2016 AWS Summit Bogotá - EC2 Cómputo en la nube a profundidad

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Alejandro Flores, Arquitecto de Soluciones
Abril 06, 2016
EC2
Cómputo en la nube a profundidad

2. Amazon EC2 es grande
Opciones de Compra
APIs
Instancias
Red

3. Instancias EC2
Host Server
Hypervisor
Guest 1 Guest 2 Guest n

4. Instancias EC2 : Historia
2006 2008 2010 2012 2014 2016
m1.small
m1.large
m1.xlarge
c1.medium
c1.xlarge
m2.xlarge
m2.4xlarge
m2.2xlarge
cc1.4xlarge
t1.micro
cg1.4xlarge
cc2.8xlarge
m1.medium
hi1.4xlarge
m3.xlarge
m3.2xlarge
hs1.8xlarge
cr1.8xlarge
c3.large
c3.xlarge
c3.2xlarge
c3.4xlarge
c3.8xlarge
g2.2xlarge
i2.xlarge
i2.2xlarge
i2.4xlarge
i2.4xlarge
m3.medium
m3.large
r3.large
r3.xlarge
r3.2xlarge
r3.4xlarge
r3.8xlarge
t2.micro
t2.small
t2.med
c4.large
c4.xlarge
c4.2xlarge
c4.4xlarge
c4.8xlarge
d2.xlarge
d2.2xlarge
d2.4xlarge
d2.8xlarge
g2.8xlarge
t2.large
m4.large
m4.xlarge
m4.2xlarge
m4.4xlarge
m4.10xlarge

5. Qué esperar de esta sesión ?
• Definir el desempeño de un sistema y cómo se
caracteriza para diferentes cargas de trabajo
• Cómo las instancias EC2 ofrecen un óptimo desempeño,
manteniendo flexibilidad y agilidad
• Cómo aprovechar de mejor manera el uso de las
instancias EC2

6. Definiendo el desempeño

7. Reserva de un servidor
• Los servidores son reservados para realizar trabajos
• El desempeño de mide de manera diferente
dependiendo del trabajo que se realice

8. • Lo que desempeño significa,
depende de la perspectiva:
• Tiempo de respuesta
• Rendimiento
• Consistencia
Desempeño = perspectiva
Aplicación
Librerías de Sistema
Llamadas a sistema
Kernel
Dispositivo
Carga

9. Factores de desempeño
Recurso Factores Indicadores
CPU Sockets, número de núcleos,
frecuencia de reloj, capacidad
Utilización de CPU, tamaño de la cola
de ejecución
Memoria Capacidad Memoria libre, paginación, swapping
Interfaz de
Red
Ancho de Banda Máximo, paquetes Cantidad paquetes recibidos,
transferencia de paquetes sobre el
máximo ancho de banda
Disco IOPS, Desempeño Tamaño de cola en espera, utilización
de dispositivos, errores en los
dispositivos

10. Utilización de Recursos
• Dada una carga, qué tan eficientemente se utilizan los
recursos
• Un recurso con utilización del 100% no puede recibir o
atender más peticiones
• Baja utilización indica que se han reservado más
recursos de los necesarios

11. Ejemplo: Aplicación Web
• MediaWiki instalado en un servidor Apache con 140
páginas de contenido
• Incremento de carga en intervalos de tiempo

12. Ejemplo: Aplicación Web
• Estadísticas de Memoria

13. Ejemplo: Aplicación Web
• Estadísticas de Disco

14. Ejemplo: Aplicación Web
• Estadísticas de Red

15. Ejemplo: Aplicación Web
• Estadísticas de CPU

16. Selección de instancia = optimización
• La selección de una instancia es equivalente a la
optimización de los recursos
• Dar de baja instancias es tan fácil como adquirir nuevas
• Alinear el tipo de carga con el tipo de instancia óptimo

17. Ofreciendo desempeño de
cómputo en EC2

18. Instrucciones de CPU y
Niveles de Protección

19. Instrucciones de CPU y Niveles de Protección
• CPU tiene dos niveles de protección: Kernel y Aplicación
• Instrucciones privilegiadas no se pueden ejecutar en
modo usuario para proteger el sistema.
• Aplicaciones apalancan las llamadas al sistema al
kernel
Instrucciones privilegiadas:
• Inicio de I/O
• Acceso a I/O de Dispositivos
(red, disco)
• Manejo del tiempo
• Pausa CPU Aplicación
Kernel

20. Ejemplo: Llamadas al sistema de una aplicación web
[ec2-user@ip-10-0-121-0 ~]$ sudo strace -c -p 2440
Process 2440 attached
^CProcess 2440 detached
% time seconds usecs/call calls errors syscall
------ ----------- ----------- --------- --------- ----------------
0.00 0.000000 0 931 11 read
0.00 0.000000 0 887 write
0.00 0.000000 0 121 open
0.00 0.000000 0 154 close
0.00 0.000000 0 1357 32 stat
0.00 0.000000 0 341 fstat
0.00 0.000000 0 99 11 lstat
0.00 0.000000 0 865 poll
0.00 0.000000 0 121 mmap
0.00 0.000000 0 121 munmap
0.00 0.000000 0 220 brk
0.00 0.000000 0 11 rt_sigaction
0.00 0.000000 0 11 rt_sigprocmask
0.00 0.000000 0 22 writev
0.00 0.000000 0 66 22 access

21. Porqué PV-HVM es más rápido que PV ?
• PV-HVM permite que las aplicaciones llamen directamente al kernel
• PV la aplicación tiene que pasar por el VMM
• Las aplicaciones basadas en llamadas a sistema, son las más
afectadas
Aplicación
Kernel VMM
Aplicación
Kernel
VMM
Kernel
Aplicación
Bare Metal PV PV-HVM
Antes de Intel VT-x Después de Intel VT-x

22. Tip: Usar AMIs PV-HVM con EBS

23. Manejo del tiempo

24. Manejo del tiempo
• El manejo del tiempo puede ser costoso para una
instancia
• Rutinas como gettimeofday() resultan en una rutina de
lectura a una fuente de tiempo que termina en una
transición hacia el ring0 (kernel)

25. Tip: Usar TSC como fuente de tiempo
Cambiarlo por:
# cat /sys/devices/system/cl*/cl*/available_clocksource
xen tsc hpet acpi_pm
# cat /sys/devices/system/cl*/cl*/current_clocksource
xen
# emacs /boot/grub/menu.list && reboot
# cat /proc/cmdline
root=/dev/xvda1 ro clock source=tsc

26. Control de Estados C y P

27. Instancias EC2
• Intel Turbo Boost Technology
• Control de los Estados P y C
Model vCPU Memory (GiB) EBS (Mbps)
c4.8xlarge 36 60 4,000
d2.8xlarge 36 244 HDD Storage
m4.10xlarge 40 160 4,000

28. Controles de Estado C y P
• Controles de Estado C y P
• Estado-C
• Controla el nivel de reposo al que puede llegar un núcleo
• Numerados del C0 (el núcleo está trabajando normalmente y
ejecutando instrucciones) al C6 (el núcleo está apagado)
• Estado-P
• Controla el nivel de desempeño deseado en un núcleo
• Numerados del P0 (el mayor desempeño en el núcleo en donde
tiene permitido usar la tecnología Turbo Boost de Intel que
permite incrementar la frecuencia), y luego va del P1 (solicita la
máxima frecuencia base) al P15 (solicita la mínima frecuencia
posible)

29. Controles de Estado C y P
• Beneficios
• Incrementar el desempeño del procesador
• Reducir latencia
• Optimización de una instancia para una carga de trabajo o
aplicación específica

30. Controles de Estado C y P
• Ejemplo (Mayor desempeño con máxima frecuencia
Turbo Boost)
Herramienta turbostat (disponible por defecto en las instancias Amazon Linux)
[ec2-user ~]$ sudo turbostat stress -c 2 -t 10
stress: info: [30680] dispatching hogs: 2 cpu, 0 io, 0 vm, 0 hdd
stress: info: [30680] successful run completed in 10s
pk cor CPU %c0 GHz TSC SMI %c1 %c3 %c6 %c7 %pc2 %pc3 %pc6 %pc7 Pkg_W RAM_W PKG_% RAM_%
5.54 3.44 2.90 0 9.18 0.00 85.28 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 94.04 32.70 54.18 0.00
0 0 0 0.12 3.26 2.90 0 3.61 0.00 96.27 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 48.12 18.88 26.02 0.00
0 0 18 0.12 3.26 2.90 0 3.61
0 1 1 0.12 3.26 2.90 0 4.11 0.00 95.77 0.00
0 1 19 0.13 3.27 2.90 0 4.11
0 2 2 0.13 3.28 2.90 0 4.45 0.00 95.42 0.00
0 2 20 0.11 3.27 2.90 0 4.47
0 3 3 0.05 3.42 2.90 0 99.91 0.00 0.05 0.00
0 3 21 97.84 3.45 2.90 0 2.11
...
1 1 10 0.06 3.33 2.90 0 99.88 0.01 0.06 0.00
1 1 28 97.61 3.44 2.90 0 2.32
...
10.002556 sec

31. Controles de Estado C y P
• Ejemplo (Limitar el Estado C)
Herramienta turbostat (disponible por defecto en las instancias Amazon Linux)
[ec2-user ~]$ sudo vim /boot/grub/grub.conf
# created by imagebuilder
default=0
timeout=1
hiddenmenu
title Amazon Linux 2014.09 (3.14.26-24.46.amzn1.x86_64)
root (hd0,0)
kernel /boot/vmlinuz-3.14.26-24.46.amzn1.x86_64 root=LABEL=/ console=ttyS0 intel_idle.max_cstate=1
initrd /boot/initramfs-3.14.26-24.46.amzn1.x86_64.img

32. Tip: Estado P para AVX2
• Las cargas de trabajo de tipo AVX o AVX2 (Intel
Advanced Vector Extensions) se desenvuelven mejor en
frecuencias bajas porque pueden usar mayor energía
• Al ejecutar el procesador a baja frecuencia,
deshabilitando Turbo Boost, se reduce la cantidad de
energía usada y mantiene la velocidad de manera
consistente

33. Tip: Estado P para AVX2
• Ejemplo (Deshabilitar Turbo Boost, solicitando el estado
P1)
• Ejemplo (Habilitar Turbo Boost, solicitando el estado P0)
[ec2-user ~]$ sudo sh -c "echo 1 > /sys/devices/system/cpu/intel_pstate/no_turbo"
[ec2-user ~]$ sudo sh -c "echo 0 > /sys/devices/system/cpu/intel_pstate/no_turbo"

34. Ofreciendo desempeño de I/O
en EC2

35. Virtualización de I/O y Dispositivos
• Split Driver Model
• Intel VT-d
• Paso directo para dispositivos dedicados
• Enhanced Networking

36. Split Driver Model : Red
Hardware
Driver Domain Guest Domain Guest Domain
VMM
Frontend
driver
Frontend
driver
Backend
driver
Device
Driver
Physical
CPU
Physical
Memory
Network
Device
Virtual CPU
Virtual
Memory
CPU
Scheduling
Sockets
Application

37. Split Driver Model : Red
Hardware
Driver Domain Guest Domain Guest Domain
VMM
Frontend
driver
Frontend
driver
Backend
driver
Device
Driver
Physical
CPU
Physical
Memory
Network
Device
Virtual CPU
Virtual
Memory
CPU
Scheduling
Sockets
Application

38. Split Driver Model : Red
Hardware
Driver Domain Guest Domain Guest Domain
VMM
Frontend
driver
Frontend
driver
Backend
driver
Device
Driver
Physical
CPU
Physical
Memory
Network
Device
Virtual CPU
Virtual
Memory
CPU
Scheduling
Sockets
Application

39. Split Driver Model : Red
Hardware
Driver Domain Guest Domain Guest Domain
VMM
Frontend
driver
Frontend
driver
Backend
driver
Device
Driver
Physical
CPU
Physical
Memory
Network
Device
Virtual CPU
Virtual
Memory
CPU
Scheduling
Sockets
Application

40. Split Driver Model : Red
Hardware
Driver Domain Guest Domain Guest Domain
VMM
Frontend
driver
Frontend
driver
Backend
driver
Device
Driver
Physical
CPU
Physical
Memory
Network
Device
Virtual CPU
Virtual
Memory
CPU
Scheduling
Sockets
Application

41. Paso Directo al Dispositivo: Enhanced Networking
• El dispositivo físico de red expone una función virtual a
la instancia
• Requiere un driver especial:
• El sistema operativo de la instancia necesita saber sobre el
driver

42. Paso Directo al Dispositivo: Enhanced Networking
Hardware
Driver Domain Guest Domain Guest Domain
VMM
Frontend
driver
NIC
Driver
Backend
driver
Device
Driver
Physical
CPU
Physical
Memory
SR-IOV Network
Device
Virtual CPU
Virtual
Memory
CPU
Scheduling
Sockets
Application

43. Paso Directo al Dispositivo: Enhanced Networking
Hardware
Driver Domain Guest Domain Guest Domain
VMM
Frontend
driver
NIC
Driver
Backend
driver
Device
Driver
Physical
CPU
Physical
Memory
SR-IOV Network
Device
Virtual CPU
Virtual
Memory
CPU
Scheduling
Sockets
Application

44. Paso Directo al Dispositivo: Enhanced Networking
Hardware
Driver Domain Guest Domain Guest Domain
VMM
Frontend
driver
NIC
Driver
Backend
driver
Device
Driver
Physical
CPU
Physical
Memory
SR-IOV Network
Device
Virtual CPU
Virtual
Memory
CPU
Scheduling
Sockets
Application

45. Tip: Usar Enhanced Networking
• Mayor cantidad de paquetes por segundo
• Menor varianza en latencia
• El Sistema Operativo de la instancia debe soportarlo

46. Revisión de Instancias I2

47. Instancias I2
• Proveen almacenamiento SSD
• Proveen IOPS a bajo costo
• Optimizadas para alta demanda de I/O aleatorio
Model vCPU Memory
(GiB)
Storage Read IOPS Write IOPS
i2.xlarge 4 30.5 1 x 800 SSD 35,000 35,000
i2.2xlarge 8 61 2 x 800 SSD 75,000 75,000
i2.4xlarge 16 122 4 x 800 SSD 175,000 155,000
i2.8xlarge 32 244 8 x 800 SSD 365,000 315,000

48. Cesión en kernels previos a la versión 3.8.0
• Previo a la versión 3.8.0, se requiere un Mapa de Cesiones
• El Mapa de Cesiones requiere de operaciones costosas debido a flushes de
TLB (Translation Lookaside Buffer)
read(fd, buffer,…)

49. Cesión en kernels posteriores a la versión 3.8.0
• El Mapa de Cesiones está definido en un pool
• La información es copiada o extraída del pool
Copy to
and from
grant pool

50. Tip: Usar kernels posteriores a la versión 3.8.0
• Amazon Linux 13.09 o mayor
• Ubuntu 14.04 o mayor
• RHEL7 o mayor
• Etc.

51. Resumen
• Usar PV-HVM
• Usar TSC para el manejo de tiempo
• Aprovechar los controles de Estado C y P
• Usar Enhanced Networking
• Usar kernels posteriores a la versión 3.8.0

52. Gracias!