磁盘性能指标--IOPS 理论

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

机械硬盘的连续读写性很好， 但随机读写性能很差。这是因为磁头移动至正确的磁道上需要时间，随机读写时，磁头不停的移动，时间都花在了磁头寻道上，所以性能不高。  如下图：

在存储小文件(图片)、OLTP数据库应用时，随机读写性能（IOPS）是最重要指标。

学习它，有助于我们分析存储系统的性能互瓶颈。
下面我们来认识随机读写性能指标--IOPS（每秒的输入输出次数）。

磁盘性能指标--IOPS
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        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，如小文件存储(图片)、OLTP数据库、邮件服务器，关注随机读写性能，IOPS是关键衡量指标。

    顺序读写频繁的应用，传输大量连续数据，如电视台的视频编辑，视频点播VOD(Video On Demand)，关注连续读写性能。数据吞吐量是关键衡量指标。

IOPS和数据吞吐量适用于不同的场合：
读取10000个1KB文件，用时10秒  Throught(吞吐量)=1MB/s ，IOPS=1000  追求IOPS
读取1个10MB文件，用时0.2秒  Throught(吞吐量)=50MB/s, IOPS=5  追求吞吐量

磁盘服务时间
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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消耗时间。简单计算时可忽略。

常见磁盘平均物理寻道时间为：
7200转/分的STAT硬盘平均物理寻道时间是9ms
10000转/分的STAT硬盘平均物理寻道时间是6ms
15000转/分的SAS硬盘平均物理寻道时间是4ms

常见硬盘的旋转延迟时间为：

7200   rpm的磁盘平均旋转延迟大约为60*1000/7200/2 = 4.17ms

10000 rpm的磁盘平均旋转延迟大约为60*1000/10000/2 = 3ms，

15000 rpm的磁盘其平均旋转延迟约为60*1000/15000/2 = 2ms。

最大IOPS的理论计算方法
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IOPS = 1000 ms/ (寻道时间 + 旋转延迟)。可以忽略数据传输时间。

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


影响测试的因素
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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，即便如此也会产生一定的随机不确定性。


队列深度说明 
NCQ、SCSI TCQ、PATA TCQ和SATA TCQ技术解析 
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    是一种命令排序技术，一把喂给设备更多的IO请求，让电梯算法和设备有机会来安排合并以及内部并行处理，提高总体效率。
SCSI TCQ的队列深度支持256级
ATA TCQ的队列深度支持32级 （需要8M以上的缓存）
NCQ最高可以支持命令深度级数为32级，NCQ可以最多对32个命令指令进行排序。
    大多数的软件都是属于同步I/O软件，也就是说程序的一次I/O要等到上次I/O操作的完成后才进行，这样在硬盘中同时可能仅只有一个命令，也是无法发挥这个技术的优势，这时队列深度为1。
    随着Intel的超线程技术的普及和应用环境的多任务化，以及异步I/O软件的大量涌现。这项技术可以被应用到了，实际队列深度的增加代表着性能的提高。
在测试时，队列深度为1是主要指标，大多数时候都参考1就可以。实际运行时队列深度也一般不会超过4.


IOPS可细分为如下几个指标：
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数据量为n字节，队列深度为k时，随机读取的IOPS
数据量为n字节，队列深度为k时，随机写入的IOPS


IOPS的测试benchmark工具
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         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。