随着云计算数据中心虚拟化技术的引入，将一个物理服务器虚拟化多个虚拟服务器已经成为现实，即虚拟化桌面云。采用虚拟化桌面云为核心的数据中心应用范围广泛，应用类型众多，同时面向不同的应用场景和客户群体。
目前虚拟化桌面云架构中，存在以下三个因素，限制了用户业务应用的性能和规模：(1)服务器主机的CPU/内存；(2)网络带宽；(3)存储I/O。
随着服务器多核多线程的x86架构CPU和内存技术的发展，CPU/内存资源可以支持服务器主机上创建大规模数量的虚拟机。而l0Gbe NICs和带TOE(TCP/IP offlOAd)的LOMs(LAN-on—motherboard)技术的不断发展，网络带宽也不是制约虚拟机规模化增长的瓶颈。在CPU、内存和网络带宽等资源不断增长的同时，存储的I/O负载也在不断加大。
过去，例如l台NAS/SAN的存储阵列，可支持50台物理服务器，即50个主机连接。如今，平均一台物理服务器上平均创建l0～30个虚拟机，则同样50台物理服务器可支持500～1500个虚拟机，即有500～l500个虚拟服务器连接这台存储阵列。每台物理服务器上的多个虚拟机产生的读写I/O数据之间是没有关联的，数据访问模型以随机数据为主。因此，存储的I/O会有两个瓶颈。
(1)存储设备的瓶颈：存储设备需要处理大量的随机读写I/O请求，若存储设备的CPU和磁盘I/O的性能不够，会使业务应用产生停顿。
(2)高延时：虚拟机的业务应用需要等待很高延时，才能完成读或写的I/O请求。
为了同时满足众多的客户需求，提供优质的数据服务，I/O虚拟化技术应运而生。通过将用户的I/0请求存储在高速缓存设备上，加速I/0的响应性能，来满足数据中心对I/O的高带宽、低延时的业务需求。随着SSD硬盘的价格不断降低，在服务器端增加高速存储设备(Cache)，缓存用户数据，提高读写I/0性能，越来越被广泛应用。例如，在数据库应用方面，通过将数据库的日志等频繁刷新的非用户数据，缓存在服务器的大容量Cache存储设备上，提高数据库服务器的I/O性能。
因此，本系统采用Cache软件，利用SSD硬盘的高速读写能力，应用在虚拟桌面云系统中，实现对系统I/O访问的加速。
一、云计算系统I/O加速的设计实现
传统的虚拟桌面云系统采用三层结构：第一层是服务器，运行虚拟机及用户的业务应用；第二层是数据存储网络；第三层是存储设备，存储用户数据。服务器的虚拟机(业务应用)通过数据存储网络，访问存储设备，获取或存储用户数据。
当虚拟机用户数量增大时，可以通过扩展服务器的性能(CPU、内存等)和存储设备的容量(磁盘组数量)来提高支持的用户数。虚拟机用户数的增加，带来数据存储网络的读写I/O请求数也相应增加，对存储设备的I/O性能要求也提高。若存储设备的性能不能满足要求时，则系统就达到了I/O瓶颈。
在整个虚拟桌面云系统层面，根据业务应用模型，可从服务器端、存储端、网络端三个方面，对I/0采用Cache数据的方法，做性能优化。本方案在服务器端，增加高速存储设备，缓存用户的读写数据，进而减少读写I/O响应时间，如图l所示。
在服务器层增加Cache软件和SSD缓存设备，存储用户的I/O数据，可以减少存储设备的I/O压力。当虚拟机用户有写I/O请求时，数据先存储到Cache软件写缓存区域上，Cache软件定期把汇聚后的I/0数据(减少写I/O请求数)，经过存储网络刷新到存储设备。当虚拟机用户有读I/O请求时，在通过网络从存储设备读入I/0数据的同时，Cache软件将I/O数据写入读缓存区域，当下一次用户读取同一份I/O数据时，直接通过Cache软件从读缓存区域中读取，而不用从存储设备中读取，如图2所示。
Cache软件根据读写模式不同，具有writethrough(透写)模式、WriteBack(回写)模式和ReadOnly(只读)模式。Writethrough(透写)模式，指的是Cache软件在将用户的写I/O数据写往后端存储设备的同时，会缓存写I/O数据在SSD缓存设备上；WriteBack(回写)模式，指的是Cache软件中将用户的写I/O数据缓存在SSD缓存设备上，而不直接写往后端存储设备，SSD设备上的数据会定期写入到后端存储中；ReadOnly(只读)模式，指的是Cache软件中只将用户的读I/O数据缓存到SSD设备中，写I/O数据不做缓存。
图1
图2
二、应用效果分析
评价系统在I/0方面的应用效果，以回写模式为主要方向，从读I/O和写I/0两方面的处理过程来分析。
2.1 虚拟机用户的写I/O请求
虚拟机用户的写I/O请求，采用存储在Cache软件写缓存区域中，再汇聚多个写I/O数据后，刷新到存储设备中，这种模式，具有以下特点。
(1)减少数据存储网络中的写I/O请求数，以及减少存储设备需要响应的写I/O请求数。
(2)回写模式会在写I/0数据写入SSD设备后，就认为写操作结束，将结果返回给业务应用，这种模式会减少写I/O延时。
(3)将多个随机写I/0数据汇聚成一个顺序写I/O后，再刷新到存储设备中，可以减轻存储设备的I/0负载。
(4)通过设置刷新脏数据的阀值或时间间隔，提供不同的写性能。(阀值：初始状态，数据均写在Cache中，当脏数据超过总容量的阀值比率，开始向后端存储刷新数据。时间间隔：每隔一定的时间，向后端存储刷新数据。)
相比传统虚拟桌面云的架构，通过汇聚I/O请求数，间接提高存储设备的I/O处理能力，从而提高整个系统的I/0处理能力，增加支持的虚拟机用户数量。
虚拟机用户的汇聚多个写I/0请求，只能对逻辑地址连续的I/0数据的写操作进行汇聚，因此，适用于对某部分区域频繁写操作的业务应用，而对于写I/O随机性较大的业务应用，性能提升不大。
2.2 虚拟机用户的读I/O请求
虚拟机用户的读I/O请求，第一次读取I/O数据时，还是从存储设备中读取，当第二次读取同样的I/O数据时，可以通过读取Cache软件读缓存区域，而减少数据存储网络中的读I/O请求数，以及减少存储设备需要响应的读I/O请求数。相比传统虚拟桌面云，通过减少对存储的读I/O请求数，间接提高存储设备的I/O处理能力，从而提高整个系统的I/O处理能力，增加支持的虚拟机用户数量。
虚拟机用户的读I/O请求，若是集中在某些数据区域(热点数据)，也就是对某些数据区域产生多次读I/O，则性能较传统虚拟桌面云模型，会有明显改善。若数据区域完全离散，即虚拟机用户的读I/O对所有数据区域的访问是均匀的，则性能不会有明显改善。
2.3 三种模式对比(回写，透写和只读)
Cache软件的回写和透写模式，可以缓存用户的写I/O请求和读I/O请求，而Cache软件的只读模式，只对虚拟机用户的读I/O请求做缓存。因此，只读模式适合绝大部份为读操作的业务模型。Cache软件的透写模式，当读I/O数据是刚处理的写数据I/O数据，则会减少读I/0的延时，适合反复读写用户数据的业务模型。Cache软件的回写模式，主要可以减少I/O延时和合并写I/O操作，减少后端存储的写I/O处理总量，适合具有热点数据的业务模型。
三、结语
在虚拟化桌面云系统中，具有明显的热点数据，例如虚拟机的系统盘数据，根据测试，在系统中，把热点数据缓存在SSD高速存储设备上作为Cache，会大幅度提高系统I/O性能，并减少虚拟机用户的I/O请求的处理延时，具有一定的实际应用意义。
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本文标题：一种Cache加速在虚拟桌面云上的应用
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