Linux系统对存储设备性能的调优方法
嵌入式技术
描述
写在前面
博文内容涉及，IO调度器，以及IO负载工具 fio 介绍，磁盘整列，IO 分析工具简单介绍
理解不足小伙伴帮忙指正
对每个人而言，真正的职责只有一个：找到自我。然后在心中坚守其一生，全心全意，永不停息。所有其它的路都是不完整的，是人的逃避方式，是对大众理想的懦弱回归，是随波逐流，是对内心的恐惧 ——赫尔曼·黑塞《德米安》
固态硬盘正逐步取代磁盘成为存储的标准解决方案，传统磁盘的转速、寻道时间、延迟、机械故障等特点，在新的固态硬盘中已经不复存在。固态硬盘的访问时间在真个设备中是统一的，因此碎片和磁道的优化也不再需要，固态硬盘大小更小、更轻、更节能。
但是固态硬盘也有局限性，比如成本较高。固态硬盘的写入次数有限。
很多传统硬盘的优化不再适用于固态硬盘，红帽不建议在固态硬盘设备使用日志，因为固态磨损增加，并且不必要的双重写入会导致速度缓慢。
选择合适的IO 调度器
在这里插入图片描述
RHEL8开始使用新的多队列I/O调度器来替代之前的单队列调度器。
┌──[root@liruilongs.github.io]-[~] └─$cat /sys/block/nvme0n1/queue/scheduler [none] mq-deadline kyber bfq ┌──[root@liruilongs.github.io]-[~] └─$cat /sys/block/sr0/queue/scheduler none [mq-deadline] kyber bfq ┌──[root@liruilongs.github.io]-[~] └─$
调度器分类：
Noop/none
Noop(none是多队列版本的Noop) 调度算法是 Linux 内核中最简单的 IO 调度算法之一。它也被称为电梯调度算法。Noop 调度算法将 IO 请求放入一个 FIFO（先进先出）队列中，并按顺序执行这些 IO 请求。对于一些在磁盘上连续的 IO 请求，Noop 算法会适当地进行一些合并操作。这个调度算法特别适用于那些不希望调度器重新组织 IO 请求顺序的应用程序。
Noop 调度算法的应用案例包括：
底层设备比内核调度器更优秀：当底层设备（如 RAID、SAN、NAS 设备）具有自己的高效调度算法时，使用 Noop 算法可以避免重复的调度开销。
上层应用比内核调度器更优秀：某些应用程序可能已经实现了自己的 IO 调度逻辑，使用 Noop 算法可以避免与内核调度器的冲突。
非旋转磁头的设备：对于不需要磁头寻道的设备（如 SSD），内核调度器的重新组织 IO 请求可能会浪费 CPU 时间，而 Noop 算法可以节省这些开销
Deadline/mq-deadline
Deadline 调度算法旨在确保每个 IO 请求在一定的时间内得到服务，以避免某个请求饥饿。每个请求都被赋予一个期限值，读请求的默认期限是 500 毫秒，写请求的默认期限是 5 秒。该算法适用于需要保证 IO 响应时间的应用场景。
Deadline应用：一些多线程和数据库的应用适合Deadline算法（业务压力重，功能单一的场景）
deadline是单队列，mq（multi-queue）是多队列，核心算法是一样的
CFQ（Completely Fair Queuing）
CFQ 是 Linux 内核默认的 IO 调度算法，它尝试为所有需要 IO 的进程分配请求队列和时间片。每个进程根据其 IO 优先级获得时间片，并在时间片内发送其读写请求给底层块设备。此算法旨在提供公平的 IO 资源分配，适用于多任务环境。
每个进程的时间片和每个进程的队列长度取决于进程的IO优先级，每个进程都会有一个IO优先级。通过ionice可以显示或修改进程的IO优先级！
┌──[root@liruilongs.github.io]-[~] └─$man ionice
BFQ（Budget Fair Queueing）
BFQ 算法将以扇区数为单位的预算分配给每个进程，而不是固定的时间片。它旨在提供更精确的 IO 资源分配，避免某些任务占用过多的 IO 资源。BFQ 算法适用于对IO 响应时间要求较高的应用场景。
Kyber
Kyber 调度算法类似于 Noop，它是一种简单的调度算法，不进行显式的调度操作。它对于一些底层设备已经具有高效调度算法的情况下，可以发挥更好的性能。
❝
注意：NVMe硬盘默认使用none I/O调度算法，你不能改变NVMe硬盘的调度算法。
使用fio工具模拟工作负载
测试存储系统需要模拟真实的工作负载。fio命令可以通过多进程和多线程模拟各种工作负载情况（实现别发读写数据），包括顺序读写，随机读写以及I/O类型。建议通过 /usr/share/doc/fio/HOWTO来学习fio如何使用。
┌──[root@liruilongs.github.io]-[~] └─$dnf provides fio Last metadata expiration check: 3:13:00 ago on Mon Feb 5 04:06:51 2024. fio-3.35-1.el9.x86_64 : Multithreaded IO generation tool Repo : appstream Matched from: Provide : fio = 3.35-1.el9 ┌──[root@liruilongs.github.io]-[~] └─$dnf -y install fio
┌──[root@liruilongs.github.io]-[~]
└─$rpm -ql fio | grep HOWTO
/usr/share/doc/fio/HOWTO.rst
┌──[root@liruilongs.github.io]-[~]
└─$cat $(!!) | grep -i -A 5 "Example output"
cat $(rpm -ql fio | grep HOWTO) | grep -i -A 5 "Example output"
Example output was based on the following:
TZ=UTC fio --iodepth=8 --ioengine=null --size=100M --time_based
--rate=1256k --bs=14K --name=quick --runtime=1s --name=mixed
--runtime=2m --rw=rw
Fio spits out a lot of output. While running, fio will display the status of the
--
Example output was based on the following:
TZ=UTC fio --iodepth=8 --ioengine=null --size=100M --runtime=58m
--time_based --rate=2512k --bs=256K --numjobs=10
--name=readers --rw=read --name=writers --rw=write
Fio will condense the thread string as not to take up more space on the command
--
Example output was based on the following:
TZ=UTC fio --iodepth=16 --ioengine=posixaio --filename=/tmp/fiofile
--direct=1 --size=100M --time_based --runtime=50s --rate_iops=89
--bs=7K --name=Client1 --rw=write
When fio is done (or interrupted by :kbd:`Ctrl-C`), it will show the data for
--
Example output was based on the following:
TZ=UTC fio --ioengine=null --iodepth=2 --size=100M --numjobs=2
--rate_process=poisson --io_limit=32M --name=read --bs=128k
--rate=11M --name=write --rw=write --bs=2k --rate=700k
After each client has been listed, the group statistics are printed. They
┌──[root@liruilongs.github.io]-[~]
└─$
下面的命令执行随机写操作，将512M数据写入一个指定的文件中，写操作是不使用缓存，采用直接写入硬盘的方式，同时进行2个相同的操作(2个进程或线程）。
┌──[root@liruilongs.github.io]-[~]
└─$fio --name=randwrite --ioengine=libaio --iodepth=1 --rw=randwrite --bs=4K --direct=1 --size=512M --numjobs=2 --group_reporting --filename=/tmp/testfile
randwrite: (g=0): rw=randwrite, bs=(R) 4096B-4096B, (W) 4096B-4096B, (T) 4096B-4096B, ioengine=libaio, iodepth=1
...
fio-3.35
Starting 2 processes
Jobs: 2 (f=2): [w(2)][95.7%][w=41.9MiB/s][w=10.7k IOPS][eta 00m:01s]
randwrite: (groupid=0, jobs=2): err= 0: pid=20196: Mon Feb 5 07:28:25 2024
write: IOPS=11.5k, BW=44.9MiB/s (47.1MB/s)(1024MiB/22803msec); 0 zone resets
slat (usec): min=12, max=3836, avg=23.81, stdev=27.13
clat (nsec): min=1709, max=6549.7k, avg=148047.50, stdev=154937.29
lat (usec): min=69, max=6587, avg=171.85, stdev=164.42
clat percentiles (usec):
| 1.00th=[ 80], 5.00th=[ 84], 10.00th=[ 86], 20.00th=[ 90],
| 30.00th=[ 94], 40.00th=[ 99], 50.00th=[ 106], 60.00th=[ 117],
| 70.00th=[ 131], 80.00th=[ 153], 90.00th=[ 221], 95.00th=[ 318],
| 99.00th=[ 898], 99.50th=[ 1123], 99.90th=[ 1696], 99.95th=[ 2008],
| 99.99th=[ 3097]
bw ( KiB/s): min=18528, max=64600, per=99.77%, avg=45878.96, stdev=6563.89, samples=90
iops : min= 4632, max=16150, avg=11469.69, stdev=1641.01, samples=90
lat (usec) : 2=0.01%, 4=0.06%, 10=0.02%, 20=0.01%, 50=0.02%
lat (usec) : 100=42.05%, 250=49.94%, 500=4.86%, 750=1.42%, 1000=0.92%
lat (msec) : 2=0.64%, 4=0.05%, 10=0.01%
cpu : usr=2.16%, sys=9.33%, ctx=270388, majf=0, minf=26
IO depths : 1=100.0%, 2=0.0%, 4=0.0%, 8=0.0%, 16=0.0%, 32=0.0%, >=64=0.0%
submit : 0=0.0%, 4=100.0%, 8=0.0%, 16=0.0%, 32=0.0%, 64=0.0%, >=64=0.0%
complete : 0=0.0%, 4=100.0%, 8=0.0%, 16=0.0%, 32=0.0%, 64=0.0%, >=64=0.0%
issued rwts: total=0,262144,0,0 short=0,0,0,0 dropped=0,0,0,0
latency : target=0, window=0, percentile=100.00%, depth=1
Run status group 0 (all jobs):
WRITE: bw=44.9MiB/s (47.1MB/s), 44.9MiB/s-44.9MiB/s (47.1MB/s-47.1MB/s), io=1024MiB (1074MB), run=22803-22803msec
Disk stats (read/write):
dm-0: ios=0/259699, merge=0/0, ticks=0/38126, in_queue=38126, util=99.67%, aggrios=0/262144, aggrmerge=0/0, aggrticks=0/40150, aggrin_queue=40150, aggrutil=99.56%
nvme0n1: ios=0/262144, merge=0/0, ticks=0/40150, in_queue=40150, util=99.56%
┌──[root@liruilongs.github.io]-[~]
└─$
randwrite：测试名称。
rw=randwrite：读写模式为随机写入。
bs=(R) 4096B-4096B, (W) 4096B-4096B, (T) 4096B-4096B：读取和写入的块大小都是 4096 字节。
ioengine=libaio：使用 libaio 作为 I/O 引擎。
iodepth=1：I/O 深度为 1。
write: IOPS=11.5k, BW=44.9MiB/s：写入操作的 IOPS（每秒输入/输出操作数）为 11,500，带宽为 44.9 MiB/s（兆字节/秒）。
slat：写入操作的起始时间统计。
clat：写入操作的完成时间统计。
lat：写入操作的总体响应时间统计。
bw：写入操作的带宽统计。
iops：写入操作的 IOPS 统计。
cpu：CPU 使用情况统计。
IO depths：不同 I/O 深度的统计。
Run status group 0 (all jobs)：运行状态的总结信息。
WRITE: bw=44.9MiB/s (47.1MB/s), 44.9MiB/s-44.9MiB/s (47.1MB/s-47.1MB/s), io=1024MiB (1074MB), run=22803-22803msec：写入操作的带宽和持续时间统计。
Disk stats (read/write)：磁盘的读写统计信息。
磁盘阵列
磁盘阵列是一种虚拟化存储技术，将多个磁盘组成一个大的磁盘，利用同步写入到这些磁盘的技术，不但可以加快读写速度，而且支持数据恢复（需要有冗余数据）。
RAID会将数据打散成很多小数据块，这些数据块会被写入阵列中的不同磁盘。这些数据需要满足一个或多个策略需求：数据条带化、数据镜像化、数据校验。
数据条带化将数据划分为条带，这些条带分布在RAID阵列内的多个磁盘中。
数据镜像提供了将条带复制到至少两个不同RAID磁盘得冗余性。数据奇偶校验通过将奇偶校验添加到条带来支持数据冗余，因此与相同数据量相关的其他条带可以使用工作数据及其相关的
RAID 0：数据条带化（Striping），没有冗余。通过将数据分割成条带并在多个磁盘之间分布存储，提高了吞吐量，但没有冗余备份。适用于需要高性能和较低成本的应用，但不提供故障容错能力。
在这里插入图片描述
磁盘要求：至少需要两个磁盘。
容错能力：没有冗余，任何一个磁盘故障都会导致数据丢失。
RAID 1：数据镜像（Data Mirroring）。通过将数据复制到至少两个不同的 RAID 磁盘上，提供冗余备份。当一个磁盘故障时，仍然可以从镜像磁盘读取数据。数据冗余和读取冗余带来了更高的数据可靠性，但写入性能略有降低。
在这里插入图片描述
磁盘要求：至少需要两个磁盘。
容错能力：可以容忍一个磁盘故障，因为数据被镜像到其他磁盘上。
RAID 4：基于块的条带化，带有专用奇偶校验磁盘。类似于 RAID 0，但额外使用了一个专用的奇偶校验磁盘来存储奇偶校验信息。该奇偶校验信息用于恢复任何一个数据块，从而提供了故障容错能力。
在这里插入图片描述
磁盘要求：至少需要三个磁盘。
容错能力：可以容忍一个磁盘故障，因为有一个专用的奇偶校验磁盘。
RAID 5：基于块的条带化，带有分布式奇偶校验。类似于 RAID 4，但奇偶校验信息分布在所有磁盘上，而不是单独的奇偶校验磁盘上。这种分布式奇偶校验提供了更好的性能和容错能力。
在这里插入图片描述
磁盘要求：至少需要三个磁盘。
容错能力：可以容忍一个磁盘故障，因为奇偶校验信息分布在所有磁盘上。
RAID 6：基于块的条带化，带有双重分布式奇偶校验。类似于 RAID 5，但提供了更高的冗余度。使用两个奇偶校验计算来提供更高级别的容错能力，即使在两个磁盘故障的情况下，也能够恢复数据。
在这里插入图片描述
磁盘要求：至少需要四个磁盘。
容错能力：可以容忍两个磁盘故障，因为使用了双重分布式奇偶校验。
RAID 10：镜像的条带化。将数据分成条带并在多个磁盘上进行镜像。提供了数据冗余和高性能的组合。数据被同时写入多个磁盘，提供了冗余备份和更快的读取性能。
磁盘要求：至少需要四个磁盘。
容错能力：可以容忍多个磁盘故障，具体取决于故障发生在哪个镜像组上
创建软RAID
mdadm 是一个用于管理 Linux 软件 RAID 的工具。
//创建RAID，-l指定级别 [root@localhost ~]# mdadm -C /dev/md0 -l raid0 -n 2 /dev/vd[b-c]1 //停止使用RAID [root@localhost ~]# mdadm --stop /dev/md0 //删除RAID [root@localhost ~]# mdadm --remove /dev/md0 //将原来RAID硬盘中的数据清零 [root@localhost ~]# mdadm --zero-superblock /dev/vdb [root@localhost ~]# mdadm --zero-superblock /dev/vdc
创建好RAID之后，最好在格式化文件系统的时候，让文件系统和RAID数据分块保持一致。我们需要先了解一下这些信息：
Chunk Size（块大小）：Chunk 是 RAID 中的最小数据单元，决定了数据如何在磁盘上进行分割和存储。较小的块大小可以提供更好的性能，因为数据可以更细粒度地分布在多个磁盘上。然而，小块大小可能会增加磁盘开销和额外的存储空间。较大的块大小可以提供更高的数据传输效率，但在故障恢复时可能需要恢复更多的数据。
Number of Disks（磁盘数量）：磁盘数量决定了 RAID 中可用于存储数据的物理磁盘数量。增加磁盘数量可以提高性能和存储容量。更多的磁盘可以提供更多的并行性，从而提高数据传输速度。但同时，也意味着更多的磁盘故障可能会导致数据丢失。
Number of Parity Disks（奇偶校验磁盘数量）：奇偶校验磁盘用于存储冗余信息，以实现数据的容错能力。在 RAID 4、RAID 5 和 RAID 6 级别中，需要指定奇偶校验磁盘的数量。增加奇偶校验磁盘的数量可以提供更高的容错能力，因为更多的磁盘故障可以被容忍。然而，每个奇偶校验磁盘都会增加额外的存储开销。
对于XFS文件系统，格式化的时候可以使用su和sw选项指定RAID的chunk size和number of data disk，保持一致。
mkfs -t xfs -d su=64k,sw=4 /dev/san/lun1
对于ext4文件系统而言，我们需要掌握除了上面的信息还需要：
文件系统块大小(block size)：文件系统块大小是文件系统使用的最小数据单元。它决定了文件在存储介质上的最小分配单位。较小的块大小可以提供更好的空间利用率，但在处理大文件时可能会增加磁盘开销。较大的块大小可以提高顺序读写的性能，但可能会导致对小文件的空间浪费。
使用这些信息可以计算stride和stride-width的值
stride是一个chunk中包含多少个文件系统block。比如对于64KiB的chunk磁盘阵列，如果文件系统block大小为4KiB，则stride=16。
strip-width是一个条带中包含多少文件系统block。
❝
比如一个6块硬盘组成的RAID6，在RAID6中每个条带包含2个校验盘，所以就有6-2=4块数据盘，一个条带有4个数据盘。这一个条带包含多少个文件系统block呢？ 4（disk）* 16（stride） = 64 file system blocks per stripe。 4个硬盘代表4个chunk，每个chunk可以包含16个block，所以一个条带包含64个文件系统块。
# mkfs -t ext4 -E stride=16,stripe-width=64 /dev/san/lun1
通过逻辑卷配置RAID
RHEL8支持创建RAID级别的逻辑卷，目前支持RAID0,1,4,5,6, and 10
创建一个3G容量的RAID0级别逻辑卷，
--stripes 3: 这指定了要使用的条带数（即磁盘数量）为3。在RAID 0中，这意味着数据将被分割成3部分并分别存储在3个磁盘上。
--stripesize 4K: 这指定了每个条带的大小为4KB。这意味着每个磁盘上将存储4KB的数据块。
[root@localhost ~]# lvcreate --type raid0 -L 3G --stripes 3 --stripesize 4K -n raidlv radivg
选择IO分析工具
最简单的工具是使用top命令观察wa值
┌──[root@liruilongs.github.io]-[~] └─$top top - 10:52:58 up 10:41, 2 users, load average: 0.00, 0.00, 0.00 Tasks: 231 total, 1 running, 230 sleeping, 0 stopped, 0 zombie %Cpu0 : 0.0 us, 0.0 sy, 0.0 ni,100.0 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 0.0 si, 0.0 st %Cpu1 : 0.0 us, 25.0 sy, 0.0 ni, 75.0 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 0.0 si, 0.0 st MiB Mem : 15694.3 total, 14350.9 free, 910.1 used, 730.8 buff/cache MiB Swap: 2048.0 total, 2048.0 free, 0.0 used. 14784.3 avail Mem
iostat
使用iostat命令输出了设备I/O统计信息
┌──[root@liruilongs.github.io]-[~] └─$yum -y install sysstat
┌──[root@liruilongs.github.io]-[~]
└─$ iostat -Np
Linux 5.14.0-362.8.1.el9_3.x86_64 (liruilongs.github.io) 02/05/24 _x86_64_ (2 CPU)
avg-cpu: %user %nice %system %iowait %steal %idle
0.14 0.01 0.22 0.01 0.00 99.63
Device tps kB_read/s kB_wrtn/s kB_dscd/s kB_read kB_wrtn kB_dscd
nvme0n1 14.28 13.25 67.45 0.00 511266 2602804 0
nvme0n1p1 0.02 1.51 0.06 0.00 58182 2130 0
nvme0n1p2 14.26 11.71 67.39 0.00 451888 2600674 0
sr0 0.00 0.08 0.00 0.00 2936 0 0
rl-root 14.36 11.17 67.39 0.00 431044 2600674 0
rl-swap 0.00 0.06 0.00 0.00 2220 0 0
┌──[root@liruilongs.github.io]-[~]
└─$
iotop
iotop 监控Linux系统中的磁盘I/O使用状况,实时显示系统中各个进程对I/O的使用情况。
┌──[root@liruilongs.github.io]-[~] └─$yum -y install iotop
Total DISK READ : 0.00 B/s | Total DISK WRITE : 0.00 B/s
Actual DISK READ: 0.00 B/s | Actual DISK WRITE: 0.00 B/s
TID PRIO USER DISK READ DISK WRITE> COMMAND 1 be/4 root 0.00 B/s 0.00 B/s systemd --switched-root --system --deserialize 31
2 be/4 root 0.00 B/s 0.00 B/s [kthreadd]
3 be/0 root 0.00 B/s 0.00 B/s [rcu_gp]
4 be/0 root 0.00 B/s 0.00 B/s [rcu_par_gp]
5 be/0 root 0.00 B/s 0.00 B/s [slub_flushwq]
6 be/0 root 0.00 B/s 0.00 B/s [netns]
8 be/0 root 0.00 B/s 0.00 B/s [kworker/0:0H-events_highpri]
...................................
-o(--only)仅显示当前执行I/O操作的进程和线程信息
-P(--processes)显示进程信息
-a显示启动iotop命令开始的总的I/O数据信息
Blktrace
Blktrace是一个针对Linux内核中Block IO的跟踪工具，它能够记录I/O所经历的各个步骤，并从中分析是IO Scheduler慢还是硬件响应慢。这个工具可以在运行时捕获和记录块设备上的I/O操作，并提供详细的I/O请求队列信息，包括读写进程名、进程号、执行时间、读写物理块号、块大小等。
yum -y install blktrace
开始采集
┌──[root@liruilongs.github.io]-[~] └─$ blktrace -d /dev/mapper/rl-root -o disk.log User defined signal 1
结束
┌──[root@liruilongs.github.io]-[~] └─$killall -SIGUSR1 blktrace
模拟测试
┌──[root@liruilongs.github.io]-[~] └─$fio --name=randwrite --ioengine=libaio --iodepth=1 --rw=randwrite --bs=4K --direct=1 --size=512M --numjobs=5 --group_reporting --filename=/tmp/testfile randwrite: (g=0): rw=randwrite, bs=(R) 4096B-4096B, (W) 4096B-4096B, (T) 4096B-4096B, ioengine=libaio, iodepth=1
┌──[root@liruilongs.github.io]-[~]
└─$btt -i disk.log.blktrace.0
==================== All Devices ====================
ALL MIN AVG MAX N
--------------- ------------- ------------- ------------- -----------
Q2Qdm 0.000001070 0.000257360 17.654174647 655292
Q2Cdm 0.000054524 0.000268875 0.089907542 655281
==================== Device Overhead ====================
DEV | Q2G G2I Q2M I2D D2C
---------- | --------- --------- --------- --------- ---------
==================== Device Merge Information ====================
DEV | #Q #D Ratio | BLKmin BLKavg BLKmax Total
---------- | -------- -------- ------- | -------- -------- -------- --------
==================== Device Q2Q Seek Information ====================
DEV | NSEEKS MEAN MEDIAN | MODE
---------- | --------------- --------------- --------------- | ---------------
(253, 0) | 655293 362399.7 0 | 0(1798)
---------- | --------------- --------------- --------------- | ---------------
Overall | NSEEKS MEAN MEDIAN | MODE
Average | 655293 362399.7 0 | 0(1798)
......................................
pcp-system-tools
pcp-system-tools是一个用于监控系统性能的工具包，它提供了多种用于监控系统资源使用情况的工具。这个工具包与pcp（Performance Co-Pilot）框架一起使用，可以提供全面的系统性能监控解决方案。
在这里插入图片描述
atop提供了对系统资源使用情况的全面视图，包括CPU、内存、磁盘I/O、网络等。它还提供了各种性能指标的实时和历史数据，以及对系统进程和资源的详细信息。
ATOP - liruilongs 2024/02/05 11:17:45 ----------------- 11h6m20s elapsedPRC | sys 0.04s | user 0.01s | #proc 243 | #trun 1 | #tslpi 142 | #tslpu 100 | #zombie 0 | clones 1 | | #exit 0 |CPU | sys 0% | user 0% | irq 0% | | idle 199% | wait 0% | steal 0% | guest 0% | | curf 2.42GHz |cpu | sys 0% | user 0% | irq 0% | | idle 99% | cpu001 w 0% | steal 0% | guest 0% | | |
cpu | sys 0% | user 0% | irq 0% | | idle 100% | cpu000 w 0% | steal 0% | guest 0% | | |
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21803 0.00s 0.00s 0.00s 0.00s 0B 0B 0B
审核编辑：黄飞
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