磁盘IOPS和带宽（throughput）

自：http://www.storageonline.com.cn/storage/storage-fundamental/about-iops/

    SAN和NAS存储一般都具备2个评价指标：IOPS和带宽（throughput），两个指标互相独立又相互关联。体现存储系统性能的最主要指标是IOPS。

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OLTP(Online Transaction Processing)，IOPS是关键衡量指标。另一个重要指标是数据吞吐量(Throughput)，指单位时间内可以成功传输的数据数量。对于大量顺序读写的应用，如VOD(Video On Demand)，则更关注吞吐量指标。

IOPS可细分为如下几个指标：

1. Toatal IOPS，混合读写和顺序随机I/O负载情况下的磁盘IOPS，这个与实际I/O情况最为相符，大多数应用关注此指标。
2. Random Read IOPS，100%随机读负载情况下的IOPS。
3. Random Write IOPS，100%随机写负载情况下的IOPS。
4. Sequential Read IOPS，100%顺序负载读情况下的IOPS。
5. Sequential Write IOPS，100%顺序写负载情况下的IOPS。

下图为一个典型的NFS测试结果：

IOPS的测试benchmark工具主要有Iometer, IoZone, FIO等，可以综合用于测试磁盘在不同情形下的IOPS。对于应用系统，需要首先确定数据的负载特征，然后选择合理的IOPS指标进行测量和对比分析，据此选择合适的存储介质和软件系统.

可以查看http://en.wikipedia.org/wiki/IOPS得到磁盘IOPS参考数据。

IOPS 当然取决与I/O块的大小.采用不同I/O块的大小测出的IOPS值是不同的。 对一个具体的IOPS, 可以了解它当时测试的I/O块的尺寸。

IOPS计算公式

对于磁盘来说一个完整的IO操作是这样进行的：当控制器对磁盘发出一个IO操作命令的时候，磁盘的驱动臂(Actuator Arm)带读写磁头(Head)离开着陆区(Landing Zone，位于内圈没有数据的区域)，移动到要操作的初始数据块所在的磁道(Track)的正上方，这个过程被称为寻址(Seeking)，对应消耗的时间被称为寻址时间(Seek Time);但是找到对应磁道还不能马上读取数据，这时候磁头要等到磁盘盘片(Platter)旋转到初始数据块所在的扇区(Sector)落在读写磁头正上方的之后才能开始读取数据，在这个等待盘片旋转到可操作扇区的过程中消耗的时间称为旋转延时(Rotational Delay);接下来就随着盘片的旋转，磁头不断的读/写相应的数据块，直到完成这次IO所需要操作的全部数据，这个过程称为数据传送(Data Transfer)，对应的时间称为传送时间(Transfer Time)。完成这三个步骤之后一次IO操作也就完成了。

在我们看硬盘厂商的宣传单的时候我们经常能看到3个参数，分别是平均寻址时间、盘片旋转速度以及最大传送速度，这三个参数就可以提供给我们计算上述三个步骤的时间。

第一个寻址时间，考虑到被读写的数据可能在磁盘的任意一个磁道，既有可能在磁盘的最内圈(寻址时间最短)，也可能在磁盘的最外圈(寻址时间最长)，所以在计算中我们只考虑平均寻址时间，也就是磁盘参数中标明的那个平均寻址时间，这里就采用当前最多的10krmp硬盘的5ms。

第二个旋转延时，和寻址一样，当磁头定位到磁道之后有可能正好在要读写扇区之上，这时候是不需要额外额延时就可以立刻读写到数据，但是最坏的情况确实要磁盘旋转整整一圈之后磁头才能读取到数据，所以这里我们也考虑的是平均旋转延时，对于10krpm的磁盘就是(60s/15k)*(1/2) = 2ms。

第三个传送时间，磁盘参数提供我们的最大的传输速度，当然要达到这种速度是很有难度的，但是这个速度却是磁盘纯读写磁盘的速度，因此只要给定了单次 IO的大小，我们就知道磁盘需要花费多少时间在数据传送上，这个时间就是IO Chunk Size / Max Transfer Rate。

现在我们就可以得出这样的计算单次IO时间的公式：

　　IO Time = Seek Time + 60 sec/Rotational Speed/2 + IO Chunk Size/Transfer Rate

于是我们可以这样计算出IOPS

　　IOPS = 1/IO Time = 1/(Seek Time + 60 sec/Rotational Speed/2 + IO Chunk Size/Transfer Rate)

对于给定不同的IO大小我们可以得出下面的一系列的数据

　　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

从上面的数据可以看出，当单次IO越小的时候，单次IO所耗费的时间也越少，相应的IOPS也就越大。

上面我们的数据都是在一个比较理想的假设下得出来的，这里的理想的情况就是磁盘要花费平均大小的寻址时间和平均的旋转延时，这个假设其实是比较符合我们实际情况中的随机读写，在随机读写中，每次IO操作的寻址时间和旋转延时都不能忽略不计，有了这两个时间的存在也就限制了IOPS的大小。现在我们考虑一种相对极端的顺序读写操作，比如说在读取一个很大的存储连续分布在磁盘的的文件，因为文件的存储的分布是连续的，磁头在完成一个读IO操作之后，不需要从新的寻址，也不需要旋转延时，在这种情况下我们能到一个很大的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

相比第一组数据来说差距是非常的大的，因此当我们要用IOPS来衡量一个IO系统的系能的时候我们一定要说清楚是在什么情况的IOPS，也就是要说明读写的方式以及单次IO的大小，当然在实际当中，特别是在OLTP的系统的，随机的小IO的读写是最有说服力的。

本文部分参考《磁盘IOPS计算与测量》与《IO系统性能之一：衡量性能的几个指标》。

 

另外：百度文库

 

 IOPS(Input/OutputPer Second) IOPS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OLTP(OnlineTransaction Processing)，IOPS是关键衡量指标。
 另一个重要指标是数据吞吐量(Throughput)，指单位时间内可以成功传输的数据数量。对于大量顺序读写的应用，如VOD(Video On Demand)，则更关注吞吐量指标。

 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。

（1）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。
（2）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约为2ms。
（3）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（MBPS），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时间。

IOPS（每秒IO次数） = 1s/(寻道时间+旋转延迟+数据传输时间)

因此，理论上可以计算出磁盘的最大IOPS，即IOPS = 1000ms/ (Tseek + Troatation)，忽略数据传输时间。假设磁盘平均物理寻道时间为3ms, 磁盘转速为7200,10K,15Krpm，则磁盘IOPS理论最大值分别为:
 IOPS = 1000 / (3 + 60000/7200/2) = 140 IOPS = 1000 / (3 + 60000/10000/2) = 167 IOPS = 1000 / (3 + 60000/15000/2) = 200

2.2 固态硬盘的IOPS 固态硬盘SSD是一种电子装置， 避免了传统磁盘在寻道和旋转上的时间花费，存储单元寻址开销大大降低，因此IOPS可以非常高，能够达到数万甚至数十万。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，即便如何也会产生一定的随机不确定性。

通常情况下，IOPS可细分为如下几个指标：
 Toatal IOPS：混合读写和顺序随机I/O负载情况下的磁盘IOPS，这个与实际I/O情况最为相符，大多数应用关注此指标。
 Random Read IOPS：100%随机读负载情况下的IOPS。
 Random WriteIOPS：100%随机写负载情况下的IOPS。
 Sequential ReadIOPS：100%顺序负载读情况下的IOPS。
 Sequential WriteIOPS：100%顺序写负载情况下的IOPS。

三.ORION 工具说明 ORION (OracleI/O Calibration Tool)Oracle 公司推出的一个校准数据库的存储系统I/O性能的独立工具。有关该工具的说明，参考：
Oracle ORION IO 测试工具
http://blog.csdn.net/tianlesoftware/article/details/5965331

我们使用ORION 工具测试一下看看：
[root@qs-xe-dzora-pd software]# cat dave.lun
/dev/sdb1

[root@qs-xe-dzora-pd software]# ./orion_linux_x86-64 -run advanced -testname dave -num_disks 2
ORION: ORacle IO Numbers -- Version11.1.0.7.0
dave_20111026_2026
Test will take approximately 16 minutes
Larger caches may take longer

查看生成的结果：
[root@qs-xe-dzora-pd software]# ls dave*
dave_20111026_2026_iops.csv dave_20111026_2026_summary.txt dave.lun_20111026_2025_summary.txt
dave_20111026_2026_lat.csv dave_20111026_2026_trace.txt
dave_20111026_2026_mbps.csv dave.lun

[root@qs-xe-dzora-pd software]# cat dave_20111026_2026_summary.txt
ORION VERSION 11.1.0.7.0

Commandline:
-run advanced -testname dave -num_disks 2

This maps to this test:
Test: dave
Small IO size: 8 KB
Large IO size: 1024 KB
IO Types: Small Random IOs, Large RandomIOs
Simulated Array Type: CONCAT
Write: 0%
Cache Size: Not Entered
Duration for each Data Point: 60 seconds
Small Columns:, 0
Large Columns:, 0,1, 2, 3,4
Total Data Points: 15

Name: /dev/sdb1 Size: 449495069184
1 FILEs found.

Maximum Large MBPS=159.61 @ Small=0 andLarge=4
Maximum Small IOPS=534 @ Small=10 andLarge=0
Minimum Small Latency=4.97 @ Small=1 andLarge=0

这里显示的吞吐量是160MBPS. IOPS 为534.

 

两大瓶颈详解

1、吞吐量

吞吐量主要取决于阵列的构架，光纤通道的大小(现在阵列一般都是光纤阵列，至于SCSI这样的SSA阵列，我们不讨论)以及硬盘的个数。阵列的构架与每个阵列不同而不同，他们也都存在内部带宽(类似于pc的系统总线)，不过一般情况下，内部带宽都设计的很充足，不是瓶颈的所在。

光纤通道的影响还是比较大的，如数据仓库环境中，对数据的流量要求很大，而一块2Gb的光纤卡，所能支撑的最大流量应当是2Gb/8(小B)=250MB/s(大B)的实际流量，当4块光纤卡才能达到1GB/s的实际流量，所以数据仓库环境可以考虑换4Gb的光纤卡。

最后说一下硬盘的限制，这里是最重要的，当前面的瓶颈不再存在的时候，就要看硬盘的个数了，我下面列一下不同的硬盘所能支撑的流量大小：

10 K rpm 15 K rpm ATA

——— ——— ———

10M/s 13M/s 8M/s

那么，假定一个阵列有120块15K rpm的光纤硬盘，那么硬盘上最大的

 

可以支撑的流量为120*13=1560MB/s，如果是2Gb的光纤卡，可能需要6块才能够，而4Gb的光纤卡，3-4块就够了。

2、IOPS

决定IOPS的主要取决与阵列的算法，cache命中率，以及磁盘个数。阵列的算法因为不同的阵列不同而不同，如我们最近遇到在hds usp上面，可能因为ldev(lun)存在队列或者资源限制，而单个ldev的iops就上不去，所以，在使用这个存储之前，有必要了解这个存储的一些算法规则与限制。

cache的命中率取决于数据的分布，cache size的大小，数据访问的规则，以及cache的算法，如果完整的讨论下来，这里将变得很复杂，可以有一天好讨论了。我这里只强调一个cache的命中率，如果一个阵列，读cache的命中率越高越好，一般表示它可以支持更多的IOPS，为什么这么说呢?这个就与我们下面要讨论的硬盘IOPS有关系了。^[1]

硬盘的限制，每个物理硬盘能处理的IOPS是有限制的，如

10 K rpm 15 K rpm ATA

——— ——— ———

100 150 50

同样，如果一个阵列有120块15K rpm的光纤硬盘，那么，它能撑的最大IOPS为120*150=18000，这个为硬件限制的理论值，如果超过这个值，硬盘的响应可能会变的非常缓慢而不能正常提供业务。

在raid5与raid10上，读iops没有差别，但是，相同的业务写iops，最终落在磁盘上的iops是有差别的，而我们评估的却正是磁盘的IOPS，如果达到了磁盘的限制，性能肯定是上不去了。

那我们假定一个case，业务的iops是10000，读cache命中率是30%，读iops为60%，写iops为40%，磁盘个数为120，那么分别计算在raid5与raid10的情况下，每个磁盘的iops为多少。

raid5:

单块盘的iops = (10000*(1-0.3)*0.6 + 4 * (10000*0.4))/120

= (4200 + 16000)/120

= 168

这里的10000*(1-0.3)*0.6表示是读的iops，比例是0.6，除掉cache命中，实际只有4200个iops

而4 * (10000*0.4) 表示写的iops，因为每一个写，在raid5中，实际发生了4个io，所以写的iops为16000个

为了考虑raid5在写操作的时候，那2个读操作也可能发生命中，所以更精确的计算为：

单块盘的iops = (10000*(1-0.3)*0.6 + 2 * (10000*0.4)*(1-0.3) + 2 * (10000*0.4))/120

= (4200 + 5600 + 8000)/120

= 148

计算出来单个盘的iops为148个，基本达到磁盘极限

raid10

单块盘的iops = (10000*(1-0.3)*0.6 + 2 * (10000*0.4))/120

= (4200 + 8000)/120

= 102

可以看到，因为raid10对于一个写操作，只发生2次io，所以，同样的压力，同样的磁盘，每个盘的iops只有102个，还远远低于磁盘的极限iops。

在一个实际的case中，一个恢复压力很大的standby(这里主要是写，而且是小io的写)，采用了raid5的方案，发现性能很差，通过分析，每个磁盘的iops在高峰时期，快达到200了，导致响应速度巨慢无比。后来改造成raid10，就避免了这个性能问题，每个磁盘的iops降到100左右。