AIX 下磁盤 I/O 性能分析

本文主要介紹在磁盤 I/O 性能的概念以及相關的指標，并介紹 AIX 系統下，衡量和監控磁盤 I/O 性能的方法，以及在 AIX 下，常見的可調整參數。

磁盤 I/O 的概念

I/O 的概念，從字義來理解就是輸入輸出。操作系統從上層到底層，各個層次之間均存在 I/O。比如，CPU 有 I/O，內存有 I/O, VMM 有 I/O, 底層磁盤上也有 I/O，這是廣義上的 I/O. 通常來講，一個上層的 I/O 可能會產生針對磁盤的多個 I/O，也就是說，上層的 I/O 是稀疏的，下層的 I/O 是密集的。

磁盤的 I/O，顧名思義就是磁盤的輸入輸出。輸入指的是對磁盤寫入數據，輸出指的是從磁盤讀出數據。

衡量磁盤 I/O 性能的指標

我們常見的磁盤類型有 ATA、SATA、FC、SCSI、SAS。這幾種磁盤中，服務器常用的是 SAS 和 FC 磁盤，一些高端存儲也使用 SSD 盤。每一種磁盤的性能是不一樣的。

我們在測試工作中，衡量磁盤 I/O 性能主要參考 IOPS 和吞吐量兩個參數。下面，將介紹一下這兩個參數的含義。

IOPS 與吞吐量的概念

磁盤的 IOPS，也就是在一秒內，磁盤進行多少次 I/O 讀寫。

磁盤的吞吐量，也就是每秒磁盤 I/O 的流量，即磁盤寫入加上讀出的數據的大小。

IOPS 與吞吐量的關系

每秒 I/O 吞吐量＝ IOPS* 平均 I/O SIZE。從公式可以看出： I/O SIZE 越大，IOPS 越高，那么每秒 I/O 的吞吐量就越高。因此，我們會認為 IOPS 和吞吐量的數值越高越好。實際上，對于一個磁盤來講，這兩個參數均有其最大值，而且這兩個參數也存在著一定的關系。

下圖為各種磁盤的 IOPS 極限值。

注：上表源自維基百科 http://en.wikipedia.org/wiki/IOPS

在 AIX 中，對于同一個磁盤（或者 LUN），隨著每次 I/O 讀寫數據的大小不通，IOPS 的數值也不是固定不變的。例如，每次 I/O 寫入或者讀出的都是連續的大數據塊，此時 IOPS 相對會低一些；在不頻繁換道的情況下，每次寫入或者讀出的數據塊小，相對來講 IOPS 就會高一些。

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I/O 讀寫的類型

大體上講，I/O 的類型可以分為：讀 / 寫 I/O、大 / 小塊 I/O、連續 / 隨機 I/O, 順序 / 并發 I/O。在這幾種類型中，我們主要討論一下：大 / 小塊 I/O、連續 / 隨機 I/O, 順序 / 并發 I/O。

大 / 小塊 I/O

這個數值指的是控制器指令中給出的連續讀出扇區數目的多少。如果數目較多，如 64，128 等，我們可以認為是大塊 I/O；反之，如果很小，比如 4，8，我們就會認為是小塊 I/O，實際上，在大塊和小塊 I/O 之間，沒有明確的界限。

連續 / 隨機 I/O

連續 I/O 指的是本次 I/O 給出的初始扇區地址和上一次 I/O 的結束扇區地址是完全連續或者相隔不多的。反之，如果相差很大，則算作一次隨機 I/O

連續 I/O 比隨機 I/O 效率高的原因是：在做連續 I/O 的時候，磁頭幾乎不用換道，或者換道的時間很短；而對于隨機 I/O，如果這個 I/O 很多的話，會導致磁頭不停地換道，造成效率的極大降低。

順序 / 并發 I/O

從概念上講，并發 I/O 就是指向一塊磁盤發出一條 I/O 指令后，不必等待它回應，接著向另外一塊磁盤發 I/O 指令。對于具有條帶性的 RAID（LUN），對其進行的 I/O 操作是并發的，例如：raid 0+1(1+0),raid5 等。反之則為順序 I/O。

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磁盤 I/O 性能的監控

監控磁盤的 I/O 性能，我們可以使用 AIX 的系統命令，例如：sar -d, iostat, topas, nmon 等。下面，我將以 nmon 和 topas 為例，講述在系統中如何觀察磁盤 I/O 的性能。

topas

登錄 AIX 操作系統，輸入 topas，然后按 D，會出現如下界面：

在上圖中，TPS 即為磁盤的 IOPS，KBPS 即為磁盤每秒的吞吐量。由于服務器處于空閑的狀態，我們可以看到 IOPS，KBPS 的數據都非常低。

我們使用 dd if 命令向磁盤 hdisk2 發讀 I/O，block 大小為 1MB：

利用 topas 進行監控：

此時，hdisk2 的吞吐量為 163.9M，IOPS 為 655。

我們再啟動一個 dd if，使 hdisk 的 busy 數值達到 100%：

從上圖可以看出，在磁盤 busy 達到 100% 的時候，其吞吐量為 304.1M，IOPS 為 1200。

hdisk2 是本地集成的 SAS 盤，我們可以查出本地集成 SAS 通道的帶寬為 3Gb：

對于 3Gb 的 SAS 通道，304.1M 的磁盤吞吐量已經接近其 I/O 帶寬的峰值了。

需要指出的是，使用 dd if 測量磁盤的帶寬是可行的，但是由此來確定業務 I/O 的 IOPS 和吞吐量是不科學的。因為，dd if 所發起的讀寫僅為順序 I/O 讀寫，在 OLTP 的業務中，這種讀寫是不常見的，而是隨機小 I/O 比較多，因此，測量業務的磁盤 I/O 性能，需要在運行業務的時候進行監控。

nmon

在系統中輸入 nmon，按 d，可以得到如下界面 :

可以得到此時磁盤 hdisk2 吞吐量為 318M。

使用 nmon 收集一個時間段的數據，然后使用 nmon analyzer 進行分析，可以得出更為直接的圖表：

將收集好的 nmon 文件使用 nmon analyzer 進行分析，得出如下報表：

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磁盤 I/O 性能調優

確認磁盤 I/O 存在性能問題

對于隨機負載，當遇到余下情況時，我們那通常認為存在 I/O 性能問題：

1. 平均讀時間大于 15ms
2. 在具有寫 cache 的條件下，平均寫時間大于 2.5ms

對于順序負載，當遇到余下情況時，我們那通常認為存在 I/O 性能問題：

1. 在一個磁盤上有兩個連續的 I/O 流
2. 吞吐量不足（即遠遠小于磁盤 I/O 帶寬）

對于一塊磁盤來講，隨著 IOPS 數量的增加，I/O service 也會增加，并且會有一個飽和點，即 IOPS 達到某個點以后，IOPS 再增加將會引起 I/O service time 的顯著增加。

從經驗上講，我們在測試工作中，我們主要關注 IOPS 和吞吐量以及磁盤的 busy% 這三個數值。如果 IOPS 和吞吐量均很低，磁盤的 busy% 也很低，我們會認為磁盤壓力過小，造成吞吐量和 IOPS 過低；只有在 IOPS 和吞吐量均很低，磁盤的 busy% 很高（接近 100%）的時候，我們才會從磁盤 I/O 方面分析 I/O 性能。

通過調整 AIX 參數改善磁盤 I/O 性能

在 AIX 系統中，有關磁盤 I/O 性能相關的參數我們主要調整的參數如下圖：

需要注意的是，下面幾個參數的調整值，只是經驗數值；對于不同的應用，不同的場景，應具體情況具體分析。

調整I/O 隊列長度

queue_depth 是 AIX 一次可以傳送到磁盤設備的命令的數量，把命令放在隊列中再傳送給磁盤可以提高 I/O 性能。AIX 中定義的每個磁盤在 ODM 庫中都有 queue_depth 屬性。這個屬性限制了 AIX 可以傳送到設備的最大命令的數量。

queue_depth 默認數值為 4

將 hdisk2 的隊列長度從 16 調整為 64：

max_transfer 參數

這個參數的含義是，存儲 driver 可以向存儲發的最大的 I/O。通過增加 max_transfer 的數值，我們可以允許 VG 的 LTG 的數值更大。

這個參數我們可以從 64M 調整到 128M。

光纖卡num_cmd_elems參數

如果是通過光纖卡連接的外置存儲，可以考慮調整 num_cmd_elems，這個參數的作用是：controls maximum number of in-flight Ios

這個參數的默認值為 500，我們將其修改為 1000:

光纖卡 max_xfer_size 參數 : attribute also controls a DMA memory area used to hold data for transfer, and at the default is 16 MB. 這個參數是控制 DMA 區域的，用于保持傳輸的數據的的區域，它的默認值是 16MB，可以把這個數值調整成 128MB，這樣光纖卡的帶寬會高一些 .

FSCSI 設備

對于 FSCSI 設備而言，我們可以通過設置參數：dyntrk 和 fc_err_recov 來達到路徑快速切換的目的：This sets the adapters to fast fail over and reduces the amount of time required to select a new data path.

修改完畢以后，榮如下命令進行確認：

總結

在 AIX 下調整磁盤 I/O 性能是一個相對復雜的工作，參數的數值往往是根據環境的變化而不通。這就要求我們在熟悉磁盤 I/O 性能架構的基礎上，靈活調整。