磁盘IOPS概念及IOPS的计算与测试

 

来自磁盘的需求

简单的说，磁盘的一个典型I/O操作由两个阶段组成：

1.数据定位

平均定位时间主要由两部分组成：平均寻道时间和平均转动延迟。寻道时间的典型值是4.6ms。转动延迟则取决于磁盘的转速：普通7200RPM桌面硬盘的转动延迟是4.2ms，而高端10000RPM的是3ms。这些数字多年来一直徘徊不前，大概今后也无法有大的改善了。在下文中，我们不妨使用 8ms作为典型定位时间。

2.数据传输

持续传输率主要取决于盘片的转速(线速度)和存储密度，最新的典型值为80MB/s。虽然磁盘转速难以提高，但是存储密度却在逐年改善。巨磁阻、垂直磁记录等一系列新技术的采用，不但大大提高了磁盘容量，也同时带来了更高的持续传输率。

显然，I/O的粒度越大，传输时间在总时间中的比重就会越大，因而磁盘利用率和吞吐量就会越大。简单的估算结果如表1所示。如果进行大量4KB的随机I/O，那么磁盘在99%以上的时间内都在忙着定位，单个磁盘的吞吐量不到500KB/s。但是当I/O大小达到1MB的时候，吞吐量可接近50MB /s。由此可见，采用更大的I/O粒度，可以把磁盘的利用效率和吞吐量提高整整100倍。因而必须尽一切可能避免小尺寸I/O，这正是预读算法所要做的。

表1随机读大小与磁盘性能的关系

 

 

一．设备-------- 影响磁盘性能的因素

硬盘的转速影响硬盘的整体性能。一般情况下转速越大，性能会越好。

硬盘的性能因素主要包括两个：1.平均访问时间2传输速率。

 

平均访问时间包括两方面因素：

平均寻道时间(Average Seek Time)是指硬盘的磁头移动到盘面指定磁道所需的时间。一般在3ms至15ms之间。

平均旋转等待时间(Latency)是指磁头已处于要访问的磁道，等待所要访问的扇区旋转至磁头下方的时间。一般在2ms至6ms之间。

 

传输速率(Data Transfer Rate) 硬盘的数据传输率是指硬盘读写数据的速度，单位为兆字节每秒（MB/s）。磁盘每秒能传输80M~320M字节。

 

传输速率包括内部传输速率和外部传输速率。

内部传输率(Internal Transfer Rate) 也称为持续传输率(Sustained Transfer Rate)，它反映了硬盘缓冲区未用时的性能。内部传输率主要依赖于硬盘的旋转速度。

外部传输率（External Transfer Rate）也称为突发数据传输率（Burst Data Transfer Rate）或接口传输率，它标称的是系统总线与硬盘缓冲区之间的数据传输率，外部数据传输率与硬盘接口类型和硬盘缓存的大小有关。STAT2 的传输速率在300MB/s级别。

 

 

IOPS概念

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，如电视台的视频编辑，视频点播VOD(Video On Demand)，则更关注吞吐量指标。

IOPS计算方法

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约为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时间。

因此，理论上可以计算出磁盘的最大IOPS，即IOPS = 1000 ms/ (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,15K rpm，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

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 Write IOPS，100%随机写负载情况下的IOPS。
Sequential Read IOPS，100%顺序负载读情况下的IOPS。
Sequential Write IOPS，100%顺序写负载情况下的IOPS。

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。

IOPS实测数据

下图是一块西数 320G 7200转普通硬盘在HD Tune下IOPS的测试数据

下图是OCZ Vertex SSD固态硬盘的测试数据

可以看到在各种数据块大小的测试数据，SSD固态硬盘的IOPS都远远领先于普通硬盘，在512byte的情况下固态硬盘是普通硬盘的100多倍。

IOPS参考数据

下面的磁盘IOPS数据来自http://en.wikipedia.org/wiki/IOPS，给大家一个基本参考。

 

Device IOPS Interface Notes

7200 RPM SATA drives	~90 IOPS[citation needed]	SATA II
10k RPM SATA drives, queue depth 1	~130 IOPS	SATA II	fio -readonly -name iops -rw=randread -bs=512 -runtime=20 -iodepth 1 -filename /dev/sda -ioengine libaio -direct=1
10k RPM Serial Attached SCSIdrives	~140 IOPS[citation needed]	SAS
15k RPM Serial Attached SCSIdrives	~180 IOPS[citation needed]	SAS
10k RPM SATA drives, queue depth 24	~290 IOPS	SATA II	fio -readonly -name iops -rw=randread -bs=512 -runtime=20 -iodepth 24 -filename /dev/sda -ioengine libaio -direct=1
Simple SLC SSD	~400 IOPS[citation needed]	SATA II
Intel X25-M G2 (MLC; As of March 2010)	~8,600 IOPS	SATA II	Intel's data sheet claims 6,600/8,600 IOPS (80GB/160GB version) and 35,000 IOPS for random 4KB writes and reads, respectively.
Intel X25-E (SLC; As of March 2009)	~5,000 IOPS	SATA II	Intel's data sheet claims 3,300 IOPS and 35,000 IOPS for writes and reads, respectively. 5,000 IOPS are measured for a mix. Intel X25-E G1 has around 3 times higher IOPS compared to the Intel X25-M G2.[5]
G.Skill Phoenix Pro et. al.	~20,000 IOPS	SATA III	SandForce-1200 based SSD drives with enhanced firmware, states up to 50,000 IOPS, but real-world performance shows for all drives from different manufacturers ~25,000 IOPS for random read and ~15,000 IOPS for random write.[6]
OCZ Vertex 3 SATA III SSD	Up to 60,000 IOPS	SATA III	Random Write 4KB (Aligned)
Texas Memory Systems RamSan-20	120,000+ Random Read/Write IOPS[7]	PCIe	Include RAM cache and UltraCapacitor to preserve the memory non-volatile
ioDrive, a PCI-Express card with Flash	140,000 Read IOPS, 135,000 Write IOPS [8]	PCIe
ioDrive Duo	250,000+ IOPS [9]	PCIe
Violin Memory Violin 3200	250,000+ Random Read/Write IOPS[10]	PCIe /FC/Infiniband/iSCSI	Flash Memory Array
DDRdrive X1, a May 2009 PCI Express based solid-state drive	300,000+ (512B Random Read IOPS) and 200,000+ (512B Random Write IOPS)[11][12][13][14]	PCIe
OCZ Z-Drive R4 PCI-Express SSD	Up to 330,000 IOPS	PCIe	Random Write 4KB
Texas Memory Systems RamSan-630 Appliance	1,000,000+ Random Read/Write IOPS[15]	FC / InfiniBand
Fusion-io ioDrive Octal ioDrive Octal (single PCI Express card)	1,180,000+ Random Read/Write IOPS[16]	PCIe

3、 RAID 5 （可以理解为是RAID 0和RAID 1的折衷方案，但没有完全使用RAID 1镜像理念，而是使用了“奇偶校验信息”来作为数据恢复的方式，与下面的RAID10不同。）

 

容错性：	有	冗余类型：	奇偶校验
热备盘选项：	有	读性能：	高
随机写性能：	低	连续写性能：	低
需要的磁盘数：	三个或更多
可用容量：	（n-1）/n的总磁盘容量（n为磁盘数）
典型应用：	随机数据传输要求安全性高，如金融、数据库、存储等。

 

图3
RAID 5 是一种存储性能、数据安全和存储成本兼顾的存储解决方案。 以四个硬盘组成的RAID 5为例，其数据存储方式如图4所示：图中，Ap为A1，A2和A3的奇偶校验信息，其它以此类推。由图中可以看出，RAID 5不对存储的数据进行备份，而是把数据和相对应的奇偶校验信息存储到组成RAID5的各个磁盘上，并且奇偶校验信息和相对应的数据分别存储于不同的磁盘 上。当RAID5的一个磁盘数据发生损坏后，利用剩下的数据和相应的奇偶校验信息去恢复被损坏的数据。
RAID 5可以理解为是RAID 0和RAID 1的折衷方案。RAID 5可以为系统提供数据安全保障，但保障程度要比Mirror低而磁盘空间利用率要比Mirror高。RAID 5具有和RAID 0相近似的数据读取速度，只是多了一个奇偶校验信息，写入数据的速度比对单个磁盘进行写入操作稍慢。同时由于多个数据对应一个奇偶校验信息，RAID 5的磁盘空间利用率要比RAID 1高，存储成本相对较低。

4、 RAID 5 （可以理解为是RAID 0和RAID 1的折衷方案，但没有完全使用RAID 1镜像理念，而是使用了“奇偶校验信息”来作为数据恢复的方式）

图4

RAID10也被称为镜象阵列条带。象RAID0一样，数据跨磁盘抽取；象RAID1一样，每个磁盘都有一个镜象磁盘, 所以RAID 10的另一种会说法是 RAID 0+1。RAID10提供100%的数据冗余，支持更大的卷尺寸，但价格也相对较高。对大多数只要求具有冗余度而不必考虑价格的应用来说，RAID10提 供最好的性能。使用RAID10，可以获得更好的可靠性，因为即使两个物理驱动器发生故障（每个阵列中一个），数据仍然可以得到保护。RAID10需要4 + 2*N 个磁盘驱动器（N >=0)， 而且只能使用其中一半(或更小, 如果磁盘大小不一)的磁盘用量, 例如 4 个 250G 的硬盘使用RAID10 阵列， 实际容量是 500G。

RAID总结：

 

类型	读写性能	安全性	磁盘利用率	成本	应用方面
RAID0	最好（因并行性而提高）	最差（完全无安全保障）	最高（100％）	最低	个人用户
RAID1	读和单个磁盘无分别，写则要写两边	最高（提供数据的百分之百备份）	差（50％）	最高	适用于存放重要数据，如服务器和数据库存储等领域。
RAID5	读：RAID 5＝RAID 0（相近似的数据读取速度）   写：RAID 5<对单个磁盘进行写入操作（多了一个奇偶校验信息写入）	RAID 5<RAID 1	RAID 5>RAID 1	RAID 5<RAID 1	是一种存储性能、数据安全和存储成本兼顾的存储解决方案。
RAID10	读：RAID10＝RAID0   写：RAID10＝RAID1	RAID10＝RAID1	RAID10＝RAID1（50％）	RAID10＝RAID1	集合了RAID0，RAID1的优点，但是空间上由于使用镜像，而不是类似RAID5的“奇偶校验信息”，磁盘利用率一样是50％

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