使用tar+lz4/pigz+ssh更快的数据传输

使用tar+lz4/pigz+ssh更快的数据传输
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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)。

目录 [hide]
. 结论
. 关于lz4
. 性能环境说明
3.1 磁盘读取和落盘
3.2 打包、拆包
3.3 压缩、解压缩
3.4 传输
3.5 整体流程
. 实验测试
4.1 分析
. lz4参数测试
. 为什么不用nc
. 还能不能更快
附录
参考阅读
. 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 umac-64@openssh.com" .xxx.xxx. "lz4 -d |tar -xC /u01/backup_supu"
.91GiB :: [ 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

. 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。

. 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= count=
+ records in
+ records out
 bytes (4.2 GB) copied, 1.33946 s, 3.1 GB/s

# dd if=/dev/zero of=./x.zero.file bs= count=
+ records in
+ records out
 bytes (4.3 GB) copied, 10.0306 s,  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  | .0MB/s   | .2MB/s     | 17.5%  |   MB/s
lz4        | .0MB/s   | .2MB/s     | 27.5%  |  MB/s
bzip2      |   .9MB/s   | .65MB/s     | 13.1%  | .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。

. 实验测试
使用lz4压缩传输：

# time tar -c sendlog/|lz4|ssh -c arcfour128 \
 -o"MACs umac-64@openssh.com" .xxx.xx. "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、.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 |ssh -c arcfour128 \
 -o"MACs umac-64@openssh.com" .xxx.xx. "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、.2s、.6s，传输的平均速度为：.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
.02GiB :: [.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 umac-64@openssh.com" .xxx.xxx. "cat - >/dev/null"
.02GiB :: [.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。

. 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  `; do time tar -c ./sendlog/|lz4 -B$i |pv > /dev/null ;done
.07GiB :: [.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(%)。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 umac-64@openssh.com" .xxx.xxx. "lz4 -d |tar -xC /u01/backup_supu"
.91GiB :: [ 249MiB/s] 

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

. 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 .xxx.xx. -p  -t
------------------------------------------------------------
Client connecting to .xxx.xx., TCP port
TCP window size: 16.0 KByte (default)
------------------------------------------------------------
[  ] local .xx.xx. port  connected with .xx.xx. port
[ ID] Interval       Transfer     Bandwidth
[  ]  0.0-30.0 sec  3.15 GBytes    Mbits/sec

iperf -s -p  -m
------------------------------------------------------------
Server listening on TCP port
TCP window size: 85.3 KByte (default)
------------------------------------------------------------
[  ] local .xx.xx. port  connected with .xx.xx. port
[ ID] Interval       Transfer     Bandwidth
[  ]  0.0-30.0 sec  3.15 GBytes    Mbits/sec
[  ] MSS size  bytes (MTU  bytes, ethernet)
参考阅读
* lz4@Google 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

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