Cephキャッシュティアリングのパフォーマンスはどのようになりますか？

はじめに：
この投稿では、CephキャッシュティアリングがNVMeプールでバックアップされたキャッシュティアを設定することでHDDプールのパフォーマンスを向上させるベンチマークテストを共有します。

14 Apr, 2023 Ambedded

Cephキャッシュティアとは何か、そしてそれはどのように機能するのか

Cephのキャッシュティアは、より速いストレージデバイスを遅いもののキャッシュとして使用することができます。これには、キャッシュティアとして機能するように設定された高速/高価なストレージデバイス（NVMe SSDなど）のプールを作成し、経済的なストレージティアとして機能するように設定されたエラーコード化されたまたは遅いデバイス（HDDなど）の遅い/安価なバックアッププールが含まれます。キャッシュ層は、バッキング層から頻繁にアクセスされるデータを保存し、クライアントからの読み取りおよび書き込み要求を処理します。キャッシュティアリングエージェントは、特定のポリシーに基づいてキャッシュティアから定期的にオブジェクトをフラッシュまたは削除します。

Ceph キャッシュティアデモ

過去には、キャッシュティアストレージデバイスとしてSATA SSDを使用しても、キャッシュティアリングのパフォーマンス向上はほとんど見られませんでした。しかし、最近ではNVMe SSDのコストが数年前と比べて大幅に低下し、NVMe SSDのパフォーマンスはHDDよりもはるかに高速です。HDDプールにNVMe SSDをキャッシュティアとして使用することで、大幅な助けとなるかどうかを知りたいと考えています。

NVMeキャッシュティアの効果をテストするために、HDDベースのストレージプールのパフォーマンスを向上させるかどうかを確認するテストを設定しました。

クラスターのセットアップ

NVMEホスト	3 x Ambedded Mars500 Ceph Appliances
各Mars 500アプライアンスの仕様
CPU	1x Ampere Altra Arm 64-Core 3.0 Ghz
メモリ	96 GiB DDR4
ネットワーク	2ポート 25GbpsのMellanox ConnectX-6
OSDドライブ	8 x Micron 7400 960GB

HDDホスト	3 x Ambedded Mars400 Ceph Appliances
各Mars 400アプライアンスの仕様
CPU	8ノード、クアッドコアArm64 1.2 GHz
メモリ	ノードごとに4GiB、アプライアンスごとに32GiB
ネットワーク	ノードごとに2 x 2.5Gbps、インチャシススイッチ経由で2x 10Gbアップリンク
OSDドライブ	8 x 6TB Seagate Exos HDD

Cephクラスタ情報

NVMe SSDに24 x OSD（3x Ambedded Mars500アプライアンス）
HDDに24x OSD（3x Ambedded Mars400アプライアンス）
HDDとNVMeサーバーは別々のCRUSHルートに配置されています。

テストクライアント

物理サーバー2台。25Gbネットワークカード2枚
各サーバーに7つのVMを実行しています。
各VMには4つのコアと8GBのメモリがあります。

Ambedded UVSマネージャーによるキャッシュティアのセットアップ

1. HDD osdを使用してベースプールを作成します。

2. NVMe SSD osdを使用してNVMeプールを作成します。

3. NVMeプールをHDDプールのキャッシュティアとして追加します。
デフォルトのキャッシュティアの設定:

キャッシュモード：書き込みバック

hit_set_count = 12

hit_set_period = 14400秒（4時間）

target_max_byte = 2 TiB

target_max_objects = 100万個

min_read_recency_for_promote & min_write_recency_for_promote = 2

cache_target_dirty_ratio = 0.4

cache_target_dirty_high_ratio = 0.6

cache_target_full_ratio = 0.8

cache_min_flush_age = 600秒

cache_min_evict_age = 1800 秒。

キャッシュティアを追加する前後で、最大14台のクライアントを使用してHDDプールをテストしました。各クライアントはfioテストのためにRBDをマウントしました。テストの負荷は、1つのクライアントから始まり、各テストジョブが完了した後にクライアントの数を増やしました。各テストサイクルは5分間で、Jenkinsによって自動的に制御されました。テストジョブのパフォーマンスは、すべてのクライアントの結果の合計でした。キャッシュティアリングのテストを行う前に、キャッシュティアプールがcephキャッシュターゲットフル比率（0.8）を超えるまで、データをRBDに書き込みました。

ダイアグラムによれば、純粋なHDDプールにNVMeキャッシュプールを追加することで、パフォーマンスが大幅に向上しました。

キャッシュティアテスト中、ceph osd pool statsコマンドを使用してプールの統計情報を観察しました。キャッシュとベースのプールでは、フラッシュ、エビクト、プロモートのアクティビティがありました。キャッシュティアテスト中に異なるタイミングでプールの統計情報をキャプチャしました。

データがキャッシュに書き込まれました
プールキャッシュ ID 84
クライアント I/O 21 MiB/s 書き込み、0 op/s 読み込み、5.49k op/s 書き込み

プール mars400_rbd ID 86
何も起こっていません

キャッシュが昇格と退避を行っていました
プールキャッシュID 84
クライアントIO 42 MiB/s 書き込み, 0 op/s 読み取り, 10.79k op/s 書き込み
キャッシュティアIO 179 MiB/s 退避, 17 op/s 昇格

プールmars400_rbd ID 86
クライアントIO 0 B/s 読み取り, 1.4 MiB/s 書き込み, 18 op/s 読み取り, 358 op/s 書き込み

キャッシュがフラッシュされました
プールキャッシュID 84
クライアントIO 3.2 GiB/s 読み込み、830 op/s 読み込み、0 op/s 書き込み
キャッシュティアIO 238 MiB/s フラッシュ、14 op/s プロモート、1 PG フラッシュ中

プールmars400_rbd ID 86
クライアントIO 126 MiB/s 読み込み、232 MiB/s 書き込み、44 op/s 読み込み、57 op/s 書き込み

PGが削除されていました
プールキャッシュID 84
クライアントIO 2.6 GiB/s 読み取り、0 B/s 書き込み、663 op/s 読み取り、0 op/s 書き込み
キャッシュティアIO 340 MiB/s フラッシュ、2.7 MiB/s 削除、21 op/s 昇格、1 PGが削除中（フル）

プールmars400_rbd ID 86
クライアントIO 768 MiB/s 読み取り、344 MiB/s 書き込み、212 op/s 読み取り、86 op/s 書き込み

PGフラッシュとクライアントIOはベースプールに直接行われます。(クライアントがデータを書き込んでいました)
プールキャッシュ ID 84
クライアント I/O 0 B/s 書き込み、0 op/s 読み込み、1 op/s 書き込み
キャッシュティア I/O 515 MiB/s フラッシュ、7.7 MiB/s エビクト、1 PG フラッシュ中

プール mars400_rbd ID 86
クライアント I/O 613 MiB/s 書き込み、0 op/s 読み込み、153 op/s 書き込み

連続テストの後、クラスタを数時間休ませ、4 kBのランダムライトテストをやり直しました。非常に良いパフォーマンスが得られました。これは、新しい書き込みのためにキャッシュスペースが解放されたためです。

このテストから、HDDプールのキャッシュティアとしてNVMeプールを使用すると、大幅なパフォーマンス向上が実現できることがわかりました。

キャッシュティアリングのパフォーマンスは保証されないことに注意してください。パフォーマンスはその瞬間のキャッシュヒットの状態に依存し、同じ構成とワークロードでのテストを繰り返しても同じパフォーマンスは得られません。

アプリケーションが一貫したパフォーマンスを必要とする場合は、純粋なNMMe SSDプールを使用してください。

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