nova分析（7）—— nova-scheduler

Nova-Scheduler主要完成虚拟机实例的调度分配任务，创建虚拟机时，虚拟机该调度到哪台物理机上，迁移时若没有指定主机，也需要经过scheduler。资源调度是云平台中的一个很关键问题，如何做到资源的有效分配，如何满足不同情况的分配方式，这些都需要nova-scheduler来掌控，并且能够很方便的扩展更多的调度方法，可能我需要虚拟机调度到空闲的机器，可能还需要将某类型的虚拟机调度到固定的机架等等，现在就来看看Nova-Scheduler是如何完成调度任务的。

Scheduler启动后，相应的MQ结构如下：

Exchange(nova,topic) <--- <routing_key:scheduler>---Queue(scheduler) ---> Consumer(scheduler)

Exchange(nova,topic) <---<routing_key:scheduler.controller>---Queue(scheduler.controller) ---> Consumer(scheduler.controller)

Exchange(scheduler_fanout,fanout) <---<routing_key:scheduler>---Queue(scheduler_fanout_xxx)--->Consumer(scheduler_fanout_xxx)

一、服务启动

Nova-scheduler 服务的启动入口脚本是 cmd 包下的 scheduler.py ，其主要监听来自于消息队列中 topic=scheduler( 可配置 ) 的消息。在服务启动过程中，其将初始化一个 SchedulerManager 实例作为该服务的 Handler ，来处理接受到的消息请求。

同时， Nova-scheduler 服务在启动的过程中，会将自己注册到 DB 中，即将自己的 host 、 binary 、 topic 、 report_count 信息添加到 services 表中，并将自己同样注册到 ServiceGroup 服务中，默认是 DBServiceGroup 服务，并定时向ServiceGroup 服务发送心跳，其本质上就是定时地更新 services 表中的report_count 字段。另， ServiceGroup 服务还有基于 MC 、 ZK 两种实现方式。

二、主要源码说明

1 、 manager.py ：

SchedulerManager 类主要来处理服务接收的消息，目前主要的操作就是live_migration 、

run_instance 、 prep_resize 、 select_hosts 、 select_destinations ，后两者将要 deprecated 。这些操作本质上还是要依赖于具体的 SchedulerDriver 去完成。

另外， _SchedulerManagerV3Proxy 类与 SchedulerManager 类主要的区别在于消息版本的不同，

_SchedulerManagerV3Proxy 消息是 3.0 版本，而 SchedulerManager 是 2.9 版本。

2 、 driver.py 、 chance.py 、 filter_scheduler.py 、 caching_scheduler.py ：

Scheduler 类是所有 SchedulerDriver 类的基类，其定义了关键的接口协议。目前主要有 ChanceScheduler 、 FilterScheduler 和 CachingScheduler 三种实现方式，具体说明如下：

1 ） ChanceScheduler ：随机选择一台物理机，前提是该物理机上的 nova-compute 服务正常且该物理机不在指定的 ignore_hosts 列表中。

2 ） FilterScheduler ：筛选出能通过整个过滤器链的物理机，然后根据相应指标计算权重，并进行排序，最后返回一个 best host 。具体过滤器详见下文。

3 ） CachingScheduler ： FilterScheduler 的子类，在 FilterScheduler 的基础上将 host 资源信息缓存在了本地内存中，然后通过后台定时任务定时从 DB 中拉取最新的 host 资源信息。在多节点环境下存在问题。

3 、 host_manager.py ：HostState ：表示物理机的资源信息集合，比如当前可用内存、已用内存、虚拟机数量、任务数量、 io 负载、可用磁盘、已用磁盘等等，以及一些更新方法。

HostManager ：该类是最重要的 host 筛选类，其内部主要有三个关键函数：

get_filtered_hosts ：返回经过层层过滤器筛选后的 host 列表，其依赖于FilterHandler

get_weighed_hosts ：返回经过权重计算排序后的 host 列表，其依赖于WeightHandler

get_all_host_states ：获取当前最新的 host 资源列表。

4 、 filters ：

这里是全部的各种 filter 的实现方式，主要有：

1 ） __init__.py ：

BaseHostFilter ：继承自 BaseFilter ，是所有具体 Filter 子类的基类，其中一个较重要的成员变量 run_filter_once_per_request 表示该 Filter 子类是否在在一次 request 中仅执行一次。

HostFilterHandler ：最重要的函数 get_filtered_objects ， load 指定的filter_classes ，层层过滤

host ，最后返回符合所有过滤条件的 host 列表。

2 ）剩余就是很多个不同的具体 Filter 子类的实现，基于各自不同的策略，具体暂不一一介绍。

5 、 weights ：

1 ） __init__.py ：BaseHostWeigher ：继承自 BaseWeigher ，是所有具体 Weigher 子类的基类，其中主要的函数就是 _weigh_object ，由具体子类实现，完成对目标 host 列表权重的计算与排序，具体策略见下文。

HostWeightHandler ：最重要的函数 get_weighed_objects ， load 指定的weigher_classes ，层层依据各自指标对目标 host 列表进行权重计算，最后排序后返回。

2 ） ram.py ：RAMWeigher ：基于剩余可用内存进行权重计算排序。

3 ） metrics.py ：MetricsWeigher ：支持自定义一些指标进行权重计算排序。

三、流程与算法说明

1 、这里主要是基于 FilterScheduler 来说明下在 Scheduler 服务中创建虚拟机（包括筛选物理机）的流程（其他流程同理）：

1 ）当 nova-scheduler 服务从 MQ 中接收到 run_instance 消息时，则由SchedulerManager 类对其进行处理，执行 run_instance 函数。

2 ） SchedulerManager 将具体逻辑交由具体的 SchedulerDriver 执行，这里就是 FilterScheduler 。

3 ） FilterScheduler 接收到请求后，开始进行 host 筛选，选择出 instance_num个目标 host 。

4 ）首先判断这次 request 的 retry 次数是否已经达到 max_attempts 次，若达到，则停止 retry ，抛出 NoValidHost 异常；若是第一次，则设置 filter_properties 属性 retry={num_attempts:1,hosts:[]} ；否则继续执行。

5 ）然后从 DB 中获取当前最新的 compute node 节点资源信息，并更新本地内存 缓存 中的 host 列表资源数据。这里的好处是当一次批量申请多个虚拟机时，可以避免多次请求DB ，但是一个不容忽视的问题就是如果多个 Scheduler 服务并行部署时，就会因资源信息的延迟不同步而导致虚拟机创建失败（实际后台 host 已不足）。

6 ）再次开始循环为每个 instance 筛选目标 host ：首先根据指定的ignore_hosts 、 force_hosts 、force_nodes 属性对候选 hosts 列表进行筛选，留下符合这些属性条件的 hosts。

7 ）然后根据配置指定的 filter 来循环层层过滤 6 ）中的候选 hosts ，具体代码如下：

def get_filtered_objects(self, filter_classes, objs,filter_properties, index=0):
        list_objs = list(objs)
        LOG.debug(_("Starting with %d host(s)"), len(list_objs))
        for filter_cls in filter_classes:
        cls_name = filter_cls.__name__
        filter = filter_cls()

         if filter.run_filter_for_index(index):
           objs = filter.filter_all(list_objs,filter_properties)
           if objs is None:
               LOG.debug(_("Filter %(cls_name)s says to stop filtering"),
                   {'cls_name': cls_name})
            return
          list_objs = list(objs)
          if not list_objs:
            LOG.info(_("Filter %s returned 0 hosts"), cls_name)
            break
          LOG.debug(_("Filter %(cls_name)s returned  %(obj_len)d host(s)"),
             {'cls_name': cls_name, 'obj_len': len(list_objs)})
        return list_objs

8 ）在 7 ）中筛选的这批 hosts 此时可以认为是满足该 instance 的资源要求，然后开始对这批hosts 根据配置的各个 Weigher 子类进行权重计算并排序，具体如下：

def get_weighed_objects(self, weigher_classes, obj_list,weighing_properties):
   """Return a sorted (descending), normalized list of WeighedObjects."""

  if not obj_list:
       return []

  weighed_objs = [self.object_class(obj, 0.0) for obj in obj_list]
  for weigher_cls in weigher_classes:
        weigher = weigher_cls()
        weights = weigher.weigh_objects(weighed_objs, weighing_properties)

        # Normalize the weights
        weights = normalize(weights,minval=weigher.minval,maxval=weigher.maxval)

         for i, weight in enumerate(weights):
              obj = weighed_objs[i]
              obj.weight += weigher.weight_multiplier() * weight

           return sorted(weighed_objs, key=lambda x: x.weight, reverse=True)

9 ）从 8 ）中根据权重排序后的 hosts 取出 scheduler_host_subset_size （默认是 1 ）个 host ，表明未来该 instance 会落在该 host 上，并 预扣掉该 host 的剩余可用资源 （注意这里仅仅是修改的本地缓存中 host 资源信息）。

10 ）在为每个 instance 选择好候选目标 host 后，开始循环创建虚拟机：更新instance 表（ host,node,scheduled_at ），并向 nova-compute 服务发送 rpc 请求。

11 ） nova-compute 服务接收到创建虚拟机请求后：首先将 DB 中 instance状态设置为vm_state=BUILDING ， task_state=SCHEDULING 。

12 ）然后获取该 node 的 ResourceTracker 实例（其主要是维护跟踪该 node 的资源明细），claim 将要预留资源信息，设置 mac 和 network 信息，最后开始构建虚拟机。期间在不同的 task 阶段，会相应更新 DB 中 vm_state 和 task_state 状态。

13 ）若创建虚拟机流程中发生错误，会重新向 MQ 发送创建虚拟机请求，此时nova-scheduler服务会继续处理该消息，则继续回到 1 ）步骤。

2 、下图展示了整个调度过程的大体流程：

这里主要说明下各个 host 的权重是如何计算出来的，大体公式如下： 

host_weight = Weigher1_multiplier * Weigher1_host_weight+……+ WeigherN_multiplier

* WeigherN_host_weight

举例说明：

假若有 6 台候选 Host ： H1 ， H2 ， H3 ， H4 ， H5 ， H6

3 个 Weigher ： W1 ， W2 ， W3 ，且其 multiplier 分别为 1 ， 2 ， 1

具体一个 Weigher 如何计算出一个 Host 在该 Weigher 的权重，则依赖各个Weigher 自己的

实现，比如 RAMWeigher 则是以每个 Host 的 free_ram_mb 作为其原生权重。

1 ）假若 H1~H6 经过 W1 计算后的原生权重值如下：

W(multiplier)	H1	H2	H3	H4	H5	H6
W1 (1)	50	10	20	10	90	110

然后需要对这些原始权重值进行 normalize 化，具体方式是：找出这些原始权重值中的

最大值 max_weight 和最小值 min_weight ，然后按照如下公式来计算其比例权重值：

ratio_weight = ( raw_weight - min_weight ) / ( max_weight - min_weight )

那么 H1~H6 原生权重 W1 normalize 化之后 (ratio_weight) ：

W(multiplier)	H1	H2	H3	H4	H5	H6
W1 (1)	0.4	0	0.1	0	0.8	1

2 ）假若 H1~H6 经过 W2 计算后的原生权重值如下：

W(multiplier)	H1	H2	H3	H4	H5	H6
W1 (1)	0.4	0	0.1	0	0.8	1
W2 (2)	10	4	6	11	1	9

那么 H1~H6 原生权重 W2 normalize 化之后 (ratio_weight) ：

W(multiplier)	H1	H2	H3	H4	H5	H6
W1 (1)	0.4	0	0.1	0	0.8	1
W2 (2)	0.9	0.3	0.5	1	0	0.8

3 ）假若 H1~H6 经过 W3 计算后的原生权重值如下：

W(multiplier)	H1	H2	H3	H4	H5	H6
W1 (1)	0.4	0	0.1	0	0.8	1
W2 (2)	0.9	0.3	0.5	1	0	0.8
W3 (1)	15	25	10	5	10	5

那么 H1~H6 原生权重 W3 normalize 化之后 (ratio_weight) ：

W(multiplier)	H1	H2	H3	H4	H5	H6
W1 (1)	0.4	0	0.1	0	0.8	1
W2 (2)	0.9	0.3	0.5	1	0	0.8
W3 (1)	0.5	1	0.25	0	0.25	0

4 ）最后得出 H1~H6 的最终权重为：

W(multiplier)	H1	H2	H3	H4	H5	H6
W1 (1)	0.4	0	0.1	0	0.8	1
W2 (2)	0.9	0.3	0.5	1	0	0.8
W3 (1)	0.5	1	0.25	0	0.25	0
ratio_weights	2.7	1.6	1.35	2	1.05	2.6

5 ）最后对 H1~H6 的 ratio_weight 进行降序排序，那么这次 Host 的排序则为H1 ， H6 ， H4 ， H2 ， H3 ， H5

3 、 nova-scheduler 与 nova-compute 之间是如何知道具体 host 资源的详情的？

1 ）每当 nova-compute 服务起来之后，会自动更新 DB 中对应 compute_node的资源信息，若是第一次，则会将自己添加到 compute_node 中；并同时会将这些资源信息缓存在本地内存中，并由一个 ResourceTracker 实例进行跟踪。

2 ）每次 nova-compute 服务接收到创建虚拟机的申请时，通过ResourceTracker 进行instance_claim 时，会将这次申请所需要扣除的虚拟机资源大小及时反映到compute node 中，同时更新本地 ResourceTracker 中的缓存信息。

3 ） nova-scheduler 每次在接收到创建虚拟机请求时，都会从 compute node中取出最新的 host 资源信息，被暂时缓存在本地内存中，当成功选择出一台 host 时，会及时扣除本地缓存相应的 host 资源信息。

参考文档

http://www.choudan.net/2013/08/11/Nova-Scheduler分析.html

http://www.choudan.net/2013/08/09/Nova-Service启动.html

http://blog.csdn.net/gaoxingnengjisuan/article/details/15615743

http://blog.csdn.net/cloudresearch/article/details/19051043

http://blog.csdn.net/gaoxingnengjisuan/article/details/15734437

http://www.tuicool.com/articles/Vn2iia

http://docs.openstack.org/developer/nova/devref/filter_scheduler.html