vSphere 虛擬環境中超額配置 CPU、 內存和存儲的比例推薦及規劃簡述

高度虛擬化的環境中,混合模式I/O還能夠大大提高數據中心的效率。過去,管理員通常根據單個應用程序需求調整各個服務器的大小;現在,虛擬環境中的混合I/O模式允許不同峯值需求共享資源。管理員可能經常會超額置備資源並調整各個虛擬機的大小以滿足峯值需求。

CPU超配

僅分配物理上可用於支持所有正在運行的工作負載的資源。被認爲是最安全的方案,因其可確保所有正在運行的虛擬機始終具有所需的資源。從以往經驗看,CPU角度平均利用率僅爲5%至15%;

vCPU與pCPU 之比視工作負載而定。雖然提倡vCPU:pCPU= 1:1的分配,設置不同比率的情況也很常見。也就是說,儘管vSphere5支持的超配比率爲25:1,但能否實現高比率很大程度上取決於支持的工作負載類型。如果主機支持大量虛擬機,且每個虛擬機只有少量的CPU需求,則vCPU與pCPU 的比率可以很高。但是,如果主機運行大量CPU密集型工作負載,則該比率可能會小得多。

CPU就緒–從主機整體CPU運行狀況角度來看,目前爲止,該衡量指標最爲重要CPU就緒衡量指標用於確定虛擬機等待足夠物理 CPU以滿足虛擬機需求所需的時長。如果某個虛擬機分配有4個vCPU,該衡量指標將指示虛擬機等待4個對應pCPU同時可用所需的時長。

【超配經驗】:

業內專家的指導建議是vSphere的“實際環境”比率值應在10:1到15:1範圍內,vsphere官方文檔中也有相關類似建議。有些資料顯示的實際環境比率範圍爲6:1– 8:1,具體還是以業務需求而定,可通過容量覈算來定,綜合業務是計算密集型還是內存密集型。相關建議做法是將“CPU就緒”衡量指標保持在5%或以下。

內存超配

Vsphere中關於RAM內存利用率提高的集中技術:

1)透明頁面共享(TPS)–在大多數虛擬環境中,管理員運行同一操作系統的多個副本。在這些情況下,主機內存中存在大量重複的內存頁面。透明頁面共享基本是一種內存去重形式,vSphere將多個相同的內存頁面組合到一個頁面,釋放其餘頁面以用於其他用途。從性能影響角度講,TPS對主機的影響微乎其微。
2)內存氣球(Ballooning)–在客戶機虛擬機內安裝VMwareTools 時,內存氣球驅動程序會隨其他Tools組件一起安裝。該驅動程序充當Windows 進程,從而允許操作系統使用其常規內存管理技術爲其分配閒置/未用內存頁面。然後,氣球驅動程序會“固定”這些頁面,並報告給虛擬化管理程序(hypervisor)。如果主機物理內存不足,則會將客戶機內存頁面分配給此氣球驅動程序。執行該分配後,主機可以回收這些內存頁面以滿足可能需要RAM的其他虛擬機的需求。通過這種方法,某個特定虛擬機有空閒RAM 時,可以透明地與同一主機上的其他虛擬機共享該RAM,從而提高主機的虛擬機密度。TPS是一項內存去重技術,氣球進程可以爲RAM提供精簡置備功能。雖然氣球進程需要一些CPU開銷,但對客戶機和主機的性能影響微乎其微。不過,在極端情況下,氣球可能會在操作系統內引起交換。
3)內存壓縮–在vSphere 4.1中,VMware 引入了內存壓縮的概念,某些情況下,該技術可以替代成本高昂的交換進程。該技術,可以將內存頁面壓縮並置於磁盤上的壓縮緩存中,而不是逐個虛擬機將內存頁面交換到磁盤。需要交換已交換的頁面使其返回到RAM時,則從此緩存中檢索並進行解壓。雖然此進程比交換到磁盤的成本低,但是對性能存在一定的影響。
4)交換到磁盤–交換到磁盤是管理程序檢索足夠物理RAM 以滿足主機上運行的工作負載需求的最低級的選擇。由於vSphere的其他內存管理技術非常優秀,因此通常僅在過量分配嚴重的主機上執行交換,不過,資源池限制或虛擬機上配置的內存限制也會引起交換。同樣,如果虛擬機未安裝VMwareTools 或VMwareTools未運行,系統將完全跳過氣球進程,轉而直接執行交換。交換是管理程序將最少使用的內存頁面移至磁盤的過程。這些內存頁面仍然可以訪問,但需要時,必須從磁盤檢索。從性能影響來看,交換具有極高的成本,並且會顯著降低主機的整體性能。

僅當主機上存在內存爭用問題,或存在上述討論的交換情況時,纔會執行交換和壓縮。在大多數環境中,應避免導致交換或壓縮的內存爭用問題,因爲這種情況意味着主機基本上用盡了RAM。

過量分配級別可能取決於一個主要因素:主機上運行多個類似工作負載時可實現的內存去重量。正在運行的工作負載之間的差異級別越大,可能發生的內存整合越少,可實現的密度越低。如果服務器上的每個工作負載都相同,則可能出現非常高的過量分配級別,管理員需定期瀏覽過量分配級別。實際經驗表明,每個虛擬機分配的內存一般較大(總是超過該虛擬機實際使用的內存)。

【超配經驗】:

1)可配置不超過物理內存的125%,即1.2:1的配比,部分經驗表明超過該衡量指標會導致不可接受的風險。
2)在一些桌面環境中,經驗表明1.5:1的配比,這也是Vsphere推薦的,屬過度分配,超過該值風險極大。

監控: 主機服務器上,管理員需要監控虛擬機實際使用的RAM量。

存儲超配

超額置備存儲最常見的方法是通過一個精簡置備過程進行,相關經驗驗證表明,精簡置備帶來的性能影響微乎其微,幾乎可以忽略不計。

精簡置備運作如下:管理員置備虛擬機的總磁盤空間時,允許虛擬機訪問整個分配空間。但是,實際上,vSphere 僅爲虛擬機分配其實際使用的空間。因此,如果管理員向新虛擬機分配200GB存儲空間,但該虛擬機僅使用40GB,則剩餘的160GB仍可用於分配給其他虛擬機。,精簡置備可幫助管理員爲虛擬機提供需要的所有存儲,而不必不斷監控是否需要更多的空間,但潛在的較大風險是,會產生重大的可用性問題。如果存儲超額預定導致存儲卷耗盡空間,虛擬機仍認爲它們具有可用磁盤空間,但實際上沒有任何可用空間。如果監控不仔細,可能會導致嚴重故障、數據丟失並需要執行成本高昂的恢復操作。

**監控:**精簡置備的管理員需要密切關注數據存儲中的可用空間量

【超配經驗】:
1)一些桌面環境中,存儲超配比可控制1.5-2之間,最好不要超過1.5。超配比越高,監控的閾值配置條件可越精細,嚴格監控,及早預警。

附錄:vSphere容量規劃

口訣:先性能,後容量,關注CPU、內存、存儲和網絡
工具:VMware Capacity Planner
【性能規劃】

**需求:**虛擬基礎架構的性能需求指的是所有應用程序的性能需求的總和;

CPU和內存的容量基本上就意味着性能,但隨着在虛擬化環境中大量的應用到共享存儲,存儲呈現出對性能的影響最嚴重的現象。規劃存儲時,需要重點關注兩個指標,IOPS和MBps。IOPS用來衡量存儲陣列每秒可處理的I/O請求數,通常與後端磁盤子系統的關係更爲緊密。它的性能指標與磁盤尺寸和轉速相關的。MBps則更多用於衡量帶寬,它又分爲讀速率和寫速率兩個指標,用以衡量後端磁盤子系統能承受多少數據壓力。

相關經驗數據,不同類型磁盤的IOPS值的保守估計數值如下:

7200r/s SATA或NL-SAS:90 IOPS;
15000r/s FC或SAS:180 IOPS;
SSD:2500

網絡案例:
工作負載需要15000IOPS、340 MBps讀速率、100MBps寫速率,使用15K SAS磁盤組建RAID5磁盤子系統,那麼,計算過程如下

((讀%+(4X寫%))x所需IOPS/每磁盤IOPS=磁盤數

讀操作佔比=340/(340+100)≈77.27%;
寫操作佔比=100/(340+100)≈22.73%

計算結果取整後,大約需要141個磁盤。改用SSD後,大約需要11個磁盤,但是SSD又難以滿足容量的需求。

這時,就需要利用到虛擬存儲池以及子LUN存儲分層技術。由SSD和HDD分層組成一個虛擬存儲池,數據塊將根據工作負載移動到合適的層級上,由SSD提供更高的IOPS和速率,而HDD則可以提供更大的容量。

【容量規劃】

需求: 虛擬基礎架構的容量需求指的是所有工作負載資源使用量的總和。

vsphere環境項目原始容量規劃調研表

項目內容 項目數據
基礎架構上將要並行的虛擬機數量
物理系統的平均CPU(MHz)
每臺物理系統的平均CPU數(總的核心數量)
每臺物理系統的CPU利用率峯值平均數(百分比)
每臺物理系統的內存平均數(MB)
每臺物理系統的內存利用率峯值平均數(百分比)
建議的或想要的主機規格信息
CPU:每臺主機的CPU插槽數
CPU:每個CPU的內核數
CPU:每顆內核的MHz數
內存:每臺主機的MB數

考慮因素:

在虛擬化實施的過程中,如果使用現有的服務器,推薦優先爲服務器添加內存,網卡,其次是配置冗餘電源,CPU;至於硬盤,在虛擬化項目中,優先是配置共享的存儲,其次是添加本地硬盤。可以將原有的服務器改做存儲服務器,例如,如果某服務器配置較低並且不具有升級的價值,但具有較多的本地硬盤時,可以將硬盤集中到某臺服務器中,將這臺服務器通過安裝openfiler(32位或64位產品都有)或Windows Server 2008 R2或Windows Server 2012,組成存儲服務器,通過千兆網絡爲虛擬化環境提供iSCSI的網絡存儲,這些存儲可以用來做數據備份或擴展。

cpu: 建議系統至少有30%甚至更高的富餘容量做爲緩衝及管理等其他開銷,即CPU的負載率爲60%〜75%;一個主機上的資源利用率超過80%以致接近100%,整個系統響應會比較慢。通常情況下,2U的服務器最大支持,2個CPU,標配1個CPU;通常情況下,2U的服務器最大支持,2個CPU,標配1個CPU。考慮經濟因素,採購兩倍的2U服務器要比採購4U的服務器節省更多的資金,並且性能大多數也能滿足需求。選擇CPU時,選擇6核或8核的英特爾系列的CPU爲宜,10核或更多核心的CPU較貴
內存: 通常情況下,配置了4個8核心CPU的主機,一般需要配置96GB甚至更高的內存;在配置2個6核心CPU的主機,通常要配置32〜64GB內存。
網卡:至少要爲服務器配置2接口的千兆網卡,推薦4端口千兆網卡;
電源:,2U服務器選擇2個450W的電源可以滿足需求,4U服務器選擇2個750W電源可以滿足需求,2個主備。虛擬網絡vMotion、Management和vSphereFT網絡可共用2塊網卡(風險:當一塊物理網卡出現故障時做vMotion操作就會導致單播泛洪。),生產業務網絡用2塊網卡。vSwitch使用access端口,vSphere Distributed Switch使用trunk模式。
存儲:服務器配置6個硬盤做RAID5,或者8個硬盤做RAID50爲宜;2.5寸SAS硬盤轉速是10000轉,3.5寸SAS硬盤轉速爲15000轉,選擇2.5寸硬盤具有較高的IOPS;且總體容量規劃考慮,整個存儲設計的容量要是實際使用容量的2倍以上(是配置RAID之後而不是沒有配置RAID,所有磁盤相加的空間);另外一個重要的參數是IOPS(每秒輸入/輸出操作),即每秒進行讀寫(I / O)操作的次數,多用於數據庫等場合,衡量隨機訪問的性能,存儲端的IOPS性能和主機端的IO是不同的,IOPS是指存儲每秒可接受多少次主機發出的訪問,主機的一次IO需要多次訪問存儲纔可以完成。但實際每個磁盤系統的IOPS是有上限的,如果實際的IOPS超過了磁盤組的設計上限,則系統反應會變慢,影響系統的性能。15000轉的磁盤的IOPS是150,10000轉的磁盤的IOPS是100,普通的SATA硬盤的IOPS大約是70 〜80一般情況下,在做桌面虛擬化時,每個虛擬機的IOPS可以設計爲3〜5個;普通的虛擬服務器IOPS可以規劃爲15〜30個(看實際情 況),當設計一個同時運行100個虛擬機的系統時,IOPS則至少要規劃爲2000個,如果採用10000轉的SAS磁盤,則至少需要20個磁盤。
網絡:在進行虛擬機之間的動態遷移,或者將虛擬機從一個存儲遷移到另一個存儲時,爲了減少遷移的時間,不對關鍵業務造成影響,在遷移期間會佔用大量的網絡資源,另外,在遷移的時候,雖然可以減少併發遷移的數量,但在某些應用中,可能會同時遷移多臺虛擬機,這對交換機背板帶寬以及交換機的性能的要求達到更高。將主機網卡連接到交換機的Trunk端口,然後在虛擬交換機一端劃分VLAN,這樣可以在只有有一到兩個物理網卡時,可以讓虛擬機劃分到所屬網絡中的不同VLAN中。

【計算公式】

CPU:

每臺物理機CPU平均值(MHz)X平均CPU數X高峯時CPU利用率平均值(%)=高峯時CPU利用平均數(MHz)

同時運行的虛擬機數量X高峯時CPU利用平均數(MHz)=高峯時CPU總利用數(MHz)

通過計算得出虛擬基礎架構需要的計算能力

內存:

每臺物理機的平均內存量(MB)X高峯時內存使用率平均值(%)=高峯時內存使用量平均值(MB)

同時運行的虛擬機數量X高峯時內存使用量平均值(MB)=高峯時內存總使用量(MB)

:vSphere通過TPS(透明頁面共享)機制在虛機之間共享內存頁面,一般可獲得33%的內存收益。

通過計算得出虛擬基礎架構需要的內容容量

主機CPU規格:

每臺主機CPU數量X每顆CPU內核數量X每個內核的MHz數=每臺主機的MHz數

每臺主機允許的CPU最高利用率(%)X每臺主機的MHz數=每臺主機CPU的可用MHz數

計算得出每臺主機的計算能力

主機內存規格:

每臺主機內存量(MB)X每臺主機允許的最大內存使用率(%)=每臺主機可用內存量

計算得出每臺主機的內存容量

注: 一般建議保留20%的主機資源用於額外開銷或應付可能發生的資源突發請求。

根據CPU需求計算出主機數:

高峯時CPU總利用率(MHz)/每臺主機可用CPU(MHz)=根據CPU需求所需主機數(湊整)

根據CPU需求所需的主機數+1=在N+1冗餘要求時所需的主機數

根據內存需求計算出的主機數:

高峯時內存總是用量(MB)/每臺主機可用內存量(MB)=根據內存需求所需的主機數(湊整)

根據內存需求所需的主機數+1=在N+1冗餘要求時所需的主機數

最終所需的主機數取決於最壞的情況,即,兩者取最大值。

網絡端口規劃:

將同一臺vSphere主機上不同類型的網絡流量互相隔離,這是普遍認同的一種最佳實踐

衡量參考:

管理網絡:VMkernel(兩個網卡)

vMotion:VMkernel(兩個網卡)

容錯(FT):VMkernel(兩個網卡)

存儲:VMkernel(兩個網卡)

虛擬機流量:虛擬機網絡(兩個網卡)

帶外管理網絡:1個網卡

這意味着一臺vSphere主機需要11個網絡端口上聯,兩個互備的24口的交換機僅能滿足4臺vSphere主機的配置。

可採用融合機架式架構或融合刀片式架構來解決端口的問題,這樣的架構通常只有兩個萬兆網絡端口,並且可以通過增加上行鏈路的方式進行擴容;

也可以取消不用的端口類型,比如,使用FCSAN使,可以取消存儲網絡;未啓用FT容錯功能時,可以取消容錯網絡網絡;或者對不同類型的端口進行整合,比如,網卡1用於vMotion網絡,網卡2用於管理網絡,可以將網卡1用於管理網絡備用,網卡2用於vMotion網絡備用。

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