• 目次

  • 導入
  • **キャッシュスラッシングの回避
  • **キュー深度の最適化**」。
  • **ネットワークパラメータの調整
  • 結論

"iSCSIのパワーを解き放つ：準仮想化イノベーションによるパフォーマンスの最適化"

導入

**Linux カーネルにおける準仮想化 iSCSI パフォーマンスの向上

Paravirtualized iSCSI（PVSCSI）は、ホストオペレーティングシステム上に仮想ハードディスクドライブ（VHDD）などの仮想ストレージデバイスを作成できる仮想化ストレージプロトコルです。PVSCSIは、仮想化環境向けの高性能でスケーラブルかつ柔軟なストレージソリューションを提供するように設計されています。しかし、PVSCSIのパフォーマンスは、Linuxカーネルのバージョン、ハードウェア構成、ネットワーク条件など、さまざまな要因によって影響を受ける可能性があります。この記事では、より優れたスループット、レイテンシ、およびシステム全体の効率を達成するための最適化技術とベストプラクティスに焦点を当てながら、LinuxカーネルでPVSCSIのパフォーマンスを向上させる方法を探ります。

**キャッシュスラッシングの回避

準仮想化 iSCSI (pSCSI) は、多くの Linux ベースのシステムで使用されている一般的なストレージ・プロトコルで、ストレージ・ニーズに高性能で拡張性の高いソリューションを提供します。しかし、どんな複雑なシステムでもそうであるように、性能はさまざまな要因によって影響を受ける可能性があり、pSCSIの性能に影響を与える最も重大な問題の1つはキャッシュのスラッシングです。

キャッシュのスラッシングは、システムのキャッシュが常に埋められては空になり、パフォーマンスが著しく低下する場合に発生します。この現象は、システムのI/O負荷が高い場合に発生し、キャッシュが常に再充填され、再び空になるため、キャッシュスラッシングのサイクルが終わらないことになります。これは、高性能ストレージが重要なpSCSI環境では特に問題となります。

キャッシュのスラッシングを避けるには、システムのキャッシュ構成を最適化することが不可欠です。これを行う最も効果的な方法の1つは、キャッシュサイズとキャッシュレベルの数を調整することです。キャッシュ・サイズを大きくすることで、システムはより多くのデータをメモリに保存することができ、ディスクI/Oの必要性を減らし、キャッシュ・スラッシングの可能性を最小限に抑えることができます。さらに、キャッシュ・レベルの数を増やすことで、キャッシュ・ミスの回数を減らすことができ、キャッシュ・スラッシングの影響をさらに最小限に抑えることができます。

もうひとつの重要な考慮点はキャッシュ置換ポリシーです。キャッシュ・リプレースメント・ポリシーは、システムがどのようにキャッシュ・ミスを処理するかを決定し、不適切に選択されたポリシーはキャッシュ・スラッシングを悪化させる可能性があります。優れたキャッシュ置換ポリシーは、不要になったキャッシュ・ラインを効果的に識別して削除し、新しいデータをキャッシュに格納するスペースを作ることができるはずです。Linux カーネルは、LRU（Least Recently Used：最近使用されたキャッシュの最小量）や MRU（Most Recently Used：最近使用されたキャッシュの最 大量）など、いくつかのキャッシュ置換ポリシーを提供しています。

キャッシュ構成と置換ポリシーに加えて、キャッシュのスラッシングを回避するもう1つの重要な要因は、システムのI/Oスケジューリング・アルゴリズムです。I/Oスケジューリング・アルゴリズムは、システムがI/O要求をどのようにスケジューリングするかを決定します。Linuxカーネルは、デッドライン・アルゴリズムやCFQ（complete fairness queueing）アルゴリズムなど、いくつかのI/Oスケジューリング・アルゴリズムを提供しており、特定のユースケースに最も適したアルゴリズムを選択することが重要です。

結論として、キャッシュのスラッシングは、pSCSI のパフォーマンスに重大な影響を与える可能性のあるパフォーマンス上の問題です。キャッシュのスラッシングを回避するには、システムのキャッシュ構成を最適化し、適切なキャッシュ置換ポリシーを選択し、効果的なI/Oスケジューリングアルゴリズムを選択することが不可欠です。これらのベストプラクティスに従うことで、システム管理者は、pSCSIシステムが最適なパフォーマンスで動作し、要求の厳しいアプリケーションに必要な高速ストレージを提供できるようになります。

**キュー深度の最適化**」。

準仮想化iSCSI（pvSCSI）は、多くのLinuxベースのシステム、特に仮想化環境で使用されている一般的なストレージ・プロトコルです。pvSCSI は高い互換性と柔軟性を提供する一方で、様々なパラメータを最適化することで、その性能を向上させることができます。そのようなパラメータの 1 つがキューの深さで、pvSCSI の全体的なパフォーマンスを決定する上で重要な役割を果たします。

キューの深さは、"キューサイズ "または "キュー深さ制限 "としても知られ、任意の時点で未処理のI/O要求の数を指します。キュー深度が高いほど、より多くの同時I/O操作が可能になり、特定の シナリオにおいて性能の向上につながります。しかし、キューが他の要求で一杯になるために、いくつかの要求が 遅延したりブロックされたりするI/O飢餓のリスクも増大します。

Linuxカーネルでは、キューの深さは "max_queued "パラメータによって 制御され、デフォルトでは128に設定されています。この値は、"iscsi_max_queued" カーネル・パラメータを使用して調整することができます。この値を大きくすることで、複数の仮想マシンを持つ仮想化環境など、多数の I/O 操作が同時に発生するシナリオでパフォーマンスが向上します。

しかしながら、キューの深さを増やすことが常に有益であるとは限らないことに注意することが肝要です。実際、システムが大きなI/O負荷にさらされている場合や、ストレージデバイスが低速である場合など、特定の状況下では性能の低下につながる可能性があります。このような場合、キューの深さを低くすることで、I/Oが飢餓状態に陥る可能性を減らし、システム全体の応答性を向上させることができます。

pvSCSI のキューの深さを最適化するには、さまざまな値で実験し、システムのパフォーマンスを監視することをお勧めします。良い出発点は、"iscsi_max_queued" パラメータをシステムで使用可能な CPU の数の倍数の値に設定することです。例えば、システムに4つのCPUがある場合、パラメータを128（2^7）または256（2^8）に設定することが良い出発点になります。

もう 1 つの重要な考慮点は、ストレージ・デバイスに送信できる未処理の I/O 要求の最大数を制御する「max_outstanding_credits」パラメータです。このパラメータもデフォルトで 128 に設定されていますが、「iscsi_max_outstanding_credits」カーネル・パラメータを使用して調整できます。この値を大きくすると、多数の I/O 操作が同時に発生するシナリオでパフォーマンスが向上しますが、I/O スターベーションのリスクも高まります。

結論として、pvSCSI のキュー深度を最適化することは、CPU の数、I/O 負荷、ストレージデバイスの性能など、さまざまな要因を注意深く考慮する必要がある複雑な作業です。さまざまな値で実験し、システムのパフォーマンスを監視することで、管理者は特定のユースケースに最適なキューの深さを見つけ、pvSCSIベースのストレージソリューションの全体的なパフォーマンスを向上させることができます。

**ネットワークパラメータの調整

Linux カーネルにおける準仮想化 iSCSI パフォーマンスの向上は、さまざまなネットワーク・パラメータをチューニングすることで実現できます。最も重要な要因の 1 つは、iSCSI トラフィックのパフォーマンスに大きな影響を与えるネットワークバッファサイズです。デフォルトでは、Linuxカーネルは16KBのバッファサイズを使用しますが、これは高帯域幅、低レイテンシ環境では最適なパフォーマンスにはならない可能性があります。これは、net.core.rmem_maxとnet.core.wmem_maxパラメータを高い値に設定することで実現できます。

もう1つの重要なパラメータは、net.core.rmem_defaultパラメータを使って設定できるネットワーク受信バッファサイズです。このパラメータは、各ネットワークインターフェイスの受信バッファサイズを制御し、これを大きくすると、バッファオーバーフローのために再送する必要があるパケットの数を減らすのに役立ちます。受信バッファ・サイズを大きくすると、ネットワーク割り込みによる CPU 使用率も低下し、システム全体のパフォーマンスが向上します。

ネットワーク・バッファ・サイズに加えて、ネットワーク送信バッファ・サイズも考慮すべき重要なパラメータです。net.core.wmem_defaultパラメータは、各ネットワーク・インタフェースの送信バッファ・サイズを制御します。このパラメータを大きくすると、バッファ・オーバーフローによって再送されるパケット数を減らすことができます。また、送信バッファ・サイズを大きくすると、ネットワーク割り込みによる CPU 使用率が低下し、システム全体のパフォーマンスが向上します。

net.core.rmem_max および net.core.wmem_max パラメータを使用して設定できます。これらのパラメータは、各ネットワーク・インターフェースのソケット・バッファのサイズを制御します。これらのパラメータを大きくすると、バッファ・オーバーフローによって再送されるパケットの数を減らすことができます。また、ソケット・バッファ・サイズを大きくすると、ネットワーク割り込みによる CPU 使用率が低下し、システム全体のパフォーマンスが向上します。

これらのパラメータに加えて、ネットワークインターフェースカード（NIC）の設定もiSCSIのパフォーマンスに大きな影響を与える可能性があります。例えば、NICの割り込み節度レベルは、NICによって生成される割り込みの数に影響し、システムパフォーマンスに影響を与える可能性があります。割り込みモデレーションレベルを下げることで、NICによって生成される割り込みの数を減らすことができ、システムパフォーマンスを向上させることができます。

さらに、NIC の受信リングサイズと送信リングサイズも iSCSI のパフォーマンスに影響します。例えば、受信リングサイズは、パケットを受信するためにNICに割り当てられるメモリ量を制御し、これを大きくすると、バッファオーバーフローのために再送信する必要があるパケット数を減らすのに役立ちます。一方、送信リングサイズは、パケットを送信するためにNICに割り当てられるメモリ量を制御します。これを増やすと、ネットワーク割り込みによって引き起こされるCPU使用率を減らすことができ、システム全体のパフォーマンスを向上させることができます。

結論として、Linuxカーネルで準仮想化iSCSIのパフォーマンスを向上させるには、さまざまなネットワークパラメータを慎重に調整する必要があります。ネットワークバッファサイズ、ネットワーク受信バッファサイズ、ネットワーク送信バッファサイズ、およびソケットバッファサイズを大きくし、割り込みモデレーションレベル、受信リングサイズおよび送信リングサイズなどのNIC設定を調整することで、iSCSIパフォーマンスを大幅に向上させることができます。これらのガイドラインに従うことで、システム管理者は、iSCSIパフォーマンスを最適化するためにネットワーク構成を最適化し、システム全体のパフォーマンスを向上させることができます。

結論

Linux カーネルにおける準仮想化 iSCSI パフォーマンスの向上：

準仮想化iSCSI（pSCSI）は、仮想マシン（VM）にブロックレベルのストレージ・アクセスを提供するために仮想化環境で使用される一般的なストレージ・プロトコルです。pSCSIには多くの利点がありますが、ネットワーク遅延、CPU使用率、ディスクI/Oなど、さまざまな要因によってパフォーマンスが制限される可能性があります。LinuxカーネルでpSCSIのパフォーマンスを向上させるには、いくつかの戦略を採用することができます：

1.**ネットワーク設定の最適化**：MTU、バッファサイズ、受信オフロードなどのネットワーク設定を微調整し、ネットワークの遅延やパケットロスを最小限に抑えます。
2.**CPUアフィニティの調整**：pSCSI スレッドを特定の CPU コアに固定することで、コンテキストの切り替えを減らし、CPU 使用率を向上させます。
3.**ディスクI/Oスケジューリングの調整**：CFQやDeadlineなど、より効率的なI/Oスケジューラを使用して、ディスクI/Oレイテンシを削減し、スループットを向上させます。
4.**ディスク・キャッシングの実装**：ライトバック・キャッシングやライトスルー・キャッシングなどのディスク・キャッシング・メカ ニズムを利用して、ディスク I/O を削減し、パフォーマンスを向上させます。
5.**並列処理**の使用：マルチスレッドやマルチプロセッシングなどの並列処理機能を活用して、CPU負荷の高いタスクをオフロードし、全体的なパフォーマンスを向上させます。
6.**pSCSI 設定の最適化**：未処理のリクエスト数など、pSCSI設定を調整して、特定のユースケースのパフォーマンスを最適化します。
7.**パフォーマンスの監視と分析**：定期的に `iostat`、`iotop`、`fio` などのツールを使用して pSCSI パフォーマンスを監視および分析し、ボトルネックを特定し、それに応じてパフォーマンスを最適化します。

これらの戦略を実装することで、pSCSIのパフォーマンスを大幅に向上させることができ、Linuxベースの環境における仮想マシンのストレージアクセスをより高速かつ効率的に行うことができます。