基础知识简介¶

本文初稿已完成，但可能仍需大幅度修改

服务器需要使用的存储方案与个人计算机的差异较大，例如：

服务器提供了大量的盘位，不同服务器的盘位使用的接口、磁盘的尺寸可能不同。
服务器一般提供 RAID 卡，可以在硬件层面实现 RAID 功能，大部分 RAID 卡也允许管理员设置直通到操作系统中，由操作系统实现 RAID 功能。
根据工作负载的不同，可能需要考虑不同文件系统的差异，并且选择合适的文件系统。
由于磁盘数量多，磁盘故障的概率也会增加，因此需要能够及时发现故障，并采取相应的措施。
…………

本部分会对运维需要了解的基础知识进行介绍。

术语¶

所有的数据最终都存在一块或多块物理磁盘上。在数十年前，软盘和光盘等也是常见的存储介质，但是现在已经很少见了。磁盘向操作系统提供了块设备的抽象，块设备是一种具有固定大小，可以以“扇区”为单位进行随机读写的设备。
现代的磁盘支持分区，通过在磁盘上划分出互不重叠的区域，可以将磁盘的容量划分为多个小块，用于不同的用途。
文件系统是一种用于磁盘上的数据结构，它提供了文件和目录的概念，以及对文件的读写、删除等操作。一个分区上只能有一个文件系统，但一个文件系统可以跨越多个分区。
卷泛指一个文件系统及其底层的存储区域，它可以是一个分区，也可以是多个分区的组合。例如，LVM 等逻辑卷管理方案将磁盘分区再次组合起来，成为一个额外的抽象层次。为了与逻辑卷区分，有时候也会将直接存在于一个磁盘分区上的文件系统称为物理卷。这两种概念在使用上没有区别，仅在探讨计算机存储方案时方便指代。

特别地，对于一些不支持分区的古董设备（软盘），卷也可以指整个设备和其中的文件系统。

Windows 会将所有的文件系统都称作“卷”。

磁盘¶

磁盘类型简介¶

在服务器上最常见的为机械硬盘（HDD）和固态硬盘（SSD）。机械硬盘使用磁盘片和机械臂进行数据读写，固态硬盘使用闪存芯片进行数据读写。除此以外，还可能有一些特殊的存储设备，例如磁带、Intel Optane 等，这里不做详细介绍。

一般来讲，单块机械硬盘的性能取决于 RPM（转速）。在估算时可以认为顺序读写带宽在 100 MB/s 左右，4K 随机读写带宽在 1 MB/s 左右，IOPS¹ 在 100 左右。而单块固态硬盘的顺序读写带宽在 500 MB/s (SATA) 或 1500 MB/s (NVMe) 以上，4K 随机读写带宽在 50 MB/s 左右，IOPS 在 10000 左右。对于企业级硬盘，这些性能指标可能会更高。

硬盘的使用寿命的一项重要参数是 MTBF（Mean Time Between Failures，平均故障间隔时间）。由于机械硬盘包含运动的部件，机械硬盘的 MTBF 一般会比固态硬盘低，大致在 10 万小时到 100 万小时。尽管看起来很长，但是由于实际使用中的振动、温度、读写次数等因素，硬盘的实际寿命可能会远远低于 MTBF。而对于 SSD 来说，一项更加重要的参数是 TBW（Total Bytes Written，总写入字节数），它表示了闪存芯片可以承受的总写入量，一般在几十到数千 TB；读取操作对 SSD 的损耗可以忽略不计。

另一项与可靠性有关的重要参数是 Non-recoverable Read Error Rate（不可恢复读错误率），它表示了硬盘在读取数据时出现错误的概率。对于机械硬盘来讲，这个值一般为 10^14 到 10^15，即平均每读取 10^14（12.5 TB）到 10^15（125 TB）位的数据中会有一位出现错误（这不代表读取了 12.5/125 TB 之后就一定会遇到一次错误）。而对于固态硬盘，一般为 10^16 到 10^17。如果在重建 RAID 时遇到不可恢复错误（也被称为 URE）并且没有额外的 parity，那么重建操作会失败——即使在最好的情况下，也会丢失部分数据。

对具体的硬盘型号，建议阅读厂商的文档（例如 datasheet 等），以获取准确的信息。

Zoned storage，与叠瓦（SMR）盘

Zoned storage 是一种新型的硬盘存储技术，它将硬盘分为多个区域，每个区域的写入方式不同，通过暴露更多的信息给 OS 使得针对性的优化得以进行，以提升硬盘的容量和性能。我们常说的「叠瓦盘」就是一种 zoned storage。叠瓦盘通过重叠磁道的方式（类似于屋顶上瓦片排列一般）来增加存储密度。其写入和固态硬盘的闪存有一些相似：需要先读取临近磁道的数据，然后擦除整个区块，再重写，会很大程度影响写入性能。因此叠瓦盘内部通常划分为多个写入区域，以减小写入性能的影响。

但是你在市面上可以买到的叠瓦盘几乎都没有暴露 zoned storage 的接口给操作系统（这些盘也被称为 Device-Managed SMR），因此在系统写入时仍会将其视为普通硬盘。这导致了叠瓦盘的性能远不及传统的非重叠磁道的硬盘。硬盘厂商可能不会标注相关信息，因此在购买硬盘时需要特别注意。

磁盘规格与尺寸¶

关于磁盘规格，在服务器安装时我们主要关心以下几点：

磁盘的尺寸（2.5 英寸、3.5 英寸）
- 部分手册会将 2.5 英寸的磁盘称为 SFF（Small Form Factor），3.5 英寸的磁盘称为 LFF（Large Form Factor）。
磁盘的接口与协议（SAS、SATA、NVMe、M.2、U.2）
是否与服务器配置兼容：
- 部分服务器会有硬盘白名单，只有白名单中的硬盘才能识别。
- 使用的硬件 RAID 方案可能会对硬盘接口有要求，例如 SATA 和 SAS 接口的硬盘不能混用。

仔细阅读并确认厂商文档

一个现实中发生过的例子是：将错误的硬盘托架安装至服务器盘位，导致托架卡住无法取出，最后费了近半个小时，甚至用上了螺丝刀作为杠杆，才将其松动，取出硬盘。

磁盘需要带上托架才能安装到服务器中。托架的主要作用是固定住磁盘，并且方便安装和取出。托架的尺寸与磁盘的尺寸有关，3.5 英寸磁盘的托架一般需要安装转接板才能安装 2.5 英寸的磁盘，但也有一些托架预留了 2.5 英寸磁盘的螺丝孔位。同时，托架也一般有 LED 灯，在磁盘故障时会亮黄灯或红灯，也一般能够使用服务器的管理工具控制灯闪烁来定位磁盘。

磁盘接口与协议¶

机械硬盘使用 SATA（Serial ATA）或 SAS（Serial Attached SCSI）接口连接，一些固态硬盘也会使用 SATA 接口。SATA 是个人计算机上最常见的硬盘连接方式，而 SAS 的接口带宽更高（虽然机械硬盘实际的传输速度通常无法跑满 SATA 的带宽），支持更多功能，并且向下兼容 SATA，因此在服务器上更常见。

SATA 与 SAS 的详细对比可参考英文 Wikipedia 中 SAS 的 "Comparison with SATA" 一节。

随着固态硬盘的普及，PCIe 接口的固态硬盘也越来越多见。PCIe 接口的固态硬盘通常使用 NVMe 协议，因此也被称为 NVMe SSD。NVMe SSD 常见的接口形态有 U.2、M.2 和 AIC（PCIe Add-in Card，即扩展卡）。

M.2 接口的尺寸最小，在个人计算机上也更常见，甚至可以放入硬盘盒中作为小巧轻便的移动硬盘使用。
- 常见的 M.2 接口有 B-key 和 M-key 两种，主流的 NVMe SSD 通常使用 M-key 接口，而 SATA SSD 通常使用 B-key 或 B+M（两个缺口）。一个 M.2 接口是否支持 NVMe 或 SATA 协议取决于主板或控制器，因此具体情况需要参考产品的说明书。
  - 作为参考，2023 年以来市面上已经见不到只支持 SATA 而不支持 NVme 的 M.2 接口了，尽管 M.2 SATA 的 SSD 仍然有卖。
- 除了接口的形状，M.2 接口的长宽也有一系列选项，例如 2230、2242、2280、22110 等，即宽度为 22 mm，长度分别为 30、42、80、110 mm 等。个人电脑一般采用 2280 的尺寸，而服务器（和一些高端台式机主板）上可能会使用 22110 的尺寸。这些尺寸不影响接口的电气特性，只是为了适应不同的空间和散热需求。
U.2 接口形状与 SAS 类似，但是不兼容 SAS（毕竟底层协议都不一样），且 2.5 英寸和 15 mm 以上厚度的外形相比 M.2 也具有更好的散热能力，是服务器上的常见形态。
AIC 就是一块 PCIe 扩展卡，可以插入 PCIe 插槽中使用。

图片：M.2 SSD

图片：U.2 SSD

图片：AIC SSD

S.M.A.R.T.¶

磁盘的 S.M.A.R.T.（Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology，以下简称为 SMART）功能可以记录磁盘的运行状态，并且在磁盘出现故障前提供预警。SMART 可以记录磁盘的温度、读写错误率、磁盘旋转速度、磁盘的寿命等信息。

Linux 系统上可以安装 smartmontools 包来查看磁盘的 SMART 信息。使用以下命令查看可用的磁盘与其 SMART 状态：

$ sudo smartctl --scan
/dev/nvme0 -d nvme # /dev/nvme0, NVMe device
$ sudo smartctl -a /dev/nvme0
（内容省略）

有关 SMART 指标解释与监控的内容将会在 RAID 中介绍。

Trim (Discard/Unmap)¶

SSD 的闪存存储的特点是：不支持任意的随机写，修改数据只能通过清空区块之后重新写入来实现。并且区块能够经受的写入次数是有限的。 SSD 中的固件会进行区块管理，以将写入带来的磨损分散到所有区块中。但是，固件并不清楚文件系统的情况，因此在文件系统中删除某个文件之后， SSD 固件会仍然认为对应的区块存储了数据，不能释放。Trim 操作由操作系统发出，告诉固件哪些区块可以释放，以提升性能，延长 SSD 使用寿命。一些特殊的存储设备也会支持 trim 操作，例如虚拟机磁盘（virtio-scsi）、部分企业级的 SAN 等。

关注存储的可用空间比例

不建议将存储的可用空间全部或接近全部耗尽，这是因为：

机械硬盘：可用空间不足时，文件系统为了存储数据，会不得不产生大量磁盘碎片，而机械硬盘的随机读写性能很差；
固态硬盘：可用空间不足会导致没有足够的空区块改写内容，因此可能不得不大量重复擦写已有的区块，加速磨损。

一般来说，确保 fstrim.timer 处于启用状态即可。一些文件系统也支持调整 trim/discard 参数（立即 discard 或周期性 discard，一般推荐后者）。

RAID¶

RAID（Redundant Array of Inexpensive Disks）是一种将多个磁盘组合在一起实现数据冗余和性能提升的技术。不同的磁盘组合方式称为“RAID 级别（RAID Level）”，常见的有 RAID 0、RAID 1、RAID 5、RAID 6、RAID 10 等。

RAID 0: 也称作条带化（Striped），将数据分块存储在多个磁盘上，可以充分利用所有容量，获得叠加的顺序读写性能（但随机读写性能一般），但没有冗余，任何一块磁盘损坏都会导致整个阵列的数据丢失，适合需要高性能读写但不需要数据安全性的场景。
RAID 1: 也称作镜像（Mirrored），将数据完全复制到多个磁盘上，提供了绝对冗余，整个阵列中只需要有一块盘存活，数据就不会丢失。代价是整个阵列的容量等单块磁盘的容量，空间利用率低下，适合需要高可靠性~~而且不缺钱~~的场景。同时由于每块盘上的数据完全一致，RAID 1 的读取性能可以叠加（甚至包括随机读取），但写入性能不会提升。
RAID 5: 将数据和一份校验信息分块存储在多个磁盘上，可以允许阵列中任何一块磁盘损坏，兼顾冗余性和容量利用率。重建期间的性能会严重下降，并且一旦在重建完成前又坏了一块盘，那么你就寄了。

不要为大容量机械硬盘阵列组 RAID 5

否则坏了一块盘后重建的时候就等死吧。

下面的思考题也会涉及到这个问题。
RAID 6: 将数据和两份校验信息分块存储在多个磁盘上，比 RAID 5 多了一份校验信息，可以容纳两块磁盘损坏，适合大容量或者磁盘较多的阵列。尽管允许两块盘损坏，但我们仍然建议在第一块盘损坏后立即更换并重建，不要等到更危险的时候。
RAID 10, 50, 60: 将不同级别的 RAID 组合在一起，兼顾性能和冗余，各取所长，对于 10 块盘以上的阵列是更加常见的选择。例如 RAID 10 = RAID 1 + RAID 0，通常将每两块盘组成 RAID 1，再将这些 RAID 1 的组合拼成一个大 RAID 0。

磁盘阵列不是备份

RAID 不是备份，它可以实现在某块磁盘故障时保证系统继续运行，但是不能在数据误删除、自然灾害、人为破坏等情况下保护数据。

图片来自金枪鱼之夜：实验物理垃圾佬之乐——PB 级磁盘阵列演进

RAID 等级比较¶

等级	容量	冗余	读写性能	适用场景
RAID 0	全部叠加	无，挂一块盘就寄了	顺序读写性能高，随机读写性能一般（略好于单块盘）	临时数据、缓存
RAID 1	单块盘	最高，只要有一块盘存活就行	叠加的读性能，但是只有单块盘的写性能	重要数据
RAID 5	N-1 块盘	可以坏一块盘	顺序读写性能高，随机读写性能差；重建期间很差	兼顾容量和安全性
RAID 6	N-2 块盘	可以坏两块盘	顺序读写性能高，随机读写性能差；重建期间更差	比 RAID 5 更稳一点
RAID 10	每组 RAID 1 容量叠加	每组 RAID 1 内只需要存活一块盘	顺序和随机性能都不错，并且重建期间还凑合	兼顾性能和安全性
RAID 60	（自行计算）	每组 RAID 6 内可以坏两块盘	顺序读写性能不错，并且重建期间~~更凑合了~~	盘很多，并且兼顾容量和安全性

RAID 4 和 RAID 50 在这里不作讨论，因为它们没人用。

思考题

为什么 RAID 5 和 RAID 6 的重建期间性能会很差？
为什么将大量的磁盘组合成单个 RAID 6 不是一个好主意？为什么 RAID 50 没人用？
为什么说 RAID 5/6 有很高的写惩罚（Write penalty）？
在该帖子中，发帖人说自己组了 14TB * 12 的 RAID 5。假设这 12 块盘是机械硬盘，不可恢复读错误率为 10^14，如果仅考虑 URE，那么当损坏了一块盘重建时，重建成功的概率是多少？如果不可恢复读错误率为 10^15 呢？

提示：假设为二项分布，前者结果接近于 0（几乎不可能成功），后者结果接近于 0.25（凶多吉少）。

RAID 实现方式¶

RAID 可以在硬件层面实现，也可以在操作系统层面通过软件实现。

硬件：

LSI MegaRAID 系列是最常见的硬件 RAID 卡
HPE Smart Array 系列
一些专用的存储服务器，如 HPE MSA、Dell EMC PowerVault 等存储网络（SAN）设备
Intel RST 和 Intel VMD，是个人计算机上常见的硬件 RAID 方案~~（但是非常难用）~~

Windows：

较早的“动态磁盘”功能支持 RAID 0、1、5 等级别，并且是在分区层面实现的，因此同一个硬盘组上可以同时存在多个采用不同 RAID 级别的卷（文件系统）
较新的 Windows 开始支持 Storage Spaces，可以实现更多 RAID 级别，以及“镜像加速”、“自动热迁移”等功能，但是比动态磁盘更加难用，重建也更复杂

Linux：

mdadm 是 Linux 上最常见的软件 RAID 实现方式之一
Linux 常用的逻辑卷管理工具 LVM 也支持 RAID 功能
一部分文件系统，如 ZFS 和 Btrfs，也支持 RAID 功能

服务器一般都配备了硬件 RAID 卡，如果需要使用软件 RAID，需要设置 RAID 卡或对应磁盘到 HBA 模式（也叫 JBOD/Non-RAID/直通模式）。一部分低端 RAID 卡不提供相关功能的支持，尽管可以通过为每块磁盘创建单独的 RAID 0 阵列实现类似的功能，但是并不推荐。

性能测试¶

我们可以使用 fio 测试磁盘的性能，其支持在文件系统或者块设备上使用不同的 I/O 访问模式进行测试。

使用 dd 测速的不足

以下是使用 dd 命令测试一块希捷 4TB 机械硬盘的例子：

写入测试

$ dd if=/dev/zero of=test.img bs=1M count=1000 oflag=direct
1000+0 records in
1000+0 records out
1048576000 bytes (1.0 GB, 1000 MiB) copied, 11.3336 s, 92.5 MB/s

读取测试

$ dd if=/dev/sda1 of=/dev/null bs=1M count=1000 iflag=direct
1000+0 records in
1000+0 records out
1048576000 bytes (1.0 GB, 1000 MiB) copied, 6.68942 s, 157 MB/s

虽然可以使用 dd 命令简易地测速，但是 dd 命令有一些缺点：

dd 只能测试顺序读写的情况，无法测试随机读写。
dd 使用非常低的 I/O 队列深度，无法充分测试设备的并发性能，这对于固态硬盘尤为明显。
dd 命令中使用的特殊设备 /dev/urandom、/dev/random 本身性能有限，可能会成为测试的瓶颈。（比如测试 dd if=/dev/random of=/dev/null bs=1M count=1000 可能只有 500MB/s 的速度）

因此要对磁盘进行更加全面的性能测试，我们需要使用 fio 这款更加专业的工具。

使用 fio 进行测试需要确定以下基础参数，这些参数描述了 I/O 负载是什么样的：

--rw：I/O 访问的模式，例如 read, write（顺序读写）, randread, randwrite（随机读写）, randrw（随机混合读写）等。
--bs：每次 I/O 操作的块大小，默认为 4KB。bs 对性能影响很大，电商平台硬盘标称的速度通常都是 1MB 大块顺序读写的速度（代表了拷贝大文件时的速度），而更加影响实际使用体验的 4k 的随机读写性能则要弱得多。
--size：测试文件的大小。支持 k/m/g/t/p 后缀（字节 B 可以省略），不区分大小写。使用 1024 倍率，要使用 1000 倍率，可以使用 kib, mib 等。

SI 与 IEC 单位

SI 单位是国际单位制中的单位，采用 10 进制（即 1 KB = 1000 B）；IEC 单位是国际电工委员会的单位，采用二进制和带有 i 的单位（即 1 KiB = 1024 B）。

fio 出于对旧脚本的兼容性，默认情况下交换了 SI 和 IEC 单位的含义，即不带 i 的使用 1024 倍率，而带 i 的采用 1000 倍率。这在 fio 文档中有说明（参数 kb_base）。
--ioengine：使用的 I/O 引擎。默认为 psync（使用 pread/pwrite 系统调用）。在 Linux 上推荐选择 libaio 来使用系统的异步 I/O 接口，此时建议添加 --direct=1 参数使用非缓冲 I/O，因为 Linux 上缓冲 I/O 不是异步的。
--iodepth: 并发（处于未完成状态的）I/O 操作的数量，通常和异步 I/O 引擎结合使用。增加 iodepth 可以显著提高吞吐量。
--numjobs：fork 若干进程执行相同的 I/O 任务，用于进行并发测试。此时建议添加 --group_reporting 参数，这样所有进程的数据会被累加到一起。

还有一些其他的参数影响 fio 如何运行：

--filename：测试的文件名或者块设备名。fio 默认为每个任务生成单独测试文件，使用该选项使所有任务使用相同文件。使用相对路径时，可以使用--directory指定测试文件的目录（默认为当前目录）。
--name：任务的名称。fio 可以同时运行多个测试任务，每个任务都有一个名称。命令行参数中每遇到一个 --name 会定义一个新任务，后面跟随该任务的参数。
--stonewall：等待前一个任务完成才开始这一个任务，fio 默认所有任务是同时执行的。
--runtime：测试的最大时间长度（无单位则为秒）。可以添加 --time_based 参数防止任务完成而提前结束
--readonly：检查当前任务是否为只读任务，防止误操作导致数据丢失。
--loops: 多次测试取平均值。

以下是一些例子，一部分在编写其他内容时使用到了：

对正在运行的块设备操作时需要小心

对已经有数据的块设备进行写入操作会导致数据丢失，在测试时请加上 --readonly 参数。

使用 fio 测试块设备（/dev/mapper/vg201--test-lvdata）随机读延迟的例子

本部分编写时参考了 Oracle 的文档。

一个只读情况下测试 10s /dev/mapper/vg201--test-lvdata 的 4K 随机读的例子如下：

$ sudo fio --filename=/dev/mapper/vg201--test-lvdata \
    --direct=1 --rw=randread --bs=4k \
    --ioengine=libaio --iodepth=1 --numjobs=1 \
    --time_based --group_reporting --name=readlatency-test-job \
    --runtime=10 --eta-newline=1 --readonly
readlatency-test-job: (g=0): rw=randread, bs=(R) 4096B-4096B, (W) 4096B-4096B, (T) 4096B-4096B, ioengine=libaio, iodepth=1
fio-3.36
Starting 1 process
fio: file /dev/mapper/vg201--test-lvdata exceeds 32-bit tausworthe random generator.
fio: Switching to tausworthe64. Use the random_generator= option to get rid of this warning.
Jobs: 1 (f=1): [r(1)][30.0%][r=233MiB/s][r=59.6k IOPS][eta 00m:07s]
Jobs: 1 (f=1): [r(1)][50.0%][r=218MiB/s][r=55.9k IOPS][eta 00m:05s] 
Jobs: 1 (f=1): [r(1)][70.0%][r=226MiB/s][r=57.8k IOPS][eta 00m:03s] 
Jobs: 1 (f=1): [r(1)][90.0%][r=219MiB/s][r=56.1k IOPS][eta 00m:01s] 
Jobs: 1 (f=1): [r(1)][100.0%][r=220MiB/s][r=56.2k IOPS][eta 00m:00s]
readlatency-test-job: (groupid=0, jobs=1): err= 0: pid=1334208: Sat Feb 17 23:46:54 2024
read: IOPS=56.0k, BW=219MiB/s (229MB/s)(2186MiB/10001msec)
    slat (nsec): min=1143, max=870047, avg=2109.53, stdev=1843.07
    clat (nsec): min=211, max=26562k, avg=14946.90, stdev=60736.24
    lat (usec): min=10, max=26564, avg=17.06, stdev=60.82
    clat percentiles (usec):
    |  1.00th=[   10],  5.00th=[   12], 10.00th=[   12], 20.00th=[   13],
    | 30.00th=[   13], 40.00th=[   13], 50.00th=[   13], 60.00th=[   13],
    | 70.00th=[   14], 80.00th=[   15], 90.00th=[   22], 95.00th=[   23],
    | 99.00th=[   52], 99.50th=[   76], 99.90th=[  174], 99.95th=[  243],
    | 99.99th=[  465]
bw (  KiB/s): min=185288, max=249304, per=100.00%, avg=223874.11, stdev=13053.14, samples=19
iops        : min=46322, max=62326, avg=55968.53, stdev=3263.28, samples=19
lat (nsec)   : 250=0.01%, 500=0.01%, 750=0.01%, 1000=0.01%
lat (usec)   : 2=0.01%, 4=0.01%, 10=1.43%, 20=87.06%, 50=10.48%
lat (usec)   : 100=0.75%, 250=0.24%, 500=0.03%, 750=0.01%, 1000=0.01%
lat (msec)   : 2=0.01%, 4=0.01%, 10=0.01%, 20=0.01%, 50=0.01%
cpu          : usr=7.91%, sys=18.76%, ctx=560581, majf=0, minf=23
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=559688,0,0,0 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):
READ: bw=219MiB/s (229MB/s), 219MiB/s-219MiB/s (229MB/s-229MB/s), io=2186MiB (2292MB), run=10001-10001msec

向 ./test 随机读写，模拟 I/O 压力

sudo fio --filename=./test \
  --filesize=2G --direct=1 --rw=randrw \
  --bs=4k --ioengine=libaio --iodepth=256 \
  --runtime=120 --numjobs=4 --time_based \
  --group_reporting --name=job_name --eta-newline=1

模拟 Crystal DiskMark 测试磁盘性能

本部分来自 Raspberry Pi 4 B Review and Benchmark - What’s improved over Pi 3 B+。

sudo fio --loops=5 --size=500m --filename=fiotest.tmp --stonewall --ioengine=libaio --direct=1 \
    --name=SeqRead --bs=1m --rw=read \
    --name=SeqWrite --bs=1m --rw=write \
    --name=512Kread --bs=512k --rw=randread \
    --name=512Kwrite --bs=512k --rw=randwrite \
    --name=4KQD32read --bs=4k --iodepth=32 --rw=randread \
    --name=4KQD32write --bs=4k --iodepth=32 --rw=randwrite \
    --name=4Kread --bs=4k --rw=randread \
    --name=4Kwrite --bs=4k --rw=randwrite

由于性能测试的参数通常会很长，fio 还支持将参数放置在配置文件中，便于修改和重复使用。

fio 的配置文件被称为 job 文件，定义了一组需要模拟的 I/O 负载。fio 支持输入多个 job 文件，每个 job 文件会依次运行。而 job 文件内的任务默认是并行运行的，可以使用stonewall参数来保证串行。

Job 文件使用 ini 格式，通常包括一个 global 节定义共享参数和若干个 job 节定义每个 I/O 任务的参数（可以覆盖 global 节的参数）。

模拟 Crystal DiskMark 测试磁盘性能 job 文件

[global]
ioengine=libaio
direct=1
size=4g
runtime=60
loops=3

[Read SEQ1M Q8T1]
bs=1m
iodepth=8
rw=read

[Read SEQ1M Q1T1]
stonewall
bs=1m
rw=read

[Read RND4K Q32T1]
stonewall
bs=4k
iodepth=32
rw=randread

[Read RND4K Q1T1]
stonewall
bs=4k
iodepth=1
rw=randread

[Write SEQ1M Q8T1]
bs=1m
iodepth=8
rw=write

[Write SEQ1M Q1T1]
stonewall
bs=1m
rw=write

[Write RND4K Q32T1]
stonewall
bs=4k
iodepth=32
rw=randwrite

[Write RND4K Q1T1]
stonewall
bs=4k
iodepth=1
rw=randwrite

保存为fio_CrystalDiskMark.ini，然后运行

fio --filename=./test.bin fio_CrystalDiskMark.ini

fio 输出内容比较丰富，除了带宽 BW 外，还可以关注 IOPS、提交延迟 (slat)、完成延迟 (clat)、以及 iodepth 分布等。输出内容具体含义可以参考 man 手册 OUTPUT 节。

文件系统¶

在 Linux 上，ext4 是最常见的文件系统。但是对于某些需求，ext4 可能无法满足，例如：

需要支持存储大量文件，数量甚至可能超过 ext4 的限制
需要支持快照、透明压缩、数据校验等高级功能

在「分区与文件系统」部分会对文件系统的选择进行介绍。本部分主要介绍与文件系统、挂载等有关的通用内容。

`/etc/fstab`¶

/etc/fstab 是 Linux 系统中用于配置文件系统挂载的文件。在启动时，系统会根据 /etc/fstab 中的配置自动挂载文件系统。如果配置不当，那么开机时就可能会出现挂载失败，从而进入紧急模式的情况。

下面给出一个在 QEMU 虚拟机中的 Linux 系统的 /etc/fstab 的例子：

# <file system> <mount point>   <type>  <options>       <dump>  <pass>
UUID=6cf8f654-9a14-4703-be4e-c5a059c9f7f8 /               ext4    errors=remount-ro 0       1
/dev/sr0        /media/cdrom0   udf,iso9660 user,noauto     0       0
sharing /mnt/sharing    virtiofs    defaults,nofail 0   0

可以看到第一部分定位了文件系统的位置。对于物理磁盘来说，使用 UUID 是比较好的选择，详情可参考分区与文件系统中对 /dev/disk 的介绍。/dev/sda1 这样的设备名虽然也可以使用，但是可能会出现意料之外的问题。对特殊的文件系统，这里的内容由对应的实现决定，例如 tmpfs 的话，这里可能就是 none 或者 tmpfs；例子中的 virtiofs 是 QEMU 的虚拟文件系统，用于与宿主机共享文件，由于设置中的 target 是 sharing，因此这里的设备名是 sharing。

后面则是挂载点、文件系统与挂载选项。挂载选项中大部分会提供给文件系统（例如这里的 errors=remount-ro），但是有一些是通用的设置。例如 noauto 选项表示启动时不挂载，nofail 表示即使挂载失败也不影响启动。一个在 fstab(5) 中没有提及的重要选项是 _netdev，它表示这个挂载点需要网络连接， systemd 会配置启动时在网络配置好之后才挂载。这个选项在挂载基于网络的存储时非常有用。

"dump" 可以忽略（0 即可），而 "pass" 标记了文件系统检查（fsck）的顺序：0 不检查，根分区应该为 1，其他分区为 2。

在修改配置后，如果系统使用了 systemd，应当使用 systemctl daemon-reload 来让 systemd 重新加载所有的 mount 单元。否则 mount -a 之后，systemd 可能会「好心」地帮你改回来。

补充阅读¶

对 Linux 虚拟机上的永久性磁盘性能进行基准测试：GCE 关于使用 fio 进行磁盘性能测试的文档。

IOPS 为每秒的 I/O 操作数，可以简单认为是命令操作延迟的倒数。 ↩

基础知识简介¶

术语¶

磁盘¶

磁盘类型简介¶

磁盘规格与尺寸¶

磁盘接口与协议¶

S.M.A.R.T.¶

Trim (Discard/Unmap)¶

RAID¶

RAID 等级比较¶

RAID 实现方式¶

性能测试¶

文件系统¶

/etc/fstab¶

补充阅读¶

`/etc/fstab`¶