Что же такое IOPS, и как его считать?

Добрый день! Уважаемые читатели и гости одного из крупнейших IT блогов по системному администрированию Pyatilistnik.org. IOPS (количество операций ввода/вывода – от англ. Input/Output Operations Per Second) – один из ключевых параметров при измерении производительности систем хранения данных, жестких дисков (НЖМД), твердотельных диски (SSD) и сетевых хранилища данных (SAN).

По сути, IOPS это количество блоков, которое успевает считаться или записаться на носитель. Чем больше размер блока, тем меньше кусков, из которых состоит файл, и тем меньше будет IOPS, так как на чтение куска большего размера будет затрачиваться больше времени.

Значит, для определения IOPS надо знать скорость и размер блока при операции чтения/записи. Параметр IOPS равен скорости, деленной на размер блока при выполнении операции.

Характеристики производительности

Основными измеряемыми величинами являются операции линейного (последовательного) и произвольного (случайного) доступа.

Под линейными операциям чтения/записи, при которых части файлов считываются последовательно, одна за другой, подразумевается передача больших файлов (более 128 К). При произвольных операциях данные читаются случайно из разных областей носителя, обычно они ассоциируются с размером блока 4 Кбайт.

Ниже приведены основные характеристики:

Наряду со скоростью передачи, которая измеряет, насколько быстро данные могут быть переданы из непрерывных хранилищ, IOPS можно использовать для измерения производительности хранилища. В то время как скорость передачи измеряется в байтах, а IOPS измеряется как целое число.

В качестве измерения IOPS можно сравнить с числом оборотов двигателя автомобиля в минуту. Если автомобиль находится на нейтралке, и утверждать, что двигатель способен вращаться со скоростью 10 000 об/мин в этот момент, бессмысленно. Без учета размера блока данных (или размера ввода-вывода), активности чтения/записи или потока ввода-вывода, IOPS как автономное измерение мало что говорит, так, что НЕ ВЕДИТЕСЬ на маркетинг.

IOPS в SSD и HDD

Жесткие диски используют стандартное уравнение для определения операций ввода-вывода в секунду, но твердотельные накопители работают иначе. Для жестких дисков IOPS зависит от времени поиска, а твердотельные накопители в первую очередь зависят от внутреннего контроллера устройства. Производительность SSD меняется со временем, достигая пика на ранней стадии. Однако даже после перехода в устойчивое состояние твердотельные накопители по-прежнему превосходят жесткие диски с точки зрения операций ввода-вывода в секунду. Жесткие диски также борются с более высокой задержкой и более длительным временем чтения/записи.

RAID пенальти

Любые операции чтения, которые выполняются на дисках, не подвергаются никакому пенальти, поскольку все диски могут использоваться для операций чтения. Но всё на оборот с операциями на запись. Количество пенальти на запись зависят от типа выбранного RAID-а, например.

В RAID 1 чтобы данные записались на диск, происходит две операции на запись (по одной записи на каждый диск), и следовательно RAID 1 имеет два пенальти.

В RAID 5 чтобы записать данные происходит 4 операции (Чтение существующих данных, четность RAID, Запись новых данных, Запись новой четности) тем самым пенальти в RAID 5 составляет 4.

В этой таблице приведено значение пенальти для более часто используемых RAID конфигурации.

Характеристика рабочих нагрузок

Характеристика рабочей нагрузки в основном рассматривается как процент операции чтений и записей, которые вырабатывает или требует приложение. Например, в среде VDI процентное соотношение IOPS рассматривается как 80-90% на запись и 10-20% на чтение. Понимание характеристики рабочей нагрузки является наиболее критическим фактором, поскольку от этого и зависит выбор оптимального RAID для среды. Приложения которые интенсивно используют операции на запись являются хорошими кандидатами для RAID 10, тогда как приложения которые интенсивно используют операции на чтение могут быть размещены на RAID 5.

В качестве примера сравним, как две рабочие нагрузки, обращающиеся к одному и тому же количеству данных, требуют существенно разного количества операций ввода-вывода в секунду. Первая рабочая нагрузка требует чтения десяти файлов размером 750 МБ, 7,5 ГБ, а передача занимает 100 секунд. Это означает, что скорость передачи данных составляет 75 МБ/с и потребляется 10 операций ввода-вывода в секунду, что вполне соответствует возможностям одного жесткого диска. Вторая рабочая нагрузка требует чтения десяти тысяч файлов 750 КБ, такого же объема данных, 7,5 ГБ, но потребляет 10 000 операций ввода-вывода в секунду. Поскольку обычный диск не может генерировать более 200 операций ввода-вывода в секунду, этот запрос не будет выполнен за те же 100 секунд. Это пример того, как разные рабочие нагрузки могут требовать существенно разной производительности при использовании одной и той же емкости хранилища.

Вычисление IOPS

Есть два сценария вычисления IOPS-ов. Один из сценариев это когда есть определенное число дисков, и мы хотим знать, сколько IOPS эти диски выдадут? Второй сценарий, когда мы знаем сколько нам IOPS-ов надо, и хотим вычислить нужное количество дисков?

Сценарий 1: Вычисление IOPS исходя из определенного кол-ва дисков

Представим что у нас есть 20 450GB 15к RPM дисков. Рассмотрим два сценария Рабочей нагрузки 80%Write-20%Read и другой сценарий с 20%Write-80%Read. Также мы вычислим количество IOPS как для RAID5 и RAID 10.

Формула для расчета IOPS:

Total Raw IOPS = Disk Speed IOPS * Number of disks
Functional IOPS =(((Total Raw IOPS×Write %))/(RAID Penalty))+(Total Raw IOPS×Read %)

Есть определение Raw IOPS и Functional IOPS, как раз токи Functional IOPS-ы и есть те IOPS-ы которые включают в себя RAID пенальти, и это и есть “настоявшие” IOPS-ы.

А теперь подставим цифры и посмотрим что получится.

• Total Raw IOPS = 170*20 = 3400 IOPS (один 15K RPM диск может выдать в среднем 170 IOPS)
• Для RAID-5

Вариант 1 (80%Write 20%Read) Functional IOPS = (((3400*0.8))/(4))+(3400*0.2) = 1360 IOPS
Вариант 2 (20%Write 80%Read) Functional IOPS = (((3400*0.2))/(4))+(3400*0.8) = 2890 IOPS

• Для RAID-1

Вариант 1 (80%Write 20%Read) Functional IOPS = (((3400*0.8))/(2))+(3400*0.2) = 2040 IOPS
Вариант 2 (20%Write 80%Read) Functional IOPS = (((3400*0.2))/(2))+(3400*0.8) = 3100 IOPS

Сценарий 2: Подсчет кол-ва дисков для достижения определенного кол-ва IOPS

Рассмотрим ситуацию где нам надо определить тип RAID-а и количества дисков для достижения определенного количества IOPS-ов 5000 и с определенными рабочими нагрузками, например 80%Write20%Read и 20%Write80% Read.

Опять же для начала формула по которой и будем считать:

Total number of Disks required = ((Total Read IOPS + (Total Write IOPS*RAID Penalty))/Disk Speed IOPS)

• Total IOPS = 5000

Теперь подставим цифры.

Заметка: 80% от 5000 IOPS = 4000 IOPS и 20% от 5000 IOPS = 1000 IOPS с этими цифрами и будем оперировать.

• Для RAID-5

Вариант 1 (80%Write20%Read) – Total Number of disks required = ((1000+(4000*4))/170) = 100 дисков.
Вариант 2 (20%Write80%Read) – Total Number of disks required = ((4000+(1000*4))/170) = 47 дисков приблизительно.

• Для RAID-1

Вариант 1 (80%Write20%Read) – Total Number of disks required = ((1000+(4000*2))/170) = 53 диска приблизительно.
Вариант 2 (20%Write80%Read) – Total Number of disks required = ((4000+(1000*2))/170) = 35 дисков приблизительно.

Понимание и подсчет IOPS, RAID пенальти, и характеристик рабочих нагрузок очень критичны аспект при планировании. Когда нагрузка более интенсивна на запись луче выбирать RAID 10 и наоборот при нагрузках на чтение RAID 5.

Обновляемая производительность

Как указывалось выше, большинство массивов all-flash обеспечат большую производительность, чем большинство центров обработки данных могут использовать сегодня. Но сегодня ключевое слово здесь. По мере того, как плотность виртуальных серверов и виртуальных рабочих столов, а также количество пользователей на экземпляр базы данных продолжают масштабироваться, центрам обработки данных будет требоваться все больше и больше производительности. Сам флэш-носитель станет немного быстрее, но ключевым препятствием на пути к увеличению производительности станет контроллер хранилища и эффективность программного обеспечения хранилища.

Функции и возможности программного обеспечения хранения увеличивают производительность флеш-памяти. Эффективность этого программного обеспечения хранения в том, как оно выполняет эти различные возможности, имеет решающее значение для общей производительности. К счастью, поставщик all-flash имеет доступ к постоянно растущей вычислительной мощности, которая может маскировать большую часть накладных расходов на программное обеспечение хранения. Тем не менее, очень важно, чтобы поставщик флэш-памяти мог предоставить возможность обновления для своего аппаратного обеспечения контроллера, чтобы их клиенты могли воспользоваться преимуществами увеличивающейся мощности каждой итерации процессоров Intel.

Программы для измерения IOPS

IOmeter — http://www.iometer.org/ - тест IOPS
IOzone — http://www.iozone.org/ - тест IOPS
FIO — http://freecode.com/projects/fio - тест IOPS
CrystalDiskMark — http://crystalmark.info/software/CrystalDiskMark/index-e.html - тест IOPS
SQLIO — http://www.microsoft.com/en-us/download/details.aspx?id=20163 - набор тестов для расчета производительности (IOPS, MB, Latency) под сервера БД
wmarow —  http://wmarow.com/strcalc/ - калькулятор RAID групп по производительности IOPS

Материал сайта Pyatilistnik.org