Как оптимизировать производительность виртуальных машин: Фокус на дисковой подсистеме

Виртуальные машины (ВМ) стали неотъемлемой частью современной ИТ-инфраструктуры. Однако, недостаточно просто развернуть ВМ – критически важно обеспечить её оптимальную производительность. Эта статья посвящена оптимизации дисковой подсистемы виртуальных машин, поскольку именно она часто становится узким местом, влияющим на скорость работы приложений. Мы рассмотрим различные методы и инструменты, позволяющие максимально эффективно использовать дисковые ресурсы и повысить отзывчивость ваших ВМ.

Содержание

Выбор оптимального типа диска

Как оптимизировать производительность виртуальных машин? - Illustration depicting different types of storage - SSD, HDD, NVMe - and their typical use cases for virtual machines.
Выбор типа диска для виртуальной машины оказывает огромное влияние на ее производительность. Традиционные жесткие диски (HDD) имеют более низкую скорость доступа и передачи данных по сравнению с твердотельными накопителями (SSD) и NVMe накопителями. В большинстве случаев, переход на SSD или NVMe диски значительно улучшит производительность ВМ, особенно для задач, интенсивно использующих дисковый ввод-вывод (I/O).

Типы дисков и их применение:

  • HDD (Hard Disk Drive): Подходят для хранения больших объемов данных, где скорость доступа не критична. Примеры: архивы, резервные копии, файловые серверы с невысокой нагрузкой. Не рекомендуется для баз данных, виртуальных машин, выполняющих интенсивные операции чтения/записи.
  • SSD (Solid State Drive): Значительно быстрее HDD, обеспечивают низкую задержку и высокую скорость I/O. Рекомендуются для большинства виртуальных машин, баз данных, веб-серверов, где требуется высокая производительность.
  • NVMe (Non-Volatile Memory express): Самый быстрый тип накопителей, используют интерфейс PCI Express, обеспечивающий максимальную пропускную способность и минимальную задержку. Рекомендуются для критически важных приложений, требовательных к дисковой подсистеме, таких как высоконагруженные базы данных, приложения реального времени, виртуализация с большим количеством активных ВМ.
Форматы виртуальных дисков:
VPS хостинг

Виртуальные серверы с гарантированными ресурсами

Выбрать VPS

  • Thick Provisioning: При создании виртуального диска сразу выделяется все зарезервированное пространство на физическом хранилище. Обеспечивает предсказуемую производительность, так как нет необходимости динамически выделять пространство во время работы ВМ.
  • Thin Provisioning: Виртуальный диск занимает только то пространство на физическом хранилище, которое реально используется. Позволяет экономить место на диске, но может привести к снижению производительности, если требуется динамическое расширение диска во время работы ВМ. Рекомендуется использовать с осторожностью, отслеживая заполненность физического хранилища.
Оптимизация выбора диска на примере VMware vSphere В VMware vSphere при создании виртуального диска вам предоставляется выбор между Thick Provisioning и Thin Provisioning, а также возможность выбрать тип хранилища (Datastore), который может быть расположен на различных типах физических дисков (HDD, SSD, NVMe).

Пример: Создание виртуального диска с Thick Provisioning в vSphere:

  • В vSphere Web Client перейдите к виртуальной машине.
  • Нажмите «Edit Settings».
  • В разделе «Virtual Hardware» выберите «Add New Device» -> «Hard Disk».
  • Укажите размер диска.
  • В разделе «Virtual Disk Provisioning» выберите «Thick Provision Eager Zeroed» или «Thick Provision Lazy Zeroed». «Eager Zeroed» форматирует весь диск сразу, что занимает больше времени при создании, но обеспечивает более высокую производительность в дальнейшем. «Lazy Zeroed» форматирует диск по мере необходимости.
  • Выберите Datastore, расположенный на SSD или NVMe для максимальной производительности.
  • Сохраните изменения.
Пример: Мониторинг производительности диска в vSphere:

  • В vSphere Web Client перейдите к виртуальной машине.
  • Перейдите на вкладку «Monitor» -> «Performance».
  • Выберите «Disk» из выпадающего списка «Chart Options».
  • Вы можете отслеживать метрики, такие как «Disk Latency», «Disk Read Rate», «Disk Write Rate», чтобы оценить производительность дисковой подсистемы и выявить потенциальные проблемы. Высокая задержка (latency) обычно указывает на перегрузку диска или недостаточно быстрый тип диска.
Пример: Изменение типа хранилища (Datastore) для виртуальной машины: Если ваша виртуальная машина использует хранилище, расположенное на HDD, вы можете перенести ее на хранилище, расположенное на SSD, чтобы улучшить производительность. Для этого можно использовать vMotion (если это возможно) или миграцию хранилища (Storage vMotion).

Важно: При выборе типа диска и формата виртуального диска учитывайте требования к производительности конкретной виртуальной машины и доступные ресурсы. Тщательное планирование и мониторинг позволят вам выбрать оптимальную конфигурацию и избежать проблем с производительностью в будущем.

Кэширование на уровне хоста

Как оптимизировать производительность виртуальных машин? - Diagram showing how host-level caching works, with data flow from VM to host cache to storage.
Кэширование на уровне хоста (host-level caching) – это механизм, позволяющий использовать оперативную память (RAM) или твердотельные накопители (SSD) хост-сервера в качестве кэша для дисковых операций виртуальных машин. Это позволяет значительно ускорить доступ к часто используемым данным и уменьшить задержки, связанные с чтением и записью на физические диски. Эффективное кэширование может значительно улучшить производительность ВМ, особенно для приложений, интенсивно работающих с данными.

Преимущества кэширования на уровне хоста:

  • Уменьшение задержек: Кэширование данных в оперативной памяти или на SSD значительно уменьшает время доступа к данным по сравнению с традиционными жесткими дисками.
  • Увеличение пропускной способности: Кэширование позволяет обрабатывать большее количество запросов на чтение и запись, что повышает общую пропускную способность дисковой подсистемы.
  • Снижение нагрузки на диски: Кэширование уменьшает количество операций чтения и записи на физические диски, что продлевает их срок службы и снижает вероятность возникновения узких мест.
Технологии кэширования на уровне хоста:

  • VMware vSphere Flash Read Cache (vFRC): Использует SSD хост-сервера для кэширования операций чтения виртуальных машин.
  • Microsoft Hyper-V Cache: Позволяет использовать оперативную память хост-сервера для кэширования дисковых операций виртуальных машин.
  • Linux Cache: Операционная система Linux использует оперативную память для кэширования дисковых операций.
Настройка кэширования на примере VMware vSphere Flash Read Cache (vFRC) vFRC позволяет использовать локальные SSD-диски хост-сервера для кэширования операций чтения виртуальных машин, что значительно улучшает производительность приложений, интенсивно использующих чтение данных.

Пример: Включение и настройка vFRC для виртуальной машины:

  • В vSphere Web Client перейдите к виртуальной машине.
  • Нажмите «Edit Settings».
  • В разделе «Virtual Hardware» выберите виртуальный диск, для которого необходимо включить vFRC.
  • Разверните раздел «Disk Cache Configuration».
  • Установите флажок «Virtual Flash Read Cache».
  • Укажите размер кэша (в МБ или ГБ). Размер кэша зависит от объема оперативной памяти и SSD, доступных на хост-сервере, а также от требований к производительности виртуальной машины. Рекомендуется выделять достаточно места для часто используемых данных.
  • Сохраните изменения.
Пример: Мониторинг производительности vFRC:

  • В vSphere Web Client перейдите к виртуальной машине.
  • Перейдите на вкладку «Monitor» -> «Performance».
  • Выберите «Disk» из выпадающего списка «Chart Options».
  • Отслеживайте метрики, такие как «vFlash Read Cache Hit Rate» и «vFlash Read Cache Read Latency», чтобы оценить эффективность кэширования. Высокий процент попаданий в кэш (Hit Rate) и низкая задержка чтения указывают на то, что кэширование работает эффективно.
Пример: Очистка vFRC: В некоторых случаях может потребоваться очистка кэша vFRC, например, после изменения конфигурации виртуальной машины или для устранения проблем с производительностью. Для этого можно перезапустить виртуальную машину или воспользоваться командой ESXi Shell: 

esxcli storage vflash cache reset -v <vm_name>
Важно: При настройке кэширования на уровне хоста необходимо учитывать объем доступной оперативной памяти и SSD на хост-сервере, а также требования к производительности виртуальных машин. Неправильная настройка кэширования может привести к снижению производительности. Регулярный мониторинг и анализ производительности помогут вам оптимизировать параметры кэширования и добиться максимальной эффективности. Также, убедитесь, что используемый гипервизор поддерживает функцию кэширования и настроена правильная совместимость.

Тюнинг дисковой системы гостевой ОС

Тюнинг дисковой системы гостевой операционной системы (ОС) – важный этап оптимизации производительности виртуальной машины. Правильная настройка параметров дисковой подсистемы внутри гостевой ОС может значительно улучшить скорость чтения и записи данных, а также снизить задержки. Этот процесс включает в себя оптимизацию файловой системы, настройку параметров диска и использование специальных инструментов для повышения производительности.

Основные аспекты тюнинга дисковой системы гостевой ОС:

  • Выравнивание разделов: Правильное выравнивание разделов (partition alignment) гарантирует, что операции чтения и записи будут выполняться эффективно, без необходимости чтения данных, расположенных на границах физических блоков диска. Неправильное выравнивание может привести к значительному снижению производительности, особенно на SSD-дисках.
  • Выбор файловой системы: Разные файловые системы имеют разные характеристики и подходят для разных типов задач. Например, XFS и ext4 – популярные файловые системы для Linux, а NTFS – для Windows. Выбор правильной файловой системы может значительно повлиять на производительность дисковой подсистемы.
  • Настройка параметров файловой системы: Файловые системы имеют множество параметров, которые можно настроить для оптимизации производительности. Например, можно изменить размер блока, включить или отключить ведение журнала и настроить параметры кэширования.
  • Дефрагментация диска: (только для файловых систем, требующих дефрагментацию, например NTFS) Дефрагментация диска позволяет упорядочить файлы на диске, чтобы они располагались последовательно. Это уменьшает время доступа к файлам и повышает общую производительность дисковой подсистемы.
Тюнинг дисковой системы на примере Linux (ext4) ext4 – распространенная файловая система в Linux, предлагающая множество параметров для оптимизации производительности.

Пример: Проверка и исправление выравнивания разделов:

  • Используйте команду fdisk -l или parted, чтобы просмотреть информацию о разделах диска и убедиться, что они выровнены по границам физических блоков диска. Например: 
    fdisk -l /dev/sda
  • Если разделы не выровнены, можно использовать parted для их пересоздания с правильным выравниванием. Внимание: пересоздание разделов приведет к потере данных, поэтому предварительно необходимо сделать резервную копию.
Пример: Монтирование файловой системы ext4 с опциями оптимизации:

  • При монтировании файловой системы ext4 можно использовать различные опции для оптимизации производительности. Например, можно использовать опцию noatime, чтобы отключить обновление времени доступа к файлам, что уменьшит количество операций записи на диск.
  • Отредактируйте файл /etc/fstab и добавьте опции монтирования. Например: 
    /dev/sda1 /mnt/data ext4 defaults,noatime 0 0
  • После редактирования файла /etc/fstab, выполните команду mount -a, чтобы применить изменения.
Пример: Настройка параметров файловой системы с помощью tune2fs:

  • Утилита tune2fs позволяет настраивать различные параметры файловой системы ext4. Например, можно изменить интервал проверки файловой системы: 
    tune2fs -i 0 /dev/sda1
    Эта команда отключает периодическую проверку файловой системы, что может улучшить производительность, но увеличивает риск повреждения файловой системы в случае сбоя. Рекомендуется использовать с осторожностью.
Важно: При тюнинге дисковой системы гостевой ОС необходимо учитывать особенности используемой файловой системы и приложения. Неправильная настройка параметров может привести к снижению производительности или даже к повреждению файловой системы. Перед внесением изменений рекомендуется сделать резервную копию данных и внимательно изучить документацию. Также, убедитесь, что в гостевой ОС установлены последние версии драйверов виртуальных устройств (например, VMware Tools или Hyper-V Integration Services), чтобы обеспечить оптимальную производительность.

Использование I/O scheduler

I/O scheduler (планировщик ввода-вывода) – это компонент операционной системы, который управляет порядком обработки запросов на чтение и запись данных на диск. Выбор и настройка I/O scheduler может существенно повлиять на производительность дисковой подсистемы виртуальной машины, особенно при высокой нагрузке. Разные I/O scheduler имеют разные алгоритмы планирования и подходят для разных типов задач.

Основные типы I/O scheduler:

  • CFQ (Completely Fair Queuing): Стремится обеспечить справедливое распределение ресурсов дисковой подсистемы между процессами. Подходит для большинства сценариев, особенно когда на виртуальной машине выполняется несколько задач одновременно.
  • Noop (No Operation): Простейший scheduler, который просто передает запросы на диск в порядке их поступления. Подходит для использования с SSD-дисками, где задержка поиска данных минимальна.
  • Deadline: Старается выполнить запросы в течение заданного времени (deadline). Подходит для приложений, требующих низкой задержки, таких как базы данных и приложения реального времени.
  • Kyber: Улучшенный планировщик, разработанный для современных твердотельных накопителей.
Выбор I/O scheduler для виртуальных машин:

  • Для виртуальных машин, работающих с SSD-дисками, рекомендуется использовать Noop или Kyber scheduler.
  • Для виртуальных машин, работающих с HDD-дисками и выполняющих несколько задач одновременно, рекомендуется использовать CFQ scheduler.
  • Для виртуальных машин, требующих низкой задержки, рекомендуется использовать Deadline scheduler.
Настройка I/O scheduler на примере Linux В Linux можно изменить I/O scheduler для каждого диска.

Пример: Просмотр текущего I/O scheduler для диска:

  • Выполните команду: 
    cat /sys/block/sda/queue/scheduler
    Эта команда выведет список доступных scheduler’ов, а текущий scheduler будет указан в квадратных скобках. Например: noop deadline [cfq]
Пример: Изменение I/O scheduler для диска:

  • Выполните команду: 
    echo noop > /sys/block/sda/queue/scheduler
    Эта команда установит scheduler noop для диска /dev/sda. Внимание: это изменение не будет сохранено после перезагрузки.
Пример: Изменение I/O scheduler для диска навсегда (systemd):

  • Создайте файл /etc/udev/rules.d/60-scheduler.rules со следующим содержимым: 
    ACTION=="add|change", KERNEL=="sda", ATTR{queue/scheduler}="noop"
    Эта правило udev установит scheduler noop для диска /dev/sda при загрузке системы. Измените sda на имя вашего диска.
  • Перезагрузите систему или выполните команду udevadm trigger, чтобы применить изменения.
Важно: При выборе и настройке I/O scheduler необходимо учитывать особенности используемой дисковой подсистемы и приложения. Неправильный выбор scheduler может привести к снижению производительности. Перед внесением изменений рекомендуется протестировать различные scheduler’ы и выбрать оптимальный вариант для вашей конфигурации. Также, обратите внимание на документацию вашей операционной системы и гипервизора для получения дополнительной информации о настройке I/O scheduler.