简单介绍GaussDB网络调度涉及的调度算法

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 31，每一轮调度的包数量比例就是 31。



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 41 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。

审核编辑：刘清