基于动态阈值的调度算法分析

原文来自 魏元豪,吴庆波,邵立松,刘 敏,孙立明，针对固态硬盘的拥塞控制 I / O 调度器，国防科技大学。

　　先简单说说这篇论文的出发点，原文作者认为存储设备上的大量数据的长度并不是随机分布，而是重尾态的分布，故I/O路径中是有大量的小片请求和少量偶尔出现的大块请求。原文作者基于I/O调度层读写请求的统计规律，针对I/O路径局部拥塞缺陷设计了DVI/OS的调度器。 

 

 

 如上图，文中对不同大小的request响应延迟做了一系列测试，得到了一条基本规律，读请求的delay保持在1ms内，写请求延迟则变化范围大。而结合实际，研究表明硬盘文件系统尽量会将同一数据对象连续存入，而资源有限将会导致大部分小请求可以被连续写入，而大请求较小几率连续存储。

 

 

 文中作者又做了一次关于请求大小数量分布，这是I/O调度层的请求哦！作者解释说因为硬盘的旧化，通用块层针对缓存大小做合并，所以大块请求很多都被合并到128KB和512KB规模。

　　重头戏在这里：拥塞效应。简而言之，就是大块数据请求的处理时间很长，让后面的请求等待时间较长，原文作者拿R/W=10:1的大规模操作来测试执行结果。一张图让你明明白白，什么是拥塞效应。

 

 

 很明显的看到1340号请求后面那一段a图中延迟明显增大，而b图中却看见1340-1360后半段全部都是小规模请求，它们如果得到了处理那么延迟时间可能低于1ms。这证明过了Linux内核的NOOP调度器有很高的提升性能的空间。

　　DVI/OS request scheduler实现原理

　　首先它们引入了一个量叫做拥塞阈值，其公式为：

拥塞阈值=1/每秒I/O发起次数，单位是ms，它们的想法是如果I/O频率一定，那么每个请求的平均处理时间一定，超过Avg时间就会有阻塞效应产生。所以它们认为的定制了三个阈值来分级区别处理。这个动态阈值调度器通过不断的更新请求的阈值，对I/O路径上的系统繁忙程度调控。

　　第一级：1ms，图中32kb以下请求delay小鱼1ms，所以就设置一级阈值为1ms，所以对于这样的请求不需要经过优化调度，直接派发处理就完事

　　第二级：2ms，32kb-64kb还算有一定量级的I/O请求，延迟在1-2s，设置2s为拥塞阈值

　　第三级：10ms，专门用于区分大块请求。

　　基于三级阈值的调度器设计

　　一级阈值下的IOrequest不必处理，若请求频率到达100-500之间，把2ms级别以上的放入排序缓冲区（见下图），剩下的request直接放入FIFO等待处理；若frequency达到了500+，特别是f>1000时，FIFO只保存一级请求，其余的全数放置于大小排序缓冲区。这就实现了动态管理，调度执行顺序让性能提升。

 

 

 整个调度器的实现过程如下：

每个请求都有时间限制，所以调度器会给每个I/O请求一个ddl，派发模块首先判断是否会有超时，有超时情况存在直接派发（用户体验高于一切），否则就按照原来的策略。如图：

 

 

 最后验证调度器的优化效果：

 

 

 这个实验环境是负载上给每个进程400次随机I/O，并发量分别设置为20,40,60，总的来看是并发量多，优势明显，实验数据表明优化比例分别是9.63%，21%，20%。

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------以上是我更新的第一篇博客，读国防科技大学计算机学院几个学长的论文，大致分析了一下他们的思路，轻喷！这博客的格式也还不怎么会调，下次多多注意咯