[发明专利]一种面向云计算环境的两级磁盘调度方法

说明书

技术领域

本发明属于计算机存储技术领域，具体涉及一种面向云计算环境的两级磁盘调度方法。

背景技术

云计算技术可以使多个客户操作系统(Guest OS)部署在不同的虚拟机(Virtual Machine)中，并同时运行在一台物理机上。这种资源分享模式可以提升硬件资源的复用水平，降低系统管理成本，以及提升设备访问的安全性。

为使虚拟机对磁盘的访问不互相干扰，尤其是当有一台虚拟机在磁盘访问中出现异常时，其他虚拟机的正常访问不受影响，现有云计算系统采用驱动分离模型(Split Driver Model)或相似的技术实现可靠的磁盘访问。如图1所示，驱动分离模型将磁盘的驱动设置在专门的驱动域(Driver Domain)中，虚拟机并不直接访问磁盘设备，而是通过前端驱动(Front Driver)将I/O请求信息发送至一个I/O缓冲区(I/O Ring)并通过消息通道(Event Channel)通知驱动域，驱动域通过后端驱动(Back Driver)将I/O缓冲区的I/O请求取出并发送至磁盘的原生驱动进行处理。I/O请求执行完毕后，驱动域将I/O请求的数据发回I/O缓冲区，并再次通过消息通道通知虚拟机的前端驱动，虚拟机通过前端驱动取回I/O请求的数据。这种磁盘I/O请求和执行模式对虚拟机中的操作系统是透明的，即虚拟机中的应用程序会认为是直接访问磁盘。这种驱动分离模型或类似的技术客观上使磁盘I/O请求经历了两级磁盘调度的控制，即虚拟机操作系统的磁盘调度(上游调度)和驱动域中的磁盘调度(下游调度)。而两级磁盘调度的配合程度将严重影响磁盘访问的性能。

在磁盘调度中，I/O请求合并是其优化功能之一。由于磁盘中磁头的机械式运行模式，磁头的摆动会产生较大的时间开销，从而会影响磁盘访问性能，而I/O请求合并可以减少磁头摆动的频率，从而减少磁头寻道带来的额外时间开销。此外，由于I/O请求的减少，操作系统和磁盘设备命令交互的次数也会减少，这也使磁盘访问的协议开销(如ISCSI协议)大大降低。因此，I/O请求合并在磁盘访问中至关重要。I/O请求合并的必要条件是参与合并的I/O请求必须具有相邻的逻辑块地址(Logic Block Address，简称LBA)。如图2所示，当到达I/O请求(Ra)的起始LBA等于磁盘调度内I/O请求队列某I/O请求(Rb)的终止LBA时(起始LBA加该I/O请求大小)，称为后合并(Back Merge)；而当到达I/O请求(Ra)的终止LBA等于磁盘调度队列内某I/O请求(Rb)的起始LBA时，称为前合并(Front Merge)。此外，当参与合并的I/O请求到达磁盘调度时，另一个参与合并的I/O请求也必须在调度中，否则，I/O请求合并依然无法完成。

在两级磁盘调度的构架中，I/O请求合并由虚拟机中的磁盘调度和驱动域中的磁盘调度共同完成。如图3所示，部署在虚拟机中的应用程序发送的I/O请求首先要经过文件系统层(包括虚拟文件系统和实际使用的文件系统(例如Ext2或者Ext3等))的处理，从而成为大小一致的I/O请求，然后，这些I/O请求到达上游调度进行请求合并，并发往驱动域，在下游调度进一步完成I/O请求合并。这样，两级磁盘调度的配合程度将直接影响I/O请求合并的程度。在云计算的驱动分离模型中，由于操作系统对I/O请求合并的限制以及虚拟化的效率因素，虚拟机中调度完成的I/O请求合并程度需要受到限制。现有的虚拟化软件和操作系统普遍采用统一的参数设定，如果需要修改则必须重新编译操作系统。这对于虚拟I/O的性能优化是不利的。

在云计算环境中I/O请求合并通常是由两级磁盘调度采用流水线模式协作完成的，因此流水线的下游调度(驱动域磁盘调度)是其上游调度(虚拟机中磁盘调度)的功能延伸。

现有的云计算系统普遍采用固定的系统配置来约束上游调度的I/O请求合并程度(即限定I/O请求合并的次数)。当I/O请求的大小或者合并次数超过系统限定时，原本可合并的两个I/O请求将收到合并中止信号，从而无法在该级调度完成合并操作。如果要修改I/O请求合并程度的系统配置就必须重新编译操作系统和云计算系统，这样就更无法适应虚拟机中部署程序I/O请求的变化，从而使上游调度的“过度合并”和“合并不足”问题影响磁盘I/O性能的提升。

“过度合并”：