Storage IOPS 的難題

所謂輕度使用者，通常就是利用桌面環境處理日常工作所需，例如E-Mail（如Outlook、Notes）、Office（如Word和Excel）、Web Browser等等，簡單來說，就是一般文書處理的工作。

而重度使用者除了以上所述的一般文書處理工作外，還要同時處理大型簡報檔案、美術圖檔、3D圖檔等等工作。

在一般情況下，使用者在大部分90%的工作負載都會是磁碟I/O的「讀取（Read）」（當然仍有例外）。

舉例來說，NTFS檔案系統一般資料分配大小為4KB（Allocation Size）以及64KB（Block Size）的資料區塊大小，而Windows 7作業系統資料讀寫作業，一般使用1MB的資料區塊大小進行，因此以表1中重度使用者的磁碟讀寫I/O值為7MB/Sec，並且以64KB資料區塊大小來 計算，運作20台Windows 7作業系統的虛擬桌面環境大約需要112 IOPS。

表1 輕度使用者與重度使用者比較

若是非一般環境的重度使用者，則通常會預估資料讀取部分為40%，而資料寫入部分為60%來進行估算（表2），甚至在某些極重度使用者的環境中，資料寫入部分可能高達80090%。

表2 重度使用者資料讀取與寫入比例

如果覺得這樣的統計數據太過兩極化，那麼可以將使用者環境等級再區分得更細緻一點，例如有些虛擬桌面可能配置了1顆虛擬處理器（1 vCPU）與1GB的虛擬記憶體，因此只要執行些許的應用程式便可以完成日常工作所需。但有些使用者可能就需要更多的虛擬資源，如2顆虛擬CPU及3GB 的虛擬記憶體，才得以完成工作。

Q 3：如何估算儲存設備的IOPS效能數值？

儲存設備在虛擬桌面環境中擔任非常重要的角色，所以在選購儲存設備時必須了解所選擇的儲存設備（NAS或SAN）之資料讀寫效能如何，也就是IOPS（I/O operations Per Second）數值，硬碟的IOPS計算公式如下（圖2）：

▲ 圖2 硬碟IOPS計算公式。（圖片來源： VMware White Paper – Storage Considerations for VMware Horizon View 5.2）

但是，在選擇儲存設備時往往常常會令人陷入兩難的局面，也就是如何在「效能（Performance）及容量（Capacity）」間進行取捨？

舉例來說，7,200 RPM SATA3（Serial ATA）的主流硬碟在容量上已經可達到3-4TB空間大小，並且售價通常也令人感到滿意，但在效能表現方面，亦即IOPS數值，則大約落在75左右。而 15,000 RPM SAS（Serial Attached SCSI）主流硬碟容量為3000-900GB，雖然採購費用是SATA硬碟的好幾倍，並且空間也小很多，但是其IOPS效能數值大約可達175左右。

如果採用的是SSD（Solid-State Disk）固態硬碟，它並不像傳統硬碟需要磁盤、讀寫頭等等零件，並使用Flash Memory如EEPROM（Electronically Erasable Programmable Read Only Memory）進行資料的讀寫，其中又可區分為SLC Flash（Single Level Cell）和MLC Flash（Multi Level Cell）兩種等級，SLC Flash儲存One Bit到每個Cell內，MLC Flash則儲存Multiple Bits於每個Cell中。所以，SLC Flash相較於MLC Flash大約多出「10倍」的資料寫入能力（當然價格也貴上許多）。

有此可見，選擇儲存設備時，如何在效能與容量之間取得平衡點相當重要。表5為目前市面上常見的硬碟其IOPS效能表現。

表5 市面上常見的硬碟種類及其IOPS效能表現

除了硬碟的類型及轉速影響IOPS效能數值外，還有磁碟陣列（Redundant Array of Independent Disks，RAID）的「處罰（Penalty）」和「快取（Cache）」部分需要考量，因為不同類型的磁碟陣列RAID模式，會影響到整體IOPS 效能數值。舉例來說，建立RAID-5、RAID-6磁碟陣列類型時，因為要進行「同位元檢查（Parity Checking）」，所以雖然整體容量空間損失較少，但所帶來的影響則是在IOPS Write I/O Penalty部分較多，如表6所示。

表6 各種磁碟陣列IOPS Write I/O Penalty比較

RAID處罰會加重PC的IOPS使用 (需求) , 只針對寫入方便 , 不是好事
在大致了解硬碟種類及轉速所帶來的IOPS效能數值，以及選擇RAID磁碟陣列類型所帶來的資料寫入效能處罰之後，就可以估算出選擇儲存設備後所能得到的IOPS效能數值（圖3）。

▲ 圖3 儲存設備IOPS效能數值估算公式。（資料來源：VMware White Paper – Storage Considerations for VMware Horizon View 5.2）

如果有「一台」VM虛擬主機的工作負載為25 IOPS，並且資料的讀取及寫入比例為40/60，而儲存設備的RAID磁碟陣列採用RAID-5，那麼即表示後端的儲存設備要負載這樣的一台VM虛擬主 機時，必須具備「(25×0.4 + ((25×0.6)×4) = 70 IOPS」才行。

同樣的條件下，如果屆時這台儲存設備所要負載的VM虛擬主機是「500台」，那麼後端的儲存設備必須具備「(( 12,500×0.4) + ((12,500×0.6)×4)) = 35,000 IOPS」才行。

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RAID的IOPS計算在現實中的應用

在實際使用中，我們通常不是計算現有RAID的IOPS，而是反過來：選擇好磁盤規格，RAID模式，測試出系統的讀寫比例，系統需要達到的IOPS，然後看看，需要多少塊硬盤來完成陣列，才能達到這样的IOPS需求？

假設：選擇了175 IOPS的磁盤，做RAID1，系統讀寫比例为60%:40%，系統需要達到2000 IOPS

問：要配置多少塊這样規格的硬盤？

把上面的公式改为通用公式：

reads * Workload_IOPS  + writes_impact * (writes * Workload_IOPS) = 175 * M

60% * 2000 + 2 * (40% * 2000) = 175 * M

M = 16 (也就是說，要達到指定的2000 IOPS，RAID1需要配置16塊175 IOPS的磁盤)

可能有人會覺得，系統的讀寫請求比例，系統需要達到多少IOPS，並不知道，如果沒有前期測試的話，那麼只能根據經驗來估測了。

 用Synology RS3412 搭 WD 紅標 7.2K 10顆

要給50個VDI使用

NAS供給IOPS為 75 * 10 = 750 IOPS (最高)

50VDI需求為 (15×0.6 + ((15×0.4)×4) * 50 = 1,650 IOPS

0.6 * 1650 + 4 * ( 0.4 * 1650) = 990+2640=3630

3630 / 75   = 48.4 顆 7.2K硬碟

3630 / 125  = 29  顆 10K硬碟

3630 / 175  = 20  顆 15K硬碟

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