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YoMo介绍

​ YoMo 是一套开源的实时边缘计算网关、开发框架和微服务平台，通讯层基于 QUIC 协议 (2020-09-25更新到Draft-31版本)，更好的释放了 5G 等下一代低时延网络的价值。为流式处理（Streaming Computing）设计的编解码器 yomo-codec 能大幅提升计算服务的吞吐量；基于插件的开发模式，5分钟即可上线您的物联网实时边缘计算处理系统。YoMo 目前已在工业互联网领域被部署应用。

官网： https://yomo.run

YoMo Codec 介绍

​ yomo-codec-golang 是通过golang语言实现 YoMo Codec 的 SPEC 描述 ；提供对TLV结构及基础数据类型进行编解码的能力，并且为 YoMo 提供支持其消息处理的编解码工具。你可以为其扩展出更多数据类型的处理，甚至可以扩展并应用到其它需要编解码的框架中。

项目介绍：README.md

为什么需要YoMo-Codec?

​ 众所周知，在HTTP的通信中我们经常会使用JSON作为消息的编解码器，因为它格式简单，易于读写，支持多种语言，所以在互联网应用中很受欢迎，那为什么我们还需要自研YoMo Codec来支持YoMo的应用？

  • YoMo对消息进行流式处理，从中提取受监听的key-value对进行业务逻辑的处理。 如果使用JSON进行编解码，会要求必须等待接收完整的数据包后才能对数据包反序列化为对象，再从中提取对应的key-value值；但对于YoMo Codec，通过把对象数据描述成一组TLV结构，在数据包解码时，可以在解码过程中更早的了解到当前的T是否为所受监听得key，从而判断是否直接跳到下一组TLV结构,而并不需要对非受监听的数据包进行多余的解码操作，从而提升了解码的效率。
  • JSON的解码通常都使用了大量的反射，使得其性能会受到影响，而YoMo Codec因为只对实际被监听的key-value进行解码，实际反射的使用会大大减少。
  • 在工业互联网或者对计算资源要求严格的网络应用中，对相同的编解码操作需要损耗更少的CPU资源，从而使有限的计算资源得到更充分的应用。

本次性能测试是为了验证YoMo Codec比JSON具有更高的数据解码性能的同时具有更少的资源消耗，从而为YoMo提供更为实时、高效、低损耗的消息处理能力。

测试说明

1. 测试方式

  • 通过Benchmark进行基准测试，提供串行和并行两种方式，后者为了查看在充分利用CPU资源的情况下的性能表现。

  • 被测试数据包通过程序生成，并保证Codec与JSON的测试使用的数据包含的key-value对的值完全相同。

  • 被测试数据所包含key-value对的数据被分成3对、16对、32对、63对这几组，分别观察在不同key-value数量的情况下对解码性能的影响，而被监听的key值分别为其数量的中间值，如: K08表示监听第8个key的值。这样就会获得以下几个维度，之后在测试结果的图表中表达出来。

    符号表示 Key-value的数量 被监听的key位置
    C63-K32 共63对key-value 监听提取第32位的key的value值
    C32-K16 共32对key-value 监听提取第16位的key的value值
    C16-K08 共16对key-value 监听提取第08位的key的value值
    C03-K02 共03对key-value 监听提取第02位的key的value值

  • 测试的结果内容包括：

    • 从数据包中解码并提取被监听key对应的value值的操作的性能比较。
    • 在相同的解码提取的场景中比较其占用CPU的时间。

2. 数据结构

  • Y3 测试数据

    0x80
    0x01 value
    ....
    0x3f value

  • JSON 测试数据的结构

    {
    "k1": value,
    ...
    "k63" value
}

3. 数据处理逻辑

TakeValueFromXXX

4. 测试项目

  • 本测试报告的代码均可从 yomo-y3-stress-testing项目获得。

  • 主要代码结构说明(只列举与本测试直接相关的文件说明)：

    
├── cpu
│   ├── cpu_pprof.go											// 用于生成cpu的profile信息
├── docs
│   ├── report_graphics.ipynb							// 生成Benchmark测试结果相关的性能比较图表
├── internal
│   ├── decoder
│   │   ├── codec.go											// TakeValueFromCodec 用于进行单次提取的测试
│   │   ├── json.go												// TakeValueFromJSON 用于进行单次提取的测试
│   │   ├── report_parallel
│   │   │   ├── report_benchmark_test.go	// 通过Benchmark进行并行测试的代码
│   │   │   └── report_benchmark_test.sh	// 进行并行测试并格式化测试结果，用于适配report_graphics.ipynb
│   │   ├── report_serial
│   │   │   ├── report_benchmark_test.go	// 通过Benchmark进行串行测试的代码
│   │   │   └── report_benchmark_test.sh  // 进行串行测试并格式化测试结果，用于适配report_graphics.ipynb
│   ├── generator
│   │   ├── codec_data.go									// codecTestData生成Codec的数据集
│   │   └── json_data.go									// jsonTestData生成JSON的数据集
│   ├── pprof
│   │   └── pprof.go											// 支持获取pprof信息

5. 测试环境

  • 硬件环境：
    • CPU：2.6 GHz 6P intel Core i7，GOMAXPROCS=12
    • 内存：32GB
    • 硬盘：SSD
  • 软件环境：

Benchmark测试

1. 串行测试过程

  • 被测试代码：./internal/decoder/report_serial/report_benchmark_test.go，如：

    // 针对YoMo Codec Y3进行基准测试
func Benchmark_Codec_C63_K32(b *testing.B) {
	var key byte = 0x20
	data := generator.NewCodecTestData().GenDataBy(63)
	b.ResetTimer()
	for i := 0; i < b.N; i++ {
		if decoder.TakeValueFromCodec(key, data) == nil {
			panic(errors.New("take is failure"))
		}
	}
}

// 针对JSON进行基准测试
func Benchmark_Json_C63_K32(b *testing.B) {
	key := "k32"
	data := generator.NewJsonTestData().GenDataBy(63)
	data = append(data, decoder.TokenEnd)
	b.ResetTimer()
	for i := 0; i < b.N; i++ {
		if decoder.TakeValueFromJson(key, data) == nil {
			panic(errors.New("take is failure"))
		}
	}
}
    • Benchmark_Codec_C63_K32：表示针对key-value为63组的数据集中提取第32个key的数据值，对此进行串行的基准测试。
    • 默认：GOMAXPROCS=12

  • 启动测试脚本： ./internal/decoder/report_serial/report_benchmark_test.sh

    temp_file="../../../docs/temp.out"
report_file="../../../docs/report.out"
go test -bench=. -benchtime=3s -benchmem -run=none | grep Benchmark > ${temp_file} \
  && echo 'finished bench' \
  && cat ${temp_file} \
  && cat ${temp_file} | awk '{print $1,$3}' | awk -F "_" '{print $2,$3"-"substr($4,1,3),substr($4,7)}' | awk -v OFS=, '{print $1,$2,$3}' > ${report_file} \
  && echo 'finished analyse' \
  && cat ${report_file}

    通过对report_benchmark_test.go测试文件运行benchmark基准测试，生成测试结果集并保存到./docs/report.out文件中。

  • 生成结果图表：./docs/report_graphics.ipynb

    python --version # Python version > 3.2.x
pip install runipy
bar_ylim=70000 barh_xlim=20 runipy ./report_graphics.ipynb

2. 并行测试过程

为了最大限度的提高CPU的利用率，观察解码器在多核场景下的表现，增加了Parallel的测试项

  • 被测试代码：./internal/decoder/report_parallel/report_benchmark_test.go，如：

    func Benchmark_Codec_C63_K32(b *testing.B) {
	var key byte = 0x20
	data := generator.NewCodecTestData().GenDataBy(63)
	b.ResetTimer()
	b.RunParallel(func(pb *testing.PB) {
		for pb.Next(){
			if decoder.TakeValueFromCodec(key, data) == nil {
				panic(errors.New("take is failure"))
			}
		}
	})
}
    • 代码与串行的主体相同，差别在于使用RunParallel来进行并行的测试
    • 默认：GOMAXPROCS=12

  • 启动测试脚本： ./internal/decoder/report_parallel/report_benchmark_test.sh 生成测试结果集并保存到./docs/report.out文件中。

  • 生成结果图表：

    bar_ylim=18000 barh_xlim=25 runipy ./report_graphics.ipynb

3. 测试结果

  • 串行Benchmark测试结果：

    • 单次解码提取的耗时比较：图3.1

    report1_serial

    • Y3与JSON耗时增长的比率：图3.2

      report2_serial

    • 图表说明：
      • 图3.1的坐标：C63-K32，表示数据包中含有63对key-value，并且监听相同的第32位的key提取其value。
      • 图3.1的Y坐标：表示单次操作耗时的纳秒数。
      • 图3.2的X坐标：表示 (JSON解码耗时/Y3解码耗时)的增加倍数。如：43010/2077=20.07

  • 并行Benchmark测试结果：

    • 单次解码提取的耗时比较：图3.3

      report1_parallel

    • Y3与JSON耗时增长的比率：图3.4

      report2_parallel

4. 测试分析

上述测试结果可见：

  • Y3的解码性能比JSON有很大得提升，随着数据包中包含的key-value对越多，则性能提升越明显，平均有10倍的增长。 (20.7+15.8+6.2+3.3)/4=11.5

  • 利用多核进行并行解码，其ns/op的性能也有很大的提升。并行与串行对比有3倍的提升：

    C63-K32 C32-K16 C16-K08 C03-K02
    串行测试 2077 1361 1667 610
    并行测试 706 505 515 175
    增长 290% 260% 320% 350%

CPU资源分析

1. 测试过程

  • 被测试代码： ./cpu/cpu_pprof.go

    func main() {
	dataCodec := generator.NewCodecTestData().GenDataBy(63)
	dataJson := generator.NewJsonTestData().GenDataBy(63)
	dataJson = append(dataJson, decoder.TokenEnd)

	// pprof
	fmt.Printf("start pprof\n")
	go pprof.Run()
	time.Sleep(5 * time.Second)

	fmt.Printf("start testing...\n")
	for {
		if decoder.TakeValueFromCodec(0x20, dataCodec) == nil {
			panic(errors.New("take is failure"))
		}
		if decoder.TakeValueFromJson("k32", dataJson) == nil {
			panic(errors.New("take is failure"))
		}
	}
}
    • pprof.Run()：用于启动pprof

  • 程序不断循环的对Y3和JSON进行解码，通过观察cpu profile的取样图观察其CPU的资源占比

  • 运行测试：

    # 运行被观察代码，pprof默认启动6060端口
go run ./cpu_pprof.go
# 进行取样，通过8081端口观察分析图
go tool pprof -http=":8081" http://localhost:6060/debug/cpu/profile

2.测试结果

cpu

3.测试分析

从上图可见，YoMo Codec Y3得解码对CPU资源的占用远远低于JSON，差值也有10倍以上(0.73/0.07=10.4)，这个观察与Benchmark可以对应上，对CPU资源占用低，同时解码速度也有质的提升。

测试结论

​ Y3较JSON的解码性能有一个数量级的提升，数据包中的key数量越多性能提升越明显，同时Y3对CPU资源的占用也有一个数量级的降低；通过本次的性能测试可验证YoMo Codec Y3的解码能力能够为YoMo或者其它需要高性能解码的场景提供实时、高效、低损耗的消息处理能力。