董唯元存储专栏 闲聊存储产品各种性能差异区别

    说起存储产品的评价，性能永远是第一重要的问题。吹嘘性能的各种说辞在供应商口中不断花样翻新：带宽（Bandwidth）、IOPS、顺序（Sequential）读写、随机（Random）读写、持续吞吐（Sustained Throughput）、突发处理能力（Burst I/O）等等看似甚为专业的名词充斥着解决方案和技术分析报告。存储产品的性能似乎被量化得格外清晰，作为用户，只需要简单的比较两个数字，就可以清楚的得出孰优孰劣的结论。然而，事实果真如此吗？
  
    让我们先来看几个有趣的实例。
  
    在Engenio公司的网站上，很容易就可以分辩出4884控制器比2882控制器定位要高些，扩展能力也好些。但是，http://www.engenio.com/default.aspx?pageId=68这个网页上列出4884控制器持续吞吐能力是390MB/s，而http://www.engenio.com/default.aspx?pageId=69这个网页上显示2882控制器的同一个性能指数为400MB/s。难到是网页搞错了？再到存储系统的说明网页上确认一下（http://www.engenio.com/default.aspx?pageId=62）数据的确没有错。
  
    另一个例子是来自Infortrend公司的两款产品：A16F-G2221（FC-SATA RAID）和A16U-G2421（SCSI-SATA RAID）。无论是扩展能力还是价格方面，前者似乎都比后者略为高端一些，但是性能指数似乎并不支持这一结论，甚至令人莫衷一是。从两者的详细指标列表中可以清楚的看到，前者的顺序读写带宽分别为386MB/s和310MB/s，而后者是450MB/s和302MB/s。就是说，前者的写入带宽更高些，而后者的读取带宽更好些。到底哪个产品的处理能力更强些呢？
  
    如果把这个两个例子中的产品再横行比较一下，问题就更明显了。作为典型中端存储设备，Engenio 4884的最大带宽（390MB/s）还不如Infortrend的SCSI-SATA盘阵（450MB/s）！而且，Infortrend的速度指数还明确标明是RAID5之后的测试结果，而Engenio则仅以“持续介质吞吐”（Sustained Throughput to Media）指代，并没有说明有无冗余校验。也就是说，Engenio 4884在RAID5的情况下很有可能带宽还不足390MB/s！要知道，Engenio 4884就是IBM公司的FAStT 700，价格可是A16U-G2421的数倍呢。难到花钱买FAStT700的用户都冤枉了？
  
    类似的例子还有很多很多……
  
    不仅产品间的对比这种情况，在纯粹技术层面也存在有类似的例子。令人印象最为深刻的当属 1999年光纤通道技术刚刚产品化的时候，一个来自最终用户的最为普遍的问题：“光纤技术比SCSI先进吗？为什么光纤通道的最大带宽是100MB/s，而SCSI的最大带宽是160MB/s呢？”几年之后，这个疑问依然广泛存在，只是两种技术的带宽都分别翻了一倍，变成了200MB/s之比于320MB/s。还是SCSI的速度快！
  
    当年存储工程师中间流传着一个火车和马车的比喻，来说明光纤技术比SCSI技术领先。大概意思是说，光纤技术就好似火车，而SCSI技术是马车。虽然世界上第一辆火车没有马车跑得快，但后来的发展证明，火车这一技术是绝对领先于马车的。
  
    这个说法在今天基本已经得到证实，光纤技术已经发展到400MB/s的带宽，并正在规划着下一代800MB/s或1GB/s的标准，而传统并行SCSI似乎不可能再超越320MB/s的极限了，替代传统并行SCSI的SAS（串行SCSI）技术也只有300MB/s，其后的第二代SAS虽然预计可以达到600MB/s之多，但那时的光纤通道技术应该也已经是800MB/s或1GB/s了。火车终于超过马车了！
  
    但是，现实的问题是：作为用户，真的需要那些还不如马车跑得快的第一代火车吗？难到不应该等到火车进步到比马车跑得快了之后，再购买火车吗？

    我的答案是：不尽然，要看具体的需求。如果你对速度的要求两者都可以满足，而又希望安全准时的长途运送货物，那么既便马车跑得更快些，也不是好的选择。毕竟打劫马车比打劫火车要容易得多嘛！
  
    也许打劫的例子实在离题太远，我们还是回到存储产品的讨论上，走进那些五花八门的指数背后，去看看性能的真实面目。
  
    带宽与I/O
  
    这是两个衡量存储设备性能最基本的概念，明确的区分两者也是对存储产品性能了解的第一步。如果我们把存储设备比做一间会议室，被存取的数据就是前来参加会议或从会议中离开的人，那么带宽性能就是指这间会议室大门的宽度，大门越宽，可以同时进出的人也就越多，而I/O性能是指房门开合的频繁程度，迎来一批前来参加会议的人，就需要打开一次大门，送走一批人也是一样，哪怕这“一批人”其实只是一个人。由此可见，当我们考察会议室的门设计得是否合理时，必须结合会议本身的性质。
  
    对纪律严明的会议来说，与会者轻易不会凌乱的进出会场，人们在会议开始时统一进入，结束时再统一离开。对这种情况，门的宽度就十分重要，而是否易于开合则显得不那么关键，反正这扇门在整个会议中只需要开合两次而已。相反的，对于联欢性质的聚会而言，门设计得太宽除了显得气派之外，并没有什么实际的意义，但是门开合的频率却很重要，因为会有客人频繁的进进出出。
  
    对应到存储设备上，道理也是一样。大文件持续传输型的应用需要的是充分的带宽性能，而小文件随即读写的应用则要求足够的I/O能力。那么多大的文件算“大文件”呢？一般而言，超过1MB大小的文件就可以算做“大文件”了。如果您的应用系统处理的资料中，最小的文件也有4～5MB甚至几十MB，就需要重点考察存储系统的带宽性能了。如果您的应用是数据库形式，或是电子邮件系统，系统中有大量KB级大小的文件，那么就可以忽略掉产品介绍中xxx MB/s的字样，重点关心xxx IOPS就可以了。
  
    影响性能的因素
  
    当然，仅看产品彩页中的简单数字还是远远不够的。存储设备的标称指数只是其最最理想情况下的表现，而实际应用中，存储设备表现出的处理能力往往与其标称指数相去甚远。为了反映更多的细节，会议室的比喻不足以说明问题。所以我们前面的例子再改进一下，把存储设备看作一栋有很多房间的大厦。人们从门口进入大厦，先来到大堂，经过走廊，最后到达房间。人们进大厦的方式也分为两种：一种是所有人按房间号码顺序排好队，一起进入大厦，我们称之为“顺序进入”；另一种是他们无规律的自由进入，我们称为“随即进入”。
  
    显而易见，“顺序进入”的效率要大大高于“随即进入”。这就说明，一般情况下，顺序读写的性能要远高于随即读写的性能。还有一个结论也不难得出，一个宽敞的大堂更有利于偶然性较大的“随机进入”，而对“顺序进入”的人群而言，经过大堂基本属于浪费时间。存储设备中的“大堂”就是高速缓存。也就是说，大容量高速缓存可以提高随机读写性能，而对顺序读写的性能改进则不明显。
  
    还记得前面讨论的带宽和I/O的差别吗？带宽考察的是单位时间进入大厦的人数，而I/O关心的是单位时间进出大厦的批次。从次可见，如果走廊没有任何变化，那么大堂只要不是太小，就不会影响带宽性能。相对的，对I/O性能而言，大堂显然是越大越好。总之，影响带宽的因素主要是前端控制器（大门）和后端磁盘通道（走廊）的带宽；而影响I/O的因素主要是控制器（大门）处理能力和高速缓存（大堂）容量。
  
    当然，前面的讨论都基于一个假设前提：磁盘（房间）足够多。如若只配置寥寥几个磁盘，它们就会成为整个系统的性能瓶颈。任凭其他配置如何奢华，也于事无补。那么，“足够多”又是多少呢？对光纤通道存储设备来说，每个光纤通道上的磁盘数量达到50～60个的时候性能达到最佳。所以一般中高端存储设备都把每通道50～60个磁盘设计为扩展极限，而不是光纤通道技术规定的126个。

图1. 磁盘数量影响光纤环路性能

    这样设计存储产品，可以让系统的性能随着容量的增加而增长。但是同时，用户必须明白，在容量没有配置到最大值的时候，性能就无法达到厂商所宣称的指标。一些厂商还声明其产品的性能可以随着容量的增长而线性增长，按这样讲，当你的存储设备只配置了最大容量的一半时，你得到的性能也只有系统最佳性能的一半。
  
    性能曲线
  
    这里所说的“最佳性能”就是厂商所宣称的指数吗？很遗憾，答案是不一定，一般都不是，而且可能会相差很远！我已经听到有人在叫“天啊！那厂商公布的数字到底有什么意义啊。”别急，看到下面两个图示就清楚了。

图2. IOPS性能曲线示例

图3. 带宽性能示例

    这两个图示是典型的存储设备性能实测曲线，所有曲线来自同一个存储设备的同一个配置。不同产品在纵向指标上表现各异，但曲线的形状都大体相同。从图上可以看出，用户环境中存储设备的性能表现严重依赖数据块的大小。以顺序读取操作为例，如果应用产生的数据块大小在8KB左右，那么带宽性能和I/O性能最多也只能达到峰值性能的一半左右。如果希望得到更好的I/O性能，就需要尽量将数据块调整得更小。但不幸的是，如果希望带宽性能更好，就需要想办法把数据块设置得更大。看来，带宽与I/O性能是鱼与熊掌，难以兼得啦。

    不过没关系，如我们前面提到的，幸好大多数用户其实只需要其中一种性能。要么是大文件类型的应用，需要带宽性能；抑或是小文件类型应用，需要I/O能力。需要带宽的用户相对容易得到满足。从图3可以看出，只要数据块大于128KB，顺序读的性能就基本可以达到系统饱和值。对顺序写，饱和数据块略大一些，但256KB也不算难以达到的尺寸。

    得到最佳的I/O性能似乎就没那么容易了。从图2的曲线来看，I/O性能并没有一个饱和状态，这就要求数据块无穷尽的尽量小。然而所有应用都不可能支持无穷小的数据块。实际上，大多数的数据库应用产生的数据块都在2KB或4KB左右。在这个尺度上，应用得到的性能距离最高性能还有至少20～30%的空间呢。
  
    持续和突发
  
    回到我们那个关于大厦的例子。如果大厦临时发生紧急情况，比如火灾，人们争先恐后的蜂拥在门口，景象一定是一片混乱。在实际应用中，存储系统也可能遭遇类似的情况，一时间大量数据同时被访问，造成系统严重堵塞。这就像存储系统内的交通高峰，往往需要类似交通管制的手段才能提高系统效率。一些厂商会宣称他们的产品在这种情况下的“交通管制”能力有多强，以致可以从容应付大规模的突发访问。诸如“全交换结构”、“直接矩阵结构”等技术均属此类。究其本质，这些“交通管制”都是在大堂（高速缓存）的设计上做文章，将原本一个公共大堂的结构变成若干独立大堂的结构。以此来避免火灾发生时，所有人都拥挤到一个大堂里。
  
    这样设计的确可在访问突然爆发时缓解系统压力，但是需要注意，这样设计的大厦内部一定布满了各种指示牌和路标，对任何一个进入大厦的人而言，进入房间的过程都将变得更复杂。其结果就是，非突发状态下，系统的持续读写能力往往还不如同等计算能力的简单结构存储。
  
    其他影响
  
    除了前面所谈到诸多方面外，还有很多因素都会影响到存储设备在实际运行中的性能。例如RAID级别的设置、磁盘类型甚至型号批次的匹配、缓存的镜像、SCSI指令队列深度的设置，这些方面都与性能结果直接相关。而且，为了能够得到最好的性能指数，几乎所有的厂商在测试自己产品性能的时候都会采用无冗余的RAID0、选用15k rpm的高速磁盘、将写缓存镜像保护关闭或者干脆关闭写缓存、将指令队列深度设置为最大。如此配置方式相信不是每个用户都可以接受的。
  
    另外，所有存储设备在运行快照或远程镜像等附加功能之后，性能都会明显下降，有些情况甚至会下降60%之多。如果用户的应用恰巧需要这些附加功能，就需要在选用存储设备之前认真的实地测量一下真实性能。免得满怀希望的买回家，使用起来却失望至极。
  
    这样的例子其实并不少见，记得我国某大型铁路局的某重要系统就曾经有过这样的失望经历。那时某国外知名厂商的一款中端存储设备刚刚下线，号称是全球第一款可以支持远程容灾的中端存储产品。正值铁路系统整体调整，该单位认为这款产品即可以实现远程容灾的功能，又只有中端产品的价格，是个性能价格比很高的产品。但是采购之后才发现，这款产品作为普通存储设备时，性能还可以应付系统压力，但是启动远程数据镜像之后，性能下降到原来的三分之一，完全无法满足系统需求。几经努力都失败之后，用户只好放弃了这个鸡肋，而为此付出的软硬件投资也付之东流。
  
    结论和建议
  
    想要知道梨子的滋味，最好的办法就是亲自尝一尝。对存储设备，这个道理尤其重要。只有在用户需要的配置方式下，在实际的应用系统中，实实在在的运行之后，用户才能真正清楚的感知存储设备的真实性能表现。纸上谈兵只怕会使用户在各种数据中迷失方向，难以做出正确结论。

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