2020 November 03 linux

IOPS的计算问题

IOPS的计算

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，7200rpm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，SATAII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。

首先需要知道I/O中读操作(Read)与写操作(Write)所占的百分比。然后通过下列公式，将主机的IOPS需求转换成硬盘实际IOPS负载： RAID类型公式 RAID 5和3 Drive IOPS = Read IOPS + 4Write IOPS RAID 6 Drive IOPS = Read IOPS + 6Write IOPS RAID 1和1/0 Drive IOPS = Read IOPS + 2*Write IOPS

假定4500 IOPS中读/写比是2:1，则不同RAID类型Drive IOPS要求分别如下：

RAID 1/0: (2/3)4500 + 2(1/3)*4500 = 6000 IOPS

RAID 5: (2/3)4500 + 4(1/3)*4500 = 9000 IOPS

RAID 6: (2/3)4500 + 6(1/3)*4500 = 12000 IOPS

再参照下表中不同类型硬盘单块IOPS参数，得出需要多少块硬盘：

硬盘类型 IOPS Fibre Channel 15k rpm 180 SAS 15k rpm 180 Fibre Channel 10k rpm 140 SATA 7.2k rpm 80 SATA 5.4k rpm 40 Flash drive 2500 假定选用FC 15K RPM硬盘，则：

RAID 1/0: 6000/180 = 34 块

RAID 5: 9000/180 = 50 块

RAID 6: 12000/180 = 67 块

注：实际情况下还需考虑Vault Drivers (共5块)以及Hot Spares (建议每30块硬盘一个)。

raid5和raid6分别带1份和2份校验（parity）作为数据保护的手段，从而可分别应对最多坏1个盘和2个盘的情况。但是随之而来也有了写(write)性能上一定的降低。这是因为对于raid5上的每个写IO，需要分别读取数据位和校验位，计算后然后再写入数据位和校验位总共4个IO来完成。同理，对于raid6上的每次写IO，需要3+3总共6次IO来完成。这个也就是上述公式里的4Write IOPS （对应raid5）和6Write IOPS （对应raid6）的意思。

当然，这个只是指传统意义上的理论算法。就当今的存储系统而言，由于大量写缓存的存在以及系统的其他优化处理，raid5和raid6的写性能并没有想象中的那么差。