磁盘IOPS计算与测量

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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OLTP(Online Transaction Processing)，IOPS是关键衡量指标。另一个重要指标是数据吞吐量(Throughput)，指单位时间内可以成功传输的数据数量。对于大量顺序读写的应用，如VOD(Video On Demand)，则更关注吞吐量指标。
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，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。下面的磁盘IOPS数据来自http://en.wikipedia.org/wiki/IOPS，给大家一个基本参考。

Device	IOPS	Interface	Notes
7200 RPM SATA drives	~90 IOPS	SATA II
10k RPM SATA drives, queue depth 1	~130 IOPS	SATA II	fio -readonly -name iops -rw=randread -bs=512 -runtime=20 -iodepth 1 -filename /dev/sda -ioengine libaio -direct=1
10k RPM Serial Attached SCSI drives	~140 IOPS	SAS
15k RPM Serial Attached SCSI drives	~180 IOPS	SAS
10k RPM SATA drives, queue depth 24	~290 IOPS	SATA II	fio -readonly -name iops -rw=randread -bs=512 -runtime=20 -iodepth 24 -filename /dev/sda -ioengine libaio -direct=1
Simple SLC SSD	~400 IOPS	SATA II
Intel X25-M G2 (MLC; As of March 2010)	~8,600 IOPS	SATA II	Intel's data sheet claims 6,600/8,600 IOPS (80GB/160GB version) and 35,000 IOPS for random 4KB writes and reads, respectively.
Intel X25-E (SLC; As of March 2009)	~5,000 IOPS	SATA II	Intel's data sheet claims 3,300 IOPS and 35,000 IOPS for writes and reads, respectively. 5,000 IOPS are measured for a mix. Intel X25-E G1 has around 3 times higher IOPS compared to the Intel X25-M G2.
OCZ Z-Drive e84, a PCI Express SLC Solid State Drive	16,000 IOPS	PCIe	Maximum read/write speed of 800/750 MB/s).
G.Skill Phoenix Pro et. al.	~20,000 IOPS	SATA III	SandForce-1200 based SSD drives with enhanced firmware, states up to 50,000 IOPS, but real-world performance shows for all drives from different manufacturers ~25,000 IOPS for random read and ~15,000 IOPS for random write.
ioDrive, a PCI-Express card with Flash	140,000 Read IOPS, 135,000 Write IOPS	PCIe
ioDrive Duo	250,000+ IOPS	PCIe
DDRdrive X1, a May 2009 PCI Express based solid-state drive	300,000+ (512B Random Read IOPS) and 200,000+ (512B Random Write IOPS)	PCIe
Texas Memory System RamSan-20	120,000+ Random Read/Write IOPS	PCIe	Inlude RAM cache and UltraCapacitor to preserve the memory non-volatile
Texas Memory System RamSan-630 Appliance	1,000,000+ Random Read/Write IOPS	FC / InfiniBand
Violin Memory Appliance	1,000,000+ Random Read/Write IOPS	Proprietary interconnect
ioDrive Octal (single PCI Express card)	1,000,000+ Random Read/Write IOPS	PCIe