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使用tar+lz4/pigz+ssh更快的数据传输

前面一篇介绍了如何最大限度的榨取SCP的传输速度,有了这个基础,就可以进一步的使用压缩来加速传输速度了。只使用scp,传输速率最快约90MB,本文通过压缩将把最快传输速率提升到约250MB/s(包括解压的过程)。

1. 结论

使用tar+lz4+ssh的方式能够获得最大的传输性能:

time tar -c sendlog/|pv|lz4 -B4|ssh -c arcfour128  
-o"MACs [email protected]" 10.xxx.xxx.36 "lz4 -d |tar -xC /u01/backup_supu"
3.91GiB 0:00:16 [ 249MiB/s] 

real	0m16.067s
user	0m15.553s
sys	0m16.821s

249MB/s,妥妥的。是最原始scp(40MB/s)的6倍,原来400GB传输需要约3小时,现在只需要27分钟了。

注1:lz4在解压方面的优异表现,使得他在本案例中非常重要。如果无需解压的传输,则可以考虑使用pigz/pbiz2

注2:使用pv观察,网络流量约80MB,所以使用nc替换ssh并不会有明显的性能提升

注3:lz4压缩使用-B4(64KB块大小),解压使用-B7(4MB块大小),是本案例的测试最优值

2. 关于lz4

lz4是一个让"人见人爱、花见花开"的压缩算法,能够在多核上很好的扩展,压缩速度和压缩比并没有太大优势(pigz),但是他的解压速度非常惊人,本案例测试lz4的解压是gunzip的3倍(更多的对比测试)。因为压缩时高效的多核利用,再加上惊艳的解压,lz4已经在非常多重要场合使用了:Linux3.11内核实现了LZ4,并可以使用其压缩和解压kernel image HBase:Add an LZ4 compression option to HFile等等(参考)。

对于需要频繁压缩、实时快速解压的场景来说,lz4非常适合。

3. 性能环境说明

这里使用同上一篇文章相同的两台主机环境:ping获得RTT是17ms;使用iperf测试带宽是115MB(参考附录);

整个过程有几个阶段:磁盘读取-->打包(tar)-->压缩-->传输-->解压缩-->拆包-->落盘 对应了的速度测试:

3.1 磁盘读取和落盘

磁盘读取(有page cache),能到3GB/s;磁盘写入约428MB:

# dd if=./sendlog.tar of=/dev/null bs=4096 count=1048576
1024002+1 records in
1024002+1 records out
4194314240 bytes (4.2 GB) copied, 1.33946 s, 3.1 GB/s

# dd if=/dev/zero of=./x.zero.file bs=4096 count=1048576
1048576+0 records in
1048576+0 records out
4294967296 bytes (4.3 GB) copied, 10.0306 s, 428 MB/s

3.2 打包、拆包

打包和拆包速度都大于350MB/s:

# time tar -cf sendlog.tar ./sendlog/
real	0m10.996s
# time tar -xf sendlog.tar
real	0m11.564s

3.3 压缩、解压缩

关于各个压缩工具的性能(压缩、解压、压缩率)已经有很多人做了比较,本文不做详细讨论,这里选择gzip/pigz lz4 bzip做本测试的比较:

           | input speed | output speed | rate   | speed of decoder
pigz -p 16 | 327.0MB/s   | 57.2MB/s     | 17.5%  | 95  MB/s
lz4        | 288.0MB/s   | 79.2MB/s     | 27.5%  | 264 MB/s
bzip2      |   4.9MB/s   | 0.65MB/s     | 13.1%  | 25.6MB /s

压缩工具的比较测试参考:Gzip vs Bzip2 vs LZMA vs XZ vs LZ4 vs LZO

可以看到,lz4在压缩率上略微逊色(对比pigz),但是在解压速度上有这惊人的优势。

3.4 传输

前文介绍了scp,约90MB最快的传输速度。

3.5 整体流程

磁盘读取---->打包---->压缩------>传输---->解压缩-->拆包---->落盘
             |->tar   |->gzip    |->ssh   |->gzip  |->tar
                      |->bzip2   |->http  |->bzip
                      |-> ...    |->nc    |->...
                      |->lz4              |->lz4
>400MB/s    >350MB/s  79MB/s     90MB/s   72MB/s    >350MB/s >400MB/s

这里可以看到,解压是最大的瓶颈,使用在解压方面最有优势的压缩工具,能让传输获得最大速度。而lz4正是在解压效率方面有着巨大的优势。

按照上面lz4的测试,传输速度理论值为264MB/s(此时传输速度为264*27.3%=72MB),这也是本次测试的理论上限速度。

4. 实验测试

使用lz4压缩传输:

# time tar -c sendlog/|lz4|ssh -c arcfour128 
 -o"MACs [email protected]" 10.xxx.xx.36 "lz4 -d |tar -xC /u01/backup_supu"
real	0m25.646s
real	0m25.911s
real	0m29.019s

测试三次,分别耗时26s、29s、25.6s,传输的平均速度为:152MB/s,网络带宽占用约41.9MB/s。

使用pigz的压缩传输:

# time tar -c sendlog/|pigz -p 16|ssh -c arcfour128 
 -o"MACs [email protected]" 10.xxx.xx.36 "gzip -d|tar -xC /u01/backup_supu"
rreal	0m37.030s
real	0m25.911s
real	0m29.019s

测试三次,分别耗时37s、37.2s、35.6s,传输的平均速度为:110.7MB/s,网络带宽占用约19.4MB/s。

对比发现,在压缩方面pigz与lz4并没有太大区别,但是lz4解压速度非常快,所以在这种需要立刻解压的场景下,lz4轻松胜出(bzip2这种就不需要测试了)。

4.1 分析

按照第二节中的理论分析,传输速度应该能到260MB,但是上面只有152MB/s,这说明,还有调优的空间。继续分析,看看瓶颈在哪儿:

使用pv工具观察到,tar+lz4有约70MB/s的输出:

 time tar -c sendlog/|lz4|pv > /dev/null
1.02GiB 0:00:14 [70.8MiB/s] [                                 <=>]

比直接lz4输出,要慢了10%左右(lz约79MB/s)。

再加上一次网络ssh:

time tar -c sendlog/|lz4|pv|ssh -c arcfour128 -o "MACs [email protected]" 10.xxx.xxx.36 "cat - >/dev/null"
1.02GiB 0:00:23 [43.9MiB/s] [                                 <=>]

比直接lz4输出,要慢了45%左右(lz约79MB/s);远端再加上解压和拆包,压缩后的传输速度就是41.9MB/s。为什么会下降,还不明了,作者也还没有想到有什么方法能够直接加速这样的管道传输,如果看客有什么建议,不妨分享,看看还能不能优化,继续提升速度。

至此,传输速度就能够到150MB/s。比最原始scp(40MB/s)要快了约4倍,原来400GB需要约3小时,现在只需要45分钟了。

5. lz4参数测试

前面试验发现,整个流程中lz4压缩比预期的要慢45%左右,而这里区别仅仅是一个使用管道(pipe)、一个直接读取。这里尝试通过修改lz4块大小对比,是否有性能提升:

lz4-with-different-block-size

测试命令:

for i in `seq 4 7`; do time tar -c ./sendlog/|lz4 -B$i |pv > /dev/null ;done
1.07GiB 0:00:11 [94.4MiB/s] [                          <=>]
real	0m11.640s
user	0m10.375s
sys	0m4.308s

可以看到块大小为64KB的时候,lz的压缩速度有显著提升(31%)。于是,我们在lz4新增参数-B4,看看是否能够提升性能:

Bang!确实,传输性能提升到了约249MB/s:

time tar -c sendlog/|pv|lz4 -B4|ssh -c arcfour128  
-o"MACs [email protected]" 10.xxx.xxx.36 "lz4 -d |tar -xC /u01/backup_supu"
3.91GiB 0:00:16 [ 249MiB/s] 

real	0m16.067s
user	0m15.553s
sys	0m16.821s

5. 为什么不用nc

就不用它!!!

* nc不比ssh快;如果压缩后传输,nc比ssh没有优势

* nc在脚本中不好调用,需要在两端执行命令

* nc需要一个额外的网络端口

* nc不加密

6. 还能不能更快

本案例中,lz4解压缩的速度是264MB/s,这里能够达到249MB/s,应该还有一点点可以榨取,不过我已经没有招了。

附录

iperf的带宽测试:

iperf -c 10.xxx.xx.18 -p 3999 -t 30
------------------------------------------------------------
Client connecting to 10.xxx.xx.18, TCP port 3999
TCP window size: 16.0 KByte (default)
------------------------------------------------------------
[  3] local 10.xx.xx.36 port 43838 connected with 10.xx.xx.18 port 3999
[ ID] Interval       Transfer     Bandwidth
[  3]  0.0-30.0 sec  3.15 GBytes   903 Mbits/sec

iperf -s -p 3999 -m
------------------------------------------------------------
Server listening on TCP port 3999
TCP window size: 85.3 KByte (default)
------------------------------------------------------------
[  4] local 10.xx.xx.18 port 3999 connected with 10.xx.xx.36 port 43838
[ ID] Interval       Transfer     Bandwidth
[  4]  0.0-30.0 sec  3.15 GBytes   902 Mbits/sec
[  4] MSS size 1448 bytes (MTU 1500 bytes, ethernet)

参考阅读

[email protected] code

lz4's details

LZ4 Streaming Format

Quick Benchmark: Gzip vs Bzip2 vs LZMA vs XZ vs LZ4 vs LZO

lz4: Extremely Fast Compression algorithm

via: http://www.orczhou.com/index.php/2013/11/tranfer-data-faster-on-the-fly/

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