通过数据库评估存储设备IO性能
---------Oracle11g IO校准功能介绍
前言
I/O子系统是ORACLE数据库的一个重要组成部分，因为I/O操作是贯穿数据库管理全过程，它操作的对象包括日志、表、索引、数据字典、以及一些排序、undo操作等等，每个数据库读取或者写入磁盘上的数据，都会产生磁盘IO，可以这么说一个正常业务的数据库系统，80%的性能消耗都与IO有关，相对于网络、CPU、内存等其他硬件的迅猛发展，磁盘的读写速度的发展却相对滞后，这也导致许多业务性能瓶颈集中在有限的磁盘IO上,一旦出现IO瓶颈导致的性能问题，表现为CPU有时候会花大部分的时间等待IO操作，我们把这种情况称为IO密集性（I/O-bound）系统。
我们在处理ZLHIS业务系统性能问题的时候，大部分也是在处理IO性能问题，主要表现在三方面：
1、HIS系统是业务高密集系统，在业务高峰期会形成大量集中的并发操作，产生大量的I/O操作；
2、不规范的SQL语句导致的过度的磁盘访问（如：全表扫描等）；
3、由于硬件导致的存储IO本身的性能问题；
上图就是一个某客户真实环境下I/O性能瓶颈的AWR性能报告，TOT5等待事件中，主要就是I/O类型的等待，在处理类似问题的时候，我们都先假定存储的I/O性能是满足我们的业务需求的，忽略存储本身的性能问题，而着重解决1、2应用设计或者SQL代码不规范导致的过度I/O读取，但有时导致I/O性能的问题根本的原因恰恰就是存储，遇到这种问题的时候，我们过去都是通过文件拷贝、复制读写都操作主观的感受存储的性能，或者找硬件商协助分析，前一种方式不便于我们从数据指标上给存储性能予以定型，特别是在某些瞬时集中IO访问出现瓶颈的存储设备上给出充分的说服力，后一种方式如果遇到硬件商本身不配合，我们处理问题就非常的尴尬，这时候我们急需一种方式对够自主的对存储进行性能评估，给出评估性能指标以便对I/O性能进行量化，为问题的分析解决给出可靠的依据。
IO相关概念
在对存储性能进行评估之前，我们有必要了解几个关于IO的指标概念，只有对这几个指标概念有了了解，我们才能客观的评价一个存储性能的好坏。
IOPS(I/OOperations Per Second):是用来计算I/O流中每个节点中每秒传输的数量,表示每秒进行读写(I/O)操作的次数，多用于评估衡量存储随机访问的性能。IOPS通常对于小I/O，且传输I/O的数量比较大的情况下，是一个最主要的衡量指标。例如，典型的OLTP系统中，高的IOPS则意味相同时间内更多的数据库事务可以被存储系统处理。
IO响应时间（latency）：指内核对磁盘发出一个读或者写的IO命令，到内核接收到回应的时间。
吞吐量（Throughput）:来计算每秒在I/O流中传输的数据总量。这个指标，在大多数的磁盘性能计算工具中都会显示，最简单的在Windows文件拷贝的时候，就会显示MB/s，吞吐量衡量对于大I/O，特别是传输一定数据的时候最小化耗时非常有用，例如，备份数据的时候，在备份作业中，我们通常不会关心有多少I/O被存储系统处理了，而是完成备份总数据的时间多少。
以上三个指标基本上能够衡量存储的IO性能，其中IOPS和吞吐量是越大越好，IO响应时间当然是越短越好。
IO校准
存储整体性能主要由一系列关键组件层共同作用，包括HBA、Storage Switches、Storage Array和Physical Disks。这些对象共同合力，才能形成系统整体的IO能力有IO整体性能，通过Oracle的I/O校准功能，使您能够评估存储的整体性能，并判断和确认I/O性能问题是否由数据库或存储系统造成的。不同于其他借助外部I/O评估工具，Oracle的I/O校准功能的原理是数据库随机使用其数据文件访问存储，这样产生的结果能更加真实的反映数据库访问存储的实际性能，它可以帮助计算出当前存储最大的IOPS和吞吐量，要使用这个特性必须满足以下条件：
数据库版本为11g
操作用户必须要有sysdba权限
数据库参数timed_statistics必须是true
必须允许IO异步，但用的是文件系统，可以通过设置FILESYSTEMIO_OPTIONS参数为setall
确保数据文件允许异步IO，可以通过下面的SQL语句确认：
COL NAME FORMAT A50
SELECT NAME,ASYNCH_IOFROM V$DATAFILE F,V$IOSTAT_FILE I
WHERE F.FILE#=I.FILE_NO
AND FILETYPE_NAME='Data File';
I/O校准是通过调用Oracle内部dbms_resoure_manager.cakibrate_io包来获取，其发出一系列I/O密集型的只读工作量到数据库文件，通过这些操作确定存储的最大IOPS(每秒IO请求数)和存储每秒能够执行的吞吐量MBPS(兆字节每秒I/O)。
I/O校准分为两步：第一步dbms_resource_manager.calibrate_io包按照数据文件块大小随机读取的所有数据文件，通过持续的读取操作能够获取存储的最大IOPS（max_iops）,同时输出校准期间的平均延迟（actual_latency），当然你可以通过输入参数max_latency指定目标延迟（指定的最大可容忍数据库块大小的IO请求延迟的毫秒数）。第二步是通过dbms_resource_manager.calibrate_io包按照1M大小持续读取所有数据文件，这一步主要是为了获取最大吞吐量这个重要的指标。
如果用户能够提供的num_physical_disks输入参数可以使得I/O校准运行更准确，这个参数它指定在数据库中存储系统的物理磁盘的近似数，如果不清楚就输1也行，认为只是一块磁盘。
下面是一个执行DBMS_RESOURCE_MANAGER.CALIBRATE_IO包的案例，语句非常简单，如下：
SET SERVEROUTPUT ON
DECLARE
lat INTEGER;
iops INTEGER;
mbps INTEGER;
BEGIN
--DBMS_RESOURCE_MANAGER.CALIBRATE_IO (, <max_latency>, iops,mbps, lat);
DBMS_RESOURCE_MANAGER.CALIBRATE_IO (2, 10,iops, mbps, lat);
DBMS_OUTPUT.PUT_LINE ('max_iops = ' || iops);
DBMS_OUTPUT.PUT_LINE ('latency = ' || lat);
dbms_output.put_line('max_mbps = ' || mbps);
end;
/
校准的操作很简单，但是在运行时需要注意以下几点事项：
同一时间只能运行一个IO校准过程，千万不要并行运行，如果您同时运行，I/O校准将不能正常执行；
因过程执行对IO消耗非常大，请确保实例在空闲状态下执行；
如果是RAC环境，要确保所有节点实例都是启动状态；
过程包中的num_physical_disks输入参数是可选的。磁盘数不用太准确，输入个近似值这样可以使得校准更快、更准确。
最后在I/O校准过程中，你可以在v$io_calibration_status视图查看校准状态。在I/O校准成功后，你可以在dba_rsrc_io_calibrate表查看校准结果，为了更好的理解I/O校准过程，我们拿台普通的台式机来进行下演示，看下是如何进行IO校准操作的。
通过v$io_calibration_status可以查看执行状态，可以看到进程正在执行，如下
在操作系统的任务管理器的性能监控中可以看到，每个数据文件都产生大量的IO读取，Oracle就是通过这种读取操作来进行存储性能的评估。
最后在DBA_RSRC_IO_CALIBRATE视图中，可以查询到本次IO校准的各个性能指标值如下，本次测试的存储性能，每秒持续读取数据块请求的最大数量（max_iops）为60，每秒最大可读取（max_mbps）为43mbps,单个进程每秒最大可读取（max_pmbps）为39mbps，读取数据块请求出现有16次延迟
这里我们注意了同样的IO校准执行2次，结果也会有所差异，不可能几次执行结果100%相同，这是因为存储性能涉及的因素非常多，比如当时存储的繁忙状态、温度、IO请求等，这些都会对校准有细微的影响，但是总的范围还是不会有太大的出入。
性能判断
通过校准我们得到了一些指标，那么怎样的存储性能才是满足业务需求的呢？严格意义上说，当然是IOPS越大，吞吐量越大越好，但是成本也会增加，因此实际情况下还是要根据用户业务的实际情况判断，合适就可以了。用户的IO需求可以通过业务高峰期AWR报告进行查看，通过生成业务高峰期的AWR报告，查看报告中的other instance activity stats这部分内容获取，以某用户的AWR性能报告为例，重点关注这几个指标[physical read total IOrequests],[ physical read total bytes],[ physical write total IO requests],[ physicalwrite total IO requests]每秒的值，因为我们IO校准也是以每秒为单位的统计。
我们可以计算出物理读和写每秒总的请求为70.74+80.62≈151次，物理读和写的每秒的大小为1.32+1.09≈2.41mbs=19.28mbps,有了这个参照，那我们存储校准的最大IOPS就应该不能低于151，每秒的吞吐量也不能低于19.28mbps,如果IO校准接近或者小于这个值就证明存储性能出现了严重的瓶颈，例如我们测试用的机器就无法满足这个用户的IO性能需求，需要提升性能以满足业务的需要。