重要

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オペレーティングシステムのパフォーマンスを調整する

このドキュメントでは、CentOS 7 の各サブシステムをチューニングする方法を紹介します。

注記：
CentOS 7 オペレーティングシステムのデフォルト構成は、中程度のワークロードで実行されるほとんどのサービスに適しています。特定のサブシステムのパフォーマンスを調整すると、他のサブシステムに悪影響を与える可能性があります。したがって、システムを調整する前に、すべてのユーザーデータと構成情報をバックアップしてください。
すべての変更を本番環境に適用する前に、テスト環境で完全にテストします。

パフォーマンス分析方法

システムチューニングは、システムパフォーマンス分析の結果に基づいて行う必要があります。このセクションでは、パフォーマンス分析の一般的な方法を示します。

60秒で

60,000 ミリ秒での Linux パフォーマンス分析は、著者 Brendan Gregg と Netflix パフォーマンスエンジニアリングチームによって公開されています。使用されているすべてのツールは、Linux の公式リリースから入手できます。次のリスト項目の出力を分析して、最も一般的なパフォーマンスの問題をトラブルシューティングできます。

uptime
dmesg | tail
vmstat 1
mpstat -P ALL 1
pidstat 1
iostat -xz 1
free -m
sar -n DEV 1
sar -n TCP,ETCP 1
top

詳しい使用方法については、対応するman手順を参照してください。

パフォーマンス

perf は Linux カーネルが提供する重要なパフォーマンス解析ツールであり、ハードウェアレベル (CPU/PMU、パフォーマンス監視ユニット) の機能とソフトウェア機能 (ソフトウェアカウンター、トレースポイント) をカバーしています。詳細な使用方法についてはパフォーマンスの例参照してください。

BCC/bpftrace

CentOS 7.6 以降、Linux カーネルは Berkeley Packet Filter (BPF) をサポートしています。したがって、 60秒での結果に基づいて詳細な分析を行うための適切なツールを選択できます。 perf/ftrace と比較すると、BPF はプログラム可能でパフォーマンスオーバーヘッドが少なくなっています。 kprobe と比較すると、BPF はセキュリティが高く、本番環境に適しています。 BCC ツールキットの詳細な使用方法については、 BPF コンパイラコレクション (BCC)参照してください。

パフォーマンスチューニング

このセクションでは、分類されたカーネルサブシステムに基づいたパフォーマンスチューニングについて説明します。

CPU - 周波数スケーリング

cpufreq は、CPU 周波数を動的に調整するモジュールです。5 つのモードをサポートしています。サービスのパフォーマンスを確保するには、パフォーマンスモードを選択し、動的な調整を行わずに、サポートされている最高の動作周波数に CPU 周波数を固定します。この操作のコマンドはcpupower frequency-set --governor performanceです。

CPU—割り込みアフィニティ

irqbalanceサービスを通じて自動バランスを実現できます。
手動バランス:
- 割り込みのバランスをとる必要があるデバイスを特定します。CentOS 7.5 以降では、 be2iscsiドライバーと NVMe 設定を使用するデバイスなど、特定のデバイスとそのドライバーに対して最適な割り込みアフィニティがシステムによって自動的に構成されます。このようなデバイスの割り込みアフィニティを手動で構成することはできなくなりました。
- その他のデバイスについては、チップのマニュアルをチェックして、これらのデバイスが割り込みの分散をサポートしているかどうかを確認してください。
  - そうでない場合、これらのデバイスのすべての割り込みは同じ CPU にルーティングされ、変更できません。
  - 該当する場合は、 smp_affinityマスクを計算し、対応する構成ファイルを設定します。詳細については、カーネルドキュメント参照してください。

NUMA CPU バインディング

非均一メモリアクセス (NUMA) ノードをまたいでメモリへのアクセスをできるだけ避けるために、スレッドの CPU アフィニティを設定することで、スレッド/プロセスを特定の CPU コアにバインドすることができます。通常のプログラムの場合、CPU バインドにはnumactlコマンドを使用できます。詳細な使用方法については、Linux のマニュアルページを参照してください。ネットワークインターフェイスカード (NIC) 割り込みについては、ネットワークを調整する参照してください。

メモリ - 透過的巨大ページ (THP)

データベースは連続的なメモリアクセスパターンではなく、散在的なメモリアクセスパターンを持つことが多いため、データベースアプリケーションに THP を使用することは推奨されません。高レベルのメモリ断片化が深刻な場合は、THP ページが割り当てられるときにレイテンシーが高くなります。THP の直接圧縮を有効にすると、CPU 使用率が急上昇します。したがって、THP を無効にすることをお勧めします。

echo never > /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/enabled
echo never > /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/defrag

メモリ - 仮想メモリパラメータ

dirty_ratioパーセント比率。ダーティページキャッシュの合計量がシステムメモリ全体のこのパーセント比率に達すると、システムはpdflush操作を使用してダーティページキャッシュをディスクに書き込み始めます。デフォルト値のdirty_ratioは 20% であり、通常は調整する必要はありません。NVMe デバイスなどの高性能 SSD の場合、この値を下げるとメモリ再利用の効率が向上します。
dirty_background_ratioパーセント比率。ダーティページキャッシュの合計量がシステムメモリ全体のこのパーセント比率に達すると、システムはバックグラウンドでダーティページキャッシュをディスクに書き込み始めます。デフォルト値のdirty_background_ratioは 10% であり、通常は調整する必要はありません。NVMe デバイスなどの高性能 SSD の場合、値を低く設定すると、メモリ再利用の効率が向上します。

ストレージとファイルシステム

コア I/O スタックリンクは長く、ファイルシステムレイヤー、ブロックデバイスレイヤー、およびドライバーレイヤーが含まれます。

I/Oスケジューラ

I/O スケジューラは、storageデバイス上で I/O 操作が実行されるタイミングと期間を決定します。I/O エレベーターとも呼ばれます。SSD デバイスの場合、I/O スケジューリングポリシーをnoopに設定することをお勧めします。

echo noop > /sys/block/${SSD_DEV_NAME}/queue/scheduler

フォーマットパラメータ - ブロックサイズ

ブロックはファイルシステムの作業単位です。ブロックサイズによって、1 つのブロックに保存できるデータの量が決まり、これにより、1 回に書き込まれたり読み取られたりするデータの最小量が決まります。

デフォルトのブロックサイズは、ほとんどのシナリオに適しています。ただし、ブロックサイズ (または複数のブロックのサイズ) が、通常毎回読み書きされるデータの量と同じか、わずかに大きい場合、ファイルシステムのパフォーマンスが向上し、データstorageの効率が高くなります。小さなファイルでも、ブロック全体が使用されます。ファイルは複数のブロックに分散できますが、これにより実行時のオーバーヘッドが増加します。

mkfsコマンドを使用してデバイスをフォーマットする場合は、ファイルシステムオプションの一部としてブロックサイズを指定します。ブロックサイズを指定するパラメーターは、ファイルシステムによって異なります。詳細については、 man mkfs.ext4使用など、対応するmkfsマニュアルページを参照してください。

`mount`パラメータ

mountコマンドでnoatimeオプションが有効になっている場合、ファイルの読み取り時にメタデータの更新が無効になります。 nodiratime動作が有効になっている場合、ディレクトリの読み取り時にメタデータの更新が無効になります。

ネットワークチューニング

ネットワークサブシステムは、敏感な接続を持つさまざまな部分で構成されています。CentOS 7 のネットワークサブシステムは、ほとんどのワークロードに対して最高のパフォーマンスを提供するように設計されており、これらのワークロードのパフォーマンスを自動的に最適化します。したがって、通常はネットワークパフォーマンスを手動で調整する必要はありません。

ネットワークの問題は通常、ハードウェアまたは関連デバイスの問題によって発生します。したがって、プロトコルスタックを調整する前に、ハードウェアの問題を排除してください。

ネットワークスタックは大部分が自己最適化されていますが、ネットワークパケット処理における次の側面がボトルネックとなり、パフォーマンスに影響を及ぼす可能性があります。

NIC ハードウェアキャッシュ: ハードウェアレベルでパケット損失を正しく観察するには、 ethtool -S ${NIC_DEV_NAME}コマンドを使用してdropsフィールドを観察します。パケット損失が発生すると、ハード/ソフト割り込みの処理速度が NIC の受信速度に追いつかない可能性があります。受信バッファサイズが上限より小さい場合は、パケット損失を回避するために RX バッファを増やすこともできます。クエリコマンドはethtool -g ${NIC_DEV_NAME} 、変更コマンドはethtool -G ${NIC_DEV_NAME}です。
ハードウェア割り込み: NIC が Receive-Side Scaling (RSS、マルチ NIC 受信とも呼ばれる) 機能をサポートしている場合は、 /proc/interrupts NIC 割り込みを確認します。割り込みが不均等な場合は、 CPU - 周波数スケーリング、 CPU—割り込みアフィニティ、およびNUMA CPU バインディングを参照してください。NIC が RSS をサポートしていない場合、または RSS の数が物理 CPU コアの数よりも大幅に少ない場合は、 Receive Packet Steering (RPS、RSS のソフトウェア実装と見なすことができます) と、RPS 拡張 Receive Flow Steering (RFS) を構成します。詳細な構成については、カーネルドキュメント参照してください。
ソフトウェア割り込み: /proc/net/softnet_statの監視を観察します。3 列目以外の他の列の値が増加している場合は、 softirqのnet.core.netdev_budgetまたはnet.core.dev_weightの値を適切に調整して、CPU 時間を増やします。また、CPU 使用率をチェックして、どのタスクが頻繁に CPU を使用しているか、それらを最適化できるかどうかを判断する必要もあります。
アプリケーションソケットの受信キュー: ss -nmpのResv-q列を監視します。キューがいっぱいの場合は、アプリケーションソケットキャッシュのサイズを増やすか、自動キャッシュ調整方法を使用することを検討してください。また、アプリケーションレイヤーのアーキテクチャを最適化し、ソケットの読み取り間隔を短縮できるかどうかも検討してください。
イーサネットフロー制御: NIC とスイッチがフロー制御機能をサポートしている場合は、この機能を使用して、カーネルが NIC キュー内のデータを処理するための時間を確保し、NIC バッファオーバーフローの問題を回避できます。
割り込みの統合: ハードウェア割り込みが頻繁すぎるとシステムパフォーマンスが低下し、ハードウェア割り込みが遅すぎるとパケット損失が発生します。新しい NIC は割り込み統合機能をサポートしており、ドライバーがハードウェア割り込みの数を自動的に調整できます。この機能を確認するにはethtool -c ${NIC_DEV_NAME}実行し、有効にするにはethtool -C ${NIC_DEV_NAME}実行します。アダプティブモードでは、NIC が割り込み統合を自動的に調整できます。このモードでは、ドライバーがトラフィックモードとカーネル受信モードをチェックし、統合設定をリアルタイムで評価してパケット損失を防止します。異なるブランドの NIC には、異なる機能とデフォルト構成があります。詳細については、NIC のマニュアルを参照してください。
アダプタキュー: プロトコルスタックを処理する前に、カーネルはこのキューを使用して NIC が受信したデータをバッファリングします。各 CPU には独自のバックログキューがあります。このキューにキャッシュできるパケットの最大数はnetdev_max_backlogです/proc/net/softnet_statの 2 列目に注目してください。行の 2 列目が増加し続ける場合、CPU [行 1] キューがいっぱいでデータパケットが失われていることを意味します。この問題を解決するには、 net.core.netdev_max_backlog値を 2 倍に増やし続けます。
送信キュー: 送信キューの長さの値によって、送信前にキューに入れることができるパケットの数が決まります。デフォルト値は1000で、10 Gbps には十分です。ただし、 ip -s linkの出力から TX エラーの値を確認した場合は、それを 2 倍のip link set dev ${NIC_DEV_NAME} txqueuelen 2000にしてみてください。
Driver: NIC ドライバーは通常、チューニングパラメーターを提供します。デバイスのハードウェアマニュアルとそのドライバーのドキュメントを参照してください。