1、引言
在企业中实施桌面虚拟化项目的时候,项目成败的关键因素往往就是用户体验。用户在采用了虚拟桌面以后,桌面性能是否下降,用户体验是否变差,这是评判项目成功与否的一项重要指标。经常遇到的情况是,用户在使用虚拟桌面后,会花更多时间去登入系统,而且使用一些软件时速度会变慢,用户体验明显变差。如果这个问题处理不善,有可能使整个桌面虚拟化项目半途而废。因而,虚拟桌面性能调优技术就成为关系项目成败的关键技术,将虚拟桌面的性能调整到用户认可的程度可以保证项目的顺利实施,掌握好性能调优技术可以保证桌面虚拟化项目的顺利完成。
2、虚拟桌面性能分析
2.1 影响虚拟桌面性能的因素
总的来说,虚拟桌面的性能跟服务器硬件资源、存储系统、桌面操作系统、应用软件、工作负载和网络带宽等因素都有关。服务器硬件:主要考虑CPU处理能力和内存容量。如果单个服务器上面承载的虚拟桌面数量(密度)过大,出现资源竞争,执行命令等待时间延长,必然导致虚拟桌面性能下降。
存储系统:主要考虑存储系统支持的最大吞吐量和IOPS(每秒读写次数)两个指标,如果该指标不能满足需要,致使执行命令等待时间延长,也必然导致虚拟桌面性能下降。
桌面操作系统:一般情况下,处理相同的业务,Windows7比Windows XP更耗费系统资源。如果一台服务器上承载一定数量的Windows XP的桌面性能正常,如果换成同样数量的Windows7桌面就可能性能下降。
用户桌面安装的软件:用户桌面上安装的一些特殊软件,譬如大型数据库软件、高清图像软件、视频播放器、杀毒软件等会对性能造成严重影响。特别要注意杀毒软件,如果设定了所有虚拟桌面同一时刻扫面病毒,将会是灾难性的。
工作负载:虚拟桌面按照工作压力可以分为重载,中载和轻载用户。工作负载越高,需要的服务器和存储的硬件资源越多,相同数量的桌面,工作负载越高,桌面性能越差。
网络带宽:普通办公操作,平均每个虚拟桌面与客户端通讯所占带宽100KB左右,如果观看视频,所需带宽可能会增加十几倍。如果网络带宽不能满足需要,也必然导致系统性能下降,出现屏幕画面卡顿现象。
2.2 桌面虚拟化系统常见性能瓶颈——存储系统IOPS
IOPS(Input/Output Operations Per Second)即每秒进行读写操作的次数,用于衡量存储的性能。桌面虚拟化系统I/O方面的特点是小规模随机读写,因而对存储系统IOPS要求特别高。IOPS分为前端应用IOPS及后端存储IOPS,计算起来比较复杂,跟存储RAID级别相关，跟业务的读写比例相关。如果在做系统设计的时候,存储系统IOPS方面考虑不充分,很容易导致IOPS成为系统性能的瓶颈。另一方面,“启动风暴”的存在,也加大了IOPS成为系统瓶颈的可能。“启动风暴”是指,当早上上班时很多用户同时启动虚拟桌面,并登录系统开始工作,这时需要大量的IOPS,导致后台存储系统的IOPS相对不足,而令桌面启动和登录时间延长。在一些比较极端的例子中,桌面用户可以等候超过几十分钟,或更甚者,完全无法登录系统。
虚拟桌面在不同状态下消耗的IOPS是有差别的,表1以Windows XP桌面为例说明各种状态下IOPS消耗情况,可以看出,桌面启动时IOPS需求为平时的好几倍,则高峰时段大量桌面同时启动形成启动风暴,此时存储IOPS就成为整个系统性能的瓶颈。
2.3 改善存储系统I/O性能的方案
不同类型和转速的磁盘提供的IOPS不同, 常见的转速为10krpm和15krpm的SAS磁盘提供的原生IOPS分别是140和180,而SSD(固态硬盘)可以提供5000以上的原生IOPS。提高存储IOPS最简单的方法是增加磁盘数量,为了应对启动风暴时的需求,磁盘数量要增加几倍,显然这不是一个好的方案。同样,将全部磁盘都换成高I/O性能的SSD也是不可取的,SSD的成本是SAS磁盘的好几倍。有没有更经济的方案呢？答案是肯定。在原有存储上加装少量SSD,将存储中读写频繁的数据(或者称为热点数据)放到SSD上,则存储上大部分的读写操作都发生在高I/O性能SSD上,存储性能会大幅提升。具体来说有两种方案。
方案一: 将频繁读取的文件直接存放在SSD上。即将虚拟机的母版映像文件和副本放置在SSD存储组中。母版映像文件作为只读磁盘为所有桌面虚拟机所共享,每个虚拟机将单独保留一份可写的快照以存放所有对于母盘的修改,这些可写快照可以存放在较低层级(SAS或SATA)的存储上。当桌面虚拟机经历启动过程时,大部分的磁盘活动来自于母版映像,也就是大部分的操作系统文件和应用文件存放的地方,由于SSD的高I/O性能,因而可以满足启动风暴时大量IOPS的需求。
方案二:使用SSD作为缓存层。即将快速的SSD磁盘作为缓存层放置在由SAS和SATA组成的较慢存储组的前端,通过缓存一些频繁访问的数据来提高存储I/O性能。存储系统可以识别频繁访问的磁盘数据块,并自动将其缓存,这些数据块将可以从快速的SSD磁盘读取,而非从较慢的后端存储读取。目前,市场上主流的存储厂商都有相应的SSD缓存方案,如EMC有FAST Cache技术,NetApp有Flash Cache技术。
3、基于VMware View的桌面虚拟化系统性能调优
3.1 系统性能调整前状况
某中型研发企业,已经实施了基于VmwareView5.0的桌面虚拟化项目,总共约800个虚拟桌面。用户反映最大的问题是虚拟桌面速度慢,尤其是每天早晨上班后第一次登录虚拟桌面的时间太长,影响工作效率。经观察发现,每天早晨在8:50AM至9:30AM这个时段会有300台虚拟桌面同时开机和登录,平均进入桌面时间超过5分钟。
该企业桌面虚拟化系统配置如下,服务器主机为8台DELL PowerEdge R710服务器,配置双路6核2.8GHz CPU,72GB内存。存储为EMC VNX5100光纤存储系统,配置60块SAS 15Krpm 600GB硬盘,做成RAID5。该系统承载约800个Windows XP的虚拟桌面,每个桌面配置单个vCPU和1G内存。
根据现象分析判断,存储系统IOPS很可能是整个系统的性能瓶颈。该存储系统配置60块硬盘,除去系统盘4块,热备盘4块,实际可用磁盘数为52块。计算得知,该系统可提供的原生IOPS为9360。这个配置最多支持100多台虚拟桌面同时启动和登录,如果超出这个数量就会出现桌面启动时间延长及性能下降。存储性能监控数据也证实了这个判断。监测数据显示,在桌面启动的高峰时段,存储上单个磁盘平均IOPS达170左右,已达饱和状态。
3.2 VMware View分层存储技术
分层存储,就是将数据存储在不同层级的介质中,在不同的层级之间使用有差别的存储介质,以期在相同成本下,既满足性能的需要又满足容量的需要。在实际工作中,用户希望将最重要的经常访问的数据保存在快速的高I/O存储上,如SSD,而将不太重要或者不常访问的数据保存在相对比较便宜的驱动器上,如SAS或SATA。通过这种设置,用户可以在成本没有大幅增加的情况下获得更佳的存储性能。VMware View 5.0提供分层存储选项,用户可以将母盘映像和副本(Replica)存储在SSD上,而将链接克隆存储在相对比较便宜的驱动器上。借助这一分层存储选项,可以加快密集型操作(例如同时启动大量虚拟桌面)的速度,消除启动风暴的影响。
3.3 FAST Cache技术
FAST(Fully Automated Storage Tiering)全自动存储分层技术是是EMC开发的一系列提高存储性能的技术, 其中FAST Cache是其重要成员。FAST Cache是指可通过利用闪存驱动器(即SSD)来扩展 DRAM 缓存的功能,达到优化其存储系统性能的目的。简单说来,FAST Cache就是用SSD替代存储系统上的内存,当做系统内存底下一层的缓存来使用,作为内存的补充。由于SSD也都是基于FLASH技术实现的,因此,速度也确实能够允许其在内存和磁盘间作为缓存来用。FAST Cache可以确保最常访问的数据尽可能长时间地保存在闪存驱动器上。
3.4 性能调优方案
由于该企业桌面虚拟化系统是基于VMware View5.0的,绝大部分虚拟桌面是链接克隆的,这就可以应用VMware View的分层存储技术,将虚拟桌面母盘映像存储在SSD上,提高虚拟桌面系统盘的IOPS性能,加快桌面启动速度。同时,还可以采用EMC 的FAST Cache技术,扩充存储的缓存,将更多的热点数据移动到缓存中,提高命中率,进而提高存储的整体性能。方案原理参见图1。
具体方案是原EMC VNX5100存储系统增加9块100G SSD,其中2块做镜像,配置成FAST Cache;另外6块做RAID5,保留为存放链接克隆虚拟桌面母盘映像区域;最后1块作为热备盘。另外,在VMware View5.0软件中要重新配置虚拟机池的存储,把链接克隆虚拟机母盘映像存放到SSD上。计算得知,这6块SSD的存储至少提供的原生IOPS为30000,这个配置至少可以满足500多台虚拟机同时启动的需要。
3.5 方案实施结果
该企业自从实施了存储升级改造方案之后,桌面虚拟化系统性能大幅提升。高峰时段平均开机时间由5分多钟缩短到1分半钟,开机速度提高3倍多。各种桌面办公软件的运行速度也加快了,提高了整体办公效率,得到广大用户好评。为了进一步加快早晨上班后用户第一次登录系统的速度,该企业还实施了预开机策略,将每天必开的部分虚拟桌面在上班前的1个小时内预先启动,则用户每天第一次连接虚拟桌面时就不再需要等待桌面启动,可以直接进入桌面,时间仅需要十几秒,大大改善了用户体验。
4、结语
随着桌面虚拟化系统在企业中应用越来越广泛,系统性能问题就逐渐成为各企业面临的突出问题。桌面虚拟化系统的优势是不言而喻的,但其在用户体验方面的劣势一直是阻碍其全面推广的症结所在。提高桌面虚拟化系统的性能,改善用户体验,达到或接近传统PC的水平,一直是广大虚拟化技术人员不断追求的目标。如果能很好的解决这个问题,桌面虚拟化系统必将得到全面推广。届时,传统PC将在企业中消亡。
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