硬碟IO性能估算入門

一、硬碟IO的類型

IO是輸入輸出指令，操作系統向存儲控制器下發一個讀或者寫數據的操作指令，控制器下發地址和數據給存儲設備，並返回結果給存儲控制器，最後到達操作系統。操作系統的一個IO可能會產生多個實際的存儲設備IO。一般可以分為：

1、連續Sequential IO、隨機Random IO如果本次IO給出的初始地址和上次IO的結束地址是連續或者接近的，磁頭可以很快訪問到數據，這樣的多個IO就是連續IO。如果前後兩次IO操作的地址相差比較大，磁頭需要較長距離的移動，就是隨機IO。在做連續 IO的時候，磁頭幾乎不換道連接工作，可以快速讀取和寫入大量數據。

2、順序Queue IO、並發Burst IO如果存儲設備每次只執行一個IO指令，就是順序IO；當存儲設備能同時執行多個IO命令時，控制器發送IO指令後不等回應就繼續下發IO指令，稱為並發IO。普通磁碟一次只能響應一個IO指令，但RAID等存儲設備的IO操作是並發的。對順序IO的設備，調整IO隊列深度，性能不能產生變化。

二、硬碟性能衡量

衡量硬碟性能，最直觀的就是IOPS和吞吐量。

1、IOPS，每秒處理的IO次數指存儲設備（HDD、SSD、SAN）單位時間內能處理的IO請求數量，對隨機讀寫頻繁的應用，如OLTP資料庫、圖片、信息，是最關鍵的衡量指標。IOPS數值受讀寫比例、隨機IO、IO大小、隊列深度等因數影響。資料庫通常訪問一系列不連續的數據，根據文件物理位置，需要很多次IO才能完成。所以需要隨機IO高的設備。

2、Throughput，吞吐量指單位時間內可以成功傳輸的數據數量，傳輸包括讀和寫的總和。對於大文件或者流媒體的應用，擁有大量順序讀寫，則更關注數據吞吐量。數據吞吐量還受到存儲設備介面速度限制，比如IDE、SATA、SAS、FC，SSD使用PCIE Nvme介面最佳，但同時期推出的介面都大於存儲設備吞吐量上限。

三、硬碟監控指標

通過iostat等工具觀察存儲設備狀況，我們一般關注下面指標。

1、r/s、w/s，每秒讀寫IO次數。IOPS = r/s + w/s。讀和寫的能力，在不同設備中實際是有差異的，但是我們經常簡化差異，混合稱為IOPS。

2、avgrq-sz，每次IO請求的平均大小如果平均小於32K認為隨機存取為主，大於32K則是順序存儲為主。

3、avgqu-sz，等待執行的IO隊列長度　IO請求數超出存儲設備處理能力，待執行隊列就會加長，該值應該小於2.

4、await，等待執行的IO耗時　等待耗時取決svctm以及IO隊列長度，該值應該接近svctm。

5、 svctm，IO服務時間處理IO請求的耗時，比如機械硬碟耗時，由尋道時間、旋轉延遲和傳輸時間組成。

6、uitl，存儲設備IO利用率存儲設備的資源利用情況，隊列爭用程度成越高值越大。

四、存儲性能

1、機械硬碟的性能計算對機械硬碟來說，IOPS = 1000 / (尋道時間 + 旋轉延時 + 傳輸時間)。 a、尋道時間，磁頭移動到對應磁軌上的耗時。 Sata 7200RPM，平均尋道時間是9ms。 Sas 10000RPM，平均尋道時間是6ms。 Sas 15000RPM，平均尋道時間是4ms。　b、旋轉延時，碟片旋轉至需要的扇區移至磁頭下方耗時。 平均為磁碟旋轉一周所需時間的一半，60 * 1000/7200/2。 Sata 7200RPM，旋轉延時 60 * 1000 / 7200 / 2 = 4.17ms。 Sas 10000RPM，旋轉延時3ms。 Sas 15000RPM，旋轉延時約2ms。 c、傳輸時間，傳輸讀寫數據耗時。 平均數據大小除以介面傳輸率，耗時很小粗略計算可以忽略。 Sata，300~600MB/s。 Sas，3Gbit/s。 FC，2~4Gbit/s。 NVME，32Gbit/s。 根據上述信息，我們常用的Sas 15000RPM，MySQL應用16k塊，機械硬碟IOPS = 1000 / (4 + 2 + 16K / 375K) = 165。

2. SSD硬碟IO計算固態硬碟沒有尋道時間和旋轉時間。IO耗時是通過地址查找數據耗時，根據晶元顆粒SLC、MLC，中控晶元、隊列深度32~64、介面Sata、PCIE的不同，一般負載非太高時是相對固定值（控制在60%利用率）。 IOPS = 1000 / IO耗時。因為SSD比較固定，比如Intel 320 SSD對8K avgrq-sz耗時0.1ms，1000/0.1ms=10000 IOPS。具體參考後續文章。

3、iops估算raid盤數a、如果單盤不能滿足性能需求，需要通過Raid實現，計算所需硬碟數公式如下。 Raid1、10，Drive IOPS = Read IOPS + 2*Write IOPS Raid3、5，Drive IOPS = Read IOPS + 4*Write IOPS Raid6，Drive IOPS = Read IOPS + 6*Write IOPS b、設需要IOPS 5000，讀寫比例2:1，則RAID10後IOPS需求為。 RAID10，(2/3) * 5000 + 2 * (1/3) * 5000 = 6666 IOPS c、已知Sas 15000RPM機械硬碟IOPS165。 5000IOPS所需硬碟個數, 6666 / 165 = 40。

4、常見存儲設備參考性能，avgrq-sz 8~16K5400 rpm SATA，60 IOPS 7200 rpm SATA，70 IOPS 10000 rpm SAS，110 IOPS 15000 rpm SAS，150 IOPS，Sequential RW 180MB/s、Radom RW 15MB/s。 10000 rpm FC，125 IOPS 15000 rpm FC，150 IOPS SSD Sata，3000~40000 IOPS，R 400MB/s、W 250MB/s。 SSD PCIE，20000~40000 IOPS，R 500MB/s、W 300MB/s。 內存，1000000+ IOPS，30~60 GB/s。

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