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vSphere 5.5 の新機能紹介 – VMのパフォーマンスを最大化する、待ち時間感度 (Latency-Sensitivity) 機能

今回ご紹介する機能は、「待ち時間感度(Latency-Sensitivity)」 – CPU オーバーヘッドをできるだけ小さくすることにより仮想マシンのパフォーマンスを最大化し、同時にアプリ応答時間および遅延を最小化する機能です。

vSphere 環境上での仮想マシンのパフォーマンスについては、バイナリートランスレーション技術の最適化および VT-x やAMD-V といった CPU ベンダーによるハードウェア仮想化支援機能を利用することにより、これまでも物理ホスト上でネイティブに動作する場合とほとんど遜色のないパフォーマンスをたたき出すことに成功しています。
First SAP SD Benchmark on vSphere 5 Shows Performance within 6% of Native” (英語)
http://blogs.vmware.com/performance/2011/08/first-sap-sd-benchmark-on-vsphere-5-shows-performance-within-6-of-native.html
Performance Study of Oracle RAC on VMware vSphere® 5.0” (英語)
http://www.vmware.com/resources/techresources/10295

 CPU 処理のオーバーヘッドおよびネットワーク遅延

とはいえ従来の ESXi には、ある仮想マシンにたいし(特定の)物理 CPU(コア)を排他的に使用できるようにする機能はなく、他の仮想マシンと物理 CPU が共有されてしまうことを完全に排除することはできませんでした。(代替え策として、CPU アフィニティと予約を組み合わせることにより、特定の物理 CPU をある仮想マシンに「擬似的に」占有させるしか方法がありませんでした)
したがって、仮想マシンにたいして必ず物理 CPU が割り当てられていることを保証する手段がなかったため、マイクロ秒単位の非常に短時間のレスポンスを要求するようなアプリケーション(アプリ全体の中ではごく一部ですが)を、仮想マシン上で要求レベルどおりに動作させることは、大きなチャレンジでした。

また ESXi では、複数の仮想マシンにたいし効率よく物理 CPU を割り当てるために、 CPU スケジューリング機能を備えています。CPU スケジューリング機能は、VMware による長年の進化改良により、非常に効率のよいものになっていますが、ハイパーバイザが介在するため、VM-VM間、VM-ハイパーバイザ間のコンテキスト・スイッチングなど、ごく微少なオーバーヘッドが生じてしまいます。

また ESXi では、仮想マシン上の仮想 NIC と物理ホスト上の物理 NIC 間に、仮想スイッチを介在させるなどの、ネットワーク仮想化技術を実装しています。仮想ネットワークでパケットの頻繁な転送処理による効率低下を防止するため、仮想マシン-VMkernel間のパケット転送は、バッチによって処理しています(これを仮想 NIC コアレッシングといいます)。
これとは別に、仮想マシン側で短いパケットの多数受信した場合 CPU コストがかかります。受信処理を効率化し、仮想マシンの CPU コストを低下させるために、VMXNET3 仮想 NICでは、LRO (Large Receive Offload)という機能を実装しています。LRO 機能により、複数の短いパケットを単一の長いパケットにアグリゲートします。これにより、パケット処理における CPU コストを削減し、CPU 使用率を低下させています。
これらの仮想ネットワークのパケット転送効率化機能により、パケット受信および CPU 処理の効率化を図っていますが、その一方、(短い)パケットを受信したばあい、アグリゲート処理が加わるため若干の遅延が生じてしまいます。

待ち時間感度(Latency-Sensitivity)機能

上記の CPU スケジューリングのオーバーヘッドおよびネットワーク遅延を最小化するため、新たに「待ち時間感度」を設定する機能が導入されました。
待ち時間感度を設定することにより、下記のような効果を実現します。

  1. 物理リソースへの排他的アクセス権を与える
    CPU スケジューラは、CPU オーバーヘッドの有無を含むいくつかの要因を考慮し、物理 CPU への排他的アクセスを有効化するかどうか決定します。さらに、仮想 CPU の予約値を100%に設定することにより、仮想マシンの物理 CPU への排他アクセスを保証することが可能になります。
    (注意:待ち時間感度を有効化するには、仮想マシンのメモリ予約を設定しておく必要があります)
  2. 仮想化レイヤーをバイパスする
    仮想 CPU を100%予約することにより、一旦物理 CPU への排他アクセスが得られると、その物理 CPU 上は他のコンテキストが存在しないため、VMkernelの CPU スケジュールレイヤーをバイパスし、仮想マシンから直接 VM exit処理が可能になります。(VM exit についてはこちらを参照下さい)
    これにより、VMkernel とのコンテキスト・スイッチングに要する CP Uコストが削減されます。VM exit 処理そのものはなくなりませんが、EPT などのハードウェア仮想化支援機能を利用している場合は、VM exit 処理のコストは相対的に小さいものになります。
  3. 仮想化レイヤーのチューニングを行う
    仮想 NIC として、VMXNET3 準仮想化デバイスを使用している場合は、仮想 NIC コアレッシングと LRO を自動的に無効化します。
    これにより、パケット送受信にともなう遅延を最小化します。
    SR-IOV などの物理 NIC のパススルー技術を同時に使用した場合に、さらにパフォーマンスを向上させることが可能になります。

待ち時間感度(Latency-Sensitivity)設定を有効化する方法

待ち時間感度機能は、ESXi ホスト単位ではなく、仮想マシンごとに個別に設定します(デフォルトでは無効化されています)。
Web Client にて仮想マシンアイコンを右クリックし、[設定の編集]を選択します。[仮想マシン オプション]タブを選択し、[設定]を展開すると、「待ち時間感度」という欄が表示されます(vSphere Clientではこの機能は設定できません)。

上図のように、メニューには、”低”, “標準”, “中”, “高”の4つの項目がありますが、このうち”低”と”中”は試験的サポートとなりますので説明は省略します。
他の(正式サポートされる)メニュー項目の意味は下記の通りです。

  • – 上記で説明した機能すべてが有効化されます。[高]に設定するには、仮想マシンのメモリ予約が必要です。
  • 標準 – 「待ち時間感度」機能が無効化され、通常の仮想マシンの設定になります。

「待ち時間感度」機能利用時の注意点

「待ち時間感度」機能を有効化し、ある仮想マシンが物理 CPU を占有した場合、(たとえその仮想マシンがアイドル状態であっても)他の仮想マシンはその物理 CPU を利用できない場合がありますので、結果としてホスト全体の CPU 使用率が低下してしまう可能性があります。
また、仮想 NIC コアレッシングと LRO が無効化されるため、パケット送受信に関する遅延は低下しますが、パケットあたりの CPU コストが上昇します。したがってネットワークの全体的なスループットが低下し、CPU 使用率が上昇する可能性があります。
このような注意点がありますので、「待ち時間感度」機能をむやみに有効化することは避け、CPU のレスポンスタイムやネットワーク遅延に厳しいアプリケーションを動作させる場合のみ、有効化することをお奨めします。
「待ち時間感度」機能の技術詳細、ベンチマーク結果などについてホワイトペーパーが公開されておりますので、そちらも参照下さい。
Deploying Extremely Latency-Sensitive Applications in VMware vSphere 5.5
https://www.vmware.com/resources/techresources/10383

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