SPDK中常用的性能测试工具

本文主要介绍磁盘性能评估的方法，针对用户态驱动Kernel与SPDK中各种IO测试工具的使用方法做出总结。其中fio是一个常用的IO测试工具，可以运行在Linux、Windows等多种系统之上，可以用来测试本地磁盘、网络存储等的性能。为了和SPDK的fio工具相区别，我们称之为内核fio。

SPDK有自己的IO测试工具，包括fio_plugin，perf和bdevperf。SPDK采用异步I/O（Asynchronous I/O）加轮询（Polling）的工作模式，通常与Kernel的异步I/O作为对比。在此，主要介绍通过使用fio评估Kernel异步I/O，SPDK的三种IO测试工具。

一 . FIO准备工作

在测试内核fio和SPDK fio_plugin工具之前，我们先准备好环境。

1. 编译fio

首先，下载fio源码，建议至少切换到3.3及以上版本。

git clone https : //github . com/axboe/fio
cd fio && git checkout fio-3.3
make

2. 编译SPDK

下载最新的SPDK源码。然后，运行SPDK configure脚本以启用fio（将其指向fio代码库的根）。

git clone https : //github . com/spdk/spdk
cd spdk
git submodule update --init
./configure--with-fio=/path/to/fio/repo <other configuration options>
（例如：./configure --with-fio=/usr/src/fio）
make

当使用参数--with-fio编译时，我们会发现在<spdk_repo>/build/fio目录会有下面两个文件，这就是fio_plugin的可执行程序。

二. 内核fio工具测试磁盘性能

典型的fio工作过程：

1）写一个job文件来描述要访真的io负载。一个job文件可以控制产生任意数目的线程和文件。典型的job文件有一个global段（定义共享参数），一个或多个job段（描述具体要产生的job）。

2）运行时，fio从文件读这些参数，做处理，并根据这些参数描述，启动这些线程/进程。

运行fio：

# fio job_file

它会根据job_file的内容来运行。我们可以在命令行中指定多个job file，fio串行化运行这些文件。

Job文件格式：

job file格式采用经典的ini文件，[]中的值表示job name，可以采用任意的ASCII字符。

IO引擎：

ioengine=str

定义job向文件发起IO的方式。使用I/O引擎就是使用某些函数，以某些特定方式来访问存储，Linux可以使用 libaio，sync，psync等。这里只介绍libaio的例子，以用作和下文SPDK的fio_plugin做对比。

libaio，即异步I/O的引擎。这时通常，I/O请求会发送到相应的队列中，等待被处理，因此队列深度将会影响磁盘性能。所以在测试异步I/O的时候，根据磁盘的特性指定相应的队列深度（iodepth）。

一个典型的fio配置文件，nvme_bdev_job.fio：

[global]
ioengine=libaio
thread=1
group_reporting=1
direct=1
norandommap=1
cpumask=1
bs=4k
rw=randread
iodepth=256
time_based=1
ramp_time=0
runtime=30
[job]
filename=/dev/nvme0n1

部分参数解释

ioengine：指定I/O引擎，在这里测试Kernel的异步I/O，因此指定I/O引擎为libaio；

direct：指定direct模式O_DIRECT，I/O会绕过系统的page buffer；

rw：读写模式，这里指定randrw表示混合随机读写；

rwmixread：混合随机读写模式下read请求所占比例；

thread：指定使用线程模式。由于spdk fio_plugin只支持线程模式，因此与Kernel对比时，通常都统一指定线模式来对比；

norandommap：指定I/O时，每次都获取一个新的随机offset，防止额外的CPU使用消耗；

time_based：指定采用时间模式；

runtime：测试时长，单位是秒；

ramp_time：统计性能之前所运行的时间，为了防止没有进行稳态而造成的性能虚高带来的影响，单位是秒；

bs：I/O块大小；

iodepth：队列深度；

numjobs：worker的个数；

filename：指定测试的对象。

运行fio（带配置文件）举例：

[root@server spdk]# fio nvme_bdev_job.fio

另一种用法，不使用fio文件，直接使用参数

# fio -filename=/dev/nvme0n1 -direct=1 -iodepth 1 -thread -rw=randread \
-ioengine=libaio -bs=4k -size=1G -runtime=10 -group_reporting -name=rand_read_4k

三. SPDK的fio_plugin工具

通常，在内核模式下，使用fio工具来测试设备在实际的工作负载下所能承受的最大压力。用户可启动多个线程，对设备来模拟各种IO操作，使用filename指定所被测试的设备。然而，在SPDK用户态模式情况下，SPDK在使用前会unbind内核驱动，直接通过PCI地址来识别设备，因此用户在系统上无法直接看到设备。为此，SPDK推出fio_plugin与SPDK深度集成，用户可以通过指定设备的PCI地址，来决定所要进行压力测试的设备。同时，在fio_plugin内部，采用SPDK用户态设备驱动提供的轮询和异步的方式进行I/O操作，I/O通过SPDK直接写入磁盘。

SPDK提供两种形态的fio_plugin：

  • 基于裸盘NVMe的fio_plugin，其特点为I/O通过SPDK用户态驱动直接访问裸盘，常用于评估SPDK用户态驱动在裸盘上的性能。
  • 基于bdev的fio_plugin，其特点为I/O测试基于SPDK块设备bdev之上，所有I/O经由块设备层bdev，再传送至裸盘设备。常用于评估SPDK块设备bdev的性能。

1. 基于NVMe的fio_plugin

前提条件

按照第一章节步骤，下载好内核fio和SPDK代码并编译。

测试方法

a. 使用fio_plugin测试裸盘，需要引入fio_plugin路径，因此在运行fio时，在fio命令之前加如下参数：

export LD_PRELOAD（只需要一遍）

LD_PRELOAD=<path to spdk repo>/build/fio/spdk_nvme

（如果解除，用unset LD_PRELOAD）

也可以export LD_PRELOAD=spdk/examples/… 写成一句

b. 其次，需要在fio配置文件中设定ioengine为spdk。

ioengine=spdk

c. 运行fio_plugin时，同时要通过额外的参数'--filename'指定SPDK能够识别的设备地址信息。

但是，NVMe的fio_plugin配置文件里不需要指定spdk_json_conf。

通常，NVMe的fio_plugin支持两种模式下的测试，

一是本地的NVMe设备，即NVMe over PCIe；

二是远端的NVMe设备，即NVMe over Fabrics。

运行，NVMe over PCIe:

[root@server spdk]# LD_PRELOAD=build/fio/spdk_nvme /usr/src/fio/fio \
spdk_nvme1.fio '--filename=trtype=PCIe traddr=0000.06.00.0 ns=1'

在initiator端执行NVMe over Fabrics(transport=RDMA):

[root@server2 spdk]# LD_PRELOAD=build/fio/spdk_nvme \
/usr/src/fio/fio spdk_nvme1.fio \
'--filename=trtype=RDMA adrfam=IPv4 traddr=192.168.100.8 trsvcid=4420 ns=1'

或者，在initiator端执行NVMe over Fabrics(transport=TCP):

[root@server2 spdk]# LD_PRELOAD=build/fio/spdk_nvme \
/usr/src/fio/fio spdk_nvme1.fio \
'--filename=trtype=TCP adrfam=IPv4 traddr=192.168.100.8 trsvcid=4420 ns=1'

配置文件spdk_nvme1.fio如下所示：

[global]
ioengine=spdk (前提./configure --with-fio=/usr/src/fio，如果是=libaio则不需要--with-fio)
thread=1
group_reporting=1
direct=1
verify=0
time_based=1
ramp_time=0
runtime=20
iodepth=128
rw=randrw
bs=4k
numjobs=1
[job]

执行NVMe over Fabrics（RDMA/TCP）的前提条件是target端要启动nvmf进程，

[root@server1 spdk]#./build/bin/nvmf_tgt --json spdk_tgt_nvmf.json

spdk_tgt_nvmf.json（以transport=TCP为例）文件如下：

{
  "subsystems": [
    {
      "subsystem": "bdev",
      "config": [
        {
          "method": "bdev_nvme_attach_controller",
          "params": {
            "name": "Nvme0",
            "trtype": "PCIe",
            "traddr": "0000:81:00.0",
            "prchk_reftag": false,
            "prchk_guard": false
          }
        }
      ]
    },
    {
      "subsystem": "nvmf",
      "config": [
        {
          "method": "nvmf_set_config",
          "params": {
            "acceptor_poll_rate": 10000,
            "admin_cmd_passthru": {
              "identify_ctrlr": false
            }
          }
        },
        {
          "method": "nvmf_set_max_subsystems",
          "params": {
            "max_subsystems": 1024
          }
        },
        {
          "method": "nvmf_create_transport",
          "params": {
            "trtype": "TCP",
            "max_queue_depth": 128,
            "max_io_qpairs_per_ctrlr": 127,
            "in_capsule_data_size": 4096,
            "max_io_size": 131072,
            "io_unit_size": 24576,
            "max_aq_depth": 128,
            "max_srq_depth": 4096,
            "abort_timeout_sec": 1
          }
        },
        {
          "method": "nvmf_create_subsystem",
          "params": {
            "nqn": "nqn.2018-09.io.spdk:cnode1",
            "allow_any_host": true,
            "serial_number": "SPDK001",
            "model_number": "SPDK bdev Controller",
            "max_namespaces": 8
          }
        },
        {
          "method": "nvmf_subsystem_add_listener",
          "params": {
            "nqn": "nqn.2018-09.io.spdk:cnode1",
            "listen_address": {
              "trtype": "TCP",
              "adrfam": "IPv4",
              "traddr": "192.168.100.8",
              "trsvcid": "4420"
            }
          }
        },
        {
          "method": "nvmf_subsystem_add_ns",
          "params": {
            "nqn": "nqn.2018-09.io.spdk:cnode1",
            "namespace": {
              "nsid": 1,
              "bdev_name": "Nvme0n1",
              "uuid": "51581506-537f-4236-9bc1-d926c966d09b"
            }
          }
        }
      ]
    }
  ]
}

目前SPDK只支持Json格式配置文件，以前习惯使用INI格式的用户，可以使用SPDK的自动转换工具，把INI格式变为Json格式。

[root@server spdk]# ./scripts/config_converter.py < config.ini \
> config_converter.json

a. 对于使用1个core，测试多块盘的情况，通常只需要设定numjob为1，同时在fio命令通过多个filename参数来指定多块要测试的盘（多个filename参数之间用空格相隔即可），例如同时测试三块盘：

[root@server spdk]# LD_PRELOAD=build/fio/spdk_nvme \
/usr/src/fio/fio spdk_nvme1.fio \
'--filename=trtype=PCIe traddr=0000.06.00.0 ns=1' \
'--filename=trtype=PCIe traddr=0000.07.00.0 ns=1' \
'--filename=trtype=PCIe traddr=0000.08.00.0 ns=1'

b. 对于使用fio_plugin作为新的ioengine而引入的新的fio参数说明，可以通过以下命令查看：

[root@server spdk]# LD_PRELOAD=build/fio/spdk_nvme /usr/src/fio/fio --enghelp=spdk

表3.1 nvme fio_plugin的格式

c. 此外，可以通过直接在ioengine中指定fio_plugin的路径，而无须每次运行fio都动态加载LD_PRELOAD。

ioengine=<path to spdk repo>/build/fio/spdk_nvme

只需运行：

[root@server spdk]# /usr/src/fio/fio spdk_nvme2.fio \
'--filename=trtype=PCIe traddr=0000.06.00.0 ns=1'

配置文件spdk_nvme2.fio如下所示：

[global]
ioengine=build/fio/spdk_nvme
thread=1
group_reporting=1
direct=1
verify=0
time_based=1
ramp_time=0
runtime=20
iodepth=128
rw=randrw
bs=4k
numjobs=1
[job]

也可以把filename写到配置文件里，

[job]
filename=trtype=PCIe traddr=0000.06.00.0 ns=1

这时只需运行，

[root@server spdk]# /usr/src/fio/fio spdk_nvme2.fio

2. 基于bdev的fio_plugin

基于bdev的fio_plugin是将I/O在SPDK块设备bdev之上进行发送。而基于裸盘的fio_plugin，I/O是直接到裸盘上进行处理。两者最大的差别在于I/O是否经过bdev这一层。因此，基于bdev的fio_plugin能够很好的评估SPDK块设备层bdev的性能。其编译安装与裸盘的fio_plugin完全相同。

测试方法

a. 使用fio_plugin测试bdev性能，需要指定bdev fio_plugin的路径，因此在运行fio时，在fio命令前加如下参数

LD_PRELOAD=<path to spdk repo>/build/fio/spdk_bdev

b. 需要在fio配置文件中设定ioengine为spdk_bdev。

ioengine=<path to spdk>/build/fio/spdk_bdev

c. 与nvme的fio_plugin相比，fio配置文件必须包含一个新参数spdk_json_conf，需要在配置文件中指定SPDK启动配置文件。如下所示：

spdk_json_conf=./examples/bdev/fio_plugin/bdev.json

bdev.json中指定了所用的bdev信息，以创建malloc为例：

{
    "subsystems": [
        {
            "subsystem": "bdev",
            "config": [
                {
                    "params": {
                        "block_size": 512,
                        "num_blocks": 262144,
                        "name": "Malloc0"
                    },
                    "method": "bdev_malloc_create"
                }
            ]
        }

d. 运行fio的时候，通过'--filename'直接指定所要测试的bdev名称即可，运行：

[root@server spdk]# LD_PRELOAD=build/fio/spdk_bdev /usr/src/fio/fio \
spdk_bdev1.fio '--filename=Malloc0'

spdk_bdev1.fio如下所示：

[global]
ioengine=spdk_bdev
spdk_json_conf=./examples/bdev/fio_plugin/bdev.json
thread=1
group_reporting=1
direct=1
verify=0
time_based=1
ramp_time=0
runtime=2
iodepth=128
rw=randrw
bs=4k
numjobs=1
[test]

也可以把filename写进配置文件里，

[test]
filename=Malloc0

这时只需运行，

[root@server spdk]# LD_PRELOAD=build/fio/spdk_bdev /usr/src/fio/fio spdk_bdev1.fio

其他说明

a. 使用基于bdev的fio_plugin测试多个设备时候，需要在spdk运行配置文件中写入相应的bdev配置信息，其次在fio运行时，指定多个filename参数即可，多个filename之间用空格相隔。例如同时测两个设备Malloc0与Nvme0n1，如下所示：

[root@server spdk]# LD_PRELOAD=build/fio/spdk_bdev /usr/src/fio/fio \
spdk_bdev1.fio '--filename=Nvme0n1' '--filename=Malloc0'

b. 同理，若查看基于bdev的fio_plugin相关参数说明，可以通过如下命令：

[root@server spdk]# LD_PRELOAD=build/fio/spdk_bdev /usr/src/fio/fio \
--enghelp=spdk_bdev

c. 此外，可以通过直接在ioengine中指定fio_plugin的路径，而无须每次运行fio都动态加载LD_PRELOAD。即：

fio配置文件中添加修改

ioengine=<path to spdk repo>/build/fio/spdk_bdev

运行：

[root@server spdk]# /usr/src/fio/fio examples/bdev/fio_plugin/example_config.fio \ '--filename=Malloc0'

即可测试。

表3.2 bdev fio_plugin的格式

d. 测试两个bdev的例子，先通过json文件创建两个malloc块设备。

bdev2.json示例如下：

{
    "subsystems": [
        {
            "subsystem": "bdev", 
            "config": [
                {
                    "method": "bdev_malloc_create", 
                    "params": {
                        "name": "Malloc0", 
                        "num_blocks": 102400, 
                        "block_size": 512
                    }
                }, 
                {
                    "method": "bdev_malloc_create", 
                    "params": {
                        "name": "Malloc1", 
                        "num_blocks": 102400, 
                        "block_size": 512
                    }
                }
            ]
        }
    ]
}

运行

[root@server spdk]# /usr/src/fio/fio spdk_bdev2.fio

spdk_bdev2.fio如下所示：

[global]
ioengine=build/fio/spdk_bdev
spdk_json_conf=./examples/bdev/fio_plugin/bdev2.json
thread=1
group_reporting=1
direct=1
verify=0
time_based=1
ramp_time=0
runtime=2
iodepth=128
rw=randrw
bs=4k
numjobs=1
[test1]
filename=Malloc0
[test2]
filename=Malloc1

也可以写成：

[test]
filename=Malloc0:Malloc1

上面的例子是测试本地的bdev设备，fio_plugin也可以测试远端的bdev设备。先在target端启动nvmf进程，

[root@server1 spdk]# ./build/bin/nvmf_tgt --json spdk_tgt_nvmf.json

接着在initiator端运行fio_plugin，

[root@server2 spdk]# LD_PRELOAD=build/fio/spdk_bdev \
/usr/src/fio/fio spdk_bdev3.fio

spdk_bdev3.fio如下所示：

[global]
ioengine=spdk_bdev
spdk_json_conf=./examples/bdev/fio_plugin/nvmf_bdev.json
thread=1
group_reporting=1
direct=1
verify=0
time_based=1
ramp_time=0
runtime=10
iodepth=128
rw=randrw
bs=4k
numjobs=1
[test]
filename=Nvme0n1

nvmf_bdev.json如下所示：

{
  "subsystems": [
    {
      "subsystem": "bdev",
      "config": [
        {
          "params": {
            "name": "Nvme0",
            "trtype": "rdma",
            "traddr": "192.168.100.8",
            "adrfam": "ipv4",
            "trsvcid": "4420",
            "subnqn": "nqn.2018-09.io.spdk:cnode1"
          },
          "method": "bdev_nvme_attach_controller"
        }
      ]
    }
  ]
}

上面是RDMA的例子，TCP的也是一样，只需把"trtype"设为"tcp"。

3. NVMe/bdev fio_plugin的比较

测试裸盘块设备，使用NVMe fio_plugin。在bdev这一层测试块设备，使用bdev fio_plugin，这个区别体现在配置文件里。

[job] 这是nvme层的写法，spdk_nvme使用

filename=trtype=PCIe traddr=0000.06.00.0 ns=1

[job1] 这是bdev层的写法，spdk_bdev使用

filename=/dev/nvme0n1

[job2]

filename=/dev/nvme1n1

[job3] 多个bdev的写法

filename=Null0:Null1:Null2:Null3:Null4:Null5:Null6:Null7:Null8:Null9

表3.3 NVMe/bdev fio_plugin的比较

四. SPDK的perf工具

1. 基于NVMe的perf工具

SPDK提供自己的性能测试工具perf。SPDK的perf与通常Linux系统中的perf工具有所不同，SPDK中的perf主要是用于对设备做压力测试，来评估其性能的工具。perf相比于fio_plugin更加灵活，可以直接配置core mask来指定进行I/O操作的CPU核。SPDK通过使用CPU的亲和性，将线程和CPU核做绑定，每个线程对应一个CPU核。在启动perf时，可通过core mask指定所用的CPU核，在所指定的每个CPU核上，都会为之注册一个worker_thread进行I/O操作。每个worker_thread都会调用SPDK所提供的I/O操作接口，通过异步的方式向底层的裸盘发送读写命令。

成功编译SPDK后，可在build/examples/目录下找到perf工具的可执行文件。Perf命令参数如下所示：

perf 
-c <core mask for I/O submission/completion> 
-q <io depth> 
-t <time in seconds> 
-w <io pattern type: write|read|randread|randwrite> 
-s <DPDK huge memory size in MB> 
-o <io size in bytes> 
-r <transport ID for local PCIe NVMe or NVMeoF>

perf支持本地的NVMe设备，同时也支持远端的NVMeoF的设备。使用范例如下：

NVMe over PCIe:
[root@server spdk]#./build/examples/perf -q 32 -s 1024 -w randwrite -t 1200 \
-c 0xF -o 4096 -r 'trtype:PCIe traddr:0000:06:00.0'
NVMe over Fabrics（transport=RDMA/TCP）:
[root@server2 spdk]#./build/examples/perf -q 32 -s 1024 -w randwrite -t 1200 \
-c 0xF -o 4096 -r 'trtype:RDMA adrfam:IPv4 traddr:192.168.100.8 trsvcid:4420'

对于同时测试多块盘，只需要添加-r并指定设备地址即可，例如一个core测试三块盘：

[root@server spdk]#./build/examples/perf -q 32 -s 1024 -w randwrite -t 1200 \ 
-c 0x1 -o 4096 \
-r 'trtype:PCIe traddr:0000:06:00.0' \
-r 'trtype:PCIe traddr:0000:07:00.0' \
-r 'trtype:PCIe traddr:0000:08:00.0'

2. perf评估Linux异步I/O（AIO）

使用方式与测试spdk driver相同，只需要在perf命令后添加设备名称即可。使用范例如下：

[root@server spdk]#./build/examples/perf -q 32 -s 1024 -w randwrite -t 1200 \
-c 0xF -o 4096 /dev/nvme0n1
（./scripts/setup.sh reset后才能看到/dev/nvme0n1）

相对于fio_plugin，perf有以下优势：

a. 可以通过core mask灵活指定CPU核。

b. 如果使用单个线程来测试多块盘性能的时候，fio_plugin的所得到的性能与perf所的到的性能有很大的差距。这是由于fio软件架构的问题，所以不适用于单个线程来操作多块盘。因此在评估单个线程（单核）的能力的时候，一般选用perf作为测试工具。若为多个线程对应操作多块盘，则无需顾虑。在这种情况下，fio_plugin与perf结果无差异。

3. 基于bdev的perf工具bdevperf

成功编译SPDK后，可在test/bdev//目录下找到bdevperf工具的可执行文件。命令参数如下：

--json <config> 
-q <io depth> 
-t <time in seconds> 
-w <io pattern type: write|read|randread|randwrite> 
-s <memory size in MB for DPDK> 
-o < size in bytes> 
-m <core mask for DPDK>

其中，--json是指定配置文件，需要测试的bdev设备都在配置文件中指定。下面给出3个具体的例子。

例1： bdevperf最基本的用法。

若需要测试本地的两块malloc设备，则bdevperf启动参数示例如下：

[root@server spdk]#./test/bdev/bdevperf/bdevperf -q 32 -s 1024 -w randwrite \
-t 60 -o 4096 -m 0xF --json bdev2.json

如果要测试远端块设备，请替换配置文件，类似3.1章节的spdk_tgt_nvmf.json。

例2： 实时监控I/O的刷新。

-z 参数等待RPC命令启动bdevperf，-S参数是显示性能数据的刷新频率。

[root@server spdk]# ./test/bdev/bdevperf/bdevperf -S 1 -q 32 -t 60 \
-m 0xF -o 4096 -w write -z

在另一个窗口，用RPC命令创建两个NVMe bdev。

[root@server spdk]# ./scripts/rpc.py bdev_nvme_attach_controller -b "Nvme0" \
-t "pcie" -a 0000:06:00.0
[root@server spdk]# ./scripts/rpc.py bdev_nvme_attach_controller -b "Nvme1" \
-t "pcie" -a 0000:07:00.0

接着运行bdevperf.py，启动bdevperf。

[root@server spdk]# ./test/bdev/bdevperf/bdevperf.py perform_tests

第一个窗口就会不断显示I/O刷新，持续时间为-t的值。顺便说一句，-T参数可以让I/O跑在指定的bdev上。

Job: Nvme0n1 (Core Mask 0x1)
         Nvme0n1             :   48352.50 IOPS     188.88 MiB/s
Job: Nvme1n1 (Core Mask 0x2)
         Nvme1n1             :   55140.50 IOPS     215.39 MiB/s
 =====================================================
 Total               :  103493.00 IOPS     404.27 MiB/s 
……

例3： 指定job文件。

-j，可以把自定义的I/O文件作为参数传入。

./test/bdev/bdevperf/bdevperf -t 10 --json bdev2.json -j bdev2.fio

bdev2.fio如下所示：

[global]
bs=1024
rwmixread=70
rw=read
iodepth=256
cpumask=0xff
[test1]
filename=Malloc0
[test2]
filename=Malloc1

五. SPDK的fio.py工具

SPDK把fio封装进了python文件，目前使用的ioengine是libaio，也可以改为其他ioengine。

fio.py在scripts文件夹里，命令参数如下所示：

  -i IO_SIZE,     
The desired I/O size in bytes.
  -p PROTOCOL,    
The protocol we are testing against. One of iscsi or nvmf.
  -d QUEUE_DEPTH, 
The desired queue depth for each job.
  -t TEST_TYPE,   
The fio I/O pattern to run. e.g. read, randwrite, randrw.
  -r RUNTIME,     
Time in seconds to run the workload.
  -n NUM_JOBS,    
The number of fio jobs to run in your workload.
  -v,             
Supply this argument to verify the I/O.

值得注意的是，要启动SPDK target进程后，才能使用fio.py。

举个例子：

在target端启动nvmf进程

[root@server1 spdk]# ./build/bin/nvmf_tgt

在initiator端通过rpc命令创建malloc的bdev，设定传输模式为rdma，并创建nvmf_subsystem和listener

[root@server2 spdk]# ./scripts/rpc.py bdev_malloc_create 64 512 -b Malloc0
[root@server2 spdk]# ./scripts/rpc.py nvmf_create_transport -t rdma -u 8192
[root@server2 spdk]# ./scripts/rpc.py nvmf_create_subsystem \
nqn.2016-06.io.spdk:cnode1 -a -s SPDK1
[root@server2 spdk]# ./scripts/rpc.py nvmf_subsystem_add_ns \
nqn.2016-06.io.spdk:cnode1 Malloc0
[root@server2 spdk]# ./scripts/rpc.py nvmf_subsystem_add_listener \
nqn.2016-06.io.spdk:cnode1 -t rdma -a 192.168.100.8 -s 4420

initiator端连接到target端

[root@server2 spdk]# nvme connect -t rdma -n "nqn.2016-06.io.spdk:cnode1" \
-a 192.168.100.8 -s 4420

运行fio.py（当然这里也可以直接使用内核fio测试）

[root@server2 spdk]# ./scripts/fio.py -p nvmf -i 262144 -d 64 -t read -r 10

fio结束后，断开target连接

[root@server2 spdk]# nvme disconnect -n "nqn.2016-06.io.spdk:cnode1"

上面启动target和多条RPC命令，也可以写进json文件一并执行。

[root@server spdk]# ./build/bin/nvmf_tgt --json spdk_tgt_nvmf.json

六. 以上性能测试工具的比较

目前SPDK fio_plugin仅限于线程使用模型，因此在使用SPDK fio_plugin时，fio job还必须指定thread = 1。

如果通过ioengine参数指定引擎的完整路径来动态加载ioengine，则fio当前也会在关闭时出现竞争条件 - 建议使用LD_PRELOAD以避免此竞争条件。在测试随机工作负载时，建议设置norandommap = 1。

fio的随机映射处理会消耗额外的CPU周期，这将使fio_plugin的性能随着时间的推移而降低，因为所有I/O都是在单个CPU内核上提交和完成的。

在使用SPDK插件在多个NVMe SSD上测试FIO时，建议在FIO配置中使用多个Jobs。

据观察，在测试多个NVMe SSD时，FIO（启用了SPDK plugin）和SPDK perf（examples/nvme/perf/perf）之间存在一些性能差距。

如果使用一个配置用于FIO测试的Job（即使用一个CPU核心），则性能比多个NVMe SSD时的SPDK perf（也使用一个CPU核心）差。 但是如果你使用多个Jobs进行FIO测试，FIO的性能就与SPDK perf相当。 在分析了这一现象后，我们认为这是由FIO架构引起的。 主要是FIO可以使用多个线程进行扩展（即使用多个CPU内核），但是对于多个I/O设备时，使用一个线程并不好。

表6.1 四种性能测试工具的比较

七. 常见问题

1. perf的性能比fio高

通过fio与perf对SPDK进行性能评估，得到的结果不同，大部分时候perf所得到的性能会比fio所得到的性能要高。

两种工具最大的差别在于，fio是通过与Linux fio工具进行集成，使其可以用fio_plugin引擎测试SPDK设备。而由于fio本身架构的问题，不能充分发挥SPDK的优势，整个应用框架仍然使用fio原本的架构。例如fio使用Linux的线程模型，在使用的时候，线程仍然被内核调度。而对于perf来说，是针对SPDK所设计的性能测试工具，因此在底层，不仅是I/O通过SPDK下发，同时一些底层应用框架都是为SPDK所设计的。例如刚刚所提到的线程模型，perf中是使用DPDK所提供的线程模型，通过使用CPU的亲和性将CPU核与线程捆绑，不再受内核调度，因此可以充分发挥SPDK下发I/O时的异步无锁化优势。这就是为什么perf所测得的性能要比fio高，尤其是在使用单个线程（单核）同时测试多块盘的情况下，fio所得性能要明显小于perf所得性能。因此，在同等情况下，我们更推荐用户使用perf工具对SPDK进行性能评估。

此外，在多numjob的情况下，fio与perf对iodepth的分配是不同的。通常在fio中，指定的iodepth表示所有job一共的iodepth，而在perf指定的iodepth（perf中-q参数）通常指每个job所使用的iodepth。举例如下：Fio：numjob=4, iodepth=128。则每个job对应的iodepth为32（128/4）。Perf：-c 0xF（相当于fio中numjob=4），-q 128（相当于fio中iodepth=128）。则每个job对应的iodepth为128。

2. 为什么测不出性能差异

对SPDK和内核的性能评估时，虽然性能有所提升，但是没有看到SPDK官方所展示的特别大的性能差异。

首先，如问题1中所述，不同的工具之间所得出的性能结果是不同的，另外最主要的因素还是硬盘本身的性能瓶颈所导致的问题。例如，以2D NAND为介质的Intel DC P4510，本身的性能都存在一定的瓶颈，因此无论是SPDK用户态驱动还是内核驱动，都不会达到较高的IOPS。若换用更高性能的硬盘，例如使用以3D Xpoint为介质的Optane（Intel DC P4800X）为测试对象，便会看到很大的性能差异。因此，硬盘性能越高，SPDK所发挥出的优势越明显，这也是SPDK产生的初衷，其本身就是为高性能硬盘所订制的。

3. 硬盘（iodepth）与CPU core

关于评估不同硬盘的队列深度（iodepth）与CPU core的问题。

通常根据不同硬盘的特点，选择不同的iodepth以及所使用的CPU core。通常在评估以2D NAND、3D NAND介质的硬盘，一般情况下，为了达到磁盘的最高性能，通常会选择较高的iodepth（128或256）。对于P4XXX的硬盘，通常可能一个CPU core无法达到满IOPS，此时并不是由于一个core的能力不够，而是由于硬盘中硬件队列本身限制的问题。因此，通常需使用两个CPU core才能够达到specification中的满IOPS。此外，对于以3D Xpoint为介质的Optane（Intel P4800X），通常只需要一个core并使用较小的iodepth即可达到满IOPS，此时已经达到硬盘的上限，若再次增大iodepth只会是latency变大而IOPS不再增长。

下面给出各种硬盘建议的评估参数：

Intel P4500、Intel P4510、Intel P4600：numjob=2, iodepth=256
Intel Optane(Intel P4800X)：numjob=1, iodepth=8/16/32

4. 写性能虚高

通常以2D NAND、3D NAND为介质的硬盘，在测试write/randwrite的性能时候，通常要比sepcification里的最高值高很多。这是由于这类介质本身的问题，所以在测试时会出现write/randwrite性能虚高的问题。因此在测试该类硬盘，为了避免此类现象，通常需要对磁盘做一次precondition。通常的做法为：在格式化之后，对磁盘不断进行写操作，写满整个磁盘，使其进行稳态。以DC P4510 2TB为例，通常首先以4KB的大小顺序写两小时，之后再随机写一小时。此外，在测试的时候，fio参数中的ramp_time可以设置较大一些，避免初始的虚高值计入最终结果。

5. 磁盘性能测试指标

通常，对于一个磁盘的性能，我们主要从三方面去评估：IOPS、bandwidth、latency。

IOPS：通常评估磁盘的IOPS，主要关注块大小为4k，随机读写的情况。因此，通常fio关键参数设为：

bs=4k
iodepth=128
direct=1
rw=randread/randwrite

Bandwidth：评估磁盘的bandwidth，通常是关注块大小为128k，顺序读写的情况。因此通常fio关键参数设为：

bs=128k
iodepth=128
direct=1
rw=read/write

Latency：评估latency通常情况下，是关注一个I/O发送/完成的延迟情况，因此，通常选择iodepth为1。因此，通常fio关键参数设为：

bs=4k
iodepth=1
direct=1
rw=randread/randwrite

此外，对于latency的结果，不仅要关注平均值，同时也要注意长尾延迟，即99.99%的延迟情况。

注意：通常在测试磁盘的性能时，要添加direct=1,即绕过系统的cache buffer。这时测得的性能为裸盘的性能。

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