磁盤性能指標--IOPS 理論

https://en.wikipedia.org/wiki/IOPS

機械硬盤的連續讀寫性很好， 但隨機讀寫性能很差。這是因為磁頭移動至正確的磁道上需要時間，隨機讀寫時，磁頭不停的移動，時間都花在了磁頭尋道上，所以性能不高。  如下圖：

在存儲小文件(圖片)、OLTP數據庫應用時，隨機讀寫性能（IOPS）是最重要指標。

學習它，有助于我們分析存儲系統的性能互瓶頸。
下面我們來認識隨機讀寫性能指標--IOPS（每秒的輸入輸出次數）。

磁盤性能指標--IOPS
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        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，一般以每秒處理的I/O請求數量為單位，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，如小文件存儲(圖片)、OLTP數據庫、郵件服務器，關注隨機讀寫性能，IOPS是關鍵衡量指標。

    順序讀寫頻繁的應用，傳輸大量連續數據，如電視臺的視頻編輯，視頻點播VOD(Video On Demand)，關注連續讀寫性能。數據吞吐量是關鍵衡量指標。

IOPS和數據吞吐量適用于不同的場合：
讀取10000個1KB文件，用時10秒  Throught(吞吐量)=1MB/s ，IOPS=1000  追求IOPS
讀取1個10MB文件，用時0.2秒  Throught(吞吐量)=50MB/s, IOPS=5  追求吞吐量

磁盤服務時間
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傳統磁盤本質上一種機械裝置，如FC, SAS, SATA磁盤，轉速通常為5400/7200/10K/15K rpm不等。影響磁盤的關鍵因素是磁盤服務時間，即磁盤完成一個I/O請求所花費的時間，它由尋道時間、旋轉延遲和數據傳輸時間三部分構成。

尋道時間 Tseek是指將讀寫磁頭移動至正確的磁道上所需要的時間。尋道時間越短，I/O操作越快，目前磁盤的平均尋道時間一般在3－15ms。
旋轉延遲 Trotation是指盤片旋轉將請求數據所在扇區移至讀寫磁頭下方所需要的時間。旋轉延遲取決于磁盤轉速，通常使用磁盤旋轉一周所需時間的1/2表示。比如，7200 rpm的磁盤平均旋轉延遲大約為60*1000/7200/2 = 4.17ms，而轉速為15000 rpm的磁盤其平均旋轉延遲為2ms。
數據傳輸時間 Ttransfer是指完成傳輸所請求的數據所需要的時間，它取決于數據傳輸率，其值等于數據大小除以數據傳輸率。目前IDE/ATA能達到133MB/s，SATA II可達到300MB/s的接口數據傳輸率，數據傳輸時間通常遠小于前兩部分消耗時間。簡單計算時可忽略。

常見磁盤平均物理尋道時間為：
7200轉/分的STAT硬盤平均物理尋道時間是9ms
10000轉/分的STAT硬盤平均物理尋道時間是6ms
15000轉/分的SAS硬盤平均物理尋道時間是4ms

常見硬盤的旋轉延遲時間為：

7200   rpm的磁盤平均旋轉延遲大約為60*1000/7200/2 = 4.17ms

10000 rpm的磁盤平均旋轉延遲大約為60*1000/10000/2 = 3ms，

15000 rpm的磁盤其平均旋轉延遲約為60*1000/15000/2 = 2ms。

最大IOPS的理論計算方法
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IOPS = 1000 ms/ (尋道時間 + 旋轉延遲)。可以忽略數據傳輸時間。

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


影響測試的因素
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實際測量中，IOPS數值會受到很多因素的影響，包括I/O負載特征(讀寫比例，順序和隨機，工作線程數，隊列深度，數據記錄大小)、系統配置、操作系統、磁盤驅動等等。因此對比測量磁盤IOPS時，必須在同樣的測試基準下進行，即便如此也會產生一定的隨機不確定性。


隊列深度說明 
NCQ、SCSI TCQ、PATA TCQ和SATA TCQ技術解析 
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    是一種命令排序技術，一把喂給設備更多的IO請求，讓電梯算法和設備有機會來安排合并以及內部并行處理，提高總體效率。
SCSI TCQ的隊列深度支持256級
ATA TCQ的隊列深度支持32級 （需要8M以上的緩存）
NCQ最高可以支持命令深度級數為32級，NCQ可以最多對32個命令指令進行排序。
    大多數的軟件都是屬于同步I/O軟件，也就是說程序的一次I/O要等到上次I/O操作的完成后才進行，這樣在硬盤中同時可能僅只有一個命令，也是無法發揮這個技術的優勢，這時隊列深度為1。
    隨著Intel的超線程技術的普及和應用環境的多任務化，以及異步I/O軟件的大量涌現。這項技術可以被應用到了，實際隊列深度的增加代表著性能的提高。
在測試時，隊列深度為1是主要指標，大多數時候都參考1就可以。實際運行時隊列深度也一般不會超過4.


IOPS可細分為如下幾個指標：
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數據量為n字節，隊列深度為k時，隨機讀取的IOPS
數據量為n字節，隊列深度為k時，隨機寫入的IOPS


IOPS的測試benchmark工具
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         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。