北京艾銻無限告訴您：存儲性能指標---IOPS

2020-02-13 16:48 作者：admin 瀏覽量：

 
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北京艾銻無限告訴您：存儲性能指標---IOPS
 
一、磁盤 I/O 的概念
I/O 的概念，從字義來理解就是輸入輸出。操作系統從上層到底層，各個層次之間均存在 I/O。比如，CPU 有 I/O，內存有 I/O, VMM 有 I/O, 底層磁盤上也有 I/O，這是廣義上的 I/O。通常來講，一個上層的 I/O 可能會產生針對磁盤的多個 I/O，也就是說，上層的 I/O 是稀疏的，下層的 I/O 是密集的。
磁盤的 I/O，顧名思義就是磁盤的輸入輸出。輸入指的是對磁盤寫入數據，輸出指的是從磁盤讀出數據。我們常見的磁盤類型有 ATA、SATA、FC、SCSI、SAS，如圖1所示。這幾種磁盤中，服務器常用的是 SAS 和 FC 磁盤，一些高端存儲也使用 SSD 盤。每一種磁盤的性能是不一樣的。 圖 1. 物理磁盤的架構以及常見磁盤類型
二、性能評價指標
SAN（Storage Area Network, 存儲區域網絡）和NAS存儲（Network Attached Storage，網絡附加存儲)一般都具備2個評價指標：IOPS和帶寬（throughput），兩個指標互相獨立又相互關聯。體現存儲系統性能的最主要指標是IOPS。下面，將介紹一下這兩個參數的含義。
IOPS (Input/Output Per Second)即每秒的輸入輸出量(或讀寫次數)，是衡量磁盤性能的主要指標之一。IOPS是指單位時間內系統能處理的I/O請求數量，I/O請求通常為讀或寫數據操作請求。隨機讀寫頻繁的應用，如OLTP(Online Transaction Processing)，IOPS是關鍵衡量指標。另一個重要指標是數據吞吐量(Throughput)，指單位時間內可以成功傳輸的數據數量。對于大量順序讀寫的應用，如VOD(Video On Demand)，則更關注吞吐量指標。
簡而言之：
 
磁盤的 IOPS，也就是在一秒內，磁盤進行多少次 I/O 讀寫。
磁盤的吞吐量，也就是每秒磁盤 I/O 的流量，即磁盤寫入加上讀出的數據的大小。
IOPS 與吞吐量的關系
每秒 I/O 吞吐量＝ IOPS* 平均 I/O SIZE。從公式可以看出： I/O SIZE 越大，IOPS 越高，那么每秒 I/O 的吞吐量就越高。因此，我們會認為 IOPS 和吞吐量的數值越高越好。實際上，對于一個磁盤來講，這兩個參數均有其最大值，而且這兩個參數也存在著一定的關系。
IOPS可細分為如下幾個指標：
1. Toatal IOPS，混合讀寫和順序隨機I/O負載情況下的磁盤IOPS，這個與實際I/O情況最為相符，大多數應用關注此指標。
2. Random Read IOPS，100%隨機讀負載情況下的IOPS。
3. Random Write IOPS，100%隨機寫負載情況下的IOPS。
4. Sequential Read IOPS，100%順序讀負載情況下的IOPS。
5. Sequential Write IOPS，100%順序寫負載情況下的IOPS。
下圖為一個典型的NFS測試結果： IOPS的測試benchmark工具主要有Iometer, IoZone, FIO等，可以綜合用于測試磁盤在不同情形下的IOPS。對于應用系統，需要首先確定數據的負載特征，然后選擇合理的IOPS指標進行測量和對比分析，據此選擇合適的存儲介質和軟件系統。
 
IOPS計算公式
對于磁盤來說一個完整的IO操作是這樣進行的：當控制器對磁盤發出一個IO操作命令的時候，磁盤的驅動臂(Actuator Arm)帶讀寫磁頭(Head)離開著陸區(Landing Zone，位于內圈沒有數據的區域)，移動到要操作的初始數據塊所在的磁道(Track)的正上方，這個過程被稱為尋址(Seeking)，對應消耗的時間被稱為尋址時間(Seek Time);但是找到對應磁道還不能馬上讀取數據，這時候磁頭要等到磁盤盤片(Platter)旋轉到初始數據塊所在的扇區(Sector)落在讀寫磁頭正上方的之后才能開始讀取數據，在這個等待盤片旋轉到可操作扇區的過程中消耗的時間稱為旋轉延時(Rotational Delay);接下來就隨著盤片的旋轉，磁頭不斷的讀/寫相應的數據塊，直到完成這次IO所需要操作的全部數據，這個過程稱為數據傳送(Data Transfer)，對應的時間稱為傳送時間(Transfer Time)。完成這三個步驟之后一次IO操作也就完成了。
在我們看硬盤廠商的宣傳單的時候我們經常能看到3個參數，分別是平均尋址時間、盤片旋轉速度以及最大傳送速度，這三個參數就可以提供給我們計算上述三個步驟的時間。
第一個尋址時間，考慮到被讀寫的數據可能在磁盤的任意一個磁道，既有可能在磁盤的最內圈(尋址時間最短)，也可能在磁盤的最外圈(尋址時間最長)，所以在計算中我們只考慮平均尋址時間，也就是磁盤參數中標明的那個平均尋址時間，這里就采用當前最多的10krmp硬盤的5ms。
第二個旋轉延時，和尋址一樣，當磁頭定位到磁道之后有可能正好在要讀寫扇區之上，這時候是不需要額外額延時就可以立刻讀寫到數據，但是最壞的情況確實要磁盤旋轉整整一圈之后磁頭才能讀取到數據，所以這里我們也考慮的是平均旋轉延時，對于10krpm的磁盤就是(60s/10k)*(1/2) = 2ms。
第三個傳送時間，磁盤參數提供我們的最大的傳輸速度，當然要達到這種速度是很有難度的，但是這個速度卻是磁盤純讀寫磁盤的速度，因此只要給定了單次 IO的大小，我們就知道磁盤需要花費多少時間在數據傳送上，這個時間就是IO Chunk Size / Max Transfer Rate。
現在我們就可以得出這樣的計算單次IO時間的公式。
　　IO Time = Seek Time + 60 sec/Rotational Speed/2 + IO Chunk Size/Transfer Rate
于是我們可以這樣計算出IOPS。
　　IOPS = 1/IO Time = 1/(Seek Time + 60 sec/Rotational Speed/2 + IO Chunk Size/Transfer Rate)
對于給定不同的IO大小我們可以得出下面的一系列的數據
　　4K (1/7.1 ms = 140 IOPS)
　　5ms + (60sec/15000RPM/2) + 4K/40MB = 5 + 2 + 0.1 = 7.1
　　8k (1/7.2 ms = 139 IOPS)
　　5ms + (60sec/15000RPM/2) + 8K/40MB = 5 + 2 + 0.2 = 7.2
　　16K (1/7.4 ms = 135 IOPS)
　　5ms + (60sec/15000RPM/2) + 16K/40MB = 5 + 2 + 0.4 = 7.4
　　32K (1/7.8 ms = 128 IOPS)
　　5ms + (60sec/15000RPM/2) + 32K/40MB = 5 + 2 + 0.8 = 7.8
　　64K (1/8.6 ms = 116 IOPS)
　　5ms + (60sec/15000RPM/2) + 64K/40MB = 5 + 2 + 1.6 = 8.6
從上面的數據可以看出，當單次IO越小的時候，單次IO所耗費的時間也越少，相應的IOPS也就越大。
上面我們的數據都是在一個比較理想的假設下得出來的，這里的理想的情況就是磁盤要花費平均大小的尋址時間和平均的旋轉延時，這個假設其實是比較符合我們實際情況中的隨機讀寫，在隨機讀寫中，每次IO操作的尋址時間和旋轉延時都不能忽略不計，有了這兩個時間的存在也就限制了IOPS的大小。現在我們考慮一種相對極端的順序讀寫操作，比如說在讀取一個很大的存儲連續分布在磁盤的的文件，因為文件的存儲的分布是連續的，磁頭在完成一個讀IO操作之后，不需要從新的尋址，也不需要旋轉延時，在這種情況下我們能到一個很大的IOPS值，如下。
　　4K (1/0.1 ms = 10000 IOPS)
　　0ms + 0ms + 4K/40MB = 0.1
　　8k (1/0.2 ms = 5000 IOPS)
　　0ms + 0ms + 8K/40MB = 0.2
　　16K (1/0.4 ms = 2500 IOPS)
　　0ms + 0ms + 16K/40MB = 0.4
　　32K (1/0.8 ms = 1250 IOPS)
　　0ms + 0ms + 32K/40MB = 0.8
　　64K (1/1.6 ms = 625 IOPS)
　　0ms + 0ms + 64K/40MB = 1.6
相比第一組數據來說差距是非常的大的，因此當我們要用IOPS來衡量一個IO系統的系能的時候我們一定要說清楚是在什么情況的IOPS，也就是要說明讀寫的方式以及單次IO的大小，當然在實際當中，特別是在OLTP的系統的，隨機的小IO的讀寫是最有說服力的。
另外，對于同一個磁盤（或者 LUN），隨著每次 I/O 讀寫數據的大小不通，IOPS 的數值也不是固定不變的。例如，每次 I/O 寫入或者讀出的都是連續的大數據塊，此時 IOPS 相對會低一些；在不頻繁換道的情況下，每次寫入或者讀出的數據塊小，相對來講 IOPS 就會高一些。也就是說，IOPS 也取決與I/O塊的大小，采用不同I/O塊的大小測出的IOPS值是不同的。 對一個具體的IOPS, 可以了解它當時測試的I/O塊的尺寸。并且IOPS都具有極限值，表1列出了各種磁盤的 IOPS 極限值。
表 1. 常見磁盤類型及其 IOPS    
三、I/O 讀寫的類型
大體上講，I/O 的類型可以分為：讀 / 寫 I/O、大 / 小塊 I/O、連續 / 隨機 I/O, 順序 / 并發 I/O。在這幾種類型中，我們主要討論一下：大 / 小塊 I/O、連續 / 隨機 I/O, 順序 / 并發 I/O。
大 / 小塊 I/O
這個數值指的是控制器指令中給出的連續讀出扇區數目的多少。如果數目較多，如 64，128 等，我們可以認為是大塊 I/O；反之，如果很小，比如 4，8，我們就會認為是小塊 I/O，實際上，在大塊和小塊 I/O 之間，沒有明確的界限。
連續 / 隨機 I/O
連續 I/O 指的是本次 I/O 給出的初始扇區地址和上一次 I/O 的結束扇區地址是完全連續或者相隔不多的。反之，如果相差很大，則算作一次隨機 I/O
連續 I/O 比隨機 I/O 效率高的原因是：在做連續 I/O 的時候，磁頭幾乎不用換道，或者換道的時間很短；而對于隨機 I/O，如果這個 I/O 很多的話，會導致磁頭不停地換道，造成效率的極大降低。
順序 / 并發 I/O
從概念上講，并發 I/O 就是指向一塊磁盤發出一條 I/O 指令后，不必等待它回應，接著向另外一塊磁盤發 I/O 指令。對于具有條帶性的 RAID（LUN），對其進行的 I/O 操作是并發的，例如：raid 0+1(1+0),raid5 等。反之則為順序 I/O。
 
四、磁盤 I/O 性能的監控
監控磁盤的 I/O 性能，我們可以使用 AIX 的系統命令，例如：sar -d, iostat, topas, nmon 等。下面，我將以 nmon 和 topas 為例，講述在系統中如何觀察磁盤 I/O 的性能。
topas
登錄 AIX 操作系統，輸入 topas，然后按 D，會出現如下界面：
  在上圖中，TPS 即為磁盤的 IOPS，KBPS 即為磁盤每秒的吞吐量。由于服務器處于空閑的狀態，我們可以看到 IOPS，KBPS 的數據都非常低。
我們使用 dd if 命令向磁盤 hdisk2 發讀 I/O，block 大小為 1MB：
  利用 topas 進行監控：
  此時，hdisk2 的吞吐量為 163.9M，IOPS 為 655。
我們再啟動一個 dd if，使 hdisk 的 busy 數值達到 100%： 從上圖可以看出，在磁盤 busy 達到 100% 的時候，其吞吐量為 304.1M，IOPS 為 1200。
hdisk2 是本地集成的 SAS 盤，我們可以查出本地集成 SAS 通道的帶寬為 3Gb： 對于 3Gb 的 SAS 通道，304.1M 的磁盤吞吐量已經接近其 I/O 帶寬的峰值了。
需要指出的是，使用 dd if 測量磁盤的帶寬是可行的，但是由此來確定業務 I/O 的 IOPS 和吞吐量是不科學的。因為，dd if 所發起的讀寫僅為順序 I/O 讀寫，在 OLTP 的業務中，這種讀寫是不常見的，而是隨機小 I/O 比較多，因此，測量業務的磁盤 I/O 性能，需要在運行業務的時候進行監控。
nmon
在系統中輸入 nmon，按 d，可以得到如下界面 : 可以得到此時磁盤 hdisk2 吞吐量為 318M。
使用 nmon 收集一個時間段的數據，然后使用 nmon analyzer 進行分析，可以得出更為直接的圖表： 將收集好的 nmon 文件使用 nmon analyzer 進行分析，得出如下報表：
圖 2.nmon 圖表顯示磁盤性能 五、磁盤 I/O 性能調優
確認磁盤 I/O 存在性能問題
對于隨機負載，當遇到余下情況時，我們那通常認為存在 I/O 性能問題：
1. 平均讀時間大于 15ms
2. 在具有寫 cache 的條件下，平均寫時間大于 2.5ms
對于順序負載，當遇到余下情況時，我們那通常認為存在 I/O 性能問題：
1. 在一個磁盤上有兩個連續的 I/O 流
2. 吞吐量不足（即遠遠小于磁盤 I/O 帶寬）
對于一塊磁盤來講，隨著 IOPS 數量的增加，I/O service 也會增加，并且會有一個飽和點，即 IOPS 達到某個點以后，IOPS 再增加將會引起 I/O service time 的顯著增加。
圖 3. 磁盤 IOPS 與 IO service time 關系圖 從經驗上講，我們在測試工作中，我們主要關注 IOPS 和吞吐量以及磁盤的 busy% 這三個數值。如果 IOPS 和吞吐量均很低，磁盤的 busy% 也很低，我們會認為磁盤壓力過小，造成吞吐量和 IOPS 過低；只有在 IOPS 和吞吐量均很低，磁盤的 busy% 很高（接近 100%）的時候，我們才會從磁盤 I/O 方面分析 I/O 性能