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  • IOPS计算器

    2018-12-04 21:17:50
    IOPS Calculator计算器. 计算存储的IOPS值, 以便能够对企业里的存储做个评估.
  • 常用的磁盘设备的IOPS参数表,包括SATA、SSD、MLC、SLC等等,如果没有分数的,可以私信我,我发给你
  • mysql探究-IOPS优化

    2021-01-07 13:27:17
    当使用公有云关系存储数据库服务时,经常会对IOPS做限制,导致数据库如果操作频繁,经常会达到限制,特别是inser,update,delete这类需要操作写入磁盘的。本篇讲讲IOPS是什么,为什么会高,以及Mysql的处理方案。 ...
  • iops主要用在数据方面,这个指标是数据库性能评定的一个重要参考,iops的是每秒进行读写(I/O)操作的次数,主要看随机访问的性能,一般为了iops增高都要依靠磁盘阵列,实际线上的数据库基本都是raid10的配置,raid5...
  • iops:基准磁盘IO-源码

    2021-02-24 22:25:07
    iops iops是IO基准测试工具,可对块设备执行随机读取。 如果未使用-b指定确切的块大小,则该大小以物理扇区大小(默认为4k)开始,并在每次循环迭代时加倍。 您可以使用-p切换来切换读取模式。 用法 iops [-n|--num...
  • iops

    2017-11-23 15:43:00
    IOPS 1、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。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...

                                                                            IOPS

    1、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。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数据传输时间三部分构成。

     2、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。

    3、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。

    4、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。

    5、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,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

    6、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。

    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。


    例:

        1、通常当数据库管理员提出需要更多存储空间的时候,他们还会指定必须要达到多少IOPS。现在有这样一个需求,20TB存储空间同时满足4500 IOPS+RAID 5,我应该如何计算?RAID 5或者RAID 1/0的时候分别需要多少块硬盘?

    证明:

    1、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 and 3Drive IOPS = Read IOPS + 4*Write IOPS
    RAID 6Drive IOPS = Read IOPS + 6*Write IOPS
    RAID 1 and 1/0Drive IOPS = Read IOPS + 2*Write IOPS

    注: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4*Write IOPS (对应raid5)和6*Write 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。


    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
    SAS 15k rpm180
    SAS 10k rpm140
    SATA 7.2k rpm80
    SATA 5.4k rpm40

    假定选用SAS 15K RPM硬盘,则:

        RAID 1/0: 6000/180 = 34 块

        RAID 5: 9000/180 = 50 块

        RAID 6: 12000/180 = 67 块



    IOPS

        1、决定IOPS的主要取决于阵列的算法,cache命中率,以及磁盘个数。

        2、cache的命中率取决于数据的分布,cache size的大小,数据访问的规则,以及cache的算法,如果完整的讨论下来,这里将变得很复杂,可以有一天好讨论了。我这里只强调一个cache的命中率,如果一个阵列,读cache的命中率越高越好,一般表示它可以支持更多的IOPS,为什么这么说呢?这个就与我们下面要讨论的硬盘IOPS有关系了。


        硬盘的限制,每个物理硬盘能处理的IOPS是有限制的,如

        10 K         15 K

        ——— ——— 

        100         150 

        3、同样,如果一个阵列有120块15K rpm的光纤硬盘,那么,它能撑的最大IOPS为120*150=18000,这个为硬件限制的理论值,如果超过这个值,硬盘的响应可能会变的非常缓慢而不能正常提供业务。

        4、在raid5与raid10上,读iops没有差别,但是,相同的业务写iops,最终落在磁盘上的iops是有差别的,而我们评估的却正是磁盘的IOPS,如果达到了磁盘的限制,性能肯定是上不去了。


        那我们假定一个case,业务的iops是10000,读cache命中率是30%,读iops为60%,写iops为40%,磁盘个数为120,那么分别计算在raid5与raid10的情况下,每个磁盘的iops为多少。

        raid5:

        单块盘的iops = (10000*(1-0.3)*0.6 + 4 * (10000*0.4))/120

                                = (4200 + 16000)/120

                                    = 168

        这里的10000*(1-0.3)*0.6表示是读的iops,比例是0.6,除掉cache命中,实际只有4200个iops,

        而4 * (10000*0.4) 表示写的iops,因为每一个写,在raid5中,实际发生了4个io,所以写的iops为16000个

        为了考虑raid5在写操作的时候,那2个读操作也可能发生命中,所以更精确的计算为:

        单块盘的iops = (10000*(1-0.3)*0.6 + 2 * (10000*0.4)*(1-0.3) + 2 * (10000*0.4))/120

                                = (4200 + 5600 + 8000)/120

                                = 148

        计算出来单个盘的iops为148个,基本达到磁盘极限

        raid10

        单块盘的iops = (10000*(1-0.3)*0.6 + 2 * (10000*0.4))/120

                                = (4200 + 8000)/120

                                = 102

         可以看到,因为raid10对于一个写操作,只发生2次io,所以,同样的压力,同样的磁盘,每个盘的iops只有102个,还远远低于磁盘的极限iops。

        在一个实际的case中,一个恢复压力很大的standby(这里主要是写,而且是小io的写),采用了raid5的方案,发现性能很差,通过分析,每个磁盘的iops在高峰时期,快达到200了,导致响应速度巨慢无比。后来改造成raid10,就避免了这个性能问题,每个磁盘的iops降到100左右。


    raid:

    • RAID0

    • RAID0将数据条带化(striping)将连续的数据分散在多个磁盘上进行存取,系统发出的IO命令(不管读IO和写IO都一样)就可以在磁盘上被并行的执行,每个磁盘单独执行自己的那一部分请求,这样的并行的IO操作能大大的增强整个存储系统的性能。假设一个RAID0阵列有n(n>=2)个磁盘组成,每个磁盘的随机读写的IO能力都达到140的话,那么整个磁盘阵列的IO能力将是140*n。同时如果在阵列总线的传输能力允许的话RAID0的吞吐率也将是单个磁盘的n倍。

    • RAID1

    • RAID1在容量上相当于是将两个磁盘合并成一个磁盘来使用了,互为镜像的两个磁盘里面保存的数据是完全一样的,因此在并行读取的时候速度将是n个磁盘速度的总和,但是写入就不一样了,每次写入都必须同时写入到两个磁盘中,因此写入速度只有n/2。

    • RAID5

    • 我们那一个有n(n>=3)个磁盘的RAID5阵列来看,首先看看RAID5阵列的读IO,RAID5是支持并行IO的,而磁盘上的数据呈条带状的分布在所有的磁盘上,因此读IO的速度相当于所有磁盘速度的总和。不过这是在没有磁盘损坏的情况下,当有一个磁盘故障的时候读取速度也是会下降的,因为中间需要花时间来计算丢失磁盘上面的数据。


      读取数据的情况相对就要复杂的多了,先来看下RAID5奇偶校验数据写入的过程,我们把写入的数据称为D1,当磁盘拿到一个写IO的命令的时候,它首先会读取一次要入的地址的数据块中修改之前的数据D0,然后再读取到当前条带中的校验信息P0,接下来就根据D0,P0,D1这三组数据计算出数据写入之后的条带的奇偶校验信息P1,最后发出两个写IO的命令,一个写入D1,另一个写入奇偶校验信息P1。可以看出阵列在实际操作的时候需要读、读、写、写一共4个IO才能完成一次写IO操作,也就是实际上的写入速度只有所有磁盘速度总和的1/4。从这点可以看出RAID5是非常不适合用在要大批量写入数据的系统上的。

    • RAID6

    • RAID6和RAID5很类似,差别就在于RAID6多了一个用于校验的磁盘。就写IO速度上来说这两个是完全一样的,都是所有磁盘IO速度的总和。


      在写IO上也很是类似,不同的是RAID将一个命令分成了三次读、三次写一共6次IO命令才能完成,也就是RAID6实际写入磁盘的速度是全部磁盘速度之和的1/6。可以看出从写IO看RAID6比RAID5差别是很大的。

    • RAID10

    • RAID0读写速度都很好,却没有冗余保护;RAID5和RAID6都有同样的毛病就是写入的时候慢,读取的时候快。那么RAID1呢?嗯,这里要说的就是RAID1,其实不管是RAID10还是RAID01,其实都是组合大于2块磁盘时候的RAID1,当先镜像后条带时候就称为RAID10,先条带后镜像的时候称为RAID01。从性能上看RAID01和RAID10都是一样的,都是RAID1嘛,但是RAID10在重建故障磁盘的时候性能比RAID01要快。










    本文转自 Art_Hero 51CTO博客,原文链接:http://blog.51cto.com/curran/1597248,如需转载请自行联系原作者
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  • mysql数据库三个关键性能指标-TPS-QPS-IOPS,可以实时监控数据库运行情况,以便及时处理问题。
  • fio多线程影响IOPS

    2019-01-21 16:45:27
    线程数的增加,对磁盘性能测试的数据影响,在一定范围内会因线程数增加而增加,内容为测试实际数据
  • zabbix下监控磁盘IOPS

    2016-02-20 22:44:36
    ZABBIX下监控磁盘iops , 通过自定义key值获取信息,
  • zabbix 下磁盘iops监控,附带监控脚本,我修正了导入模板的相关key值使监控更加方便
  • fio中libaio模式比psync模式的测试出来的iops高的分析
  • IOPS

    2017-12-01 16:37:31
    IOPS (Input/Output Operations Per Second),即每秒进行读写(I/O)操作的次数,多用于数据库等场合,衡量随机访问的性能。 存储端的IOPS性能和主机端的IO是不同的,IOPS是指存储每秒可接受多少次主机发出的访问,...

    IOPS (Input/Output Operations Per Second),即每秒进行读写(I/O)操作的次数,多用于数据库等场合,衡量随机访问的性能。

    存储端的IOPS性能和主机端的IO是不同的,IOPS是指存储每秒可接受多少次主机发出的访问,主机的一次IO需要多次访问存储才可以完成。例如,主机写入一个最小的数据块,也要经过“发送写入请求、写入数据、收到写入确认”等三个步骤,也就是3个存储端访问。



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  • 在存储领域,IOPS也被称为Throughput(吞吐量),即每秒钟的I/O数量,如果知道每个I/O的平均大小,那么就可以算出这些I/O总共产生了多大的数据量,即Bandwidth(带宽)。因此,IOPS * I/O size = Bandwidth。 A便问...
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  • Determining the IOPS Needs for Oracle Database on AWS Abdul Sathar Sait December 2014 Amazon Web Services Determining the IOPS Needs for Oracle Database on AWS December 2014 Contents Abstract 2 Intro
  • 了解存储性能-IOPS和延迟

    千次阅读 2020-09-02 22:11:27
    如果我们看一下上面的Intel SSD图表,我们可能会注意到随着队列深度的增加,IOPS的数字如何才开始接近标榜的80K + IOPS。因此,了解您自己的工作负载的特征很重要。 袭击 如果将多个硬盘驱动器组合在一起,则可以...

    介绍

    本博客文章的目的是帮助您更好地了解存储性能。我想讨论一些基本原理,无论您有什么特殊需要。

    这将帮助您更好地了解存储空间,并可能为进一步学习提供一个支架。

    如果您完全在云中运行应用程序/工作负载,则此信息可能会过时或不相关。

    但是,由于云只是其他人的计算和存储,因此有关存储的知识可能仍然很重要。云提供商公开了存储性能指标供您监视,这可能有助于您理解它们。

    概念

    输入输出

    I / O是单个读/写请求。该I / O被发布到存储介质(如硬盘驱动器或固态驱动器)。

    可以要求从磁盘读取特定文件。也可以是将一些数据写入现有文件的请求。读取或写入文件可能会导致多个I / O请求。

    I / O请求大小

    I / O请求具有大小。该请求可以很小(如1千字节),也可以很大(几兆字节)。不同的应用程序工作负载将发出具有不同请求大小的I / O操作。I / O请求大小可能会影响延迟和IOPS数字(我们将在稍后讨论两个指标)。

    IOPS

    IOPS代表每秒I / O操作。这是一种性能指标,在存储世界中经常使用(和滥用)。它告诉我们存储(对于特定的工作负载)每秒可以处理多少个I / O请求。

    警告:没有延迟数字,该指标毫无意义。我们将在稍后讨论延迟。

    带宽或吞吐量

    如果将IOPS数字乘以(平均)I / O请求大小,则会获得带宽或吞吐量。我们以每秒兆字节和千兆字节为单位声明存储带宽。

    举个例子:如果我们发出1000 IOPS的工作量,请求大小为4千字节,那么我们将获得1000 x 4 KB = 4000 KB的吞吐量。这大约是每秒4 MB

    潜伏

    延迟是指完成I / O请求所需的时间。我们从发出请求到存储层的那一刻开始测量,并在获取请求的数据或确认数据已存储在磁盘上时停止测量。

    在大多数情况下,延迟是关注存储性能时最重要的单个指标。

    对于硬盘驱动器,在1020毫秒之间的平均等待时间被认为是可以接受的(20毫秒是上限)。

    对于固态驱动器,根据工作负载,它永远不应超过1-3毫秒。在大多数情况下,工作负载的等待时间少于1ms

    IOPS和延迟

    这是一个非常重要的概念。如果没有有关延迟的说明,则IOPS指标毫无意义。您必须了解每个I / O操作将花费多长时间,因为延迟决定了各个I / O操作的响应能力。

    如果存储解决方案可以达到10,000 IOPS,但平均延迟时间为50毫秒,则可能导致非常差的应用程序性能。如果我们要达到10 ms的较高延迟目标,则存储解决方案可能仅能达到2,000 IOPS

    有关此主题的更多详细信息,我将推荐该博客该博客

    访问方式

    顺序访问

    顺序数据传输的一个示例是将一个大文件从一个硬盘复制到另一个硬盘。从源驱动器读取大量顺序的(通常是相邻的)数据块并将其写入另一个驱动器。备份作业还会导致顺序访问模式。

    实际上,此访问模式显示了最高的吞吐量。

    硬盘驱动器很容易,因为它们不必花费很多时间来移动读/写磁头,而可以花费大多数时间来读/写实际数据。

    随机访问

    I / O请求以看似随机的方式发布到存储介质。数据可以存储在存储介质上的各个区域中。这种访问模式的一个示例是使用大量数据库的服务器或运行许多虚拟机(所有虚拟机同时运行)的虚拟化主机。

    硬盘驱动器将不得不花费大量时间来移动其读/写磁头,而仅花费很少的时间来传输数据。吞吐量和IOPS都会下降(与顺序访问模式相比)。

    实际上,大多数常见的工作负载(例如正在运行的数据库或虚拟机)会导致存储系统上出现随机访问模式。

    队列深度

    队列深度是介于1128之间的数字,它表示平均有多少I / O请求(在运行中)排队。拥有队列是有益的,因为队列中的请求可以以优化的方式(通常是并行方式)提交给存储子系统。队列以延迟为代价提高了性能。

    如果您有某种存储性能监视解决方案,那么队列深度过长可能表明存储子系统无法处理工作负载。您可能还会观察到高于正常延迟的数字。只要等待时间数字仍在容许的范围内,就不会有问题。

    存储介质性能特征

    硬盘驱动器

    硬盘驱动器HDD)的是类似于机械设备唱机

    他们有一个带有读/写头的手臂,数据存储在(多个)盘片上。 

    硬盘驱动器必须物理地移动读/写磁头才能满足读/写请求。与固态驱动器(我们将在稍后介绍)相比,这种机械特性使它们相对较慢。

    特别是随机访问工作负载会导致硬盘驱动器花费大量时间在正确的时间将读/写磁头移动到正确的位置,因此实际数据传输的时间更少。

    要了解硬盘驱动器,最重要的一点是从性能角度(关注延迟)来看,更高的主轴速度会降低平均延迟。

    转速RPM

    访问延迟(毫秒)

    IOPS

    5400

    17-18

    50-60

    7200

    12-13

    75-85

    10,000

    7-8

    120-130

    15,000

    5-6

    150-180

    由于单个I / O请求的等待时间会降低具有较高RPM的驱动器,因此您可以在相同的时间内发出更多此类请求。这就是IOPS数也增加的原因。

    较早的Western Digital Velociraptor 10,000 RPM驱动器的延迟和IOPS

     注意队列深度= 1”列中的延迟和IOPS

    来源用于验证自己的研究。

    关于顺序吞吐量,我们可以说相当老的硬盘驱动器可以维持每秒100-150兆字节的吞吐量。具有更高容量的更现代的硬盘驱动器通常可以维持每秒200-270兆字节的速度。

    重要说明:顺序传输速度不是恒定的,并且取决于硬盘驱动器盘片上数据的物理位置。随着驱动器装满,吞吐量会下降。吞吐量可能下降百分之五十以上! 1

    因此,如果要计算传输特定(大型)数据集所需的时间,则需要考虑到这一点。

    固态硬盘

    固态驱动器(SSD)没有活动部件,它们基于闪存(芯片)。SSD可以更快地处理I / O,从而显着降低延迟。

     

    鉴于我们以毫秒(千分之一秒)为单位来衡量HDD的平均I / O延迟,而以微秒(百万分之一秒)为单位来衡量SSD I / O操作的延迟。

    由于减少了每个I / O请求的等待时间,因此SSD在各种可能的方式上均胜过HDD。即使是廉价的消费类SSD,也只能以0.15毫秒(150纳秒)的延迟至少维持约5000+ IOPS。该延迟比企业15K RPM硬盘的最佳延迟大约高40倍。

    固态驱动器通常可以并行处理I / O请求。这意味着,在运行中有更多I / O请求的较大队列深度可以显示出更高的IOPS,而延迟却有有限的增加(但并非微不足道)。

     较旧的SATA消费类SSD的随机I / O性能

    更现代的企业级固态硬盘显示出更好的延迟和IOPSSATA接口似乎是主要瓶颈。

     企业SATA SSD的随机I / O性能

    在所有相关指标上,SSD的性能均优于HDD,但价格与容量相关。

    重要说明: SSD 不适用于数据的归档存储。数据作为电荷存储在芯片中,这些电荷会随着时间的流逝而减少。尽管最合适的存储方法可能是磁带,但是即使硬盘驱动器也更适合脱机归档。

    SSD实际性能与广告性能

    宣传许多SSD的性能数字为80,000-100,000 IOPS,且延迟相当大。根据工作负载,您可能只会观察到部分性能。

    这些较高的80K-100K IOPS数据大多数是通过对非常高的队列深度(16-32)进行基准测试而获得的。SSD可以从此类队列深度中受益,因为它可以并行处理许多这些I / O请求。

    请注意:如果您的工作负载不适合这种模式,则可能会看到较低的性能数字。

    如果我们看一下上面的Intel SSD图表,我们可能会注意到随着队列深度的增加,IOPS的数字如何才开始接近标榜的80K + IOPS。因此,了解您自己的工作负载的特征很重要。

    袭击

    如果将多个硬盘驱动器组合在一起,则可以创建RAID阵列。RAID阵列是一种虚拟存储设备,其容量和性能超过单个硬盘驱动器。这样可以在单个计算机的范围内扩展存储。

    RAID还用于(或有人说主要用于)通过确保冗余(驱动器故障不会导致数据丢失)来确保可用性。但对于本文,我们重点关注其性能特征。

    SSD可以实现令人印象深刻的连续吞吐速度,每秒可达到数GB。单个硬盘永远无法达到这些速度,但是如果将许多硬盘组合在一起形成RAID阵列,则速度可能会非常接近。例如,我自己的NAS可以使用24个驱动器来达到这样的速度。

    RAID还提高了随机访问模式的性能。RAID阵列中的硬盘驱动器可以协同工作以服务那些I / O请求,因此RAID阵列的IOPS明显高于单个驱动器。更多的驱动器意味着更多的IOPS

    带有87200 RPM驱动器的RAID 5

    下图显示了1 TB 7200 RPM驱动器的8驱动器RAID 5阵列的读取IOPS性能。我们运行随机4K读取请求的基准。

    请注意,IOPS如何随着队列深度的增加而增加。

     

    但是,这个世界上没有免费的东西。较高的队列深度(充当缓冲区)确实会增加延迟。

     

    请注意,延迟超过20毫秒有多快,很快变得几乎无法使用。

    具有8 x 10,000 RPM驱动器的RAID 5

    以下是对10,000 RPM硬盘进行类似测试的结果。请注意,IOPS和延迟数字要好得多。

     

    延迟看起来好多了:

     

    SSD放入RAID是有意义的。尽管它们比硬盘驱动器更可靠,但它们可能会发生故障。如果您关心可用性,RAID是不可避免的。此外,您可以观察到与硬盘驱动器相同的好处:将资源集中在一起,与单个SSD相比,可以实现更高的IOPS数字和更大的容量。

    容量与性能

    以下内容主要针对硬盘驱动器,尽管固态驱动器也可能如此。

    我们将硬盘驱动器放在RAID阵列中,以得到比单个驱动器所能提供的更多的IOPS。在某些时候(随着工作负载的增加),我们可能会达到RAID阵列可以维持的最大IOPS数量,并具有可接受的延迟。

    即使我们仅使用RAID阵列存储容量的50%,也可以达到此IOPS /延迟阈值。例如,如果使用RAID阵列托管虚拟机,则无法添加更多虚拟机,因为这将导致延迟上升到无法接受的水平。

    可能感觉很多好的存储空间都在浪费,从某种意义上说,这可能是正确的。因此,纯粹为它们可以提供的IOPS购买较小的10,000 RPM15,000 RPM驱动器可能是明智的策略,并且放弃了容量。

    因此,在某些情况下,您可能不得不订购并添加10个以上的硬盘驱动器以满足IOPS / Latency的要求,同时仍然有足够的空间。

    这种情况不太可能发生,因为SSD接管了性能存储层的角色,并且(更大容量的)硬盘驱动器被推向了在线档案存储的角色。

    结束语

    希望本文能使您对存储性能有更好的了解。尽管只是介绍,但它可能有助于您更好地了解存储性能的挑战。


    1.       https://zh.wikipedia.org/wiki/  硬磁盘驱动器性能_特征_数据传输率rate

     

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  • 磁盘性能评价指标—IOPS和吞吐量

    千次阅读 2020-05-14 12:04:48
    4K (1/0.1 ms = 10000 IOPS) 0ms + 0ms + 4K/40MB = 0.1 8k (1/0.2 ms = 5000 IOPS) 0ms + 0ms + 8K/40MB = 0.2 16K (1/0.4 ms = 2500 IOPS) 0ms + 0ms + 16K/40MB = 0.4 32K (1/0.8 ms = 1250 IOPS) 0ms + 0ms + ...

    一、磁盘 I/O 的概念

    I/O 的概念,从字义来理解就是输入输出。操作系统从上层到底层,各个层次之间均存在 I/O。比如,CPU 有 I/O,内存有 I/O, VMM 有 I/O, 底层磁盘上也有 I/O,这是广义上的 I/O。通常来讲,一个上层的 I/O 可能会产生针对磁盘的多个 I/O,也就是说,上层的 I/O 是稀疏的,下层的 I/O 是密集的。

    磁盘的 I/O,顾名思义就是磁盘的输入输出。输入指的是对磁盘写入数据,输出指的是从磁盘读出数据。我们常见的磁盘类型有 ATA、SATA、FC、SCSI、SAS,如图1所示。这几种磁盘中,服务器常用的是 SAS 和 FC 磁盘,一些高端存储也使用 SSD 盘。每一种磁盘的性能是不一样的。

    图 1. 物理磁盘的架构以及常见磁盘类型

    二、性能评价指标

    SAN(Storage Area Network, 存储区域网络)和NAS存储(Network Attached Storage,网络附加存储)一般都具备2个评价指标:IOPS和带宽(throughput),两个指标互相独立又相互关联。体现存储系统性能的最主要指标是IOPS。下面,将介绍一下这两个参数的含义。

    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,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。

    简而言之:

     

    磁盘的 IOPS,也就是在一秒内,磁盘进行多少次 I/O 读写。

    磁盘的吞吐量,也就是每秒磁盘 I/O 的流量,即磁盘写入加上读出的数据的大小。

    IOPS 与吞吐量的关系

    每秒 I/O 吞吐量= IOPS* 平均 I/O SIZE。从公式可以看出: I/O SIZE 越大,IOPS 越高,那么每秒 I/O 的吞吐量就越高。因此,我们会认为 IOPS 和吞吐量的数值越高越好。实际上,对于一个磁盘来讲,这两个参数均有其最大值,而且这两个参数也存在着一定的关系。

    IOPS可细分为如下几个指标:

    1. 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。
    2. Random Read IOPS,100%随机读负载情况下的IOPS。
    3. Random Write IOPS,100%随机写负载情况下的IOPS。
    4. Sequential Read IOPS,100%顺序读负载情况下的IOPS。
    5. Sequential Write IOPS,100%顺序写负载情况下的IOPS。

    下图为一个典型的NFS测试结果:

    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。

     

    IOPS计算公式

    对于磁盘来说一个完整的IO操作是这样进行的:当控制器对磁盘发出一个IO操作命令的时候,磁盘的驱动臂(Actuator Arm)带读写磁头(Head)离开着陆区(Landing Zone,位于内圈没有数据的区域),移动到要操作的初始数据块所在的磁道(Track)的正上方,这个过程被称为寻址(Seeking),对应消耗的时间被称为寻址时间(Seek Time);但是找到对应磁道还不能马上读取数据,这时候磁头要等到磁盘盘片(Platter)旋转到初始数据块所在的扇区(Sector)落在读写磁头正上方的之后才能开始读取数据,在这个等待盘片旋转到可操作扇区的过程中消耗的时间称为旋转延时(Rotational Delay);接下来就随着盘片的旋转,磁头不断的读/写相应的数据块,直到完成这次IO所需要操作的全部数据,这个过程称为数据传送(Data Transfer),对应的时间称为传送时间(Transfer Time)。完成这三个步骤之后一次IO操作也就完成了。

    在我们看硬盘厂商的宣传单的时候我们经常能看到3个参数,分别是平均寻址时间、盘片旋转速度以及最大传送速度,这三个参数就可以提供给我们计算上述三个步骤的时间。

    第一个寻址时间,考虑到被读写的数据可能在磁盘的任意一个磁道,既有可能在磁盘的最内圈(寻址时间最短),也可能在磁盘的最外圈(寻址时间最长),所以在计算中我们只考虑平均寻址时间,也就是磁盘参数中标明的那个平均寻址时间,这里就采用当前最多的10krmp硬盘的5ms。

    第二个旋转延时,和寻址一样,当磁头定位到磁道之后有可能正好在要读写扇区之上,这时候是不需要额外额延时就可以立刻读写到数据,但是最坏的情况确实要磁盘旋转整整一圈之后磁头才能读取到数据,所以这里我们也考虑的是平均旋转延时,对于10krpm的磁盘就是(60s/10k)*(1/2) = 2ms。

    第三个传送时间,磁盘参数提供我们的最大的传输速度,当然要达到这种速度是很有难度的,但是这个速度却是磁盘纯读写磁盘的速度,因此只要给定了单次 IO的大小,我们就知道磁盘需要花费多少时间在数据传送上,这个时间就是IO Chunk Size / Max Transfer Rate。

    现在我们就可以得出这样的计算单次IO时间的公式。

      IO Time = Seek Time + 60 sec/Rotational Speed/2 + IO Chunk Size/Transfer Rate

    于是我们可以这样计算出IOPS。

      IOPS = 1/IO Time = 1/(Seek Time + 60 sec/Rotational Speed/2 + IO Chunk Size/Transfer Rate)

    对于给定不同的IO大小我们可以得出下面的一系列的数据

      4K (1/7.1 ms = 140 IOPS)
      5ms + (60sec/15000RPM/2) + 4K/40MB = 5 + 2 + 0.1 = 7.1
      8k (1/7.2 ms = 139 IOPS)
      5ms + (60sec/15000RPM/2) + 8K/40MB = 5 + 2 + 0.2 = 7.2
      16K (1/7.4 ms = 135 IOPS)
      5ms + (60sec/15000RPM/2) + 16K/40MB = 5 + 2 + 0.4 = 7.4
      32K (1/7.8 ms = 128 IOPS)
      5ms + (60sec/15000RPM/2) + 32K/40MB = 5 + 2 + 0.8 = 7.8
      64K (1/8.6 ms = 116 IOPS)
      5ms + (60sec/15000RPM/2) + 64K/40MB = 5 + 2 + 1.6 = 8.6

    从上面的数据可以看出,当单次IO越小的时候,单次IO所耗费的时间也越少,相应的IOPS也就越大。

    上面我们的数据都是在一个比较理想的假设下得出来的,这里的理想的情况就是磁盘要花费平均大小的寻址时间和平均的旋转延时,这个假设其实是比较符合我们实际情况中的随机读写,在随机读写中,每次IO操作的寻址时间和旋转延时都不能忽略不计,有了这两个时间的存在也就限制了IOPS的大小。现在我们考虑一种相对极端的顺序读写操作,比如说在读取一个很大的存储连续分布在磁盘的的文件,因为文件的存储的分布是连续的,磁头在完成一个读IO操作之后,不需要从新的寻址,也不需要旋转延时,在这种情况下我们能到一个很大的IOPS值,如下。

      4K (1/0.1 ms = 10000 IOPS)
      0ms + 0ms + 4K/40MB = 0.1
      8k (1/0.2 ms = 5000 IOPS)
      0ms + 0ms + 8K/40MB = 0.2
      16K (1/0.4 ms = 2500 IOPS)
      0ms + 0ms + 16K/40MB = 0.4
      32K (1/0.8 ms = 1250 IOPS)
      0ms + 0ms + 32K/40MB = 0.8
      64K (1/1.6 ms = 625 IOPS)
      0ms + 0ms + 64K/40MB = 1.6

    相比第一组数据来说差距是非常的大的,因此当我们要用IOPS来衡量一个IO系统的系能的时候我们一定要说清楚是在什么情况的IOPS,也就是要说明读写的方式以及单次IO的大小,当然在实际当中,特别是在OLTP的系统的,随机的小IO的读写是最有说服力的。

    另外,对于同一个磁盘(或者 LUN),随着每次 I/O 读写数据的大小不通,IOPS 的数值也不是固定不变的。例如,每次 I/O 写入或者读出的都是连续的大数据块,此时 IOPS 相对会低一些;在不频繁换道的情况下,每次写入或者读出的数据块小,相对来讲 IOPS 就会高一些。也就是说,IOPS 也取决与I/O块的大小,采用不同I/O块的大小测出的IOPS值是不同的。 对一个具体的IOPS, 可以了解它当时测试的I/O块的尺寸。并且IOPS都具有极限值,表1列出了各种磁盘的 IOPS 极限值。

    表 1. 常见磁盘类型及其 IOPS

     

     

    三、I/O 读写的类型

    大体上讲,I/O 的类型可以分为:读 / 写 I/O、大 / 小块 I/O、连续 / 随机 I/O, 顺序 / 并发 I/O。在这几种类型中,我们主要讨论一下:大 / 小块 I/O、连续 / 随机 I/O, 顺序 / 并发 I/O。

    大 / 小块 I/O

    这个数值指的是控制器指令中给出的连续读出扇区数目的多少。如果数目较多,如 64,128 等,我们可以认为是大块 I/O;反之,如果很小,比如 4,8,我们就会认为是小块 I/O,实际上,在大块和小块 I/O 之间,没有明确的界限。

    连续 / 随机 I/O

    连续 I/O 指的是本次 I/O 给出的初始扇区地址和上一次 I/O 的结束扇区地址是完全连续或者相隔不多的。反之,如果相差很大,则算作一次随机 I/O

    连续 I/O 比随机 I/O 效率高的原因是:在做连续 I/O 的时候,磁头几乎不用换道,或者换道的时间很短;而对于随机 I/O,如果这个 I/O 很多的话,会导致磁头不停地换道,造成效率的极大降低。

    顺序 / 并发 I/O

    从概念上讲,并发 I/O 就是指向一块磁盘发出一条 I/O 指令后,不必等待它回应,接着向另外一块磁盘发 I/O 指令。对于具有条带性的 RAID(LUN),对其进行的 I/O 操作是并发的,例如:raid 0+1(1+0),raid5 等。反之则为顺序 I/O。

     

    四、磁盘 I/O 性能的监控

    监控磁盘的 I/O 性能,我们可以使用 AIX 的系统命令,例如:sar -d, iostat, topas, nmon 等。下面,我将以 nmon 和 topas 为例,讲述在系统中如何观察磁盘 I/O 的性能。

    topas

    登录 AIX 操作系统,输入 topas,然后按 D,会出现如下界面:

     

    在上图中,TPS 即为磁盘的 IOPS,KBPS 即为磁盘每秒的吞吐量。由于服务器处于空闲的状态,我们可以看到 IOPS,KBPS 的数据都非常低。

    我们使用 dd if 命令向磁盘 hdisk2 发读 I/O,block 大小为 1MB:

     

    利用 topas 进行监控:

     

    此时,hdisk2 的吞吐量为 163.9M,IOPS 为 655。

    我们再启动一个 dd if,使 hdisk 的 busy 数值达到 100%:


    从上图可以看出,在磁盘 busy 达到 100% 的时候,其吞吐量为 304.1M,IOPS 为 1200。

    hdisk2 是本地集成的 SAS 盘,我们可以查出本地集成 SAS 通道的带宽为 3Gb:

    对于 3Gb 的 SAS 通道,304.1M 的磁盘吞吐量已经接近其 I/O 带宽的峰值了。

    需要指出的是,使用 dd if 测量磁盘的带宽是可行的,但是由此来确定业务 I/O 的 IOPS 和吞吐量是不科学的。因为,dd if 所发起的读写仅为顺序 I/O 读写,在 OLTP 的业务中,这种读写是不常见的,而是随机小 I/O 比较多,因此,测量业务的磁盘 I/O 性能,需要在运行业务的时候进行监控。

    nmon

    在系统中输入 nmon,按 d,可以得到如下界面 :

    Figure xxx. Requires a heading

    可以得到此时磁盘 hdisk2 吞吐量为 318M。

    使用 nmon 收集一个时间段的数据,然后使用 nmon analyzer 进行分析,可以得出更为直接的图表:

    将收集好的 nmon 文件使用 nmon analyzer 进行分析,得出如下报表:

    图 2.nmon 图表显示磁盘性能

     

    五、磁盘 I/O 性能调优

    确认磁盘 I/O 存在性能问题

    对于随机负载,当遇到余下情况时,我们那通常认为存在 I/O 性能问题:

    1. 平均读时间大于 15ms

    2. 在具有写 cache 的条件下,平均写时间大于 2.5ms

    对于顺序负载,当遇到余下情况时,我们那通常认为存在 I/O 性能问题:

    1. 在一个磁盘上有两个连续的 I/O 流

    2. 吞吐量不足(即远远小于磁盘 I/O 带宽)

    对于一块磁盘来讲,随着 IOPS 数量的增加,I/O service 也会增加,并且会有一个饱和点,即 IOPS 达到某个点以后,IOPS 再增加将会引起 I/O service time 的显著增加。

    图 3. 磁盘 IOPS 与 IO service time 关系图

    从经验上讲,我们在测试工作中,我们主要关注 IOPS 和吞吐量以及磁盘的 busy% 这三个数值。如果 IOPS 和吞吐量均很低,磁盘的 busy% 也很低,我们会认为磁盘压力过小,造成吞吐量和 IOPS 过低;只有在 IOPS 和吞吐量均很低,磁盘的 busy% 很高(接近 100%)的时候,我们才会从磁盘 I/O 方面分析 I/O 性能

     

    介绍

     

         通常在讨论不同RAID保护类型的性能的时候,结论都会是RAID-1提供比较好的读写性能,RAID-5读性能不错,但是写入性能就不如RAID-1,RAID-6保护级别更高,但写性能相对更加差,RAID10是提供最好的性能和数据保护,不过成本最高等等。其实决定这些性能考虑的因素很简单,它就是RAID Write Penalty(写惩罚)。本文从原理上解释了不同RAID保护级别的写惩罚,以及通过写惩罚计算可用IOPS的方法。

    更多信息

     

    RAID-5 Write Penalty的例子:

     

         存储方案规划的过程中,最基本的考虑因素有两个,性能和容量。性能上的计算看可以分为IOPS和带宽需求。计算IOPS,抛开存储阵列的缓存和前端口不谈。计算后端物理磁盘的IOPS不能简单的把物理磁盘的最大IOPS相加而获得。原因是,对于不同的RAID级别,为了保证当有物理磁盘损坏的情况下可以恢复数据,数据写入的过程中都需要有一些特别的计算。比如对于RAID-5,条带上的任意磁盘上的数据改变,都会重新计算校验位。如下图所示,一个7+1的RAID-5的条带中,七个磁盘存储数据,最后一个磁盘存储校验位。

     

     

         对于一个数据的写入,我们假设在第五个磁盘上写入的数据为1111,如下图所示。那么整个RAID-5需要完成写入的过程分为以下几步:

     

     

     

     

    1. 读取原数据0110,然后与新的数据1111做XOR操作: 0110 XOR 1111 = 1001
    2. 读取原有的校验位0010
    3. 用第一步算出的数值与原校验位再做一次XOR操作: 0010 XOR 1001 = 1011
    4. 然后将1111新数据写入到数据磁盘,将第三步计算出来的新的校验位写入校验盘。

     

         由上述几个步骤可见,对于任何一次写入,在存储端,需要分别进行两次读+两次写,所以说RAID-5的Write Penalty的值是4。

     

     

    不同RAID级别的Write Penalty:

     

    下表列出了各种RAID级别的Write Penalty值:

     

    RAID

    Write Penalty

    0

    1

    1

    2

    5

    4

    6

    6

    10

    2

     

     

    RAID-0:直接的条带,数据每次写入对应物理磁盘上的一次写入

    RAID-1和10:RAID-1 和RAID-10的写惩罚很简单理解,因为数据的镜像存在的,所以一次写入会有两次。

    RAID-5:RAID-5由于要计算校验位的机制存在,需要读数据、读校验位、写数据、写校验位四个步骤,所以RAID-5的写惩罚值是4。

    RAID-6:RAID-6由于有两个校验位的存在,与RAID-5相比,需要读取两次校验位和写入两次校验位,所以RAID-6的写惩罚值是6。

     

     

    计算IOPS:

     

         根据上文的描述,在实际存储方案设计的过程中,计算实际可用IOPS的过程中必须纳入RAID的写惩罚计算。计算的公式如下:

     

    物理磁盘总的IOPS = 物理磁盘的IOPS × 磁盘数目

     

    可用的IOPS = (物理磁盘总的IOPS × 写百分比 ÷ RAID写惩罚) + (物理磁盘总的IOPS × 读百分比)

     

         假设组成RAID-5的物理磁盘总共可以提供500 IOPS,使用该存储的应用程序读写比例是50%/50%,那么对于前端主机而言,实际可用的IOPS是:

     

    (500 ×50% ÷ 4)+ ( 500 * 50%) = 312.5 IOPS

     

    具体不同应用程序的读写比例,可以参考:关于不同应用程序存储IO类型的描述

    ===================================

    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
    ----------------------------------------------------------
            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
    --------------------------------------
    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
    --------------------------------------
    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
    -----------------------------------------
    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 
    ----------------------------------------
        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:
    -----------------------------------------
    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
    ------------------------------------------
             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。

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