IOPS — что это такое, и как его считать

IOPS (количество операций ввода/вывода – от англ. Input/Output Operations Per Second) – один из ключевых параметров при измерении производительности систем хранения данных, жестких дисков (НЖМД), твердотельных диски (SSD) и сетевых хранилища данных (SAN).

По сути, IOPS это количество блоков, которое успевает считаться или записаться на носитель. Чем больше размер блока, тем меньше кусков, из которых состоит файл, и тем меньше будет IOPS, так как на чтение куска большего размера будет затрачиваться больше времени.

Значит, для определения IOPS надо знать скорость и размер блока при операции чтения / записи. Параметр IOPS равен скорости, деленной на размер блока при выполнении операции.

Характеристики производительности

Основными измеряемыми величинами являются операции линейного (последовательного) и произвольного (случайного) доступа.

Под линейными операциям чтения/записи, при которых части файлов считываются последовательно, одна за другой, подразумевается передача больших файлов (более 128 К). При произвольных операциях данные читаются случайно из разных областей носителя, обычно они ассоциируются с размером блока 4 Кбайт.

Ниже приведены основные характеристики:

Параметр	Описание
Всего IOPS (Total IOPS)	Суммарное число операций ввода/вывода в секунду (при выполнении как чтения, так и записи)
IOPS произвольного чтения (Random Read)	Среднее число операций произвольного чтения в секунду
IOPS произвольной записи (Random Write)	Среднее число операций произвольной записи в секунду
IOPS последовательного чтения (Sequential Read)	Среднее число операций линейного чтения в секунду
IOPS последовательной записи (Sequential Write)	Среднее число операций линейной записи в секунду

Приблизительные значения IOPS

Приблизительные значения IOPS для жестких дисков.

Устройство	Тип	IOPS	Интерфейс
7,200 об/мин SATA-диски	HDD	~75-100 IOPS	SATA 3 Гбит/с
10,000 об/мин SATA-диски	HDD	~125-150 IOPS	SATA 3 Гбит/с
10,000 об/мин SAS-диски	HDD	~140 IOPS	SAS
15,000 об/мин SAS-диски	HDD	~175-210 IOPS	SAS
Intel X25-M G2 MLC	SSD	~8 600 IOPS	SATA 3 Гбит/с
OCZ Vertex 3	SSD	~60 000 IOPS (Произвольная запись 4K)	SATA 6 Гбит/с
OCZ RevoDrive 3 X2	SSD	~200 000 IOPS (Произвольная запись 4K)	PCIe
OCZ Z-Drive R4 CloudServ	SSD	~1 400 000 IOPS	PCIe

RAID пенальти

Любые операции чтения, которые выполняются на дисках, не подвергаются никакому пенальти, поскольку все диски могут использоваться для операций чтения. Но всё на оборот с операциями на запись. Количество пенальти на запись зависят от типа выбранного RAID-а, например.
В RAID 1 чтобы данные записались на диск, происходит две операции на запись (по одной записи на каждый диск), и следовательно RAID 1 имеет два пенальти.
В RAID 5 чтобы записать данные происходит 4 операции (Чтение существующих данных, четность RAID, Запись новых данных, Запись новой четности) тем самым пенальти в RAID 5 составляет 4.
В этой таблице приведено значение пенальти для более часто используемых RAID конфигурации.

RAID	I/O Пенальти
RAID 0	1 (Edited by Reader)
RAID 1	2
RAID 5	4
RAID 6	6
RAID 10	2

Характеристика рабочих нагрузок

Характеристика рабочей нагрузки в основном рассматривается как процент операции чтений и записей, которые вырабатывает или требует приложение. Например, в среде VDI процентное соотношение IOPS рассматривается как 80-90% на запись и 10-20% на чтение. Понимание характеристики рабочей нагрузки является наиболее критическим фактором, поскольку от этого и зависит выбор оптимального RAID для среды. Приложения которые интенсивно используют операции на запись являются хорошими кандидатами для RAID 10, тогда как приложения которые интенсивно используют операции на чтение могут быть размещены на RAID 5.

Вычисление IOPS

Есть два сценария вычисления IOPS-ов.
Один из сценариев это когда есть определенное число дисков, и мы хотим знать, сколько IOPS эти диски выдадут?
Второй сценарий, когда мы знаем сколько нам IOPS-ов надо, и хотим вычислить нужное количество дисков?

Сценарий 1: Вычисление IOPS исходя из определенного кол-ва дисков

Представим что у нас есть 20 450GB 15к RPM дисков. Рассмотрим два сценария Рабочей нагрузки 80%Write-20%Read и другой сценарий с 20%Write-80%Read. Также мы вычислим количество IOPS как для RAID5 и RAID 10.
Формула для расчета IOPS:
Total Raw IOPS = Disk Speed IOPS * Number of disks
Functional IOPS =(((Total Raw IOPS×Write %))/(RAID Penalty))+(Total Raw IOPS×Read %)
Есть определение Raw IOPS и Functional IOPS, как раз токи Functional IOPS-ы и есть те IOPS-ы которые включают в себя RAID пенальти, и это и есть “настоявшие” IOPS-ы.
А теперь подставим цифры и посмотрим что получится.
Total Raw IOPS = 170*20 = 3400 IOPS (один 15K RPM диск может выдать в среднем 170 IOPS)

Для RAID-5

Вариант 1 (80%Write 20%Read) Functional IOPS = (((3400*0.8))/(4))+(3400*0.2) = 1360 IOPS
Вариант 2 (20%Write 80%Read) Functional IOPS = (((3400*0.2))/(4))+(3400*0.8) = 2890 IOPS

Для RAID-1

Вариант 1 (80%Write 20%Read) Functional IOPS = (((3400*0.8))/(2))+(3400*0.2) = 2040 IOPS
Вариант 2 (20%Write 80%Read) Functional IOPS = (((3400*0.2))/(2))+(3400*0.8) = 3100 IOPS

Сценарий 2: Подсчет кол-ва дисков для достижения определенного кол-ва IOPS

Рассмотрим ситуацию где нам надо определить тип RAID-а и количества дисков для достижения определенного количества IOPS-ов 5000 и с определенными рабочими нагрузками, например 80%Write20%Read и 20%Write80% Read.
Опять же для начала формула по которой и будем считать:
Total number of Disks required = ((Total Read IOPS + (Total Write IOPS*RAID Penalty))/Disk Speed IOPS)
Total IOPS = 5000
Теперь подставим цифры.
Заметка: 80% от 5000 IOPS = 4000 IOPS и 20% от 5000 IOPS = 1000 IOPS с этими цифрами и будем оперировать.

Для RAID-5

Вариант 1 (80%Write20%Read) – Total Number of disks required = ((1000+(4000*4))/170) = 100 дисков.
Вариант 2 (20%Write80%Read) – Total Number of disks required = ((4000+(1000*4))/170) = 47 дисков приблизительно.

Для RAID-1

Вариант 1 (80%Write20%Read) – Total Number of disks required = ((1000+(4000*2))/170) = 53 диска приблизительно.
Вариант 2 (20%Write80%Read) – Total Number of disks required = ((4000+(1000*2))/170) = 35 дисков приблизительно.

Понимание и подсчет IOPS, RAID пенальти, и характеристик рабочих нагрузок очень критичны аспект при планировании. Когда нагрузка более интенсивна на запись луче выбирать RAID 10 и наоборот при нагрузках на чтение RAID 5.