IOPS

IOPS (аббр. от англ. input/output operations per second «количество операций ввода-вывода в секунду»; произносится как [ай-опс]) — количество операций ввода-вывода, выполняемых системой хранения данных, за одну секунду. Один из параметров, используемых для сравнения систем хранения данных (жёстких дисков (НЖМД), твердотельных накопителей (SSD), сетевых хранилищ SAN, NAS) и оценки их производительности.

Достижение величин IOPS, указанных в документации производителями оборудования, на практике не гарантируется^[1][2], даже если попытаться воспроизвести тестовую среду и для измерения IOPS использовать то же программное обеспечение.

Программное обеспечение для измерения IOPS:

• «Iometer» (разработано фирмой «Intel»)^[3];
• «IOzone» (англ.);
• «FIO» (англ.)^[4];
• «CrystalDiskMark»^[5].

Если несколько раз менять настройки устройства и каждый раз измерять IOPS, можно определить настройки, при которых устройство достигает максимальной производительности.

Величина IOPS зависит от многих параметров:

• конструкция и настройки устройства;
• устройство и настройки драйвера устройства;
• устройство и настройки драйвера файловой системы;
• устройство и настройки операционной системы;
• условия запуска программы, выполняющей тестирование производительности (бенчмарка):
  • отношение количества операций чтения к количеству операций записи;
  • размеры блоков для чтения и записи при последовательном и случайном доступе;
  • количество потоков, выполняющих чтение и запись;
  • размеры очередей и буферов;
  • наличие фрагментации в файловой системе;
  • наличие приложений, работающих в фоновом режиме;
  • и др.

Перед запуском теста необходимо ознакомиться с рекомендациями производителя по его правильному проведению^[6].

Во время теста выполняются следующие операции:

• чтение данных из блоков, расположенных на носителе последовательно (линейно);
• запись данных в блоки, расположенные на носителе последовательно (линейно);
• чтение данных из блоков, положение которых на носителе выбирается случайно (произвольно);
• запись данных в блоки, положение которых на носителе выбирается случайно (произвольно).

При этом выполняется подсчёт количества операций, которое устройство способно выполнить за одну секунду.

При последовательном доступе к данным размер блока, обычно, выбирается больши́м (например, 128 КиБ). При произвольном доступе к данным размер блока, обычно, выбирается маленьким (например, 4 КиБ).

Величина IOPS зависит от конструкции устройства. Для жёстких дисков и других электромеханических устройств при доступе к данным, расположенным в случайных блоках, IOPS зависит в первую очередь от скорости работы механической части устройства (от времени позиционирования головки (англ.)). Для SSD и устройств, подобных SSD, IOPS зависит в основном от алгоритмов прошивки (выполняемой микроконтроллером) и скорости работы интерфейса памяти. На обоих типах устройств количество IOPS при последовательном доступе к данным (при большом размере блока) оказывается максимальным^[1].

Зная IOPS и размер блока, можно вычислить скорость выполнения операций:

байт_в_секунду = IOPS * размер_блока_в_байтах.

Скорость, обычно, измеряется в Мбайт/с. Для преобразования из Байт/с в МБайт/с нужно поделить на 1 048 576.

Производительность некоторых жёстких дисков можно увеличить, если:

• увеличить размер очереди, в которую попадают запросы на чтение и запись. Обслуживанием очереди занимается контроллер диска;
• заставить контроллер диска выполнять переупорядочивание элементов очереди, например, TCQ (англ. tagged command queuing) или NCQ (англ. native command queuing).

У жёстких дисков величины IOPS на запись и IOPS чтение примерно одинаковые. У большинства SSD на основе флэш-модулей NAND величина IOPS на запись значительно меньше величины IOPS на чтение. Это объясняется тем, что при попытке повторной записи в один и тот же блок запускается сборка мусора, и запись выполняется в менее используемый блок для увеличения срока службы носителя^[7][8][9].

IOPS современных SSD с flash памятью намного выше IOPS жёстких дисков. Фирма «Xssist» провела тестирование одного из таких SSD — Intel X25-E 64 GB G1 со следующими условиями:

• программа: Iometer;
• размер блока: 4 KB;
• режим доступа: произвольный;
• отношение количества операций чтения к количеству операций записи (англ. read/write ratio): 70/30;
• размер очереди (англ. queue depth): 4;
• продолжительность тестирования: более 8 часов.

Результаты теста^[10]:

• первые 8 минут величина IOPS сохранялась на уровне 10 000 IOPS;
• в течение следующих 42 минут величина IOPS резко опустилась до 4000 IOPS и стала понемногу снижаться;
• в течение следующих 50 минут и до конца теста величина IOPS изменялась от 3000 IOPS до 4000 IOPS.

Даже после резкого падения производительности (примерно через 50 минут после начала теста) величина IOPS была намного выше IOPS жёсткого диска.

Приблизительные значения IOPS (случайного доступа) для жёстких дисков^[11][12].

Приблизительные значения IOPS для твердотельных накопителей (условия идеальные; время выполнения операций небольшое). Скорость может снизиться в несколько раз при многократном повторении операций записи в случайные блоки.

• MIPS (количество миллионов инструкций, выполняемых за секунду).
• Performance per watt (англ.).

• Что такое IOPS и что он показывает — Статья pc-hard.ru, 2011.
• О производительности: IOPS vs. MB/s Архивная копия от 22 января 2012 на Wayback Machine — Статья blog.aboutnetapp.ru, 2007.