基于SPDK的NVMe SSD性能评估指南（文末有福利）

作者简介

周雁波，存储软件工程师，从事SPDK的开发与性能测试工作。

本文主要介绍磁盘性能评估的方法，针对用户态驱动SPDK与Kernel，并且对常见问题做出总结。

一

通过fio工具测试磁盘性能

SPDK采用异步I/O（Asynchronous I/O）加轮询（Polling）的工作模式，通常与Kernel的异步I/O作为对比。在此，主要介绍通过使用fio评估

01

fio评估kernel异步I/O（AIO）

fio支持多种模式的I/O引擎，同时也包含了测试异步I/O的引擎，即libaio。在测试异步I/O的时候，只需要将fio启动配置文件中的ioengine设为libaio即可。通常在做异步I/O的时候，I/O请求会发送到相应的队列中，等待被处理，因此队列深度将会影响磁盘性能。所以在测试异步I/O的时候，根据磁盘的特性指定相应的队列深度（iodepth）。

测试Kernel异步I/O的fio配置参数示例如下：

[Global]

参数详解

ioengine：指定I/O引擎，在这里测试Kernel的异步I/O，因此指定I/O引擎为libaio；direct: 指定direct模式O_DIRECT，I/O会绕过系统的page buffer；rw：读写模式，这里指定randrw表示混合随机读写；rwmixread：混合随机读写模式下read请求所占比例；thread：指定使用线程模式。由于spdk fio_plugin只支持线程模式，因此与Kernel对比时，通常都统一指定线程模式来对比；norandommap：指定I/O时，每次都获取一个新的随机offset，防止额外的CPU使用消耗；time_based：指定采用时间模式；runtime：测试时长；ramp_time：统计性能之前所运行的时间，为了防止没有进行稳态而造成的性能虚高带来的影响；bs：I/O块大小；iodepth：队列深度；numjobs：worker的个数；filename：指定测试的对象。

02

基于NVMe的fio_plugin

安装步骤

a. 下载编译fio：

git clone https://github.com/axboe/fio

b.下载编译SPDK：

git clone https://github.com/spdk/spdk

注意：由于fio_plugin要依赖fio中提供的一些依赖包，因此在运行configure时，必须指定fio目录，否则默认fio_plugin不会编译

测试方法

a. 使用fio_plugin测试裸盘，需要引入fio_plugin路径，因此在运行fio时，在fio命令之前加如下参数：

LD_PRELOAD=/examples/nvme/fio_plugin/fio_plugin

b. 其次，需要在fio配置文件中设定ioengine为spdk。 

c. 运行fio时候，不仅要指定fio运行配置文件，同时要通过额外的参数'--filename'指定spdk能够识别的设备地址信息。通常，fio_plugin支

NVMe over PCIe:

其它说明

a. 对于使用1个core，测试多块盘的情况，通常只需要设定numjob为1，同时在fio命令通过多个filename参数来指定多块要测试的盘(多个filename参数之间用空格相隔即可)，例如同时测试三块盘：

LD_PRELOAD=.../fio_plugin fio config.fio '--filename=trtype=PCIe traddr=0000.06.00.0 ns=1' '--filename=trtype=PCIe traddr=

b. 对于使用fio_plugin作为新的ioengine而引入的新的fio参数说明，可以通过以下命令查看相关参数说明：

LD_PRELOAD.../fio_plugin fio --enghelp=spdk

c. 此外，可以通过直接在ioengine中指定fio_plugin的绝对路径，而无须每次运行fio都动态加载LD_PRELOAD。即： fio配置文件中添加修改ioengine=/examples/nvme/fio_plugin/fio_plugin；运行fio config.fio '--filename=trtype=PCIe traddr=0000.06.00.0 ns=1'即可测试。 

03

基于bdev的fio_plugin

基于bdev的fio_plugin是将I/O在spdk块设备bdev之上进行发送。而基于裸盘的fio_plugin，I/O是直接到裸盘上进行处理。因此两者最大的差别在于I/O是否经过bdev这一层。因此，基于bdev的fio_plugin能够很好的评估spdk块设备层bdev的性能。

其编译安装与裸盘的fio_plugin完全相同，下面详细介绍其测试方法：

a. 使用fio_plugin测试bdev性能，需要bdev fio_plugin的路径，因此在运行fio时，在fio命令之前加如下参数：

LD_PRELOAD=/examples/bdev/fio_plugin/fio_plugin

b. 其次，需要在fio配置文件中设定ioengine为spdk_bdev

c. 需要在fio配置文件中指定spdk启动配置文件。如下所示：

spdk_conf=./example/bdev/fio_plugin/bdev.conf

spdk运行配置文件中指定了所有bdev的配置信息，示例如下：

[Malloc]

        NumberOfLuns 1

[Nvme]

        TransportID "trtype:PCIe traddr:0000:82:00.0" Nvme0

        RetryCount 4

d.运行fio的时候，通过'--filename'直接指定所要测试的bdev名称即可，示例如下：

LD_PRELOAD=.../fio_plugin fio config.fio '--filename=Nvme0n1'

其他说明

a. 使用基于bdev的fio_plugin测试多个设备时候，需要在spdk运行配置文件中写入相应的bdev配置信息，其次在fio运行时，指定多个filename参数即可，多个filename之间用空格相隔。例如同时测两个设备Malloc0与Nvme0n1，如下所示：

LD_PRELOAD=.../fio_plugin fio config.fio '--filename=Nvme0n1' '--filename=Malloc0'

b.同理，若查看基于bdev的fio_plugin相关参数说明，可以通过如下命令：

LD_PRELOAD.../fio_plugin fio --enghelp=spdk_bdev

c. 此外，可以通过直接在ioengine中指定fio_plugin的绝对路径，而无须每次运行fio都动态加载LD_PRELOAD。即：

fio配置文件中添加修改ioengine=/examples/bdev/fio_plugin/fio_plugin；运行fio config.fio '--filename=Nvme0n1'即可测试。

二

通过spdk perf测试磁盘性能

01

基于NVMe的perf工具

成功编译spdk后，可在spdk/examples/nvme/perf/目录下找到perf工具的二进制运行文件。perf使用方法如下所示：

perf -c -q -t -w -s -o

更多参数解析，请参考perf --help

perf支持本地的NVMe设备，同时也支持远端的NVMeoF的设备。使用范例如下： 

NVMe over PCIe:

对于同时测试多块盘，只需要添加-r并指定设备地址即可，例如一个core测试三块盘：

perf -q 32 -s 1024 -w randwrite -t 1200 -c 0x1 -o 4096 -r 'trtype:PCIe traddr:0000:06:00.0' -r 'trtype:PCIe

02

perf评估Linux异步I/O（AIO）

使用方式与测试spdkdriver相同，只需要在perf命令后添加设备名称即可。使用范例如下：

perf -q 32 -s 1024 -w randwrite -t 1200 -c 0xF -o 4096 /dev/nvme0n1

03

基于bdev的perf工具

成功编译spdk后，可在spdk/test/bdev/bdevperf/目录下找到bdevperf工具的二进制运行文件。bdevperf使用方法如下所示：

bdevperf -c -q -t -w -s -o

更多参数解析，请参考perf --help。

其中，-c是指定bdevperf的配置文件，需要测试的bdev设备都在配置文件中指定，例如，若需要测试本地的两块NVMe设备，则bdevperf的配置文

[Nvme]

        TransportID "trtype:PCIe traddr:0000:82:00.0"         Nvme0

相应的bdevperf启动参数示例如下： 

bdevperf -q 32 -s 1024 -w randwrite -t 1200 -o 4096 -m 0xF -c bdevperf.conf

对于bdevperf，若要测试多块盘，则只需要在spdk配置文件中配置多块盘的信息即可，例如同时测试三块盘：

[Nvme]

        TransportID "trtype:PCIe traddr:0000:82:00.0" Nvme0

        TransportID "trtype:PCIe traddr:0000:83:00.0" Nvme1

三

常见问题

1

通过fio与perf对SPDK进行性能评估，得到的结果不同，大部分的时候perf所得到的性能会比fio所得到的性能要高。

两种工具最大的差别在于，fio是通过与Linux fio工具进行集成，使其可以用fio_plugin引擎测试SPDK设备。而由于fio本身架构的问题，不能充分发挥SPDK的优势，整个应用框架仍然使用fio原本的架构。例如fio使用Linux的线程模型，在使用的时候，线程仍然被内核调度。而对于perf来说，是针对SPDK所设计的性能测试工具，因此在底层，不仅是I/O通过SPDK下发，同时一些底层应用框架都是为SPDK所设计的。例如刚刚所提到的线程模型，perf中是使用DPDK所提供的线程模型，通过使用CPU的亲和性将CPU核与线程捆绑，不再受内核调度，因此可以充分发挥SPDK下发I/O时的异步无锁化优势。这就是为什么perf所测得的性能要比fio高，尤其是在使用单个线程（单核）同时测试多块盘的情况下，fio所得性能要明显小于perf所得性能。因此，在同等情况下，我们更推荐用户使用perf工具对SPDK进行性能评估。

此外，在多numjob的情况下，fio与perf对iodepth的分配是不同的。通常在fio中，指定的iodepth表示所有的job一共的iodepth，而在perf指定的iodepth(perf中-q参数)通常指的是每个job所使用的iodepth。举例如下：Fio：numjob=4, iodepth=128。则每个job对应的iodepth为32(128/4)。Perf：-c 0xF (相当于fio中numjob=4)，-q 128（相当于fio中iodepth=128）。则每个job对应的iodepth为128。

2

对SPDK和内核的性能评估时，虽然性能有所提升，但是没有看到SPDK官方所展示的特别大的性能差异。

首先，如问题1中所述，不同的工具之间所得出的性能结果是不同的，另外最主要的因素还是硬盘本身的性能瓶颈所导致的问题。例如，以2D NAND为介质的Intel DC P3700，本身的性能都存在一定的瓶颈，因此无论是SPDK用户态驱动还是内核驱动，都不会达到较高的IOPS。若换用更高性能的硬盘，例如使用以3D Xpoint为介质的Optane(Intel DC P4800X)为测试对象，便会看到很大的性能差异。因此，硬盘性能越高，SPDK所发挥出的优势越明显，这也是SPDK产生的初衷，其本身就是为高性能硬盘所订制的。

3

关于评估不同硬盘的队列深度（iodepth）与CPU core的问题。

通常根据不同硬盘的特点，选择不同的iodepth以及所使用的CPUcore。通常在评估以2D NAND、3D NAND介质的硬盘，一般情况下，为了达到磁盘的最高性能，通常会选择较高的iodepth（128或256）。对于P4XXX的硬盘，通常可能一个CPU core无法达到满IOPS，此时并不是由于一个core的能力不够，而是由于硬盘中硬件队列本身限制的问题。因此，通常需要使用两个CPU core才能够达到specification中的满IOPS。此外，对于以3D Xpoint为介质的Optane(Intel P4800X),通常只需要一个core并使用较小的iodepth即可达到满IOPS，此时已经达到硬盘的上限，若再次增大iodepth只会是latency变大而IOPS不再增长。

下面给出各种硬盘建议的评估参数：Intel P3700: numjob=1, iodepth=128

4

关于写性能虚高的问题。

通常以2D NAND、3D NAND为介质的硬盘，在测试write/randwrite的性能时候，通常要比sepcification里的最高值高很多。这是由于这类介质本身的问题，所以在测试时会出现write/randwrite性能虚高的问题。因此在测试该类硬盘，为了避免此类现象，通常需要对磁盘做一次precondition。通常的做法为：在格式化之后，对磁盘不断进行写操作，写满整个磁盘，使其进行稳态。以DC P3700 800GB为例，通常首先以4KB的大小顺序写两小时，之后再随机写一小时。此外，在测试的时候，fio参数中的ramp_time可以设置较大一些，避免初始的虚高值计入最终结果。 

5

关于磁盘性能测试指标。

通常，对于一个磁盘的性能，我们主要从三方面去评估：IOPS、bandwidth、latency。

IOPS：通常评估磁盘的IOPS，主要关注块大小为4k，随机读写的情况。因此，通常fio关键参数为：bs=4k，iodepth=128，direct=1，rw=randread/randwrite。

Bandwidth：评估磁盘的bandwidth，通常是关注块大小为128k，顺序读写的情况。因此，通常fio关键参数为：bs=128k，iodepth=128，direct=1，rw=read/write。

Latency：评估latency通常情况下，是关注一个I/O发送/完成的延迟情况，因此，通常选择iodepth为1。因此，通常fio关键参数为：bs=4k，iodepth=1，direct=1，rw=randread/randwrite。此外，对于latency的结果，不仅要关注平均值，同时也要注意长尾延迟，即99.99%的延迟情况。

注意：通常在测试磁盘的性能时，要添加direct=1,即绕过系统的cache buffer。这时测得的性能为裸盘的性能 。

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