深度好文-如何测试云硬盘

https://www.ustack.com/blog/how-benchmark-ebs/

问题

UOS公有云开放以来，一些用户反应用dd命令测试出来的1TB云硬盘的吞吐率(MBPS)只有128MB/s，而不是我们SLA保证的170MB /s ，这是为什么？下面我会简单介绍如何测试硬盘，RAID，SAN，SSD，云硬盘等，然后再来回答上面的问题。

测试前提

我们在进行测试时，都会分清楚:

• 测试对象：要区分硬盘、SSD、RAID、SAN、云硬盘等，因为它们有不同的特点
• 测试指标：IOPS和MBPS(吞吐率)，下面会具体阐述
• 测试工具：Linux下常用Fio、dd工具,  Windows下常用IOMeter,
• 测试参数:  IO大小，寻址空间，队列深度，读写模式，随机/顺序模式
• 测试方法：也就是测试步骤。

测试是为了对比，所以需要 定性和定量。在宣布自己的测试结果时，需要说明这次测试的工具、参数、方法，以便于比较。

存储系统模型

为了更好的测试，我们需要先了解存储系统，块存储系统本质是一个排队模型，我们可以拿银行作为比喻。还记得你去银行办事时的流程吗？

1. 去前台取单号
2. 等待排在你之前的人办完业务
3. 轮到你去某个柜台
4. 柜台职员帮你办完手续1
5. 柜台职员帮你办完手续2
6. 柜台职员帮你办完手续3
7. 办完业务，从柜台离开

如何评估银行的效率呢：

• 服务时间 = 手续1 + 手续2 + 手续3
• 响应时间 = 服务时间 + 等待时间
• 性能 = 单位时间内处理业务数量

那银行如何提高效率呢:

• 增加柜台数
• 降低服务时间

因此，排队系统或存储系统的优化方法是

• 增加并行度
• 降低服务时间

硬盘测试

硬盘原理

我们应该如何测试SATA/SAS硬盘呢？首先需要了解磁盘的构造，并了解磁盘的工作方式： 每个硬盘都有一个磁头(相当于银行的柜台)，硬盘的工作方式是：

1. 收到IO请求，得到地址和数据大小
2. 移动磁头(寻址)
3. 找到相应的磁道(寻址)
4. 读取数据
5. 传输数据

则磁盘的随机IO服务时间:  服务时间 = 寻道时间 + 旋转时间 + 传输时间 对于10000转速的SATA硬盘来说，一般寻道时间是7 ms，旋转时间是3 ms, 64KB的传输时间是 0.8 ms， 则SATA硬盘每秒可以进行随机IO操作是 1000/(7 + 3 + 0.8) = 93，所以我们估算SATA硬盘64KB随机写的IOPS是93。一般的硬盘厂商都会标明顺序读写的MBPS。 我们在列出IOPS时，需要说明IO大小，寻址空间，读写模式，顺序/随机，队列深度。我们一般常用的IO大小是4KB，这是因为文件系统常用的块大小是4KB。

使用dd测试硬盘

虽然硬盘的性能是可以估算出来的，但是怎么才能让应用获得这些性能呢？对于测试工具来说，就是如何得到IOPS和MBPS峰值。我们先用dd测试一下SATA硬盘的MBPS(吞吐量)。

#dd if=/dev/zero of=/dev/sdd bs=4k count=300000 oflag=direct
记录了300000+0 的读入 记录了300000+0 的写出 1228800000字节(1.2 GB)已复制，17.958 秒，68.4 MB/秒

#iostat -x sdd 5 10
...
Device: rrqm/s wrqm/s r/s w/s rsec/s wsec/s avgrq-sz avgqu-sz await svctm %util
sdd 0.00 0.00 0.00 16794.80 0.00 134358.40 8.00 0.79 0.05 0.05 78.82
...

为什么这块硬盘的MBPS只有68MB/s? 这是因为磁盘利用率是78%，没有到达95%以上，还有部分时间是空闲的。当dd在前一个IO响应之后，在准备发起下一个IO时，SATA硬盘是空闲的。那么如何才能提高利用率，让磁盘不空闲呢？只有一个办法，那就是增加硬盘的队列深度。相对于CPU来说，硬盘属于慢速设备，所有操作系统会有给每个硬盘分配一个专门的队列用于缓冲IO请求。

队列深度

什么是磁盘的队列深度？

在某个时刻,有N个inflight的IO请求,包括在队列中的IO请求、磁盘正在处理的IO请求。N就是队列深度。

加大硬盘队列深度就是让硬盘不断工作，减少硬盘的空闲时间。

加大队列深度 -> 提高利用率 -> 获得IOPS和MBPS峰值 -> 注意响应时间在可接受的范围内

增加队列深度的办法有很多

• 使用异步IO，同时发起多个IO请求，相当于队列中有多个IO请求
• 多线程发起同步IO请求，相当于队列中有多个IO请求
• 增大应用IO大小，到达底层之后，会变成多个IO请求，相当于队列中有多个IO请求 队列深度增加了。

队列深度增加了，IO在队列的等待时间也会增加，导致IO响应时间变大，这需要权衡。让我们通过增加IO大小来增加dd的队列深度，看有没有效果：

dd if=/dev/zero of=/dev/sdd bs=2M count=1000 oflag=direct
记录了1000+0 的读入 记录了1000+0 的写出 2097152000字节(2.1 GB)已复制，10.6663 秒，197 MB/秒

Device: rrqm/s wrqm/s r/s w/s rsec/s wsec/s avgrq-sz avgqu-sz await svctm %util
sdd 0.00 0.00 0.00 380.60 0.00 389734.40 1024.00 2.39 6.28 2.56 97.42

可以看到2MB的IO到达底层之后，会变成多个512KB的IO，平均队列长度为2.39，这个硬盘的利用率是97%，MBPS达到了197MB/s。(为什么会变成512KB的IO，你可以去使用Google去查一下内核参数 max_sectors_kb的意义和使用方法 )      也就是说增加队列深度，是可以测试出硬盘的峰值的。

使用fio测试硬盘

现在，我们来测试下SATA硬盘的4KB随机写的IOPS。因为我的环境是Linux，所以我使用FIO来测试。

$fio -ioengine=libaio -bs=4k -direct=1 -thread -rw=randwrite -size=1000G -filename=/dev/vdb 
-name="EBS 4K randwrite test" -iodepth=64 -runtime=60

简单介绍fio的参数

• ioengine: 负载引擎，我们一般使用libaio，发起异步IO请求。
• bs: IO大小
• direct: 直写，绕过操作系统Cache。因为我们测试的是硬盘，而不是操作系统的Cache，所以设置为1。
• rw: 读写模式，有顺序写write、顺序读read、随机写randwrite、随机读randread等。
• size: 寻址空间，IO会落在 [0, size)这个区间的硬盘空间上。这是一个可以影响IOPS的参数。一般设置为硬盘的大小。
• filename: 测试对象
• iodepth: 队列深度，只有使用libaio时才有意义。这是一个可以影响IOPS的参数。
• runtime: 测试时长

下面我们做两次测试，分别 iodepth = 1和iodepth = 4的情况。下面是iodepth = 1的测试结果。 上图中蓝色方框里面的是测出的IOPS 230, 绿色方框里面是每个IO请求的平均响应时间，大约是4.3ms。黄色方框表示95%的IO请求的响应时间是小于等于 9.920 ms。橙色方框表示该硬盘的利用率已经达到了98.58%。 下面是 iodepth = 4 的测试: 我们发现这次测试的IOPS没有提高，反而IO平均响应时间变大了，是17ms。 为什么这里提高队列深度没有作用呢，原因当队列深度为1时，硬盘的利用率已经达到了98%，说明硬盘已经没有多少空闲时间可以压榨了。而且响应时间为 4ms。 对于SATA硬盘，当增加队列深度时，并不会增加IOPS，只会增加响应时间。这是因为硬盘只有一个磁头，并行度是1， 所以当IO请求队列变长时，每个IO请求的等待时间都会变长，导致响应时间也变长。 这是以前用IOMeter测试一块SATA硬盘的4K随机写性能，可以看到IOPS不会随着队列深度的增加而增加，反而是平均响应时间在倍增。

队列深度	IOPS	平均响应时间
1	332.931525	3.002217
2	333.985074	5.986528
4	332.594653	12.025060
8	336.568012	23.766359
16	329.785606	48.513477
32	332.054590	96.353934
64	331.041063	193.200815
128	331.309109	385.163111
256	327.442963	774.401781

寻址空间对IOPS的影响

我们继续测试SATA硬盘，前面我们提到寻址空间参数也会对IOPS产生影响，下面我们就测试当size=1GB时的情况。 我们发现，当设置size=1GB时，IOPS会显著提高到568，IO平均响应时间会降到7ms(队列深度为4)。这是因为当寻址空间为1GB时，磁头需要移动的距离变小了，每次IO请求的服务时间就降低了，这就是空间局部性原理。假如我们测试的RAID卡或者是磁盘阵列(SAN)，它们可能会用Cache把这1GB的数据全部缓存，极大降低了IO请求的服务时间(内存的写操作比硬盘的写操作快很1000倍)。所以设置寻址空间为1GB的意义不大，因为我们是要测试硬盘的全盘性能，而不是Cache的性能。

硬盘优化

硬盘厂商提高硬盘性能的方法主要是降低服务时间(延迟)：

• 提高转速(降低旋转时间和传输时间)
• 增加Cache(降低写延迟，但不会提高IOPS)
• 提高单磁道密度(变相提高传输时间)

RAID测试

RAID0/RAID5/RAID6的多块磁盘可以同时服务，其实就是提高并行度，这样极大提高了性能(相当于银行有多个柜台)。 以前测试过12块RAID0，100GB的寻址空间，4KB随机写，逐步提高队列深度，IOPS会提高，因为它有12块磁盘(12个磁头同时工作)，并行度是12。

队列深度	IOPS	平均响应时间
1	1215.995842	0.820917
2	4657.061317	0.428420
4	5369.326970	0.744060
8	5377.387303	1.486629
16	5487.911660	2.914048
32	5470.972663	5.846616
64	5520.234015	11.585251
128	5542.739816	23.085843
256	5513.994611	46.401606

RAID卡厂商优化的方法也是降低服务时间：

• 使用大内存Cache
• 使用IO处理器，降低XOR操作的延迟。
• 使用更大带宽的硬盘接口

 

SAN测试

对于低端磁盘阵列，使用单机IOmeter就可以测试出它的IOPS和MBPS的峰值，但是对于高端磁盘阵列，就需要多机并行测试才能得到IOPS和MBPS的峰值(IOmeter支持多机并行测试)。下图是纪念照。 磁盘阵列厂商通过以下手段降低服务时间：

1. 更快的存储网络，比如FC和IB，延时更低。
2. 读写Cache。写数据到Cache之后就马上返回，不需要落盘。 而且磁盘阵列有更多的控制器和硬盘，大大提高了并行度。

现在的存储厂商会找 SPC帮忙测试自己的磁盘阵列产品(或全闪存阵列)， 并给SPC支付费用，这就是赤裸裸的标准垄断。国内也有做存储系统测试的，假如你要测试磁盘阵列，可以找 NSTC (广告时间)。

SSD测试

SSD的延时很低，并行度很高(多个nand块同时工作)，缺点是寿命和GC造成的响应时间不稳定。  推荐用IOMeter进行测试，使用大队列深度，并进行长时间测试，这样可以测试出SSD的真实性能。 下图是storagereview对一些SSD硬盘做的4KB随机写的长时间测试，可以看出有些SSD硬盘的最大响应时间很不稳定，会飙高到几百ms，这是不可接受的。

云硬盘测试

我们通过两方面来提高云硬盘的性能的：

1. 降低延迟(使用SSD，使用万兆网络，优化代码，减少瓶颈)
2. 提高并行度(数据分片，同时使用整个集群的所有SSD)

在Linux下测试云硬盘

在Linux下，你可以使用FIO来测试

• 操作系统：Ubuntu 14.04
• CPU： 2
• Memory: 2GB
• 云硬盘大小： 1TB(SLA: 6000 IOPS, 170MB/s吞吐率  )

安装fio：

#sudo apt-get install fio

再次介绍一下FIO的测试参数：

• ioengine: 负载引擎，我们一般使用libaio，发起异步IO请求。
• bs: IO大小
• direct: 直写，绕过操作系统Cache。因为我们测试的是硬盘，而不是操作系统的Cache，所以设置为1。
• rw: 读写模式，有顺序写write、顺序读read、随机写randwrite、随机读randread等。
• size: 寻址空间，IO会落在 [0, size)这个区间的硬盘空间上。这是一个可以影响IOPS的参数。一般设置为硬盘的大小。
• filename: 测试对象
• iodepth: 队列深度，只有使用libaio时才有意义。这是一个可以影响IOPS的参数。
• runtime: 测试时长

4K随机写测试

我们首先进行4K随机写测试，测试参数和测试结果如下所示：

#fio -ioengine=libaio -bs=4k -direct=1 -thread -rw=randwrite -size=100G -filename=/dev/vdb 
-name="EBS 4KB randwrite test" -iodepth=32 -runtime=60

蓝色方框表示IOPS是5900，在正常的误差范围内。绿色方框表示IO请求的平均响应时间为5.42ms， 黄色方框表示95%的IO请求的响应时间是小于等于 6.24 ms的。

4K随机读测试

我们再来进行4K随机读测试，测试参数和测试结果如下所示：

#fio -ioengine=libaio -bs=4k -direct=1 -thread -rw=randread -size=100G -filename=/dev/vdb 
-name="EBS 4KB randread test" -iodepth=8 -runtime=60

512KB顺序写测试

最后我们来测试512KB顺序写，看看云硬盘的最大MBPS(吞吐率)是多少，测试参数和测试结果如下所示：

#fio -ioengine=libaio -bs=512k -direct=1 -thread -rw=write -size=100G -filename=/dev/vdb 
-name="EBS 512KB seqwrite test" -iodepth=64 -runtime=60

 

蓝色方框表示MBPS为174226KB/s，约为170MB/s。

使用dd测试吞吐率

其实使用dd命令也可以测试出170MB/s的吞吐率，不过需要设置一下内核参数，详细介绍在  128MB/s VS 170MB/s 章节中。

在Windows下测试云硬盘

在Windows下，我们一般使用 IOMeter测试磁盘的性能，IOMeter不仅功能强大，而且很专业，是测试磁盘性能的首选工具。

IOMeter是图形化界面(浓浓的MFC框架的味道)，非常方便操作，下面我将使用IOMeter测试我们UOS上1TB的云硬盘。

• 操作系统：Window Server 2012 R2 64
• CPU： 4
• Memory: 8GB
• 云硬盘大小： 1TB

当你把云硬盘挂载到Windows主机之后，你还需要在windows操作系统里面设置硬盘为联机状态。

4K随机写测试

打开IOMeter(你需要先 下载)，你会看到IOMeter的主界面。在右边，你回发现4个worker(数量和CPU个数相同)，因为我们现在只需要1个worker，所以你需要把其他3个worker移除掉。   现在让我们来测试硬盘的4K随机写，我们选择好硬盘(Red Hat VirtIO 0001)，设置寻址空间(Maximum Disk Size)为50GB(每个硬盘扇区大小是512B，所以一共是 50*1024*1024*1024/512 = 104857600)，设置队列深度(Outstanding I/Os)为64。

 然后在测试集中选择"4KiB ALIGNED; 0% Read; 100% random(4KB对齐，100%随机写操作)" 测试

然后设置测试时间，我们设置测试时长为60秒，测试之前的预热时间为10秒(IOMeter会发起负载，但是不统计这段时间的结果)。

在最后测试之前，你可以设置查看实时结果，设置实时结果的更新频率是5秒钟。最后点击绿色旗子开始测试。

在测试过程中，我们可以看到实时的测试结果，当前的IOPS是6042，平均IO请求响应时间是10.56ms，这个测试还需要跑38秒，这个测试轮回只有这个测试。

我们可以看到IOMeter自动化程度很高，极大解放测试人员的劳动力，而且可以导出CSV格式的测试结果。

顺序读写测试

我们再按照上面的步骤，进行了顺序读/写测试。下面是测试结果：

	IO大小	读写模式	队列深度	MBPS
顺序写吞吐测试	512KB	顺序写	64	164.07 MB/s
顺序读吞吐测试	256KB	顺序读	64	179.32 MB/s

云硬盘的响应时间

当前云硬盘写操作的主要延迟是

1. 网络传输
2. 多副本，写三份(数据强一致性)
3. 三份数据都落盘(数据持久化)之后，才返回
4. IO处理逻辑

我们当前主要是优化IO处理逻辑，并没有去优化2和3，这是因为我们是把用户数据的安全性放在第一位。

128MB/s VS 170MB/s

回到最开始的问题 "为什么使用dd命令测试云硬盘只有128MB/s"， 这是因为目前云硬盘在处理超大IO请求时的延迟比SSD高(我们会不断进行优化)，现在我们有两种方法来获得更高的MBPS：

1. 设置max_sectors_kb为256 (系统默认为512)，降低延迟
2. 使用fio来测试，加大队列深度

通过设置max_sectors_kb这个参数，使用dd也可以测出170MB/s的吞吐量

root@ustack:~# cat /sys/block/vdb/queue/max_sectors_kb
512
root@ustack:~# echo "256" > /sys/block/vdb/queue/max_sectors_kb
root@ustack:~#
root@ustack:~# dd if=/dev/zero of=/dev/vdb bs=32M count=40  oflag=direct
40+0 records in
40+0 records out
1342177280 bytes (1.3 GB) copied, 7.51685 s, 179 MB/s
root@ustack:~#

同时查看IO请求的延迟：

root@ustack:~# iostat -x vdb 5 100
...
Device: rrqm/s wrqm/s r/s w/s rkB/s wkB/s avgrq-sz avgqu-sz await r_await w_await svctm  %util
vdb     0.00  0.00 0.00 688.00 0.00 176128.00  512.00 54.59  93.47 0.00 93.47 1.40  96.56

下面是使用fio工具的测试结果，也可以得到170MB/s的吞吐率。 

不可测试的指标

IOPS和MBPS是用户可以使用工具测试的指标，云硬盘还有一些用户不可测量的指标

1. 数据一致性
2. 数据持久性
3. 数据可用性

这些指标我们只能通过根据系统架构和约束条件计算得到，然后转告给用户。这些指标衡量着公有云厂商的良心，有机会会专门进行介绍。

总结

上面介绍了一下测试工具和一些观点，希望对你有所帮助。

• 测试需要定性和定量
• 了解存储模型可以帮助你更好的进行测试
• 增加队列深度可以有效测试出IOPS和MBPS的峰值