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本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號「存儲災備」，作者畢磊。轉(zhuǎn)載本文請聯(lián)系存儲災備公眾號。

一、IOPS的理解

IOPS(Input/Output Operations Per Second)故名思意就是數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)每秒能完成的I/O讀寫次數(shù)，即單位時間內(nèi)系統(tǒng)能處理的I/O請求數(shù)量，是一個用于計算機數(shù)據(jù)存儲性能測試的量測指標。這個存儲系統(tǒng)可以是單塊硬盤或者單臺設備也可以是包含多臺設備的一套存儲網(wǎng)絡系統(tǒng)，比如SAN或者分布式多節(jié)點系統(tǒng)等。

二、影響存儲系統(tǒng)IOPS性能有哪些因素?

其實我一直想寫一篇關(guān)于如何準確評估IOPS性能的文章，但是仔細一想我覺得要把存儲系統(tǒng)的IOPS評估的非常準確，真的屬實不容易，為什么呢?因為IOPS性能和許多因素相關(guān)，比如以下幾個，我覺得都是比較值得一提的，每一個都會對IOPS性能產(chǎn)生影響(這里是針對單臺或一套存儲設備或存儲網(wǎng)絡)：

1、系統(tǒng)的硬盤數(shù)量和類型

(1)硬盤數(shù)量即一套存儲系統(tǒng)能同時管理和運行的硬盤數(shù)量是多少塊，一般情況下，硬盤數(shù)量越多，整體IOPS性能會越好，可以簡單的理解為堆疊;

(2)硬盤的類型，具體包括硬盤的接口類型，機械硬盤還是SSD硬盤等。機械硬盤的轉(zhuǎn)速、容量(存儲密度)、磁頭尋道時間、旋轉(zhuǎn)延遲，數(shù)據(jù)傳輸時間這些都和系統(tǒng)的IOPS性能相關(guān)聯(lián)的。而固態(tài)硬盤SSD是一種電子裝置，避免了傳統(tǒng)HDD磁盤在尋道和旋轉(zhuǎn)上的時間花費，存儲單元尋址開銷大大降低，因此IOPS可明顯提高。

2、網(wǎng)絡和接口速度

對一套存儲系統(tǒng)來說，應用服務器和存儲設備之間的網(wǎng)絡帶寬和網(wǎng)絡接口速度以及多節(jié)點情況下各存儲節(jié)點之間所使用的網(wǎng)絡的速度也都是影響IOPS性能的重要因素。

3、應用的隨機讀寫或者順序讀寫I/O比例

根據(jù)實際的應用情況可將IOPS細分為如下幾種情形：

(1)讀寫混合以及隨機I/O負載情況下的IOPS，這個與實際I/O情況最為相符，大多數(shù)應用是要關(guān)注此指標;

(2)100%隨機讀負載情況下的IOPS(Random Read IOPS);

(3)100%隨機寫負載情況下的IOPS(Random Write IOPS);

(4)100%順序讀負載情況下的IOPS(Sequential Read IOPS);

(5)100%順序?qū)懾撦d情況下的IOPS(Sequential Write IOPS)。

以上每種不同的情況下的IOPS差別是很大的，比如一般順序的讀寫肯定比隨機讀寫的IOPS值要高的，順序的尋址時間比隨機的快，示意圖：

此外傳統(tǒng)的機械硬盤讀取和寫入時間差不多，而大部分閃存SSD的寫入速度比讀要慢很多，原因是無法寫入一個之前寫過的區(qū)域，會強制引導垃圾數(shù)據(jù)回收功能，但總體SSD性能肯定要好于HDD。

4、Cache命中率

Cache命中率對實際IOPS有決定性的影響，Cache命中率取決于數(shù)據(jù)的分布，Cache SIZE的大小和數(shù)據(jù)訪問的規(guī)則以及Cache的算法，我們這里把這些內(nèi)部原理都省略掉，只強調(diào)：對于一個存儲系統(tǒng)來說，讀Cache的命中率越高，一般就表示它可以支持更多的IOPS。那么什么叫命中率呢?終端用戶訪問加速緩存時，如果緩存駐了要被訪問的數(shù)據(jù)時就叫做命中，如果沒有的話需要回到原設備提取，就是沒有命中。命中率=命中數(shù)/(命中數(shù)+沒有命中數(shù)), 緩存命中率也是判斷加速效果好壞的重要因素之一。

5、RAID或文件系統(tǒng)模式

這里包含傳統(tǒng)的RAID以及分布式文件系統(tǒng)等，對于順序讀寫而且寫性能要求高，有冗余要求的應用，選擇RAID1或RAID10。順序?qū)懸蟾叩臄?shù)據(jù), 應單獨在一個RAID組中，避免來回尋址，典型的有Oracle的 redo log, Exchange 的 Transaction log等日志型的數(shù)據(jù)。對于有額外備份措施的數(shù)據(jù), 沒有冗余的要求, 讀寫性能要求高的用RAID0，比如實時數(shù)據(jù)采集。對于讀要求高于寫要求，隨機寫要求不高，容量上有考慮的，選擇RAID5。對于分布式軟件定義存儲系統(tǒng)，小文件類和隨機讀寫頻繁的選擇副本機制，其他的可選擇糾刪碼模式。

6、隊列深度

主要指的是端口隊列中等待服務的I/O請求數(shù)量。如果I/O請求的數(shù)量超過了最大隊列深度，則該事務將在一段時間無法重新嘗試。使用SAS和SATA，排隊的I/O請求有一定的局限，但NVMe在大大增加隊列深度方面是一個重要的進步，NVMe可以提供海量的隊列深度。其實加大硬盤隊列深度就是讓硬盤不斷工作，減少硬盤的空閑時間。

7、應用線程數(shù)

線程數(shù)和IOPS的關(guān)系不言而喻，一個應用同時工作的線程越多那么自然需要更多的I/O并發(fā)，所以自然就需要更高的IOPS來支撐，反之亦然。

三、如何綜合評估IOPS性能?

1、利用測試工具

對于測試工具來講，一個請求從主機下發(fā)到存儲，存儲完成后返回到主機，這才算是這個I/O的一個完整周期。存儲設備制造商提出的IOPS性能不保證就是實際應用下的性能，因為實際的情況多種多樣。但IOPS可以通過測試程序來模擬一些不同的業(yè)務情形，建立測試模型，然后按照測試模型來實際運行，以便找到最佳的存儲配置。

2、根據(jù)經(jīng)驗和行業(yè)參考值來估算

每種類型的硬盤都有在特定環(huán)境下的IOPS參考值或者叫理論值，個人認為如今的硬盤接口以及網(wǎng)絡的帶寬已經(jīng)不是瓶頸，因為技術(shù)的發(fā)展讓這些指標已經(jīng)很快了。如果預估IOPS，最主要是讀寫比例和RAID模式的寫懲罰，要有一個固定參考值，才能估算出較為接近的數(shù)值。

硬盤的IOPS參考值以及總的可用IOPS的計算公式，比如：

單硬盤IOPS = 1000ms / ((磁盤旋轉(zhuǎn)延遲時間(ms) + 磁頭尋道時間(ms))

系統(tǒng)總的IOPS=硬盤數(shù)量 × 單磁盤IOPS

系統(tǒng)總的可用IOPS=(系統(tǒng)總的IOPS×寫百分比÷RAID寫懲罰)+(系統(tǒng)總的IOPS×讀百分比)

RAID5寫懲罰為4，RAID6寫懲罰為6，RAID10寫懲罰為2，RAID1寫懲罰為2，RAID0寫懲罰為1，分布式多節(jié)點的以此類推。

我個人覺得如果不是那種每秒鐘都有幾十次以上的在線交易系統(tǒng)，絕大部分的業(yè)務系統(tǒng)的IOPS需求都是比較容易滿足的。如果能估算出應用總的IOPS的需求，那么就可以計算出需要多少塊硬盤了。

四、順便提一下吞吐量

吞吐量指的是單位時間內(nèi)存儲系統(tǒng)可以成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)數(shù)量。如果前面估算出了系統(tǒng)的IOPS了，吞吐量也就迎刃而解了。吞吐量估算公式為：

每秒I/O吞吐量= IOPS × 平均 I/O SIZE

從公式可以看出：I/O SIZE越大以及IOPS越高，那么每秒I/O 的吞吐量就越高。對于一個存儲系統(tǒng)來講，這兩個指標均有其最大值，而且這兩個指標也是相輔相成的。

五、數(shù)據(jù)塊的大小和存儲性能

對于數(shù)據(jù)塊很小并且隨機讀寫頻繁的應用，IOPS是關(guān)鍵衡量指標，比如OLTP(Online Transaction Processing)在線交易處理。而對于大數(shù)據(jù)塊并且是順序讀寫的應用，如VOD(Video On Demand)視頻類需求，這種應用則更加關(guān)注吞吐量指標(Throughput)，這時候IOPS指標就不是那么的重要了。

這里可以舉例子：

比如：讀取10000個1KB文件，用時10秒，雖然Throught(吞吐量)=1MB/s，但是IOPS=1000 ，對于追求IOPS的應用就有意義;

再比如：讀取1個10MB文件，用時0.2秒，IOPS只等于5，但是Throught(吞吐量)=50MB/s，對于追求吞吐量的應用就有意義。

所以并不是每個應用都要追求高的IOPS的，也就是不是每套存儲系統(tǒng)的性能都是以IOPS作為唯一的衡量指標，要根據(jù)應用的數(shù)據(jù)塊大小以及應用的特性來綜合判斷哪個指標是最需要關(guān)注的!