Nova 是如何统计 OpenStack 计算资源

引言

运维的同事常常遇到这么四个问题：

• Nova 如何统计 OpenStack 计算资源？
• 为什么 free_ram_mb, free_disk_gb 有时会是负数？
• 即使 free_ram_mb, free_disk_gb 为负，为什么虚拟机依旧能创建成功？
• 资源不足会导致虚拟机创建失败，但指定了 host 有时却能创建成功？

本文以以上四个问题为切入点，结合 Kilo 版本 Nova 源码，在默认 Hypervisor 为 Qemu-kvm 的前提下(不同 Hypervisor 的资源统计方式差别较大 )，揭开 OpenStack 统计资源和资源调度的面纱。

Nova 需统计哪些资源

云计算的本质在于将硬件资源软件化，以达到快速按需交付的效果，最基本的计算、存储和网络基础元素并没有因此改变。就计算而言，CPU、RAM 和 DISK等依旧是必不可少的核心资源。

从源码和数据库相关表可以得出，Nova 统计计算节点的四类计算资源：

• CPU: 包括 vcpus(节点物理 cpu 总线程数), vcpus_used(该节点虚拟机的 vcpu 总和)
• RAM: 包括 memory_mb(该节点总 ram)，memory_mb_used(该节点虚拟机的 ram 总和)，free_ram_mb(可用 ram) 
  Note: memory_mb = memory_mb_used + free_ram_mb
• DISK：local_gb(该节点虚拟机的总可用 disk)，local_gb_used（该节点虚拟机 disk 总和），free_disk_gb(可用 disk) 
  Note：local_gb = local_gb_used + free_disk_gb
• 其它：PCI 设备、CPU 拓扑、NUMA 拓扑和 Hypervisor 等信息

本文重点关注 CPU、RAM 和 DISK 三类资源。

Nova 如何收集资源

从 源码 可以看出，Nova 每分钟统计一次资源，方式如下：

• CPU 
  
  • vcpus: libvirt 中 get_Info()
  • vcpu_used: 通过 libvirt 中 dom.vcpus() 从而统计该节点上所有虚拟机 vcpu 总和
• RAM 
  
  • memory: libvirt 中 get_Info()
  • memory_mb_used：先通过 /proc/meminfo 统计可用内存， 再用总内存减去可用内存得出(资源再统计时会重新计算该值)
• DISK 
  
  • local_gb: os.statvfs(CONF.instances_path)
  • local_gb_used: os.statvfs(CONF.instances_path)(资源再统计时会重新计算该值)
• 其它 
  
  • hypervisor 相关信息：均通过 libvirt 获取
  • PCI: libvirt 中 listDevices(‘pci’, 0)
  • NUMA: livirt 中 getCapabilities()

那么问题来了，按照上述收集资源的方式，free_ram_mb, free_disk_gb 不可能为负数啊！别急，Nova-compute 在上报资源至数据库前，还根据该节点上的虚拟机又做了一次资源统计。

Nova 资源再统计

首先分析为什么需要再次统计资源以及统计哪些资源。从 源码 可以发现，Nova 根据该节点上的虚拟机再次统计了 RAM、DISK 和 PCI 资源。

为什么需再次统计 RAM 资源？以启动一个 4G 内存的虚拟机为例，虚拟机启动前后，对比宿主机上可用内存，发现宿主机上的 free memory 虽有所减少(本次测试减少 600 MB)，却没有减少到 4G，如果虚拟机运行很吃内存的应用，可发现宿主机上的可用内存迅速减少 3G多。试想，以 64G 的服务器为例，假设每个 4G 内存的虚拟机启动后，宿主机仅减少 1G 内存，服务器可以成功创建 64 个虚拟机，但是当这些虚拟机在跑大量业务时，服务器的内存迅速不足，轻着影响虚拟机效率，重者导致虚拟机 shutdown等。除此以外，宿主机上的内存并不是完全分给虚拟机，系统和其它应用程序也需要内存资源。因此必须重新统计 RAM 资源，统计的方式为： 
free_memory = total_memory - CONF.reserved_host_memory_mb - 虚拟机理论内存总和 
CONF.reserved_host_memory_mb：内存预留，比如预留给系统或其它应用 
虚拟机理论内存总和：即所有虚拟机 flavor 中的内存总和

为什么要重新统计 DISK 资源？原因与 RAM 大致相同。为了节省空间， qemu-kvm 常用 QCOW2 格式镜像，以创建 DISK 大小为 100G 的虚拟机为例，虚拟机创建后，其镜像文件往往只有几百 KB，当有大量数据写入时磁盘时，宿主机上对应的虚拟机镜像文件会迅速增大。而 os.statvfs 统计的是虚拟机磁盘当前使用量，并不能反映潜在使用量。因此必须重新统计 DISK 资源，统计的方式为： 
free_disk_gb = local_gb - CONF.reserved_host_disk_mb / 1024 - 虚拟机理论磁盘总和 
CONF.reserved_host_disk_mb：磁盘预留 
虚拟机理论磁盘总和：即所有虚拟机 flavor 中得磁盘总和

当允许资源超配(见下节)时，采用上述统计方式就有可能出现 free_ram_mb, free_disk_gb 为负。

资源超配与调度

即使 free_ram_mb 或 free_disk_gb 为负，虚拟机依旧有可能创建成功。事实上，当 nova-scheduler 在调度过程中，某些 filter 允许资源超配，比如 CPU、RAM 和 DISK 等 filter，它们默认的超配比为：

• CPU: CONF.cpu_allocation_ratio = 16
• RAM: CONF.ram_allocation_ratio = 1.5
• DISK: CONF.disk_allocation_ratio = 1.0

以 ram_filter 为例，在根据 RAM 过滤宿主机时，过滤的原则为： 
memory_limit = total_memory * ram_allocation_ratio 
used_memory = total_memory - free_memory 
memory_limit - used_memory < flavor[‘ram’]，表示内存不足，过滤该宿主机；否则保留该宿主机。

相关代码如下(稍有精简)：

<code class="hljs python has-numbering" style="display: block; padding: 0px; color: inherit; box-sizing: border-box; font-family: "Source Code Pro", monospace;font-size:undefined; white-space: pre; border-radius: 0px; word-wrap: normal; background: transparent;"><span class="hljs-function" style="box-sizing: border-box;"><span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 136); box-sizing: border-box;">def</span> <span class="hljs-title" style="box-sizing: border-box;">host_passes</span><span class="hljs-params" style="color: rgb(102, 0, 102); box-sizing: border-box;">(self, host_state, instance_type)</span>:</span>    <span class="hljs-string" style="color: rgb(0, 136, 0); box-sizing: border-box;">"""Only return hosts with sufficient available RAM."""</span>    requested_ram = instance_type[<span class="hljs-string" style="color: rgb(0, 136, 0); box-sizing: border-box;">'memory_mb'</span>]    free_ram_mb = host_state.free_ram_mb    total_usable_ram_mb = host_state.total_usable_ram_mb    memory_mb_limit = total_usable_ram_mb *    CONF.ram_allocation_ratio    used_ram_mb = total_usable_ram_mb - free_ram_mb    usable_ram = memory_mb_limit - used_ram_mb    <span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 136); box-sizing: border-box;">if</span> <span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 136); box-sizing: border-box;">not</span> usable_ram >= requested_ram:        LOG.debug(<span class="hljs-string" style="color: rgb(0, 136, 0); box-sizing: border-box;">"host does not have requested_ram"</span>)        <span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 136); box-sizing: border-box;">return</span> <span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 136); box-sizing: border-box;">False</span></code><ul class="pre-numbering" style="box-sizing: border-box; position: absolute; width: 50px; top: 0px; left: 0px; margin: 0px; padding: 6px 0px 40px; border-right-width: 1px; border-right-style: solid; border-right-color: rgb(221, 221, 221); list-style: none; text-align: right; background-color: rgb(238, 238, 238);"><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">1</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">2</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">3</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">4</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">5</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">6</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">7</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">8</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">9</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">10</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">11</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">12</li></ul>

宿主机 RAM 和 DISK 的使用率往往要小于虚拟机理论使用的 RAM 和 DISK，在剩余资源充足的条件下，libvirt 将成功创建虚拟机。

随想：内存和磁盘超配虽然能提供更多数量的虚拟机，当该宿主机上大量虚拟机的负载都很高时，轻着影响虚拟机性能，重则引起 qemu-kvm 相关进程被杀，即虚拟机被关机。因此对于线上稳定性要求高的业务，建议不要超配 RAM 和 DISK，但可适当超配 CPU。建议这几个参数设置为：

• CPU: CONF.cpu_allocation_ratio = 4
• RAM: CONF.ram_allocation_ratio = 1.0
• DISK: CONF.disk_allocation_ratio = 1.0
• RAM-Reserve: CONF.reserved_host_memory_mb = 2048
• DISK-Reserve: CONF.reserved_host_disk_mb = 20480

指定 host 创建虚拟机

本节用于回答问题四，当所有宿主机的资源使用过多，即超出限定的超配值时(total_resource * allocation_ratio)，nova-scheduler 将过滤这些宿主机，若未找到符合要求的宿主机，虚拟机创建失败。

创建虚拟机的 API 支持指定 host 创建虚拟机，指定 host 时，nova-scheduler 采取特别的处理方式：不再判断该 host 上的资源是否满足需求，而是直接将请求发给该 host 上的 nova-compute。 
相关代码如下(稍有精简)：

<code class="hljs python has-numbering" style="display: block; padding: 0px; color: inherit; box-sizing: border-box; font-family: "Source Code Pro", monospace;font-size:undefined; white-space: pre; border-radius: 0px; word-wrap: normal; background: transparent;"><span class="hljs-function" style="box-sizing: border-box;"><span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 136); box-sizing: border-box;">def</span> <span class="hljs-title" style="box-sizing: border-box;">get_filtered_hosts</span><span class="hljs-params" style="color: rgb(102, 0, 102); box-sizing: border-box;">(self, hosts, filter_properties,            filter_class_names=None, index=<span class="hljs-number" style="color: rgb(0, 102, 102); box-sizing: border-box;">0</span>)</span>:</span>    <span class="hljs-string" style="color: rgb(0, 136, 0); box-sizing: border-box;">"""Filter hosts and return only ones passing all filters."""</span>    ...    <span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 136); box-sizing: border-box;">if</span> ignore_hosts <span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 136); box-sizing: border-box;">or</span> force_hosts <span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 136); box-sizing: border-box;">or</span> force_nodes:        ...        <span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 136); box-sizing: border-box;">if</span> force_hosts <span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 136); box-sizing: border-box;">or</span> force_nodes:            <span class="hljs-comment" style="color: rgb(136, 0, 0); box-sizing: border-box;"># NOTE(deva): Skip filters when forcing host or node</span>            <span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 136); box-sizing: border-box;">if</span> name_to_cls_map:                <span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 136); box-sizing: border-box;">return</span> name_to_cls_map.values()        <span class="hljs-keyword" style="color: rgb(0, 0, 136); box-sizing: border-box;">return</span> self.filter_handler.get_filtered_objects()</code><ul class="pre-numbering" style="box-sizing: border-box; position: absolute; width: 50px; top: 0px; left: 0px; margin: 0px; padding: 6px 0px 40px; border-right-width: 1px; border-right-style: solid; border-right-color: rgb(221, 221, 221); list-style: none; text-align: right; background-color: rgb(238, 238, 238);"><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">1</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">2</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">3</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">4</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">5</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">6</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">7</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">8</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">9</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">10</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">11</li><li style="box-sizing: border-box; padding: 0px 5px;">12</li></ul>

当该 host 上实际可用资源时满足要求时，libvirt 依旧能成功创建虚拟机。

最后，以一图总结本文内容