如何测试云硬盘

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:

harddisk

 

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。

qq-stat-iops-1

 

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:

qq-stat-iops-4

 

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。

qq-stat-iops-1gb

 

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。

huawei-highend-san

 

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。

ssd

 

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。

samsung_ssd_840_pro_512gb_preconditioning_4kwrite_maxlatency1

 

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

 

qq-ebs-iops-4k-w

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

qq-ebs-iops-4k-r

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
qq-ebs-mbps-512kb
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。

qq-win2012-setting

 

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。

qq-iomter-ui

 

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。

qq-iometer-options-01

 

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
qq-iometer-options-02
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)。
 qq-iometer-options-03
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。
qq-iometer-options-04
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。
 qq-iomter-4k-iops
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。

qq-ebs-mbps-512kb

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

 

3 comments

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  2. 牛大大 Reply

    您的云硬盘所在的ceph环境,参数是否可以给一下?比如几台机器,大致的配置。不然您给出的结果参数我们只能看个热闹,不能与自己的对比。

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