详解数仓的网络调度与隔离管控能力
摘要：GaussDB目前采用的FIFO调度机制，该调度机制无法满足用户的网络隔离需求和QoS需求，同时FIFO调度可能带来比较严重的抖动。
本文分享自华为云社区《【玩转PB级数仓GaussDB(DWS)】GaussDB(DWS)网络调度与隔离管控能力》，作者：门前一棵葡萄树 。
一、常见的调度算法
QoS（Quality of Service）即服务质量，是一种调度控制机制，是网络设计和运维的重要技术。在带宽资源有限情况下，针对不同用户/业务采用不同的调度策略，为任务提供端到端的服务质量保证。QoS本身并不会拓展带宽，提升网络吞吐量，相反设计不合理的调度反而有可能降低整体吞吐量。QoS的一个关键点是允许不平等的网络调度，降低时延要求低、性能和抖动不敏感的业务调度优先级，优先调度时延要求高、带宽要求一般不高的业务。
调度器是实现QoS的关键，调度器根据优先级和带宽配比进行业务调度。调度器的输入是要提供服务的数据包队列，输出是完成调度输出的一个个数据包。调度算法是调度器的核心，设计调度算法要充分考虑业务场景和用户需求，没有万能的调度算法，只有合适的调度算法。常见的调度算法有很多，这里我们只简单介绍GaussDB网络调度涉及的调度算法：
1.FIFO调度
FIFO(First In Forst Out)调度使用的是FCFS策略，是一种不考虑QoS的调度算法。FIFO调度不进行报文分类，所有业务共用一个队列，按照请求进入队列顺序进行调度。如下图所示，三种不同业务的请求全部加入到一个队列中，按照FIFO的规则进行调度。
FIFO调度实现简单、开销小，但是FIFO不区分请求类型、不考虑QoS，对时延、抖动敏感的业务不友好，无法保证关键业务服务质量。
2.SP调度
SP(Strict Priority)严格优先级调度严格按照队列优先级进行调度，只有在高优先级队列中请求全部调度完成的情况下，才会考虑调度低优先级队列中的请求。如下图所示，三种不同业务分别对应三种不同优先级的队列：高优队列、中优队列和低优队列。不同业务的请求分别加入到相应优先级队列中，调度时优先调度高优队列请求，高优队列中请求调度完成后，依次调度中优和低优队列请求。
SP调度算法的实现比较简单，优点是可以保证关键业务可以优先调度到，可以最大限度的降低网络延迟和抖动；缺点是网络拥塞，高优先级队列中一直有请求时，会导致低优先级队列中请求一直调度不到，出现“饿死”的情况。
3.RR调度
RR(Round Robin)轮询调度通常采用分时机制，为每个队列分配一个时间片或调度时刻。RR调度按照固定顺序循环调度每一个队列中的请求，每次调度相同数量（一般是1个）的请求，且在调度过程中不考虑任何优先级。算法较为简单且容易实现，同时不会产生“饿死”问题。如下图所示，RR调度轮询调度队列1/2/3中的请求，每次调度一个队列中的一个请求，直到请求调度完成。
RR调度假设所有队列的优先级和带宽需求都是相同的，调度时不考虑包长、队列时延和带宽需求。队列包长差异比较大时，可能导致不同队列实际占用带宽差异巨大，同时因为不考虑时延和带宽需求，导致无法做到对网络流量的精准隔离和调度。
4.WRR调度
轮询调度保证了各队列在请求调度时的公平性，但是无法满足个性化的调度需求。WRR(Weighted Round Robin)加权轮询调度在轮询的基础上为队列增加权重，每个队列设置一个计数器，根据权重初始化计数器初始值，每调度一个报文，计数器减1。权重越大，每次轮询调度次数越多，能调度的包数量也就越多。如下图所示，三个队列权重分别是3:2:1，每一轮调度的包数量比例就是3:2:1。
当所有队列权重值都是1时，WRR调度退化为RR调度。WRR的优点是可以按比例调度各个队列的请求，适应性更强，但是由于调度时没有考虑包长，还是按照请求个数进行调度，在请求长度变化时无法保证各队列按照设置比例占用带宽，而用户一般关心和感知到的是带宽。此外队列请求长度不一致时，WRR调度对请求长度较小的队列带来不公平性。
5.DWRR调度
为了解决队列请求长度不一致带来的不公平性，DWRR(Deficit Weighted Round Robin)差分加权轮询调度在WRR基础上，基于请求长度而非请求个数设置权值，按照权重和请求长度进行调度。DWRR为每个队列设置一个计数器，计数器初始化为weight * MTU，每次调度计数器减去请求长度。具体算法逻辑如下：
- 初始化队列计数器DC = weight * MTU；
- 调度器轮询非空队列，如果队列DC <= 0，则跳过轮询下一个队列；
- 调度队列请求，计数器DC = DC - request_len；
- 所有队列DC < 0或无请求调度时，DC = DC + weight * MTU。
DWRR调度克服了请求长度变化带来的不公平性，提供了更为精准的带宽分配。但是队列数量较大或者MTU设置较大时，调度器完成一轮调度的时间可能比较长，这样可能会引发较大的传输时延抖动，此外DWRR调度无法满足高优队列优先调度的需求。
6. SP+DWRR调度
SP调度可能出现“饿死”问题，同时不能实现带宽按比例调度；而DWRR调度可以实现带宽的按比例调度，同时解决了“饿死”问题，但是无法满足高优业务优先调度的需求。因此结合SP调度和DWRR调度的优点，实现SP+DWRR的调度。调度时优先保证SP调度，在高优队列无请求调度时，才尝试调度低优队列请求。如下图所示，SP调度高优队列、低优队列和普通队列，队列优先级为：高优队列 > 普通队列 > 低优队列。
队列1/2/3按照配置权重值进行DWRR调度，高优队列、低优队列和普通队列间按照SP算法进行调度。高优队列无请求调度时，尝试调用普通队列组内的请求，在普通队列组内所有队列均无请求时，才调度低优队列请求。
二、 GaussDB网络调度
1. 网络调度实现
GaussDB目前采用的FIFO调度机制，该调度机制无法满足用户的网络隔离需求和QoS需求，同时FIFO调度可能带来比较严重的抖动。抖动来自两方面：一方面是不同业务争取同一队列引发的入列时延损耗，另一方面是队列内请求数量变化带来的调度时延变化。因此为了满足用户个性化的网络隔离需求和QoS需求，设计实现GaussDB网络调度。
GaussDB的网络调度有三层需求：
- 不同资源池间的网络隔离和带宽配比需求；
- 高优业务的优先调度需求；
- 网络欠佳SQL的降级需求。
考虑到以上需求，我们采用SP+DWRR调度算法设计实现GaussDB的网络调度，同时考虑到队列数量变化及MTU设置带来的时延影响，对DWRR调度进行改进，每次获取最优队列进行调度（性能损耗较大，但是可以优化改进）。
设计实现三种优先级队列：高优队列、普通队列和低优队列。三种队列优先级顺序为：高优队列 > 普通队列 > 低优队列。三类队列调度的业务类型如下：
- 高优队列用于调度超户和不需管控查询的网络请求；
- 普通队列用于调度正常需要管控的查询的网络请求，普通队列间按照DWRR算法进行请求调度；
- 低优队列用于调度降级查询的网络请求。
GaussDB基于DWRR实现的网络隔离属于配额共享的资源隔离，区别于限流的网络隔离，该隔离方案在保障资源池间网络隔离和带宽占比的前提下，可以最大化地利用网络带宽，有效降低网络隔离对网络吞吐量的影响。GaussDB配额共享的网络隔离有两层含义：
- 共享：所有资源池间网络资源共享，网络空闲时，按需调度；
- 配额：网络调度繁忙情况下，按照配置权重比例进行调度。
基于SP调度机制实现的网络降级有以下优点：
- 超户业务或正常业务有网络请求时，优先调度超户和正常业务的网络请求，保障超户和正常业务的QoS；
- 网络空闲，超户和正常业务调度无请求调度时，降级查询可以按需占用空闲时间进行网络调度。
SP调度可能出现“饿死”情况，因此一般情况下，用户在设计网络隔离方案时，不建议有资源池不设置网络管控参数（带宽权重）。此外网络欠佳SQL降级后如果出现“饿死”情况，一般说明网络带宽资源紧张，需要进行错峰调度或配置并发管控。
2. 网络隔离应用
考虑一个比较简单的客户场景：用户自定义两个资源池rp1和rp2，两个资源池带宽权重分别配置为4和2，同时配置默认资源池带宽权重值为1。
ALTER RESOURCE POOL rp1 WITH(WEIGHT=4);
ALTER RESOURCE POOL rp2 WITH(WEIGHT=2);
ALTER RESOURCE POOL default_pool WITH(WEIGHT=1);
配置完成后，在三个队列都有请求的情况下，rp1、rp2和default_pool会按照4:2:1的比例进行网络请求调度。网络拥塞，三个队列都有调度不完的请求情况下，rp1占用4/7的带宽，rp2占用2/7的带宽，default_pool占用1/7的带宽。在有队列无请求情况下，其他有请求的队列按照权重配比抢占网络带宽。
设置查询运行超过20min，且网络带宽占用超过512MB时降级：
CREATE EXCEPT RULE bandwidth_rule1 WITH(bandwidth=512, ELAPSEDTIME=1200, action='penalty');
设置查询运行超过30min，且网络带宽占用超过1GB时降级：
CREATE EXCEPT RULE bandwidth_rule2 WITH(bandwidth=1024, ELAPSEDTIME=1800, action='abort');
资源池关联异常规则：
ALTER RESOURCE POOL rp1 WITH(EXCEPT_RULE='bandwidth_rule1, bandwidth_rule2');
关联资源池rp1的用户执行的查询，如果运行时间超过20min，且占用带宽超过512MB时查询即被降级，降级后该查询网络请求由低优队列调度，为了防止报文错乱，降级不可恢复；如果运行时间超过30min，且占用带宽超过1GB时查询即被查杀。
资源池监控视图集成了网络收发速率监控，可以通过查询资源池监控对各资源池网络收发流量进行监控：
查询当前CN/DN上网络收发速率：SELECT rpname,send_speed,recv_speed FROM gs_respool_resource_info;
查询所有CN/DN上网络收发速率：SELECT nodename,rpname,send_speed,recv_speed FROM pgxc_respool_resource_info order by 1,2;
通过资源池网络监控视图可以直观地观察到资源池网络隔离效果，同时对资源池带宽权重配置优化配置进行指导。
