 isolate 即可。

接下来开始创建flavor,设置为8个CPU、2GB内存以及20GB磁盘空间:

查看flavor的extra specs信息:



2.5 功能验证
使用新创建的Flavor创建虚拟机:


使用 nova show 命令查看虚拟机所在的宿主机,在该宿主机上查看虚拟机的xml文件:


其中306abd22-28c5-4f91-a5ce-0dad03a35f4为虚拟机的uuid。

在xml文件中可以看到如下内容:


即vCPU与pCPU的绑定关系。

进入虚拟机中查看CPU信息结果如下:


和我们配置的结果一样(2 sockets * 2 cores * 2 threads)。

在虚拟机上执行高密度计算,测试的Python脚本如下:


使用shell脚本同时跑50个进程,保证CPU满载运行:


使用sar命令查看宿主机CPU使用情况:


结果如下:


从CPU使用情况看宿主机的pCPU 4-5,8-9,24-25,28-29使用率100%,并且整个过程中没有浮动,符合我们的预期结果,说明CPU核绑定成功。

3 虚拟化嵌套
3.1 开启虚拟化嵌套
默认情况下我们创建的KVM虚拟机的CPU特性中没有包含vmx,这意味着不能在虚拟机中再创建开启KVM硬件加速的虚拟机,即不支持虚拟化嵌套。值得庆幸的是,目前除了VirtualBox(题外话:VirtualBox在9年前就有人提出要支持嵌套,只是一直没有实现,参考ticket #4032),主流的hypervisor比如VMware、KVM、Xen都支持已经虚拟化嵌套。也就是说,我们可以实现在支持KVM的宿主机创建同样支持KVM的虚拟机。

这里以KVM为例,首先查看系统是否开启了KVM嵌套功能:

3.2 配置计算节点
OpenStack支持虚拟化嵌套,修改计算节点的nova配置文件/etc/nova/nova.conf,设置cpu_mode = host-passthrough,然后重启nova-compute服务即可。

需要注意的是,使用host-passthrough的虚拟机迁移功能受限,只能迁移到相同配置的宿主机。

4 使用virtio-scsi驱动
4.1 virtio-blk VS virtio-scsi
虚拟机的虚拟硬盘默认使用半虚拟化驱动virt-blk,此时硬盘在虚拟机的设备名称形如/dev/vda、/dev/vdb等。

事实上,virt-blk有点老了,其本身也存在许多问题,比如:

virt-blk的存储设备和PCI设备一一对应,而我们知道系统中至多可以有32个PCI总线,这说明虚拟机最多可以挂32个虚拟硬盘。

virt-blk的设备名称为vd[a-z],而现代的物理机通常都会使用SCSI控制器,设备名称为sd[a-z],这意味着物理机迁移到虚拟机中可能存在问题,比如fstab中使用的设备名挂载而不是uuid,系统就会起不来。

如WIKI所言,virt-blk实现的指令不是标准的,并且可扩展差,实现一个新的指令,必须更新所有的guest。

云计算架构模式下,为了节省存储空间,用户更倾向于使用精简置备(thin provision),virtio-blk不支持discard特性,关于discard特性后面讲。

因此,建议使用virtio-scsi半虚拟化驱动代替virtio-blk,这是因为:

实现的是标准的SCSI指令接口,不需要额外实现指令,在虚拟机里看到的设备名称和物理机一样(sd[a-z]),解决了前面提到的物理机和虚拟机设备名不一样的问题。

一个SCSI控制器可以接256个targets,而一个target可以接16384个LUNs,也就是说一个controller理论上可以挂载256 * 16384 == 4194304个虚拟机硬盘,这100%足够了。

virtio-scsi支持直通模式(passthrough),也就是说可以把物理机的硬盘直接映射给虚拟机。

virtio-scsi支持前面提到的discard特性。

4.2 块设备的discard功能
前面提到块设备的discard特性,这个主要和精简置备有关,就拿Ceph RBD说,我们知道当我们分配一个20GB的image时,Ceph并不会真正分配20GB的存储空间,而是根据需要逐块分配,这和Linux的sparse稀疏文件的原理是一样的,这个特性节省了物理存储空间,实现了硬盘的超售。然而,Ceph只知道上层文件系统需要空间时就分配,而并不知道上层文件系统如何使用存储资源的(实际上也不关心)。而实际上,我们的文件系统肯定是频繁创建文件、删除文件的,删除文件后按理说是可以释放物理存储资源的,然而Ceph并不知道,所以不会回收,占据的存储空间会越来越多,直到空间达到真实的分配空间大小(20GB),而文件系统层可能并没有真正使用那么多空间,这就造成了存储空间利用率下降的问题。比如,我们创建了一个5GB的文件,Ceph底层会分配5GB的空间,此时我们把这个5GB的文件删除,分配的这5GB空间并不会释放。好在Linux支持fstrim,如果块设备支持discard特性,文件系统会发送flush通知给底层块设备(RBD),块设备会回收空闲资源。Sébastien Han写了一篇博客关于ceph discard的,参考ceph and krbd discard。

正如前面所言,virt-blk是不支持discard的,而virt-scsi支持,所以如果关心底层存储的空间利用率,建议使用virt-scsi,并在挂载设备中指定discard参数(或者写到fstab中):


但是需要注意的是,任何事物都具有两面性,既有优点,也存在缺点:

virio-scsi相对virtio-blk IO路径会更复杂,性能可能会有所下降,参考virtio-blk vs virtio-scsi。

通过mount命令挂载虚拟硬盘时开启discard特性会降低文件系统的读写性能。

4.3 OpenStack使用virtio-scsi驱动
前面讲了那么多关于virio-blk以及virtio-scsi,那怎么在OpenStack中使用virtio-scsi呢?很简单,只需要设置Glance镜像的property就可以了:


通过这个配置不仅使根磁盘会使用virtio-scsi驱动,挂载新的Cinder volume也会默认使用virtio-scsi驱动。

需要注意的是,制作OpenStack镜像时一定要保证initrd中包含virtio-scsi驱动,否则操作系统会由于在初始化时不识别SCSI块设备导致启动失败:


启动虚拟机后,如果根硬盘的设备名称为/dev/sda,则说明使用的是virtio-scsi驱动。

5 使用qemu-guest-agent
5.1 qemu-guest-agent简介
我们都知道OpenStack虚拟机启动时是通过cloud-init完成初始化配置的,比如网卡配置、主机名配置、注入用户密码等。而虚拟机启动之后处于运行状态时,外部如何与虚拟机通信呢,这就是qemu-guest-agent要完成的事,这其实在《如何构建OpenStack镜像》(该文可点击阅读原文到专栏阅读)一文中已经介绍过,这里直接搬过来。

qemu-guest-agent是运行在虚拟机的一个daemon服务,libvirt会在宿主机本地创建一个unix socket,并模拟为虚拟机内部的一个串口设备,从而实现了宿主机与虚拟机通信,这种方式不依赖于TCP/IP网络。

如下是开启qemu-guest-agent的虚拟机xml配置信息:


以上宿主机的socket文件为org.qemu.guest_agent.0.instance-00003c2c.sock,在虚拟机内部映射为/dev/virtio-ports/org.qemu.guest_agent.0。

通过这种方式,宿主机只要发送指令到该socket文件中就会在虚拟机对应的串口设备中收到,虚拟机内部的qemu-guest-agent会轮询查看这个串行设备是否有指令,一旦接收到指令就可以执行对应的脚本,从而实现了宿主机控制虚拟机执行命令的功能,其中最常用的指令就是通过libvirt修改虚拟机密码。更多关于qemu-guest-agent请参考官方文档。

5.2 在OpenStack中应用
首先在制作镜像时需要安装qemu-guest-agent服务:

6 网卡多队列
默认情况下网卡中断由单个CPU处理,当有大量网络包时单个CPU处理网络中断就可能会出现瓶颈。通过网卡多队列技术可以把网卡的中断分摊到多个CPU中。阿里云官方文档测试表明在网络PPS和网络带宽的测试中,与1个队列相比,2个队列最多可提升50%到1倍,4个队列的性能提升更大。

OpenStack支持配置网卡多队列(要求内核版本大于3.0),配置方法如下:


队列长度固定为虚拟机的核数。

创建虚拟机查看网卡信息:


网卡信息表明支持的较大队列(Combined)为2,目前设置为1,可以通过ethtool工具修改配置:


7 watchdog
在一些分布式集群中,我们可能期望虚拟机crash时自动关机,防止出现集群脑裂。或者当负载过高时自动执行重启,使服务恢复正常。

OpenStack支持配置虚拟watchdog,首先制作镜像时需要安装并开启watchdog服务:


其中支持的action列表如下:

reset: 强制重启。

shutdown: 安全关机。

poweroff: 强制关机。

pause: 停止虚拟机。

'none': 不执行任何操作。

'dump': 导出dump core。

参考官方文档可以查看更详细的配置。

8 GPU虚拟化
OpenStack从Q版本开始支持GPU虚拟化,由于测试环境中没有GPU,因此本文仅参考官方文档描述配置过程。

首先在安装有GPU(假设为nvidia-35)的计算节点中修改nova配置文件:

使用该flavor创建的虚拟机就会分配一个虚拟GPU。

需要注意的是,如果使用libvirt driver,对于分配了vGPU的虚拟机:

不能执行挂起(suspend)操作,这是因为libvirt不支持vGPU的热插拔功能。

冷迁移(migrate)、拯救(rescue)或者通过resize指定另一个设置了GPU的flavor,虚拟机都将不会再分配GPU,可以通过再执行一次rebuild操作恢复。

9. 参考文献
维基百科NUMA.

NUMA架构的CPU -- 你真的用好了么?.

OpenStack官方文档--Flavor.

CPU pinning and numa topology awareness in OpenStack compute.

Simultaneous multithreading - Wikipedia.

isolcpus、numactl and taskset.

Virtio-scsi.

ceph and krbd discard.

virio-blk vs virio-scsi.

virtual gpu.

libvirt watchdog.

enable netsted virtualization kv centos 7.

inception how usable are nested kvm guests.

more recommandations ceph openstack.

阿里云网卡多队列文档.

本文作者:付广平,毕业于北京邮电大学,曾先后在阿里巴巴技术保障部以及英特尔中国研究院实习,毕业后加入UnitedStack,负责Nova以及Cinder研发,2017年加入中国民生银行,负责云技术研究和落地工作。OpenStack代码贡献者,并撰写多篇 OpenStack 技术文章。

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