判定磁盘性能指标 —— IOPS、吞吐量及测试

发布时间：2020-05-13

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磁盘性能指标--IOPS
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        IOPS (Input/Output Per Second)即每秒的输入输出量(或读写次数)，是衡量磁盘性能的主要指标之一。IOPS是指单位时间内系统能处理的I/O请求数量，一般以每秒处理的I/O请求数量为单位，I/O请求通常为读或写数据操作请求。

    随机读写频繁的应用，如小文件存储(图片)、OLTP数据库、邮件服务器，关注随机读写性能，IOPS是关键衡量指标。

    顺序读写频繁的应用，传输大量连续数据，如电视台的视频编辑，视频点播VOD(Video On Demand)，关注连续读写性能。数据吞吐量是关键衡量指标。

IOPS和数据吞吐量适用于不同的场合：
读取10000个1KB文件，用时10秒 Throught(吞吐量)=1MB/s ，IOPS=1000 追求IOPS
读取1个10MB文件，用时0.2秒 Throught(吞吐量)=50MB/s, IOPS=5 追求吞吐量

磁盘服务时间
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传统磁盘本质上一种机械装置，如FC, SAS, SATA磁盘，转速通常为5400/7200/10K/15K rpm不等。影响磁盘的关键因素是磁盘服务时间，即磁盘完成一个I/O请求所花费的时间，它由寻道时间、旋转延迟和数据传输时间三部分构成。

寻道时间 Tseek是指将读写磁头移动至正确的磁道上所需要的时间。寻道时间越短，I/O操作越快，目前磁盘的平均寻道时间一般在3－15ms。
旋转延迟 Trotation是指盘片旋转将请求数据所在扇区移至读写磁头下方所需要的时间。旋转延迟取决于磁盘转速，通常使用磁盘旋转一周所需时间的1/2表示。比如，7200 rpm的磁盘平均旋转延迟大约为60*1000/7200/2 = 4.17ms，而转速为15000 rpm的磁盘其平均旋转延迟为2ms。
数据传输时间 Ttransfer是指完成传输所请求的数据所需要的时间，它取决于数据传输率，其值等于数据大小除以数据传输率。目前IDE/ATA能达到133MB/s，SATA II可达到300MB/s的接口数据传输率，数据传输时间通常远小于前两部分消耗时间。简单计算时可忽略。

常见磁盘平均物理寻道时间为：
7200转/分的STAT硬盘平均物理寻道时间是9ms
10000转/分的STAT硬盘平均物理寻道时间是6ms
15000转/分的SAS硬盘平均物理寻道时间是4ms

常见硬盘的旋转延迟时间为：

7200 rpm的磁盘平均旋转延迟大约为60*1000/7200/2 = 4.17ms

10000 rpm的磁盘平均旋转延迟大约为60*1000/10000/2 = 3ms，

15000 rpm的磁盘其平均旋转延迟约为60*1000/15000/2 = 2ms。

最大IOPS的理论计算方法
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IOPS = 1000 ms/ (寻道时间 + 旋转延迟)。可以忽略数据传输时间。

7200 rpm的磁盘IOPS = 1000 / (9 + 4.17) = 76 IOPS
10000 rpm的磁盘IOPS = 1000 / (6+ 3) = 111 IOPS
15000 rpm的磁盘IOPS = 1000 / (4 + 2) = 166 IOPS

影响测试的因素
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实际测量中，IOPS数值会受到很多因素的影响，包括I/O负载特征(读写比例，顺序和随机，工作线程数，队列深度，数据记录大小)、系统配置、操作系统、磁盘驱动等等。因此对比测量磁盘IOPS时，必须在同样的测试基准下进行，即便如此也会产生一定的随机不确定性。

队列深度说明
NCQ、SCSI TCQ、PATA TCQ和SATA TCQ技术解析
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    是一种命令排序技术，一把喂给设备更多的IO请求，让电梯算法和设备有机会来安排合并以及内部并行处理，提高总体效率。
SCSI TCQ的队列深度支持256级
ATA TCQ的队列深度支持32级（需要8M以上的缓存）
NCQ最高可以支持命令深度级数为32级，NCQ可以最多对32个命令指令进行排序。
    大多数的软件都是属于同步I/O软件，也就是说程序的一次I/O要等到上次I/O操作的完成后才进行，这样在硬盘中同时可能仅只有一个命令，也是无法发挥这个技术的优势，这时队列深度为1。
    随着Intel的超线程技术的普及和应用环境的多任务化，以及异步I/O软件的大量涌现。这项技术可以被应用到了，实际队列深度的增加代表着性能的提高。
在测试时，队列深度为1是主要指标，大多数时候都参考1就可以。实际运行时队列深度也一般不会超过4.

IOPS可细分为如下几个指标：
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数据量为n字节，队列深度为k时，随机读取的IOPS
数据量为n字节，队列深度为k时，随机写入的IOPS

二、举例测试：

UOS公有云开放以来，一些用户反应用dd命令测试出来的1TB云硬盘的吞吐率(MBPS)只有128MB/s，而不是我们SLA保证的170MB /s ，这是为什么？下面我会简单介绍如何测试硬盘，RAID，SAN，SSD，云硬盘等，然后再来回答上面的问题。

测试前提

我们在进行测试时，都会分清楚:

测试对象：要区分硬盘、SSD、RAID、SAN、云硬盘等，因为它们有不同的特点
测试指标：IOPS和MBPS(吞吐率)，下面会具体阐述
测试工具：Linux下常用Fio、dd工具, Windows下常用IOMeter,
测试参数: IO大小，寻址空间，队列深度，读写模式，随机/顺序模式
测试方法：也就是测试步骤。

测试是为了对比，所以需要定性和定量。在宣布自己的测试结果时，需要说明这次测试的工具、参数、方法，以便于比较。

测试工具 fio:

顺序读

测试命令:fio -name iops -rw=read -bs=4k -runtime=60 -iodepth 32 -filename /dev/sda6 -ioengine libaio -direct=1

可以看到在对4KB数据包进行连续读的情况下:

SSD其速度可以达到404MB/S，IOPS达到103K/S

SAS其速度可以达到190MB/S，IOPS达到41K/S

SATA其速度可以达到124MB/S，IOPS达到31K/S

顺序读，SAS总体表现是SATA硬盘的1.3倍，SSD总体表现是sata硬盘的4倍。

随机读

测试命令 fio -name iops -rw=randread -bs=4k -runtime=60 -iodepth 32 -filename /dev/sda6 -ioengine libaio -direct=1

SATA
Jobs: 1 (f=1): [r] [41.0% done] [466K/0K /s] [114 /0  iops] [eta 00m:36s]
SAS
Jobs: 1 (f=1): [r] [41.0% done] [1784K/0K /s] [456 /0  iops] [eta 00m:36s]
SSD
Jobs: 1 (f=1): [R] [100.0% done] [505M/0K /s] [129K /0  iops] [eta 00m:00s]

随机读，SAS总体表现是SATA硬盘的4倍，SSD总体表现是sata硬盘的一千多倍。

顺序写

测试命令:fio -name iops -rw=write -bs=4k -runtime=60 -iodepth 32 -filename /dev/sda6 -ioengine libaio -direct=1

同样的4KB数据包顺序写的情况下，SSD卡的成绩为592MB/S，IOPS为152K。而本地硬盘仅为118MB/S，IOPS仅为30290。

随机写

测试命令: fio -name iops -rw=randwrite -bs=4k -runtime=60 -iodepth 32 -filename /dev/sda6 -ioengine libaio -direct=1

在接下来的4KB数据包随机写操作中，SSD卡再次展示了其高超的IO性能，高达549MB/S的随机写速率，IOPS高达140K。相比之下，本地硬盘的随机读写仅为548KB/S，IOPS为134。

存储系统模型

为了更好的测试，我们需要先了解存储系统，块存储系统本质是一个排队模型，我们可以拿银行作为比喻。还记得你去银行办事时的流程吗？

去前台取单号
等待排在你之前的人办完业务
轮到你去某个柜台
柜台职员帮你办完手续1
柜台职员帮你办完手续2
柜台职员帮你办完手续3
办完业务，从柜台离开

如何评估银行的效率呢：

服务时间 = 手续1 + 手续2 + 手续3
响应时间 = 服务时间 + 等待时间
性能 = 单位时间内处理业务数量

那银行如何提高效率呢:

增加柜台数
降低服务时间

因此，排队系统或存储系统的优化方法是

增加并行度
降低服务时间

硬盘测试

硬盘原理

我们应该如何测试SATA/SAS硬盘呢？

每个硬盘都有一个磁头(相当于银行的柜台)，硬盘的工作方式是：

收到IO请求，得到地址和数据大小
移动磁头(寻址)
找到相应的磁道(寻址)
读取数据
传输数据

则磁盘的随机IO服务时间:

服务时间 = 寻道时间 + 旋转时间 + 传输时间

对于10000转速的SATA硬盘来说，一般寻道时间是7 ms，旋转时间是3 ms, 64KB的传输时间是 0.8 ms，则SATA硬盘每秒可以进行随机IO操作是 1000/(7 + 3 + 0.8) = 93，所以我们估算SATA硬盘64KB随机写的IOPS是93。一般的硬盘厂商都会标明顺序读写的MBPS。

我们在列出IOPS时，需要说明IO大小，寻址空间，读写模式，顺序/随机，队列深度。我们一般常用的IO大小是4KB，这是因为文件系统常用的块大小是4KB。

使用dd测试硬盘

虽然硬盘的性能是可以估算出来的，但是怎么才能让应用获得这些性能呢？对于测试工具来说，就是如何得到IOPS和MBPS峰值。我们先用dd测试一下SATA硬盘的MBPS(吞吐量)。

为什么这块硬盘的MBPS只有68MB/s? 这是因为磁盘利用率是78%，没有到达95%以上，还有部分时间是空闲的。当dd在前一个IO响应之后，在准备发起下一个IO时，SATA硬盘是空闲的。那么如何才能提高利用率，让磁盘不空闲呢？只有一个办法，那就是增加硬盘的队列深度。相对于CPU来说，硬盘属于慢速设备，所有操作系统会有给每个硬盘分配一个专门的队列用于缓冲IO请求。

队列深度

什么是磁盘的队列深度？

<<<<<<<<在某个时刻,有N个inflight的IO请求,包括在队列中的IO请求、磁盘正在处理的IO请求。N就是队列深度。

加大硬盘队列深度就是让硬盘不断工作，减少硬盘的空闲时间。

<<<<<<<<加大队列深度 -> 提高利用率 -> 获得IOPS和MBPS峰值 -> 注意响应时间在可接受的范围内

增加队列深度的办法有很多

使用异步IO，同时发起多个IO请求，相当于队列中有多个IO请求
多线程发起同步IO请求，相当于队列中有多个IO请求
增大应用IO大小，到达底层之后，会变成多个IO请求，相当于队列中有多个IO请求队列深度增加了。

队列深度增加了，IO在队列的等待时间也会增加，导致IO响应时间变大，这需要权衡。让我们通过增加IO大小来增加dd的队列深度，看有没有效果：

可以看到2MB的IO到达底层之后，会变成多个512KB的IO，平均队列长度为2.39，这个硬盘的利用率是97%，MBPS达到了197MB/s。(为什么会变成512KB的IO，你可以去使用Google去查一下内核参数 max_sectors_kb的意义和使用方法 )

也就是说增加队列深度，是可以测试出硬盘的峰值的。

使用fio测试硬盘

现在，我们来测试下SATA硬盘的4KB随机写的IOPS。因为我的环境是Linux，所以我使用FIO来测试。

简单介绍fio的参数

ioengine: 负载引擎，我们一般使用libaio，发起异步IO请求。
bs: IO大小
direct: 直写，绕过操作系统Cache。因为我们测试的是硬盘，而不是操作系统的Cache，所以设置为1。
rw: 读写模式，有顺序写write、顺序读read、随机写randwrite、随机读randread等。
size: 寻址空间，IO会落在 [0, size)这个区间的硬盘空间上。这是一个可以影响IOPS的参数。一般设置为硬盘的大小。
filename: 测试对象
iodepth: 队列深度，只有使用libaio时才有意义。这是一个可以影响IOPS的参数。
runtime: 测试时长

下面我们做两次测试，分别 iodepth = 1和iodepth = 4的情况。下面是iodepth = 1的测试结果。

上图中蓝色方框里面的是测出的IOPS 230, 绿色方框里面是每个IO请求的平均响应时间，大约是4.3ms。***方框表示95%的IO请求的响应时间是小于等于 9.920 ms。橙色方框表示该硬盘的利用率已经达到了98.58%。

下面是 iodepth = 4 的测试:

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