磁盘结构及磁盘性能参数IOPS计算方法介绍

磁盘结构

硬盘本质是一种机械装置，由盘体、磁头、电机、硬盘控制器组成。硬盘的结构如下图所示：

盘体一般由多个盘片组成，这些盘片重叠在一起放在一个密封的盒中。盘片在电机的带动下高速旋转，存储设备中使用的高性能硬盘转速每分钟达到7200转、10000转、15000转。转速的不同造成硬盘读写能力的不同。硬盘的磁头用来读取或者修改盘片上磁性物质的状态。硬盘控制器，是把计算机指令转化为硬盘动作的接口设备。它接收并解释计算机来的命令，向硬盘发出各种控制信号；检测硬盘状态，按照规定的硬盘数据格式，把数据写入硬盘和从硬盘读出数据。为了对磁盘进行管理，盘片会进一步划分为磁道和扇区。

磁盘IO操作介绍

简单的说，磁盘的一个典型I/O操作由两个阶段组成：

1. 数据的定位

首先，磁头在盘片径向移动到正确磁道。其次，盘片转到磁头所在位置。由于磁头需要读写的盘片位置是随机的，最远的需要旋转一圈，最近的可能就在磁头所在位置，所以我们取平均值，即盘片旋转半圈即可找到需要的数据。

2. 数据的传输

完成数据的定位后，并开始读取和传输数据。传输数据的时间取决于数据传输率，其值等于数据大小除以数据传输率。

磁盘性能参数IOPS介绍

根据上面的描述，影响IO的服务响应时间，包括以下三项时间：

1. 盘片旋转延迟时间 （rotational latency）

假设硬盘电机转速10000rpm，那旋转一圈的时间是，1/10000=0.0001分钟，换算为毫秒0.0001X60X1000=6毫秒，半圈需要3毫秒。同样可算出15000rpm硬盘延迟时间2毫秒，7200rpm硬盘延迟时间4.2毫秒。

2 . 磁头寻道时间 （seek time）

硬盘厂家标称此花费时间平均值范围3-15ms，查询到4GB 15000rpm FC硬盘寻道延迟时间约为3.5毫秒，SATA硬盘约为8-9毫秒。
3. 数据传输时间（Data transfer ）

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时间。因此，理论上可以忽略。

为了对计算机存储设备（HDD，SSD，SAN）等的性能进行度量，业绩提出了IOPS(Input/Output Operations Per Second, pronounced eye-ops)参数，即每秒钟输入/输出操作的次数。在日常存储设备选型中，硬盘的物理容量大小及接口类型对单个硬盘IOPS性能的影响可忽略，我们根据不同的硬盘转速及寻道时间计算IO性能来选择，以下常用的硬盘IOPS理论值供参考:

计算公式：IOPS = 1000ms / (磁盘旋转延迟时间(ms) +  磁头寻道时间(ms))

15000rpm 硬盘 1000/(2+3.5)  ≈180
10000rpm 硬盘 1000/(3+3.5)  ≈150
7200rpm   硬盘 1000/(4.2+8) ≈80

磁盘IOPS参数参考信息

下表是SATA和SAS接口类型的磁盘IOPS参数对比：

DeviceTypeIOPSInterfaceNotes7,200 rpm SATA drivesHDD~75-100 IOPS^[2]SATA 3 Gbit/s 10,000 rpm SATA drivesHDD~125-150 IOPS^[2]SATA 3 Gbit/s 10,000 rpm SAS drivesHDD~140 IOPS^[2]SAS 15,000 rpm SAS drivesHDD~175-210 IOPS^[2]SAS 

关于IOPS更详细的介绍以及目前流行的SSD的参数信息，可以参见wiki：http://en.wikipedia.org/wiki/IOPS