Fix some bugs when testing opensds ansible
[stor4nfv.git] / src / ceph / doc / cephfs / mantle.rst
1 Mantle
2 ======
3
4 .. warning::
5
6     Mantle is for research and development of metadata balancer algorithms,
7     not for use on production CephFS clusters.
8
9 Multiple, active MDSs can migrate directories to balance metadata load. The
10 policies for when, where, and how much to migrate are hard-coded into the
11 metadata balancing module. Mantle is a programmable metadata balancer built
12 into the MDS. The idea is to protect the mechanisms for balancing load
13 (migration, replication, fragmentation) but stub out the balancing policies
14 using Lua. Mantle is based on [1] but the current implementation does *NOT*
15 have the following features from that paper:
16
17 1. Balancing API: in the paper, the user fills in when, where, how much, and
18    load calculation policies; currently, Mantle only requires that Lua policies
19    return a table of target loads (e.g., how much load to send to each MDS)
20 2. "How much" hook: in the paper, there was a hook that let the user control
21    the fragment selector policy; currently, Mantle does not have this hook
22 3. Instantaneous CPU utilization as a metric
23
24 [1] Supercomputing '15 Paper:
25 http://sc15.supercomputing.org/schedule/event_detail-evid=pap168.html
26
27 Quickstart with vstart
28 ----------------------
29
30 .. warning::
31
32     Developing balancers with vstart is difficult because running all daemons
33     and clients on one node can overload the system. Let it run for a while, even
34     though you will likely see a bunch of lost heartbeat and laggy MDS warnings.
35     Most of the time this guide will work but sometimes all MDSs lock up and you
36     cannot actually see them spill. It is much better to run this on a cluster.
37
38 As a pre-requistie, we assume you have installed `mdtest
39 <https://sourceforge.net/projects/mdtest/>`_ or pulled the `Docker image
40 <https://hub.docker.com/r/michaelsevilla/mdtest/>`_. We use mdtest because we
41 need to generate enough load to get over the MIN_OFFLOAD threshold that is
42 arbitrarily set in the balancer. For example, this does not create enough
43 metadata load:
44
45 ::
46
47     while true; do
48       touch "/cephfs/blah-`date`"
49     done
50
51
52 Mantle with `vstart.sh`
53 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
54
55 1. Start Ceph and tune the logging so we can see migrations happen:
56
57 ::
58
59     cd build
60     ../src/vstart.sh -n -l
61     for i in a b c; do 
62       bin/ceph --admin-daemon out/mds.$i.asok config set debug_ms 0
63       bin/ceph --admin-daemon out/mds.$i.asok config set debug_mds 2
64       bin/ceph --admin-daemon out/mds.$i.asok config set mds_beacon_grace 1500
65     done
66
67
68 2. Put the balancer into RADOS:
69
70 ::
71
72     bin/rados put --pool=cephfs_metadata_a greedyspill.lua ../src/mds/balancers/greedyspill.lua
73
74
75 3. Activate Mantle:
76
77 ::
78
79     bin/ceph fs set cephfs max_mds 5
80     bin/ceph fs set cephfs_a balancer greedyspill.lua
81
82
83 4. Mount CephFS in another window:
84
85 ::
86
87      bin/ceph-fuse /cephfs -o allow_other &
88      tail -f out/mds.a.log
89
90
91    Note that if you look at the last MDS (which could be a, b, or c -- it's
92    random), you will see an an attempt to index a nil value. This is because the
93    last MDS tries to check the load of its neighbor, which does not exist.
94
95 5. Run a simple benchmark. In our case, we use the Docker mdtest image to
96    create load:
97
98 ::
99
100     for i in 0 1 2; do
101       docker run -d \
102         --name=client$i \
103         -v /cephfs:/cephfs \
104         michaelsevilla/mdtest \
105         -F -C -n 100000 -d "/cephfs/client-test$i"
106     done
107
108
109 6. When you are done, you can kill all the clients with:
110
111 ::
112
113     for i in 0 1 2 3; do docker rm -f client$i; done
114
115
116 Output
117 ~~~~~~
118
119 Looking at the log for the first MDS (could be a, b, or c), we see that
120 everyone has no load:
121
122 ::
123
124     2016-08-21 06:44:01.763930 7fd03aaf7700  0 lua.balancer MDS0: < auth.meta_load=0.0 all.meta_load=0.0 req_rate=1.0 queue_len=0.0 cpu_load_avg=1.35 > load=0.0
125     2016-08-21 06:44:01.763966 7fd03aaf7700  0 lua.balancer MDS1: < auth.meta_load=0.0 all.meta_load=0.0 req_rate=0.0 queue_len=0.0 cpu_load_avg=1.35 > load=0.0
126     2016-08-21 06:44:01.763982 7fd03aaf7700  0 lua.balancer MDS2: < auth.meta_load=0.0 all.meta_load=0.0 req_rate=0.0 queue_len=0.0 cpu_load_avg=1.35 > load=0.0
127     2016-08-21 06:44:01.764010 7fd03aaf7700  2 lua.balancer when: not migrating! my_load=0.0 hisload=0.0
128     2016-08-21 06:44:01.764033 7fd03aaf7700  2 mds.0.bal  mantle decided that new targets={}
129
130
131 After the jobs starts, MDS0 gets about 1953 units of load. The greedy spill
132 balancer dictates that half the load goes to your neighbor MDS, so we see that
133 Mantle tries to send 1953 load units to MDS1.
134
135 ::
136
137     2016-08-21 06:45:21.869994 7fd03aaf7700  0 lua.balancer MDS0: < auth.meta_load=5834.188908912 all.meta_load=1953.3492228857 req_rate=12591.0 queue_len=1075.0 cpu_load_avg=3.05 > load=1953.3492228857
138     2016-08-21 06:45:21.870017 7fd03aaf7700  0 lua.balancer MDS1: < auth.meta_load=0.0 all.meta_load=0.0 req_rate=0.0 queue_len=0.0 cpu_load_avg=3.05 > load=0.0
139     2016-08-21 06:45:21.870027 7fd03aaf7700  0 lua.balancer MDS2: < auth.meta_load=0.0 all.meta_load=0.0 req_rate=0.0 queue_len=0.0 cpu_load_avg=3.05 > load=0.0
140     2016-08-21 06:45:21.870034 7fd03aaf7700  2 lua.balancer when: migrating! my_load=1953.3492228857 hisload=0.0
141     2016-08-21 06:45:21.870050 7fd03aaf7700  2 mds.0.bal  mantle decided that new targets={0=0,1=976.675,2=0}
142     2016-08-21 06:45:21.870094 7fd03aaf7700  0 mds.0.bal    - exporting [0,0.52287 1.04574] 1030.88 to mds.1 [dir 100000006ab /client-test2/ [2,head] auth pv=33 v=32 cv=32/0 ap=2+3+4 state=1610612802|complete f(v0 m2016-08-21 06:44:20.366935 1=0+1) n(v2 rc2016-08-21 06:44:30.946816 3790=3788+2) hs=1+0,ss=0+0 dirty=1 | child=1 dirty=1 authpin=1 0x55d2762fd690]
143     2016-08-21 06:45:21.870151 7fd03aaf7700  0 mds.0.migrator nicely exporting to mds.1 [dir 100000006ab /client-test2/ [2,head] auth pv=33 v=32 cv=32/0 ap=2+3+4 state=1610612802|complete f(v0 m2016-08-21 06:44:20.366935 1=0+1) n(v2 rc2016-08-21 06:44:30.946816 3790=3788+2) hs=1+0,ss=0+0 dirty=1 | child=1 dirty=1 authpin=1 0x55d2762fd690]
144
145
146 Eventually load moves around:
147
148 ::
149
150     2016-08-21 06:47:10.210253 7fd03aaf7700  0 lua.balancer MDS0: < auth.meta_load=415.77414300449 all.meta_load=415.79000078186 req_rate=82813.0 queue_len=0.0 cpu_load_avg=11.97 > load=415.79000078186
151     2016-08-21 06:47:10.210277 7fd03aaf7700  0 lua.balancer MDS1: < auth.meta_load=228.72023977691 all.meta_load=186.5606496623 req_rate=28580.0 queue_len=0.0 cpu_load_avg=11.97 > load=186.5606496623
152     2016-08-21 06:47:10.210290 7fd03aaf7700  0 lua.balancer MDS2: < auth.meta_load=0.0 all.meta_load=0.0 req_rate=1.0 queue_len=0.0 cpu_load_avg=11.97 > load=0.0
153     2016-08-21 06:47:10.210298 7fd03aaf7700  2 lua.balancer when: not migrating! my_load=415.79000078186 hisload=186.5606496623
154     2016-08-21 06:47:10.210311 7fd03aaf7700  2 mds.0.bal  mantle decided that new targets={}
155
156
157 Implementation Details
158 ----------------------
159
160 Most of the implementation is in MDBalancer. Metrics are passed to the balancer
161 policies via the Lua stack and a list of loads is returned back to MDBalancer.
162 It sits alongside the current balancer implementation and it's enabled with a
163 Ceph CLI command ("ceph fs set cephfs balancer mybalancer.lua"). If the Lua policy
164 fails (for whatever reason), we fall back to the original metadata load
165 balancer. The balancer is stored in the RADOS metadata pool and a string in the
166 MDSMap tells the MDSs which balancer to use.
167
168 Exposing Metrics to Lua
169 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
170
171 Metrics are exposed directly to the Lua code as global variables instead of
172 using a well-defined function signature. There is a global "mds" table, where
173 each index is an MDS number (e.g., 0) and each value is a dictionary of metrics
174 and values. The Lua code can grab metrics using something like this:
175
176 ::
177
178     mds[0]["queue_len"]
179
180
181 This is in contrast to cls-lua in the OSDs, which has well-defined arguments
182 (e.g., input/output bufferlists). Exposing the metrics directly makes it easier
183 to add new metrics without having to change the API on the Lua side; we want
184 the API to grow and shrink as we explore which metrics matter. The downside of
185 this approach is that the person programming Lua balancer policies has to look
186 at the Ceph source code to see which metrics are exposed. We figure that the
187 Mantle developer will be in touch with MDS internals anyways.
188
189 The metrics exposed to the Lua policy are the same ones that are already stored
190 in mds_load_t: auth.meta_load(), all.meta_load(), req_rate, queue_length,
191 cpu_load_avg.
192
193 Compile/Execute the Balancer
194 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
195
196 Here we use `lua_pcall` instead of `lua_call` because we want to handle errors
197 in the MDBalancer. We do not want the error propagating up the call chain. The
198 cls_lua class wants to handle the error itself because it must fail gracefully.
199 For Mantle, we don't care if a Lua error crashes our balancer -- in that case,
200 we will fall back to the original balancer.
201
202 The performance improvement of using `lua_call` over `lua_pcall` would not be
203 leveraged here because the balancer is invoked every 10 seconds by default. 
204
205 Returning Policy Decision to C++
206 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
207
208 We force the Lua policy engine to return a table of values, corresponding to
209 the amount of load to send to each MDS. These loads are inserted directly into
210 the MDBalancer "my_targets" vector. We do not allow the MDS to return a table
211 of MDSs and metrics because we want the decision to be completely made on the
212 Lua side.
213
214 Iterating through tables returned by Lua is done through the stack. In Lua
215 jargon: a dummy value is pushed onto the stack and the next iterator replaces
216 the top of the stack with a (k, v) pair. After reading each value, pop that
217 value but keep the key for the next call to `lua_next`. 
218
219 Reading from RADOS
220 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~
221
222 All MDSs will read balancing code from RADOS when the balancer version changes
223 in the MDS Map. The balancer pulls the Lua code from RADOS synchronously. We do
224 this with a timeout: if the asynchronous read does not come back within half
225 the balancing tick interval the operation is cancelled and a Connection Timeout
226 error is returned. By default, the balancing tick interval is 10 seconds, so
227 Mantle will use a 5 second second timeout. This design allows Mantle to
228 immediately return an error if anything RADOS-related goes wrong.
229
230 We use this implementation because we do not want to do a blocking OSD read
231 from inside the global MDS lock. Doing so would bring down the MDS cluster if
232 any of the OSDs are not responsive -- this is tested in the ceph-qa-suite by
233 setting all OSDs to down/out and making sure the MDS cluster stays active.
234
235 One approach would be to asynchronously fire the read when handling the MDS Map
236 and fill in the Lua code in the background. We cannot do this because the MDS
237 does not support daemon-local fallbacks and the balancer assumes that all MDSs
238 come to the same decision at the same time (e.g., importers, exporters, etc.).
239
240 Debugging
241 ~~~~~~~~~
242
243 Logging in a Lua policy will appear in the MDS log. The syntax is the same as
244 the cls logging interface:
245
246 ::
247
248     BAL_LOG(0, "this is a log message")
249
250
251 It is implemented by passing a function that wraps the `dout` logging framework
252 (`dout_wrapper`) to Lua with the `lua_register()` primitive. The Lua code is
253 actually calling the `dout` function in C++.
254
255 Warning and Info messages are centralized using the clog/Beacon. Successful
256 messages are only sent on version changes by the first MDS to avoid spamming
257 the `ceph -w` utility. These messages are used for the integration tests.
258
259 Testing
260 ~~~~~~~
261
262 Testing is done with the ceph-qa-suite (tasks.cephfs.test_mantle). We do not
263 test invalid balancer logging and loading the actual Lua VM.