AIX 下磁盘 I/O 性能分析

注：本文是笔者2012 年 3 月 08 日在（https://www.ibm.com/developerworks/cn/aix/library/1203_weixy_aixio/）发表的作品

磁盘 I/O 的概念

I/O的概念，从字义来理解就是输入输出。操作系统从上层到底层，各个层次之间均存在 I/O。比如，CPU 有 I/O，内存有 I/O, VMM有I/O, 底层磁盘上也有 I/O，这是广义上的 I/O. 通常来讲，一个上层的 I/O 可能会产生针对磁盘的多个 I/O，也就是说，上层的 I/O 是稀疏的，下层的 I/O 是密集的。

磁盘的 I/O，顾名思义就是磁盘的输入输出。输入指的是对磁盘写入数据，输出指的是从磁盘读出数据。

衡量磁盘 I/O 性能的指标

图 1. 物理磁盘的架构以及常见磁盘类型

我们常见的磁盘类型有 ATA、SATA、FC、SCSI、SAS。这几种磁盘中，服务器常用的是 SAS 和 FC 磁盘，一些高端存储也使用 SSD 盘。每一种磁盘的性能是不一样的。

我们在测试工作中，衡量磁盘 I/O 性能主要参考 IOPS 和吞吐量两个参数。下面，将介绍一下这两个参数的含义。

IOPS 与吞吐量的概念

磁盘的 IOPS，也就是在一秒内，磁盘进行多少次 I/O 读写。

磁盘的吞吐量，也就是每秒磁盘 I/O 的流量，即磁盘写入加上读出的数据的大小。

IOPS 与吞吐量的关系

每秒 I/O 吞吐量＝ IOPS* 平均 I/O SIZE。从公式可以看出： I/O SIZE 越大，IOPS 越高，那么每秒 I/O 的吞吐量就越高。因此，我们会认为 IOPS 和吞吐量的数值越高越好。实际上，对于一个磁盘来讲，这两个参数均有其最大值，而且这两个参数也存在着一定的关系。

下图为各种磁盘的 IOPS 极限值。

表 1. 常见磁盘类型及其 IOPS

注：上表源自维基百科 http://en.wikipedia.org/wiki/IOPS

在 AIX 中，对于同一个磁盘（或者 LUN），随着每次 I/O 读写数据的大小不通，IOPS 的数值也不是固定不变的。例如，每次 I/O 写入或者读出的都是连续的大数据块，此时 IOPS 相对会低一些；在不频繁换道的情况下，每次写入或者读出的数据块小，相对来讲 IOPS 就会高一些。

I/O 读写的类型

大体上讲，I/O 的类型可以分为：读 / 写 I/O、大 / 小块 I/O、连续 / 随机 I/O, 顺序 / 并发 I/O。在这几种类型中，我们主要讨论一下：大 / 小块 I/O、连续 / 随机 I/O, 顺序 / 并发 I/O。

大 / 小块 I/O

这个数值指的是控制器指令中给出的连续读出扇区数目的多少。如果数目较多，如 64，128 等，我们可以认为是大块 I/O；反之，如果很小，比如 4，8，我们就会认为是小块 I/O，实际上，在大块和小块 I/O 之间，没有明确的界限。

连续 / 随机 I/O

连续 I/O 指的是本次 I/O 给出的初始扇区地址和上一次 I/O 的结束扇区地址是完全连续或者相隔不多的。反之，如果相差很大，则算作一次随机 I/O

连续 I/O 比随机 I/O 效率高的原因是：在做连续 I/O 的时候，磁头几乎不用换道，或者换道的时间很短；而对于随机 I/O，如果这个 I/O 很多的话，会导致磁头不停地换道，造成效率的极大降低。

顺序 / 并发 I/O

从概念上讲，并发 I/O 就是指向一块磁盘发出一条 I/O 指令后，不必等待它回应，接着向另外一块磁盘发 I/O 指令。对于具有条带性的 RAID（LUN），对其进行的 I/O 操作是并发的，例如：raid 0+1(1+0),raid5 等。反之则为顺序 I/O。

磁盘 I/O 性能的监控

监控磁盘的 I/O 性能，我们可以使用 AIX 的系统命令，例如：sar -d, iostat, topas, nmon 等。下面，我将以 nmon 和 topas 为例，讲述在系统中如何观察磁盘 I/O 的性能。

topas

在上图中，TPS 即为磁盘的 IOPS，KBPS 即为磁盘每秒的吞吐量。由于服务器处于空闲的状态，我们可以看到 IOPS，KBPS 的数据都非常低。

我们使用 dd if 命令向磁盘 hdisk2 发读 I/O，block 大小为 1MB：

利用 topas 进行监控：

此时，hdisk2 的吞吐量为 163.9M，IOPS 为 655。

我们再启动一个 dd if，使 hdisk 的 busy 数值达到 100%：

从上图可以看出，在磁盘 busy 达到 100% 的时候，其吞吐量为 304.1M，IOPS 为 1200。

hdisk2 是本地集成的 SAS 盘，我们可以查出本地集成 SAS 通道的带宽为 3Gb：

对于 3Gb 的 SAS 通道，304.1M 的磁盘吞吐量已经接近其 I/O 带宽的峰值了。

需要指出的是，使用 dd if 测量磁盘的带宽是可行的，但是由此来确定业务 I/O 的 IOPS 和吞吐量是不科学的。因为，dd if 所发起的读写仅为顺序 I/O 读写，在 OLTP 的业务中，这种读写是不常见的，而是随机小 I/O 比较多，因此，测量业务的磁盘 I/O 性能，需要在运行业务的时候进行监控。

nmon

在系统中输入 nmon，按 d，可以得到如下界面 :

可以得到此时磁盘 hdisk2 吞吐量为 318M。

使用 nmon 收集一个时间段的数据，然后使用 nmon analyzer 进行分析，可以得出更为直接的图表：

将收集好的 nmon 文件使用 nmon analyzer 进行分析，得出如下报表：

图 2.nmon 图表显示磁盘性能

磁盘 I/O 性能调优

确认磁盘 I/O 存在性能问题

对于随机负载，当遇到余下情况时，我们那通常认为存在 I/O 性能问题：

平均读时间大于 15ms
在具有写 cache 的条件下，平均写时间大于 2.5ms

对于顺序负载，当遇到余下情况时，我们那通常认为存在 I/O 性能问题：

在一个磁盘上有两个连续的 I/O 流
吞吐量不足（即远远小于磁盘 I/O 带宽）

对于一块磁盘来讲，随着 IOPS 数量的增加，I/O service 也会增加，并且会有一个饱和点，即 IOPS 达到某个点以后，IOPS 再增加将会引起 I/O service time 的显著增加。

图 3. 磁盘 IOPS 与 IO service time 关系图

从经验上讲，我们在测试工作中，我们主要关注 IOPS 和吞吐量以及磁盘的 busy% 这三个数值。如果 IOPS 和吞吐量均很低，磁盘的 busy% 也很低，我们会认为磁盘压力过小，造成吞吐量和 IOPS 过低；只有在 IOPS 和吞吐量均很低，磁盘的 busy% 很高（接近 100%）的时候，我们才会从磁盘 I/O 方面分析 I/O 性能。

通过调整 AIX 参数改善磁盘 I/O 性能

在 AIX 系统中，有关磁盘 I/O 性能相关的参数我们主要调整的参数如下图：

图 4.AIX 常见的磁盘 I/O 性能参数

需要注意的是，下面几个参数的调整值，只是经验数值；对于不同的应用，不同的场景，应具体情况具体分析。

调整I/O 队列长度

queue_depth 是 AIX 一次可以传送到磁盘设备的命令的数量，把命令放在队列中再传送给磁盘可以提高 I/O 性能。AIX 中定义的每个磁盘在 ODM 库中都有 queue_depth 属性。这个属性限制了 AIX 可以传送到设备的最大命令的数量。

queue_depth 默认数值为 4

将 hdisk2 的队列长度从 16 调整为 64：

max_transfer 参数

这个参数的含义是，存储 driver 可以向存储发的最大的 I/O。通过增加 max_transfer 的数值，我们可以允许 VG 的 LTG 的数值更大。

这个参数我们可以从 64M 调整到 128M。

光纤卡num_cmd_elems参数

如果是通过光纤卡连接的外置存储，可以考虑调整 num_cmd_elems，这个参数的作用是：controls maximum number of in-flight Ios

这个参数的默认值为 500，我们将其修改为 1000:

光纤卡 max_xfer_size 参数 : attribute also controls a DMA memory area used to hold data for transfer, and at the default is 16 MB. 这个参数是控制 DMA 区域的，用于保持传输的数据的的区域，它的默认值是 16MB，可以把这个数值调整成 128MB，这样光纤卡的带宽会高一些 .

FSCSI 设备

对于 FSCSI 设备而言，我们可以通过设置参数：dyntrk 和 fc_err_recov 来达到路径快速切换的目的：This sets the adapters to fast fail over and reduces the amount of time required to select a new data path.

修改完毕以后，荣如下命令进行确认：

总结

在 AIX 下调整磁盘 I/O 性能是一个相对复杂的工作，参数的数值往往是根据环境的变化而不通。这就要求我们在熟悉磁盘 I/O 性能架构的基础上，灵活调整。

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