[置顶] QEMU-KVM I/O性能优化之Virtio-blk-data-plane

为了充分利用服务器资源，根据工作负载动态配置服务器，减少服务部署周期等问题，IT机构中引入了虚拟化。QEMU-KVM作为Linux平台上的开源虚拟化方案，从诞生开始就以其开放的姿态，吸引众多开发人员，许多虚拟化的新技术都是首先在QEMU-KVM上应用，再在其他虚拟平台上实现推广的。

传统的QEMU-KVM受限于big-qemu-lock机制，IOPS只能达到15万左右。虽然这对于一个虚拟机是已经是非常高的I/O性能了，但随着虚拟化的技术的完善，许多企业级业务，例如数据库、ERP系统以及对低延迟要求较高的金融业务等也往QEMU-KVM上迁移，这些业务需要达50万甚至更高的IOPS性能以及更低的I/O延迟。为了实现系统IOPS性能的突破，Virtio-blk-data-plane技术应运而生。

技术原理

Virtio-blk-data-plane是在Red Hat Enterprise Linux 6.4版本开始引入，由Red Hat KVM 开发团队与IBM 技术中心性能优化组织共同开发完成的。如下图所示，Virtio-blk-data-plane允许块I/O处理操作与其他的虚拟设备并行运行，去除big-qemu-lock的影响，达到高I/O性能的结果。

使用Virtio-blk-data-plane，由QEMU虚拟出的设备运行在用户空间，其提高I/O性能的关键在于为各virtio-blk虚拟设备提供设备专用线程，同其他组件相隔离，避免与其他组件竞争big-qemu-lock。这些为virtio-blk设备提供的专用线程被称为Virtio-blk-data-plane线程，在提交guest I/O请求到host端时，不再需要因保护QEMU内部硬件仿真代码而参与big-qemu-lock的竞争，从而获得高I/O性能。

通常每个块设备有一个专用Virtio-blk-data-plane线程，若想取得更好的I/O性能，virtio-blk-data-plane还可以采用ioeventfd/irqfd的机制，以及Linux内核的异步aio机制用于处理客户机的I/O请求。

由于Virtio-blk-data-plane是为每个Virtio-blk设备分配专用线程，该架构导致部分虚拟化特性不支持。如当前只有raw格式支持Virtio-blk-data-plane，存储镜像迁移，热插拔，I/O流控等，而这些特性在原始的virtio-blk中是支持的。

测试

本次测试的服务器配置如下：

虚拟机配置

测试方法

本次测试架构图如下所示：

测试方法为将PBlaze4 SSD插入服务器，进行安全擦除，然后通过fio对裸盘进行随机预处理操作（随机写满设备两遍，即运行裸盘随机预处理脚本两遍）。然后将SSD格式化为ext4文件系统，进行文件系统随机预处理（7个文件，随机写5小时），为已经创建好的虚拟机添加virtio-blk设备7个并打开virtio-blk-data-plane特性，启动虚拟机。

虚拟机内部通过fio对virtio-blk裸设备进行随机写预处理5小时，然后再进行测试，测试脚本如下：

虚拟机随机写测试脚本：

[root@1vm]# cat 4krw
[global]
ioengine=libaio
direct=1
thread=1
norandommap=1
randrepeat=0
group_reporting
write_bw_log=4krw
write_lat_log=4krwt
write_iops_log=4krw
log_avg_msec=1000
rw=randwrite
bs=4k
numjobs=1
iodepth=32
group_reporting=1
time_based
runtime=7200

[vdb]
filename=/dev/vdb
[vdc]
filename=/dev/vdc
[vdd]
filename=/dev/vdd
[vde]
filename=/dev/vde
[vdf]
filename=/dev/vdf
[vdg]
filename=/dev/vdg
[vdh]
filename=/dev/vdh

虚拟机随机读测试脚本：

[root@1vm]# cat 4krr
[global]
ioengine=libaio
direct=1
thread=1
randrepeat=0
norandommap=1
write_bw_log=4krr_bw
write_lat_log=4krr_lat
write_iops_log=4krr_iops
log_avg_msec=1000
rw=randread
bs=4k
numjobs=1
iodepth=256
group_reporting=1
time_based
runtime=7200

[vdb]
filename=/dev/vdb
[vdc]
filename=/dev/vdc
[vdd]
filename=/dev/vdd
[vde]
filename=/dev/vde
[vdf]
filename=/dev/vdf
[vdg]
filename=/dev/vdg
[vdh]
filename=/dev/vdh

测试结果

本次测试中出了涉及Virtio-blk-data-plane优化性能以外，还涉及其他qemu-kvm优化项：

1. PV-EOI
2. X2APIC
3. 虚拟机中使用TSC时钟

以下是本次随机读写测试结果图，仅供参考。

随机写测试结果（IOPS）：

随机读测试结果（IOPS）：