IO系统性能之二:缓存和RAID如何提高IO

www.net130.com     日期:2011-3-28    浏览次数:
作者:DBABeta 马齿苋    出处:it168网站

RAID(Redundant Array Of Inexpensive Disks)
如果你是一位数据库管理员或者经常接触服务器,那对RAID应该很熟悉了,作为最廉价的存储解决方案,RAID早已在服务器存储中得到了普及。在RAID的各个级别中,应当以RAID10和RAID5(不过RAID5已经基本走到头了,RAID6正在崛起中,看看这里了解下原因)应用最广了。下面将就RAID0,RAID1,RAID5,RAID6,RAID10这几种级别的RAID展开说一下磁盘阵列对于磁盘性能的影响,当然在阅读下面的内容之前你必须对各个级别的RAID的结构和工作原理要熟悉才行,这样才不至于满头雾水,推荐查看wikipedia上面的如下条目:RAID,Standard RAID levels,Nested RAID levels。

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。
因为RAID10其实就是RAID1,所以它的性能与RAID1也就是一样的了,这里不需要再做过多的讨论。

四个性能指标的变化

IO响应时间(IO Response Time)
在任何时候IO响应时间值得都是单个IO的响应时间,因此,不管磁盘是否组成了磁盘阵列,它的IO响应时间应该都是一样的。从前面的计算中我们可以看到,如果IO响应时间在10ms左右的话是很正常的,但是当IO响应时间比这个值超出太多的时候,你就要开始注意了,很可能就意味着此时你的磁盘系统已经成为了一个瓶颈。

IOps
综合上面两个部分的讨论我们来估算一下阵列下的磁盘总体IOPS,在这里我们先假设组成阵列的单个磁盘的随机读写的IOPS为140,读写缓存命中率都为10%,组成阵列的磁盘个数为4。

因为不管是那种阵列,磁盘的读取性能都是所有磁盘之和,所以可以得出下面的读取IOPS:

  read IOPS = disk_IOPS/(1-read_cache_hit_ratio)*disk_num = 140/(1-10%)*4 = 622

而写入性能就完全不一样了,根据上面的讨论我们可以得出下面结论:

  RAID0: 1 IO request => need 1 actual IO on disk
  RAID1: 1 IO request => need 2 actual IO on disk
  RAID5: 1 IO request => need 4 actual IO on disk
  RAID6: 1 IO request => need 6 actual IO on disk

由此我们也可以计算出写入IOPS估算公式:

  RAID0 write IOPS = disk_IOPS/(1-write_cache_hit_ratio)*disk_num/acture_IO_num = 140/(1-10%)*4/1 = 622
  RAID1 write IOPS = disk_IOPS/(1-write_cache_hit_ratio)*disk_num/acture_IO_num = 140/(1-10%)*4/2 = 311
  RAID5 write IOPS = disk_IOPS/(1-write_cache_hit_ratio)*disk_num/acture_IO_num = 140/(1-10%)*4/4 = 155
  RAID6 write IOPS = disk_IOPS/(1-write_cache_hit_ratio)*disk_num/acture_IO_num = 140/(1-10%)*4/6 = 103

实际上从通过上面的计算方法我们还可以估算当给定一个要求的IOPS的情况下,估计下使用各个阵列级别所需要的磁盘的数量。当然我们上面的计算方法只是一个估算,我们忽略很多其他的因素,得出的只是一个大概的数值,不过在实际的应用还是有一定的参考作用的。

本篇最后附送一个计算磁盘系统IOPS的网站――wmarow’s disk & disk array calculator,这个网站提供的计算公式还考虑了诸如阵列条带大小以及主机方面的因素,很有参考价值,至于怎么选择合适的条带大小,以后还会撰文解释。

传输速度(Transfer Rate)/吞吐率(Throughput)
实际上估算除了随机读写的IOPS也就知道了随机读写的吞吐率。对于顺序读写的呢,还是跟前一篇所讲的一样,主要受限于磁盘的限制,不能再拿IOPS来衡量了。

  random_throughtput = random_IOPS * IO_chunk_size

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