网易数帆开源iSCSI服务器tgt独门优化，彻底解决性能问题
iSCSI是现代企业级存储系统中的一项重要技术， 开源iSCSI 服务器tgt存在单线程性能问题，而相关的优化补丁效果参差不齐，尚未真正解决问题，本文介绍网易数帆存储团队如何通过一系列独特的创新实现tgt性能的大幅提升，并将其用于开源云原生软件定义存储Curve，让Curve块设备系统在不同操作系统环境下保持高性能。
背景
1. CurveBS
Curve（github.com/opencurve/curve ）是网易数帆开源的云原生分布式存储系统，包括块设备系统CurveBS和文件系统CurveFS。其中CurveBS承担了大量的任务，例如作为KVM虚拟机和K8s PV等的云盘，是云平台的基础设施。CurveBS也可以被用户使用在其他业务场景，例如企业里的SAN存储系统可以用CurveBS来替代——因为CurveBS使用Raft副本一致性和CopySet概念可以自动修复损坏的副本，无论在可靠性还是稳定性方面，这些特色足以替代传统的SAN，在可扩容、性价比方面甚至超过了传统的SAN。
2. iSCSI
说到SAN等传统存储设备，我们不得不提到SCSI，SCSI作为外部块设备的连接和传输协议，是最广泛的块设备协议，于1979首次提出，是为小型机研制的一种接口技术，现在已完全普及到了小型机、服务器以及普通PC上。为了能够在TCP/IP上进行数据块传输，Cisco和IBM两家发起iSCSI协议，并且得到了各大存储厂商的大力支持。iSCSI可以实现在IP网络上传输SCSI协议，使其能够在诸如高速以太网上进行快速的数据存取备份操作。iSCSI标准在2003年2月11日由IETF（互联网工程任务组）认证通过。iSCSI继承了两大最传统技术：SCSI和TCP/IP协议。这为iSCSI的发展奠定了坚实的基础。基于iSCSI的存储系统只需要不多的投资便可实现SAN存储功能，甚至直接利用现有的TCP/IP网络。特别是对于非Linux系统例如Windows系统，如果想使用CurveBS作为Windows的硬盘，让CurveBS支持iSCSI协议即可。
3. tgt是什么
为了支持iSCSI，必须要有iSCSI服务器软件，tgt（Linux target framework）就是一个开源的iSCSI服务器，详情请见： https://github.com/opencurve/curve-tgt/blob/master/README 。
相对业界目前其他的开源的iSCSI服务器软件，我们发现tgt是最合适的方案，因为它是纯用户态的，不依赖于操作系统内核，不需要针对不同内核版本编写不同的代码，可以让开发工作变得简单很多。
我们在开发Curve块设备服务器时，想让更多的系统能够使用CurveBS块设备，而不仅仅是Linux系统，于是我们修改tgt以便让CurveBS提供iSCSI服务，为此我们为tgt增加了原生的CurveBS驱动，直接通过curvebs part 1接口读写CurveBS，绕过了内核块设备层，节省了系统资源和对内核块设备层的调用。
4. 使用tgt中碰到的问题
我们观察到原版tgt使用单一主线程epoll event loop来处理iSCSI命令，还包括管理平面的unix domian socket也在这个主线程里。在10 Gbit/s网络上甚至更快的网络上，单线程（即单CPU）处理iSCSI命令的速度已经跟不上需要了，一个线程对付多个target的情况下，多个ISCSI Initiator的请求速度稍微高一点，这个单线程的iSCSI使用率就100%忙碌了。于是优化tgt的事情提上日程，国内也早有业界同行说过tgt的单线程实现有性能问题，还有sheepdog的开发者也提过如何优化的方法。经过认真研究，抱着一定要成功的决心，我们仔细分析了tgt的架构，找到了优化它的方法。这个方法是Curve团队独创的，完全不参考任何外部补丁，因为我们觉得那些补丁都不能真正解决问题。
网易数帆优化策略
1. 使用多个线程做epoll
现代CPU的性能依然遵守摩尔定律，但是摩尔定律的实现路径发生了变化，单CPU时钟频率不再提高，而是代之以更多的物理CPU核。为此，我们必须要实现多个epoll event loop线程，每个线程负责一定数量的socket connection上的iscsi命令处理，这样才能发挥多CPU的处理能力。
2 . 为每个target创建一个epoll线程
具体到实现过程中，为了避免多个target共享一个epoll线程时依然可能出现超过单个CPU处理能力的问题，我们为每一个target设置了一个epoll线程。target epoll 线程的CPU使用由OS调度器负责调度，这样在各target上可以实现公平的cpu使用，如果CPU足够多，每个target都可以有一个CPU来服务，这会大大提高性能。当然如果网络速度再快些，SSD的IO性能再好些，依然会出现单个epoll线程处理不过来一个iscsi target上的请求，但是目前这个方案依然是我们能做的最好方案，因为我们不用引入其他额外的多线程和锁机制。
3. 管理平面
管理平面保持了与原始tgt的兼容性。从命令行使用方面来说，没有任何区别，没有任何修改，所以减少了人力支持方面的工作量，原始的手册、文档就是完整的资料。管理平面在程序的主线程上提供服务，主线程也是一个epoll loop线程，这与原始的tgt没有区别，它负责target, lun, login/logout,discover，session, connection等的管理。当Intiator连接到ISCSI服务器时，总是先被管理平面线程所服务，如果该connection最后需要创建session去访问某个target，那么该connection会被迁移到对应的target的epoll线程上去。
4. 数据结构的锁
为每一个target提供一个mutex，target里的数据结构都用这把锁保护，当target epoll线程在运行时，这把锁是被该线程锁住的，这样该线程可以任意结束一个session或connection，当线程进入epoll_wait时，这把锁是释放了的，epoll_wait返回时又会锁住这把锁。我们修改了相关代码，让这个target epoll线程不用遍历target list，只存取它服务的target相关结构，这样我们不需要target列表锁。管理面也会修改target里面的数据结构，移动一个登录connection，删除一个session或者connection，这都需要锁住这个target锁。所以管理面和target epoll线程使用这个mutex来互斥，这样就可以安全地访问对应target了。因为管理面是单线程的，而众多target epoll线程不遍历target list，所以我们整个系统里都不需要target list锁，我们唯一增加的就是target锁。
5. connection建立session
当login_finish成功时，login_finish有时候会创建session(如果没有session存在)。login_finish在connection结构的字段migrate_to里设置要迁移到的目标iscsi target。
6. connection加入到session
通常一个新的连接产生一个新的session，就如上面讲的login_finish一样。但是有一种情况，iSCSI允许一个session里有多个连接，这样connection直接加入到这个session里，这是由login_security_done做的。
7. 什么时候做connection迁移
当调用返回到iscsi_tcp_event_handler时，因为login_finish设置了migrate_to目标target, iscsi_tcp_event_handler就锁住目标iscsi target结构，并把该connection的fd插入到目标target的event loop 里面，完成迁移。
8. 设置pthread name
设置各target event loop的线程在top中的名为tgt/n, n为target id，这样容易用top之类的工具观察哪一个target占用的CPU。
9. 一个实现例子
假如管理面要删除一个target，下面的代码说明了流程：
/* called by mgmt */
tgtadm_err tgt_target_destroy(int lld_no, int tid, int force)
{
struct target *target;
struct acl_entry *acl, *tmp;
struct iqn_acl_entry *iqn_acl, *tmp1;
struct scsi_lu *lu;
tgtadm_err adm_err;
eprintf("target destroy\n");
/*
* 这里因为控制面是单线程的，而且ＳＣＳＩ ＩＯ线程不会删除target，
* 所以我们找target的时候并不需要锁
*/
target = target_lookup(tid);
if (!target)
return TGTADM_NO_TARGET;
/*
* 这里要锁住target，因为我们要删除数据结构，所以不能和iscsi io
* 线程一起共享，必须在target event loop线程释放了锁时进行
*/
target_lock(target);
if (!force && !list_empty(&target->it_nexus_list)) {
eprintf("target %d still has it nexus\n", tid);
target_unlock(target);
return TGTADM_TARGET_ACTIVE;
}
…
/* 以上步骤删除了所有资源 ，可以释放锁了 */
target_unlock(target);
if (target->evloop != main_evloop) {
/* 通知target上的evloop停止，并等待evloop 线程退出 */
tgt_event_stop(target->evloop);
if (target->ev_td != 0)
pthread_join(target->ev_td, NULL);
/* 下面把evloop的资源删除干净 */
work_timer_stop(target->evloop);
lld_fini_evloop(target->evloop);
tgt_destroy_evloop(target->evloop);
}
优化效果
1. 性能对比
我们为tgt配置了3块盘，包括1块CurveBS卷，2块本地盘
<target iqn.2019-04.com.example:curve.img01>
backing-store cbd:pool//iscsi_test_
bs-type curve
</target>
<target iqn.2019-04.com.example:local.img01>
backing-store /dev/sde
</target>
<target iqn.2019-04.com.example:local.img02>
backing-store /dev/sdc
</target>
使用本机登录iscsi iscsiadm --mode node --portal 127.0.0.1:3260 --login
为fio设置存取这些iscsi的块设备，使用
[global]
rw=randread
direct=1
iodepth=128
ioengine=aio
bsrange=16k-16k
runtime=60
group_reporting
[disk01]
filename=/dev/sdx
[disk02]
filename=/dev/sdy
size=10G
[disk03]
filename=/dev/sdz
size=10G
测试成绩如下：
首先是未经优化的fio测试成绩，IOPS为38.8K。 
其次是经过多线程优化的fio测试成绩，IOPS达到60.9K。 
可见tgt性能得到大幅度提高，随着target的增加，我们再也不用担心系统的里CPU被浪费了。
2. Windows测试
本系统对Windows经过初步测试，运行良好。具体怎么在Windows上配置iSCSI客户端，可以参照：https://jingyan.baidu.com/article/e4511cf37feade2b845eaff8.html
需要注意的是，在Windows上设置CHAP认证时，密码必须设置为12到16个字符，并且和tgt上保持一致。如果密码设置不在这个长度范围内，就会出现了奇怪的Windows iSCSI错误。
tgt与Curve
我们为tgt提供了访问CurveBS的驱动，详见doc/README.curve， 这样用户就可以在任何支持iSCSI的操作系统上（例如Windows、Mac）使用CurveBS块设备存储。
为tgt增加了扩容感知功能，因为CurveBS的块设备是可以扩容的，而原来tgt只能在创建lun时确定块设备的大小，此后不能改变，我们增加了代码，让tgtadm命令可以通知tgt扩容信息。iSCSI客端可以重新读取lun的大小以完成扩容。 具体怎么重新读取lun的大小，可以参见doc/README.curve。
小结
本文介绍了网易数帆Curve团队在使用tgt中遇到的问题，对tgt的独门优化手段和取得的效果，以及tgt在CurveBS中的应用。当前iser target服务依然归属于主线程服务，鉴于RDMA的普及程度，这部分代码还没有修改。预计随着RDMA环境的普及，我们将会做出进一步的优化。
了解更多
- Curve项目主页：http://www.opencurve.io/
- tgt使用文档：https://github.com/opencurve/curveadm/wiki/others#部署-tgt
- 网易数帆专家将于Curve社区线上双周会解读tgt优化及其他Curve相关技术，欢迎微信扫描以下二维码加入Curve用户群，查看Curve双周会时间/议题安排及更多动态。
本文作者：网易数帆Curve团队
