docs/specs/parallelism_improvement.rst

   1 ..
   2  This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0
   3  International License.
   4
   5 ===============================================
   6 Parallelism improvement of Multi Cloud Services
   7 ===============================================
   8
   9
  10 Problem Description
  11 ===================
  12
  13 Multi-Cloud runs Django by using Django's built-in webserver currently.
  14 According to Django Document[Django_Document]_, this mode should not be used
  15 in production. This mode has not gone through security audits or performance
  16 tests, and should only be used in development. From test on local computer,
  17 this mode can only handle ONE API request at one time. This can not meet the
  18 performance requirement.
  19
  20 .. [Django_Document] https://docs.djangoproject.com/en/dev/ref/django-admin/#runserver
  21
  22 Although security and scalability might be improved as the side effect of
  23 resolving the performance issue, this spec will only focus on how to improve
  24 the parallelism(performance) of current MultiCloud API framework.
  25
  26 Possible Solutions
  27 ==================
  28
  29 Solution 1
  30 ----------
  31
  32 Django is a mature framework. And it has its own way to improve parallelism.
  33 Instead of running Django's build-in webserver, Django APP can be deployed in
  34 some dedicated web server. Django’s primary deployment platform is WSGI[django_deploy]_,
  35 the Python standard for web servers and applications.
  36
  37 .. [django_deploy] https://docs.djangoproject.com/en/2.0/howto/deployment/wsgi/
  38
  39
  40 But on the other side, Danjgo is very huge. And Django is a black box if one
  41 doesn't have good knowledge of it. Adding feature based on Django may be
  42 time-consuming. For example, the unit test[unit_test]_ of Multi-Cloud can't use
  43 regular python test library because of Django. The unit test has to base on
  44 Django's test framework. When we want to improve the parallelism of Multi-Cloud
  45 services, we need to find out how Django can implement it, instead of using some
  46 common method.
  47
  48 .. [unit_test] https://gerrit.onap.org/r/#/c/8909/
  49
  50 Besides, Django's code pattern is too much like web code. And, most famous use
  51 cases of Django are web UI. Current code of Multi-Cloud puts many logic in
  52 files named `views.py`, but actually there is no view to expose. It is confusing.
  53
  54 The benefit of this solution is that most current code needs no change.
  55
  56 Solution 2
  57 ----------
  58
  59 Given the fact that Django has shortcomings to move on, this solution propose
  60 to use a alternative framework. Eventlet[Eventlet]_ with Pecan[Pecan]_ will be the
  61 idea web framework in this case, because it is lightweight, lean and widely
  62 used.
  63
  64 .. [Eventlet] http://eventlet.net/doc/modules/wsgi.html
  65
  66 .. [Pecan] https://pecan.readthedocs.io/en/latest/
  67
  68 For example, most OpenStack projects use such framework. This framework is so
  69 thin that it can provide flexibility for future architecture design.
  70
  71 However, it needs to change existing code of API exposing.
  72
  73
  74 Performance Test Comparison
  75 ===========================
  76
  77 Test Environment
  78 ----------------
  79
  80 Apache Benchmark is used as test tool. It is shipped with Ubuntu, if you
  81 don’t find it, just run “sudo apt install -y apache2-utils”
  82
  83 2 Virtual Machine with Ubuntu1604. Virtual Machines are hosted in a multi-core
  84 hardware server. One VM is for Apache Benchmark. This VM is 1 CPU core, 8G mem.
  85 The other VM is for Multicloud. The VM is 4 CPU core, 6G mem.
  86
  87 Test Command
  88 ~~~~~~~~~~~~
  89
  90 `ab  -n <num of total requests> -c <concurrency level> http://<IP:port>/api/multicloud/v0/vim_types`
  91
  92 Test result
  93 -----------
  94
  95 It should be noted that data may vary in different test run, but overall result is
  96 similar as below.
  97
  98 100 requests, concurrency level 1
  99 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
 100
 101 Command:  `ab  -n 100 -c 1 http://<IP:port>/api/multicloud/v0/vim_types`
 102 Result:
 103   Django runserver: total takes 0.512 seconds, all requests success
 104   Django+uwsgi: totally takes 0.671 seconds, all requests success.
 105   Pecan+eventlet:  totally takes 0.149 seconds, all requests success.
 106
 107 10000 requests, concurrency level 100
 108 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
 109
 110 Command:  `ab  -n 10000 -c 100 http://<IP:port>/api/multicloud/v0/vim_types`
 111 Result:
 112   Django runserver: total takes 85.326 seconds, all requests success
 113   Django+uwsgi: totally takes 3.808 seconds, all requests success.
 114   Pecan+eventlet:  totally takes 3.181 seconds, all requests success.
 115
 116 100000 requests, concurrency level 1000
 117 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
 118
 119 Command:  `ab  -n 100000 -c 1000 http://<IP:port>/api/multicloud/v0/vim_types`
 120 Result:
 121   Django runserver: Apache Benchmark quit because it reports timeout after
 122   running a random portion of all requests.
 123   Django+uwsgi: totally takes 37.316 seconds, about 32% requests fail. I see
 124   some error says that tcp socket open too many.
 125   Pecan+eventlet:  totally takes 35.315 seconds, all requests success.
 126
 127 Proposed Change
 128 ===============
 129
 130 Given the test result above, this spec proposes to use solution 2. Based on
 131 the consideration of Elastic API exposure[jira_workitem]_, Multi-Cloud will
 132 provide a new way to expose its API. That is to say, existing code of API
 133 exposing needs rewrite in [jira_workitem]_. So the disadvantage of solution
 134 2 doesn't exist.
 135
 136 .. [jira_workitem] https://jira.onap.org/browse/MULTICLOUD-152
 137
 138 To define a clear scope of this spec, VoLTE is the use case that will be used
 139 to perform test to this spec. All functionality that VoLTE needed should be
 140 implemented in this spec and [jira_workitem]_.
 141
 142 Backward compatibility
 143 ----------------------
 144
 145 This spec will NOT change current API. This spec will NOT replace the current
 146 API framework in R2, nor will switch to new API framework in R2. Instead,
 147 this spec will provide a configuration option, named `web_framework`,  to make
 148 sure use case and functionalities not be broken. Default value of the
 149 configuration will BE `django`, which will still run current Django API
 150 framework. An alternative value is `pecan`, which will run the API framework
 151 proposed in this spec. So users don't care about the change won't be
 152 affected.
 153
 154 WSGI Server
 155 -----------
 156
 157 No matter what API framework will be used, a WSGI Server needs to be provided.
 158 This spec will use Eventlet WSGI server. API framework will be run as an
 159 application in WSGI server.
 160
 161 Multi processes framework
 162 -------------------------
 163
 164 This spec proposes to run Multi-Cloud API server in multiple processes mode.
 165 Multi-process can provide parallel API handlers. So, when multiple API
 166 requests come to Multi-Cloud, they can be handled simultaneously. On the other
 167 hand, different processes can effectively isolate different API request. So
 168 that, one API request will not affect another.
 169
 170 Managing multiple processes could be overwhelming difficult and sometimes
 171 dangerous. Some mature library could be used to reduce related work here, for
 172 example oslo.service[oslo_service]_. Since oslo is used by all OpenStack
 173 projects for many releases, and oslo project is actively updated, it can be
 174 seen as a stable library.
 175
 176 .. [oslo_service] https://github.com/openstack/oslo.service
 177
 178 Number of processes
 179 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
 180
 181 To best utilize multi-core CPU, the number of processes will be set to the
 182 number of CPU cores by default.
 183
 184 Shared socket file
 185 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~
 186
 187 To make multiple processes work together and provide a unified port number,
 188 multiple processes need to share a socket file. To achieve this, a bootstrap
 189 process will be started and will initialize the socket file. Other processes
 190 can be forked from this bootstrap process.
 191
 192 Work Items
 193 ==========
 194
 195 #. Add WSGI server.
 196 #. Run Pecan application in WSGI server.
 197 #. Add multiple processes support.
 198 #. Update deploy script to support new API framework.
 199