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2021/1/21 19:54

S^2:5GC能效KPI-测量CPU的资源消耗

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背景

CPU作为一种资源,它的主要用途就是用来完成运算任务。完成运算任务的能力与CPU资源消耗之间存在着可量化的制约关系,这给我们提供了一种途径,通过衡量CPU完成运算任务的能力来衡量CPU资源的消耗情况。

测量的维度

我们首先了解一下 CPU 都提供了哪些资源,或者说,我们可以把 CPU资源分解为哪些可以用来进一步进行测量的维度。

上面的图和文字摘自ETSI GS NFV-TST 008,呈现的是一个物理CPU注1能够被测量的几个资源维度和他们之间的对应关系。

注1:如果有多颗物理的CPU,可以在核(Core)这一层之上,再引入一层 Socket(可以形象地理解为 CPU的插槽)。一颗物理的CPU 对应一个 Socket,代表一颗实实在在插在主板上的物理 CPU。当然,也可以把多颗 CPU 的核放在一起来考虑。

最上面一层是以CPU的核作为资源衡量的对象。早先CPU只有一个核,一个核能同时处理一个线程。后来为了提高CPU 的性能,开始在一个 CPU 里放置两个核,四个核,这样一个 CPU 就可以同时处理2个线程/4个线程,而在开启了 SMT/HT 的情况下,通过分配时间片,一个 CPU 可以“同时”处理更多的线程。

比如下面这个系统信息显示:CPU 数量是 1,其中有 6 个核,并且启用了 HT。

第二层是针对一个核,从时间维度把处理时间划分为一个个tick interval(其时间长度称为 Jiffy),以 tick interval 作为衡量的对象。每个 tick interval 有不同的上下文:例如系统态,用户态,空闲态等。在测量周期内,可以统计不同态所对应的时间长度。

第三层,针对处于用户态的tick intervals,可以再按照进程注 2再进行划分。通过为不同的线程分配时间片,实现在(在一个时间范围内)同时处理多线程。在这个层面上,以进程使用的计算资源为对象进行衡量。

注2:

·进程: 进程是资源分配的基本单位;

·线程:CPU调度和分配的基本单位。

·线程是进程的一个实体;一个进程包含一个或多个线程;同一个进程中的多个线程之间可以并发执行。

一个程序/应用至少有一个进程,一个进程至少有一个线程。

针对计算资源用量的测量

虽然计算资源可以划分为 3 种维度(或者说计算资源的 Scope有 3 种),但是,对于 CPU 资源的使用情况的度量方法是相同的,简单概括就是:从时间维度,度量一个测量周期内计算资源的被占用情况。

具体来说,以ESTI GS NFV-TST 008为例,其中定义了两种测量量:

处理器的用量:按照某种资源维度/计算资源scope的划分,在一个测量周期内,在一个或多个计算资源上,执行特定上下文的指令所使用的总时间。

处理器的利用率:处理器的用量与测量周期(的时间长度)的比值。

评估CPU资源的消耗

那么,能不能直接用处理器的用量/利用率来衡量 CPU 资源的消耗情况呢?

我们先看一个简单的例子:

两个进程分别使用主频不同的CPU,并且在相同的测量周期内,两个进程各自的处理器用量都是200ns。

虽然他们对于各自的计算资源占用时间(处理器的用量)相同,但是我们按照常识,一个直观的感觉就是,由于CPU 的主频不同,这两个进程对计算资源的消耗程度应该是不一样的。

如果要进一步分析这种差异,需要了解几个与CPU工作相关的周期:

1.CPU时钟周期:是 CPU 进行活动的最小时间单位,等于CPU 主频的倒数。这是衡量 CPU 性能的重要指标之一。

2.机器周期:是 CPU 执行一项基本操作所需的时间。一个机器周期的长度为若干个 CPU时钟周期;

3.指令周期:是 CPU 执行一条指令所需的时间。CPU 执行一条指令,通常会将其分解为若干个阶段,每个阶段完成一项任务。这里的任务就是指前面所说的基本操作。所以,指令周期会包含一个或多个机器周期。

假设不同的主频的CPU 执行完全同样的一条指令,由于时钟周期不同,指令周期的长度就会不同:主频高的 CPU 所需的时间更少。

反过来再看前面的例子,可以推断出占用 CPU 时间长度相同的两个进程,使用高主频的CPU的进程其需要 CPU 完成的任务数量要多于另一个使用低主频 CPU 的进程。

类似的,一个多核的 CPU可以类比为多个单核的 CPU。如果可以使用的资源包含多个核,那么在处理的任务数量方面,也可以得到类似的结论。

当需要衡量一个进程对CPU资源的消耗时(例如,在利用资源利用率评价能效的计算过程中),评估某个进程(可能是VNF/VM/VC)到底让CPU做了多少事情,比单纯地考虑其占用CPU的时间长度更加准确。

因此,除了要使用时间维度的处理器用量/利用率之外,计算CPU 资源的消耗还要进一步考虑CPU 的时钟速度和核数:

CPU 资源的消耗 = 处理器的利用率*CPU的时钟频率*CPU的核数注3

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