ZNSFQ：一种高效且高性能的公平队列调度方案，适用于ZNS固态硬盘

《ACM Transactions on Architecture and Code Optimization》：ZNSFQ: An Efficient and High-Performance Fair Queue Scheduling Scheme for ZNS SSDs

本文提出了一种高效的公平队列调度方案ZNSFQ，通过工作负载感知的调度器、动态调整请求分发并行性和全局自适应协调器，在保证公平的同时优化性能，减少CPU消耗和尾延迟。实验表明，ZNSFQ在随机和顺序访问场景下显著提升公平性和带宽，且降低尾延迟87.27%和CPU消耗70.22%。

　　在当今多租户计算环境中，Zoned Namespace (ZNS) SSD 的出现为提升存储性能和确保公平性提供了新的可能。ZNS 接口将逻辑地址空间划分为固定大小的区域，这些区域只能按顺序写入或完全重置。通过将空间管理的责任从设备转移到主机，ZNS SSD 使得主机能够更高效地映射区域到设备资源，从而改善性能和 I/O 隔离。然而，当不同工作负载的应用程序共享同一个 ZNS SSD 时，传统的公平队列调度器难以实现公平性，因为它们对工作负载特征的感知有限。此外，允许多个并发请求访问设备虽然提高了资源利用率，但常常导致请求之间的显著 I/O 干扰。这种干扰会导致过度节流，从而影响现有公平队列调度器的性能表现。

为了解决上述问题，本文提出了一种高效的、高性能的公平队列调度方案 ZNSFQ，用于主机端的 ZNS SSD。首先，ZNSFQ 引入了基于工作负载的公平调度器，该调度器通过准确估计每个应用程序的 I/O 成本来提升公平性。其次，为了在确保公平性的前提下优化性能，ZNSFQ 设计了一个请求分发并行度调节器，该调节器管理每个应用程序的通道级请求分发并行度，以最小化 I/O 干扰。最后，ZNSFQ 采用了一个全局自适应协调器，以缓解设备级的 I/O 阻塞，降低尾延迟和 CPU 消耗，同时满足公平性和高性能需求。全面的评估表明，ZNSFQ 相比最新的公平队列调度器显著提升了公平性和性能。在顺序访问场景中，ZNSFQ 提升了公平性超过 38.13%，并增加了 I/O 带宽超过 49.24%。在随机访问场景中，ZNSFQ 减少了 CPU 利用率 70.22%，同时保持了公平性和高性能。

在本研究中，我们首先探讨了 ZNS SSD 的架构及其公平性特性。ZNS SSD 的结构使得每个区域可以被单独管理，从而减少写放大和垃圾回收 (GC) 的开销。然而，这种结构也带来了新的挑战，特别是在多个应用程序共享同一 ZNS SSD 时，如何有效管理 I/O 干扰和确保公平性。现有的公平调度方案，如 Fair-ZNS，虽然通过仔细管理请求的分发顺序来提升公平性，但它们在处理不同访问强度的 I/O 流时，难以有效节流，从而导致不公平和性能下降。

为了进一步提升公平性，我们引入了 ZNSFQ，这是一种基于工作负载的公平队列调度策略。ZNSFQ 通过动态调整全局虚拟时间来最小化不同 I/O 流之间的虚拟时间差异，从而确保公平性。此外，ZNSFQ 采用了一个请求分发并行度调节器 (RDPA)，该调节器通过动态调整每个流的通道级请求分发并行度，减少 I/O 流之间的干扰，提高性能。为了进一步缓解 I/O 阻塞，我们提出了一个全局自适应协调器 (GAC)，该协调器通过精细调整通道级请求分发并行度来减少阻塞，从而降低尾延迟和 CPU 消耗。

在评估方面，我们对 ZNSFQ 在不同工作负载下的公平性、性能、CPU 利用率和尾延迟进行了全面测试。我们使用了 FIO 工具来生成各种工作负载，并对多个 I/O 流在共享 ZNS SSD 时的性能进行了分析。实验结果表明，ZNSFQ 在公平性和性能方面均优于现有方案。在顺序访问场景中，ZNSFQ 提升了公平性超过 38.13%，并增加了 I/O 带宽超过 49.24%。在随机访问场景中，ZNSFQ 减少了 CPU 利用率 70.22%，同时保持了公平性和高性能。在实际工作负载中，ZNSFQ 维持了这些改进，公平性提高了 55.32%，I/O 带宽提升了 45.30%。此外，ZNSFQ 还显著降低了尾延迟，表明其在多租户环境中能够有效平衡公平性和性能。

在本研究中，我们探讨了 ZNSFQ 的设计细节，包括其基于工作负载的公平调度器、请求分发并行度调节器和全局自适应协调器。ZNSFQ 的设计不仅考虑了工作负载特征，还通过动态调整通道级请求分发并行度，减少了 I/O 流之间的干扰。此外，ZNSFQ 还通过精确计算 I/O 成本，确保了公平性和性能的平衡。这些设计创新使得 ZNSFQ 在多租户环境中能够实现更高的公平性和性能。

在评估 ZNSFQ 的性能时，我们观察到其在不同工作负载下的表现。在顺序访问场景中，ZNSFQ 的性能显著优于传统方案，同时保持了公平性。在随机访问场景中，ZNSFQ 的性能和公平性也优于其他方案。在读写混合场景中，ZNSFQ 能够准确评估不同 I/O 流的 I/O 成本，并通过减少 I/O 干扰，提升整体性能。在实际工作负载中，ZNSFQ 通过精确计算 I/O 成本，确保了公平性和高性能，同时降低了 CPU 消耗和尾延迟。

ZNSFQ 的设计不仅考虑了工作负载特征，还通过动态调整通道级请求分发并行度，减少了 I/O 流之间的干扰。此外，ZNSFQ 还通过精确计算 I/O 成本，确保了公平性和性能的平衡。这些设计创新使得 ZNSFQ 在多租户环境中能够实现更高的公平性和性能。通过引入全局自适应协调器，ZNSFQ 进一步缓解了设备级的 I/O 阻塞，从而降低了尾延迟和 CPU 消耗。

综上所述，ZNSFQ 在多租户环境中显著提升了公平性和性能，同时降低了 CPU 消耗和尾延迟。其设计创新在于准确评估 I/O 成本，动态调整请求分发并行度，以及引入全局自适应协调器。这些机制使得 ZNSFQ 在各种工作负载下都能有效平衡公平性和性能，为 ZNS SSD 在多租户环境中的应用提供了新的解决方案。