动态资源平衡：主流虚拟化 DRS 机制分析与 SmartX 超融合的实现优化
资源的动态调度是虚拟化软件（或超融合软件）中的一项重要功能，主要指在虚拟化集群中，通过动态改变虚拟机的分布，达到优化集群可用性的目标。这一功能以 VMware vSphere 发布的 Distributed Resource Scheduler（DRS）最为人们所熟知，它凭借简单易用的特点，在用户中迅速流行，甚至成为此类功能的代名词。
作为国内领先的专业超融合厂商，SmartX 在最新发布的超融合软件版本 SMTX OS 5.1（以下简称 SMTX OS）中，也新增了对 DRS 功能的支持。不同于 VMware 6.x 及其他市场常见的虚拟化平台 DRS 实现机制，SMTX OS 优化了 DRS 评价体系，可充分适应基于容器的“敏态”应用环境，有效提升业务运行与日常管理效率。
本文，我们将深入解读目前主流虚拟化平台 DRS 实现机制与 SmartX 虚拟化平台上 DRS 功能的优化与创新，通过对比分析，帮助读者进一步了解 DRS 及其不同实现机制对集群运行带来的影响。
主流虚拟化软件 DRS 机制：更适合“稳态”业务场景
目前用户较为熟悉的 DRS 机制是 VMware 6.x 引入的实现方式（7.0 后有新机制）。该功能的初衷即通过动态改变虚拟机的放置，实现主机资源负载平衡。同时，它还可与其他虚拟化特性进行结合，衍生出丰富的应用场景：
通过资源平衡提升虚拟机 SLA。
业务低谷时，通过集中放置，减少主机使用，降低能源消耗。
创建业务负载时，自动进行资源评估并完成初始化放置。
自动完成负载均衡，最大化发挥主机性能。
当主机进行维护时，自动化完成迁移，降低运维复杂度。
修正亲和性约束。
市场中其他主流的虚拟化平台的 DRS 机制大都与 VMware 6.x 类似，以主机资源负载平衡为调度目标。该功能的运作机制大致可分为两个部分：
评价体系：周期性收集当前集群中的主机/虚拟机的资源使用情况，根据 DRS 的评价体系判断集群是否处于资源争抢或者分布不平衡的状态。
虚拟机迁移：DRS 算法基于集群当前状态进一步生成迁移建议，并根据设定的策略自动或手动触发一系列虚拟机迁移操作，最终实现集群均衡的目标。
由于 DRS 的评价体系负责定义集群是否属于均衡状态并执行迁移操作，它的实现是整个功能的重中之重。在 VMware 6.x 中，DRS 的评价体系主要关注集群状态，检查主机是否需要重新平衡。因为集群中经常会出现某台主机的资源消耗过多，而另一台主机消耗的资源较少的情况，DRS 每隔一段时间会对集群执行一次检查，如果 DRS 评价体系认为集群当前的状态可以改善，那么它将执行虚拟机热迁移（将负载高的主机上的部分虚拟机迁移到负载低的主机上）来实现集群重新平衡。
这种 DRS 评价体系的核心是平衡主机之间的 CPU、内存利用率，目前常见的虚拟化软件大都是采用类似的评价体系 。该评价体系对于传统“稳态”业务是有效的。在“稳态”业务场景下，通常单个虚拟机里面只会部署单个应用，它对 CPU、内存的占用是相对稳定的，甚至对应的虚拟机数量也是相对固定的；由于每个虚拟机的资源消耗相对固定，通过调整虚拟机的位置去重新平衡主机的负载是比较有效的。
但随着基于容器的”敏态“业务越来越流行，工作负载的形态已经发生了变化：虚拟机上可能运行着多个业务容器，容器的数量也是随时变化的，对资源的占用自然也有较大的波动，而且这是该类型应用的一个常态。如果还是基于上述这种传统的 DRS 评价体系，那么就有可能出现这样的情况：某个时刻虚拟机启动更多数量的容器后，触发 DRS 平衡被迁移到其他主机，然而过了一段时间又由于资源占用下降再次触发迁移——虚拟机可能会不断地执行一些无用的迁移，并对应用运行带来较大的干扰。面对应用负载的变化，传统的 DRS 评价体系未必适用，用户或许需要一种更适应容器环境的新型评价体系。
SMTX OS 5.1 DRS 功能：新型评价体系更灵活高效
SmartX 最近发布了新版本超融合软件 SMTX OS 5.1，新增了对 DRS 功能的支持。SmartX 研发团队在 DRS 功能设计之初就意识到，基于主机资源利用率的 DRS 评价体系无法完全满足新型应用负载的需求。为此，研发团队设计了一种新型评价体系，综合评估虚拟机的响应能力与主机资源利用率这两个因素。
DRS 评价体系
SMTX OS 5.1 DRS 的运作逻辑是：
周期性为虚拟机和主机分别进行评分。
根据虚拟机状态进行评分，虚拟机因为资源争抢导致响应能力受损的程度越高，虚拟机的评分就越低，反之评分越高。
根据主机的资源利用率进行评分，主机空闲度越高，评分越高；主机越繁忙则评分越低。
评分最低的虚拟机会优先迁移到评分最高的主机（同时考虑迁移收益），依次类推直到主机之间达到平衡状态。
虚拟机评分
虚拟机的评分会针对虚拟机的 CPU、内存和存储 3 种资源的使用情况进行评分，其中 CPU 和内存的评分占比 80%，而存储评分占 20%。当前 DRS 版本暂不支持虚拟机网络相关评分。
虚拟机 CPU 评分：系统通过监控虚拟机 CPU 的 Steal Time，以相应的公式计算出虚拟机 CPU 分数。虚拟机 CPU 资源争抢越严重，虚拟机 CPU 分数就越低。
虚拟机内存评分：当内存没有超分的时候，虚拟机内存评分应为 100%，因为内存资源没有争抢的现象发生。在内存超分的场景下，系统会监控虚拟机使用共享内存的程度，使用比例越高，证明资源争抢越严重，得分越低。
虚拟机存储评分：SMTX OS 拥有 I/O 本地化功能，虚拟机读取数据时会优先访问本地宿主机的副本以缩短 I/O 延时，提升性能。系统会根据虚拟机所在节点拥有虚拟机的副本数据块比例进行评分，如虚拟机运行的宿主机拥有它的一个完整副本的所有数据块，那么它的存储评分就是 100%；如果只拥有部分副本，意味着虚拟机访问数据的时候需要跨网络读取，那么虚拟机的存储评分就会降低。
主机评分
主机评分与虚拟机评分类似，同样会考察 CPU、内存和存储三者的情况，进行综合评价。
主机 CPU 评分：系统会收集主机的 CPU 空闲时间，空闲时间越多，得分也就越高。反之，主机 CPU 越繁忙得分越低。
主机内存评分：系统收集主机可用内存占比，并根据主机是否存在内存超分进行评分，在没有超分的情况下，可用内存越多，评分越高。
主机存储评分：由于 SMTX OS 内置的存储引擎可支持存储容量的自动均衡，因此主机存储评分并不是以主机本地存储容量使用率进行评价的。主机存储评分主要关注主机拥有虚拟机副本的数据块比例，拥有比例越高，得分越高。
收益评价
对于虚拟机的动态调整，单纯参考虚拟机和主机的评分仍然是不够的，因为不是所有情况都需要虚拟机迁移到分数更高的主机上，还需要考虑到迁移的成本——只有当迁移带来的收益大于成本，DRS 才建议或执行迁移动作。例如，某个虚拟机的内存比较大，迁移时需要传输比较多的数据，虽然迁移后会使得负载更为平衡（但差距不大），这个时候收益可能小于成本，那么 DRS 便不会建议虚拟机进行迁移。
DRS 建议与迁移
DRS 建议敏感度
SMTX OS 的 DRS 功能为用户提供了 3 种敏感度设置，便于用户根据业务情况选择合适的虚拟机迁移建议生成条件。
DRS 自动化级别
同时，SMTX OS 的 DRS 功能支持手动迁移和自动迁移两种虚拟机迁移方式。
手动迁移：DRS 只会给出迁移建议，但不会自动执行迁移。该模式采取保守的调度策略，可以让用户充分评估 DRS 考察范围之外的因素（如：某个业务十分重要，不希望在非预期的时间执行迁移），再决定是否执行迁移。与此同时，用户需要定期关注迁移建议，并决定执行建议或放弃建议。
自动迁移：DRS 会根据生成的迁移建议自动执行虚拟机迁移操作，直到符合预设 DRS 阈值。该模式采取自动化调度策略，用户不需要人工接入迁移，后台会自动完成平衡，对于大规模虚拟机集群，可以大幅降低运维的压力。
SMTX OS DRS 优势与价值
得益于新型的评价体系和运维友好的操作设置，SMTX OS DRS 功能可以充分满足云环境下的资源调度需求，帮助用户在优化集群性能的同时提升运维管理效率。相比主流传统 DRS 功能，SMTX OS DRS 能为用户带来以下具体收益：
更丰富的应用场景：采用以虚拟机响应能力为核心的 DRS 评价体系，使得 DRS 适用范围更广。
更智能的调度机制：评价体系更加全面，充分结合超融合架构特点，将存储性能因素纳入评价体系，同时引入收益评价，减少不必要的迁移动作，进一步优化决策、降低开销。
更简单的运维管理：敏感度与自动化设置在降低运维难度的同时，给予了运维人员更大的使用灵活性。
除了对 DRS 机制的优化，SMTX OS 5.1 版本中还新增了 GPU 直通与 vGPU、USB 跨节点访问、大页内存分配等创新性虚拟化与存储能力。搭配新发布的容器管理与服务软件 SMTX Kubernetes 服务 1.0 和跨虚拟化与容器平台的软件定义负载均衡、可观测平台等产品组件，SmartX HCI 5.1 全面提升虚拟化、分布式存储、分布式防火墙、系统运维、灾备、迁移等基础设施能力，助力客户以一套架构平稳实现基础架构云化、国产化替代和容器化转型目标。欲深入了解 SmartX HCI 5.1 新增功能与产品组件，请阅读：
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