Ceph RBD和QEMU块设备qos测试

Ceph，作为一个高度可扩展的分布式存储系统，已经成为云计算和大数据时代的关键基石。随着企业和组织对数据存储的需求日益增长，Ceph 通过其强大的特性，如可靠性、伸缩性和性能，满足了这些需求。然而，随着集群规模的扩大和工作负载的多样性，如何确保资源的有效分配和性能隔离成为了一个重要议题。在这个背景下，Ceph 的 Quality of Service (QoS) 功能显得尤为重要。

QoS 在 Ceph 中的实现，特别是在其 RADOS Block Device (RBD) 模块中，提供了一种机制来控制和限制存储资源的使用，如 IOPS（每秒输入输出操作次数）和带宽。这对于在多租户环境中维持服务质量，防止资源过度使用或“邻居噪音”问题至关重要。通过精确地配置 QoS 参数，管理员可以为不同的虚拟机、容器或应用分配适当的存储资源，确保系统的整体性能和响应性。

在本文中，我们将深入探讨 Ceph RBD 的 QoS 特性，重点关注如何验证和量化 RBD QoS 设置的效果。通过一系列的测试和分析，我们将展示 QoS 参数如何影响 RBD 性能，以及如何根据特定的工作负载和性能要求调整这些参数。无论是对于 Ceph 新手还是资深用户，了解和应用 RBD 的 QoS 功能都是提高存储系统效率和可靠性的关键步骤。

测试环境

• 操作系统：ubuntu 20.04
• 内核：5.4.0-163-generic
• CPU / 内存：32C / 128G
• 硬盘：10T
• ceph：17.2.5 quincy (stable)

测试流程

• 拉起一个使用ceph rbd存储的虚拟机
• 使用fio测试无限速情况下iops和bps
• 开启 image qos iops限速 测试rbd的iops
• 开启 image qos bps限速 测试rbd的bps
• 开启 pool qos iops限速 测试rbd的iops
• 开启 pool qos bps限速 测试rbd的bps
• 测试qemu对块设备进行bps限速
• 测试qemu对块设备进行iops限速
• 删除qos再次进行测试，验证已经恢复

测试步骤

在ceph 14版本开始支持rbd的qos 详细配置参数可以参考https://docs.ceph.com/en/latest/rbd/rbd-config-ref/

ceph rbd的qos是在librbd上进行限制的。

查看当前镜像的qos配置

rbd -p libvirt-pool config image ls scan.img|grep qos

查看存储池的qos配置，存储池的qos限制的是所有镜像总的qos不超过设置的值

rbd config pool ls libvirt-pool|grep qos

可以看到默认不设置的时候bps和iops都为0，表示默认不限速。rbd_qos_schedule_tick_min=50表示qos的最小调度间隔是50毫秒，每隔50毫秒检查一次当前的io操作是否符合qos配置。这里解释下rbd_qos_write_iops_burst_seconds=1表示在达到写入 IOPS 限制（由 rbd_qos_write_iops_limit 参数设置）之后，RBD 图像可以以突发模式继续写入操作的时间长度。这个突发模式允许 IOPS 短时间内超过设定的限制值，为的是处理短暂的高负载情况，而不是持续的高速写入。这个参数的值设定为 1 秒，意味着在触发 IOPS 限制后，写入操作可以在接下来的 1 秒内保持较高的 IOPS，之后将被限制回设定的 rbd_qos_write_iops_limit 值，同样对bps的burst_seconds的意义也是一样。

解释下相关参数：

• IOPS：每秒 I/O 数（任何类型的 I/O）
• read IOPS：每秒读取 I/O 数
• write IOPS：每秒写入 I/O 数
• bps：每秒字节数（任何类型的 I/O）
• read bps：每秒读取的字节数
• write bps：每秒写入的字节数

使用fio进行读取写入测试

fio 是一个灵活的 I/O 性能测试工具，广泛用于评估磁盘和文件系统的性能。以下是一个基本的示例，展示如何使用 fio 进行随机读写测试：

fio --name=randrw_test --ioengine=libaio --iodepth=1 --rw=randrw --rwmixread=50 --bs=4k --direct=1 --size=1G --numjobs=4 --runtime=60 --group_reporting

参数解释

• --name=randrw_test: 测试的名称。
• --ioengine=libaio: 使用 Linux AIO（异步 I/O）作为 I/O 引擎。
• --iodepth=1: I/O 深度，这里设置为 1，意味着每个 job 在任何时刻只有一个 I/O 操作在等待。
• --rw=randrw: 测试类型为随机读写。
• --rwmixread=50: 读写混合比例，这里设置为 50%，意味着读操作和写操作各占 50%。
• --bs=4k: 块大小设置为 4KB。
• --direct=1: 使用直接 I/O，绕过缓存。
• --size=1G: 每个 job 测试文件的大小。
• --numjobs=4: 同时运行的 job 数量。
• --runtime=60: 测试运行时间，这里设置为 60 秒。
• --group_reporting: 作为一个组来报告所有 job 的结果。

在不进行qos限速的情况下，我使用fio在rbd镜像存储的虚拟机里进行随机读写测试

rbd perf image iostat --pool libvirt-pool

image.png

开启 image qos iops限制此镜像的iops为100 测试scan.img的iops

rbd -p libvirt-pool config image set  scan.img rbd_qos_iops_limit 100

再次在scan.img所在的虚拟机上进行随机读写测试

fio --name=randrw_test --ioengine=libaio --iodepth=1 --rw=randrw --rwmixread=50 --bs=4k --direct=1 --size=1G --numjobs=4 --runtime=60 --group_reporting

查看iops限速后的结果

rbd perf image iostat --pool libvirt-pool

可以看到效果很明显，iops读写不超过100

开启 image qos bps限制此镜像的bps为100KiB/s 测试scan.img的bps

rbd -p libvirt-pool config image set  scan.img rbd_qos_iops_limit 0
rbd -p libvirt-pool config image set  scan.img rbd_qos_bps_limit 100000

再次在scan.img所在的虚拟机上进行随机写测试

fio --name=randrw_test --ioengine=libaio --iodepth=1 --rw=randwrite --rwmixread=50 --bs=4k --direct=1 --size=1G --numjobs=4 --runtime=60 --group_reporting

查看bps限速后的结果

rbd perf image iostat --pool libvirt-pool

可以看到效果很明显,写吞吐不超过100KiB/s

后面单独对读写的iops和bps各进行了测试，发现符合预期。

开启 pool qos iops限速 测试存储池所有镜像的iops

rbd -p libvirt-pool config image set  scan.img rbd_qos_bps_limit 0
rbd config pool set libvirt-pool rbd_qos_iops_limit 200

再次在scan.img所在的虚拟机上进行随机读写测试

fio --name=randrw_test --ioengine=libaio --iodepth=1 --rw=randrw --rwmixread=50 --bs=4k --direct=1 --size=1G --numjobs=4 --runtime=60 --group_reporting

这里发现对于pool层面的iops限速没什么效果

开启 pool qos bps限速 测试存储池所有镜像的bps

rbd config pool set libvirt-pool rbd_qos_iops_limit 0
rbd config pool set libvirt-pool rbd_qos_bps_limit 1000000

再次在scan.img所在的虚拟机上进行随机写测试

fio --name=randrw_test --ioengine=libaio --iodepth=1 --rw=randwrite --rwmixread=50 --bs=4k --direct=1 --size=1G --numjobs=4 --runtime=60 --group_reporting

这里发现对于pool层面的bps限速也没什么效果

后面单独对pool层面分别进行读、写的iops和bps，发现限速也没什么效果

测试qemu对块设备进行bps限速

可以通过下面命令查看当前虚拟机的qos，这里查看scan虚拟机vdb磁盘的qos，也就是我们刚才测试rbd qos的那个磁盘，0表示不限速

virsh blkdeviotune  scan vdb

对scan虚拟机的vdb进行bps限制为5MiB/s

virsh blkdeviotune  scan vdb --total-bytes-sec 5000000  --live

查看bps限速后的结果，iops实际不超过5MiB/s

测试qemu对块设备进行iops限速

对scan虚拟机的vdb进行iops限制

virsh blkdeviotune  scan vdb --total-bytes-sec 0  --live
virsh blkdeviotune  scan vdb --total-iops-sec 1000  --live

在scan虚拟机里对其进行随机读写测试

fio --name=Test --ioengine=libaio --iodepth=64 --rw=randrw  --bs=4k --direct=1 --size=1G --numjobs=4 --runtime=60 --group_reporting

查看iops限速后的结果，iops实际不超过1000

删除qos再次进行测试

再次在scan.img所在的虚拟机上进行随机读写测试

fio --name=Test --ioengine=libaio --iodepth=64 --rw=randrw  --bs=4k --direct=1 --size=1G --numjobs=4 --runtime=60 --group_reporting

image.png

测试结论

对于ceph rbd qos的使用，还是建议在image层面进行bps和iops的限速，pool层面的限速效果不明显。当然也可以使用qemu在块设备上做虚拟机磁盘的io限制，使用qemu做qos的优点是本地硬盘也可以进行限速，而ceph rbd的qos对象只是ceph集群中的rbd镜像。