XFS为例讨论NVMe SSD测试注意事项

之前一篇《测给你看！异步I/O模式下NVMe SSD性能有多高》文章，介绍了同步I/O和异步I/O模式下NVMe SSD性能的差异，更高性能的存储设备也需要更高的压力才能显示其性能优势。在真实的企业系统中，NVMe SSD更多见于经由文件系统被应用使用。相较于裸盘性能的测试，文件系统环境中的NVMe SSD测试更为复杂，也更有价值，本文也将对NVMe SSD在文件系统场景中测试需要注意的问题进行解读。

服务器：浪潮 NF5280M5CPU：Intel(R) Xeon(R) Gold 5115操作系统：CentOS 7.4测试工具：FIO 3.13被测NVMe SSD产品：PBlaze5 C916 NVMe SSD（3.2T）文件系统：xfs

在测试之前我们会将被测的PBlaze5 NVMe SSD格式化为xfs文件系统。测试工具使用了fio，因此解读也与fio的测试流程和结果保持一致。测试内容包含128K顺序读写负载下的吞吐量和4k随机读写负载下的IOPS，最常见的测试场景也最容易说明问题。

在测试之前我们会将被测的PBlaze5 NVMe SSD格式化为xfs文件系统。测试工具使用了fio，因此解读也与fio的测试流程和结果保持一致。测试内容包含128K顺序读写负载下的吞吐量和4k随机读写负载下的IOPS，最常见的测试场景也最容易说明问题。

128K顺序读/写测试

首先使用fio执行一个128k顺序读命令。

fio -name=test -thread -ioengine=libaio -direct=1 -directory=/nvme0n1 -rw=read -bs=128K -numjobs=1 -iodepth=256 -size=3200G  -group_reporting

命令开始执行就可以看到测试文件写盘（Laying out IO file）的状态。文件写完成之后才会开始正式的读测试，并记录结果，这与写测试的流程不一样，下文会提到。接下来进行顺序写预处理。

fio -name=test -thread -ioengine=libaio -direct=1 -directory=/nvme0n1 -rw=write -bs=128K -numjobs=1 -iodepth=256 -runtime=10800 -time_based -size=3200G  -group_reporting

全盘顺序写三个小时。

Attention
预处理很重要。经过长时间的擦写，NVMe SSD的GC等功能会被触发，这时也更接近于盘在生产环境中的真实性能，测试过程中一定要保证NVMe SSD被写满的状态否则会造成性能偏高的现象，预处理的作用也在于此在刚才顺序预处理中完成Laying out IO file过程便可以看作对盘的预处理。至此执行的两条命令都会对NVMe SSD进行大规模的写，预处理工作也随之完成。

接下来是正式的128K顺序读/写性能测试。首先是顺序读测试：

fio -name=test -thread -ioengine=libaio -direct=1 -directory=/nvme0n1 -rw=read -bs=128K -numjobs=1 -iodepth=256 -runtime=600 -time_based -size=3200G  -group_reporting

完成读测试之后就是顺序写测试：

fio -name=test -thread -ioengine=libaio -direct=1 -directory=/nvme0n1 -rw=write -bs=128K -numjobs=1 -iodepth=256 -runtime=600 -time_based -size=3200G  -group_reporting

从结果来看xfs对读带宽造成的影响大于对写带宽的影响。在此还需要强调下fio读和写性能测量的差异，在此我们运行了两次fio，如下图：

fio读测试

fio写测试
执行fio语句开始文件系统测试时会看到Laying out IO file过程，过程中会创建测试文件进行文件系统元数据分配。在进行读测试中Laying out IO file过程的性能表现是不会合入整体性能测试结果的，但是写测试中Laying out过程会合入整体性能测试结果，此时SSD的性能是一边Laying out，一边写数据的性能，会与稳态下的写性能有差异，所以还是推荐通过预处理的方式让盘达到稳态进行测试。

4K随机读/写测试

随机读写测试仍然首先使用fio创建测试文件完成文件系统布局：

fio -name=test -thread -ioengine=libaio -direct=1 -directory=/nvme0n1 -rw=randread -bs=4K -numjobs=8 -iodepth=64 -size=400G  -group_reporting -norandommap=1

随机写预处理：

fio -name=test -thread -ioengine=libaio -direct=1 -directory=/nvme0n1 -rw=randwrite -bs=4K -numjobs=8 -iodepth=64 -runtime=10800 -ramp_time=120 -time_based -size=400G  -group_reporting -norandommap=1

Attenion
随机读写测试中建议使用directory指定测试目录。因为使用directory时会根据fio设置的测试线程数量创建相应个数的测试文件。如果使用namefile指定测试文件只会创建一个测试文件不能完全发挥出NVMe SSD的性能。

接下来进行4K随机读IOPS性能测试：

fio -name=test -thread -ioengine=libaio -direct=1 -directory=/nvme0n1 -rw=randread -bs=4K -numjobs=8 -iodepth=64 -size=400G  -group_reporting -norandommap=1

随机写测试：

fio -name=test -thread -ioengine=libaio -direct=1 -directory=/nvme0n1 -rw=write -bs=128K -numjobs=1 -iodepth=256 -runtime=10800 -time_based -size=3200G  -group_reporting

4K随机读/写也达到了超过85万和20万IOPS的性能。

综合来看，xfs文件系统会对NVMe SSD的性能造成一定的影响，而多样的应用则使得NVMe SSD的读写负载更加复杂，所以很难精准评估NVMe SSD在所有应用场景中的性能。本文采用稳态下fio性能测试获取的是NVMe SSD一个具有代表性的性能指标。这样的结果符合NVMe SSD在数据中心中长期运行时的性能状态，只是在实际应用中，还需要视具体场景分析瓶颈所在，才能找到优化的方法。