造成X86服务器I/O处理能力不足原因

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更新时间：2007-04-10 15:33
关 键 词：x86服务器  处理器  Xeon
阅读提示：随着Web服务、万维网等广泛应用，越来越多的企业开始将业务活动转移到互联网，同时随着讯息传送、集群、音频、视频资源的大量使用，以及实时数据收集，特别是包括射频识别（RFID）标记跟踪等技术的采用，其结果导致近年来网络流量大幅增长。本文介绍日益突出的I/O瓶颈的原因。

随着Web服务、万维网等广泛应用，越来越多的企业开始将业务活动转移到互联网，同时随着讯息传送、集群、音频、视频资源的大量使用，以及实时数据收集，特别是包括射频识别（RFID）标记跟踪等技术的采用，其结果导致近年来网络流量大幅增长。与高性能数据库、数据仓库等应用所导致的数据流量不同，这些新增加的流量均使用非常小的负载规模，有效负载通常小于1 KB。处理这些有效负载，往往需要耗费惊人的处理器平台资源，处理它虽不需要大量计算，但却需要处理器进行内存存取和数据移动操作，这往往会造成延迟，从而耗费处理器时间。

新增流量负载规模逐渐减小

有关网络传输速度与处理器的性能一直以来有这样一个规律，即1 Gbps网络带宽需要1 GHz的处理器容量。按照这个规律来计算，即使是采用3.6 GHz时钟频率处理器的服务器，也将受到网络的制约，即便是采用多路处理器的服务器，由于往往会采用多千兆位（Gb）以太网卡进行网络数据处理，因此也会大幅降低系统性能。这个问题始终存在。

导致I/O瓶颈原因

为了了解I/O处理对于处理器性能的影响，我们就需要对服务器是如何处理网络数据的过程有一个清楚的认识。

首先当服务器的网卡接收到数据包时，它会启动一系列与系统处理器的交互操作，对数据包进行处理并提供给上层的应用。在这个过程中，处理器需要从内存中提取很多信息：数据包包头（目前很多文章也称标头信息）、协议状态信息和数据有效负载。这些提取操作会因内存延迟而造成延期。

造成内存延迟的根本问题在于处理器（如英特尔的至强处理器）的主频接近4 GHz，而内存芯片速率仅为400 MHz（如DDR 3200内存），也就是说其时钟频率相差近10倍，这样当处理器需要访问内存中的数据时，其每个周期必须等待内存的10个时钟周期才能完成内存数据的提取和发送，在此期间应用不能处理其它任何任务。如果处理器采用超线程（HT）技术，则它可以向同时执行的其它线程分配资源。然而，该处理器必须等待数据提取完成后才能处理网络数据包。在通常的情况下，进行数据包的处理往往会占用数百个处理器时钟周期，从而导致无谓的处理器性能消耗。

图:数据包处理的软硬件分层堆栈

如果说以往网络流量和速度较低的情况下，来自网络的请求响应还不会让服务器性能捉襟见肘的话，如今，数据包流量和速度大幅提升，特别是TCP/IP等小型负载流量的激增，直接导致了处理器有效处理运算周期减低，延迟等待问题严重，从而造成服务器应用吞吐量出现瓶颈。与此同时，由于处理网络数据流量占用了处理器的大量性能，导致服务器的处理能力不足，在满负荷的情况下，容易造成服务器的宕机，给系统的稳定性、可靠性带来安全的隐患。

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