SPC-1基準性能測試，為何能代表企業(yè)真實需求？

北京2021年9月2日 /美通社/ -- 近期，浪潮信息首席架構師葉毓睿撰寫了一篇關于SPC-1基準性能測試的文章，深度解讀了為何說SPC-1是存儲界“奧林匹克”，以下為文章全文：

全球存儲性能委員會（SPC）是由世界級存儲供應商聯(lián)合組成的一個非盈利機構，是一個專注于存儲行業(yè)供應商性能評測的中立機構。針對存儲行業(yè)的需求和關注，SPC創(chuàng)建了全球第一個存儲行業(yè)標準的性能標準。從組件級評估到完整的存儲系統(tǒng)測量，SPC提供了嚴格的、經(jīng)過審計的、可靠的和可重復驗證的性能度量。

SPC-1基準測試，設計了存儲系統(tǒng)在企業(yè)關鍵業(yè)務應用場景下的負載模型，覆蓋結構化數(shù)據(jù)為主的數(shù)據(jù)庫、電子郵件等在線事務處理（OLTP）應用，其IO模式特征包括讀寫響應時間敏感度、工作負載的多樣性及動態(tài)變化、性能表現(xiàn)長時間穩(wěn)定可靠等共計8種數(shù)據(jù)訪問行為的模擬。

每個測試的存儲型號對應的SPC-1報告都包含兩個版本：Executive Summary（英文縮寫為ES，也即精簡版）和Full Disclosure Report（英文縮寫為FDR，也即完整版），完整版包括了詳細的測試環(huán)境、定義、流程、數(shù)據(jù)表等信息。另外，為了體現(xiàn)公正性和可驗證的特點，SPC官網(wǎng)還提供了報告的支持文件，也即SF，Supporting Files（英文縮寫為SF，也即支持文件）是一個ZIP壓縮包，包括了腳本（如WORKLOAD GENERATOR，工作負載生成器）、配置文件，以及在測量過程中所取得的結果（如摘要、電子表格等）。

SPC-1要求非常嚴格，為了更接近用戶真實使用情況，全球存儲性能委員會在許多細節(jié)上做出了限制。例如，在開始評估性能之前，存儲系統(tǒng)要進行長達8個小時持續(xù)寫入的穩(wěn)定性測試（簡稱長穩(wěn)測試，也即SUSTAIN TEST），避免存儲陣列的緩存命中，或全閃存陣列初次寫入，導致性能虛高。

為了進一步詳細了解這一優(yōu)異性能背后的含義，下面我們會從可靠性、穩(wěn)定性、性能、成本等方面進行剖析。并結合榜單上其他數(shù)據(jù)進行對比分析。

剖析SPC-1組成部分

此次測試采用的是SPC-1較新的版本v3.10，從SPC官方網(wǎng)頁
http://www.spcresults.org/specifications#spc-1
可以下載到2021年1月1日啟用的這個版本的詳細介紹，有105頁。和上次浪潮存儲16控登頂（2020年3月），AS5600G2的752萬IOPS采用的v3.10相比，變化不大。

不過，在2020年5月8日，SPC啟動了一個The SPC-1? Gold Star計劃，詳見
https://www.storageperformance.org/goldstar

Gold Star計劃推動五項新擴展，新的基準擴展提供了對存儲系統(tǒng)支持現(xiàn)代企業(yè)數(shù)據(jù)可管性的關鍵能力的真實評估：

1）數(shù)據(jù)縮減 Data Reduction
2）快照管理 Snapshot Management
3）數(shù)據(jù)復制 Data Replication
4）無縫加密 Seamless Encryption
5）無中斷軟件升級 Non-Disruptive Software Upgrade

以無中斷軟件升級（Non-Disruptive Software Upgrade）為例：無論是計劃內(nèi)的，還是計劃外的，企業(yè)級存儲陣列長期以來一直在努力減少停機時間。任何真正尋求盡量減少停機時間的陣列的一個關鍵特性，都是能夠在保持數(shù)據(jù)訪問的同時，升級陣列上的軟件。這種擴展需要在中等負載下進行成功地、無中斷地升級。

為了突出顯示其SPC-1性能指標和執(zhí)行所需全面擴展的額外任務能力，如果測試廠商通過了這些新擴展的基準測試，SPC允許用SPC-1 Gold Star Logo（也即金星標志）來公布測試報告。

也就是可以將上圖的左上角替換成上面帶有金黃色弧圈的金星標志 。

下面詳細剖析SPC-1規(guī)范中對可靠性、性能、可用性和成本價格等多個維度的評估標準。

其一，可靠性。

在整個測試過程中，多個階段都會檢驗數(shù)據(jù)的一致性。例如初始化階段、SPC度量階段（Primary Metrics Test Phases）、關電重啟再校驗數(shù)據(jù)的一致性，確保存儲能夠經(jīng)受高可靠性的嚴格測試。

SPC-1還要求合規(guī)的TSC能夠防止單點故障。并明確提出：任何存儲設備在TSC中的單點故障，都不要用戶干預，來恢復對基準數(shù)據(jù)庫的訪問；任何組件在TSC中的單點故障，都不要用戶干預，來恢復對基準數(shù)據(jù)庫的訪問。

備注：TSC指Tested Storage Configuration，用于測試的存儲的配置。

其二，IOPS。

SPC-1 IOPS是一個科學的、但又復雜的I/O模型的負載組合。參與廠商需要對自己的存儲有著深入的了解，先預估出比較合理的性能高峰值。然后再根據(jù)這個值，運行SPC-1的I/O模型，檢驗在延時、可靠性、擴展性等基準測試的約束下是否能夠符合要求。如果不符合，再去調(diào)整性能高峰值。

備注：在SPC規(guī)范里特別強調(diào)，所有特殊的基準測試，也即用來改進測試結果，但如果不是普遍的、真實世界的性能實現(xiàn)，都是禁止的。如果詳細剖析I/O模型，我們會發(fā)現(xiàn)其測試負載組合模擬了用戶的各種常用業(yè)務場景，因此是科學的、全面的。

如果預估值是2300萬IOPS，那么負載百分比（Load Percentage）為100的時候，壓測的性能就是按照2300萬IOPS準備的。例如下表的RAMPD_100、SUSTAIN、RAMPU_100、REPEAT_1_100、REPEAT_2_100。而RAMPD_10對應的Load Percentage是10，也就意味著這個Test Group的壓測按照10%，也即230萬IOPS準備。

浪潮存儲根據(jù)SPC Benchmark Official Specification，制作了一份簡單易懂的表格，如下圖。三個ASU的讀負載總和為39.44%，寫負載總和為60.56%，兩者之和為100% 。

三個ASU（Application Storage Units，業(yè)務應用存儲單元），分別提供45%、45%、10% 存儲空間比例，總和為100%。每個ASU有著不同的IO流，ASU 1是Data Store，例如它的第三類IO流（其實就是混合負載SMIX），也即上面表格中字段名為“IO塊大小”，對應的記錄為ASU1的第三行，它的IO塊大小不是固定的，從下表能看出，它是從8個block到128個block不同Transfer Size的組合，意味著IO塊大小是從4k到64k，根據(jù)下面轉載表格提供的Size大小及百分比，不難算出SMIX負載的平均IO大小為14.4KB。

不同ASU的不同IO流，都有著各自的流負載，并規(guī)定了讀寫比例。所有IO流（總共8種）的讀負載總和與寫負載總和之和為100% 。

下面再詳細列舉一下ASU 1的四類I/O數(shù)據(jù)流：

作為Data Store的ASU 1的IO讀較多、寫較少。其他ASU，如做為User Store的ASU 2的IO讀較少、寫較多；而作為Log/Sequential Write的ASU 3，是100%的寫。這樣，就能比較全面的覆蓋用戶各種常用業(yè)務場景。ASU 2和ASU 3的IO流細節(jié)依次如下：

其三，延時。延時方面的指標至少有三個。

一是平均延時，也即SPC-1 IOPS Response Time。一般各個IT廠商新聞類文章里提到的延時就是這個。例如2020年3月，浪潮存儲AS5600G2獲得752萬IOPS、0.472毫秒；以及2021年8月，浪潮高端全閃HF18000G5獲得2300萬IOPS、0.294毫秒（低于0.3ms）。

二是延時帶寬對比圖，也即Response Time vs. Throughput Graph。

坐標軸的橫軸是從RAMPD_10到RAMPD_100的6個IOPS取樣點，縱軸是平均響應時間，例如預估性能最高值是2300萬IOPS，取樣點則包括230萬IOPS（也即RAMPD_10）、1150萬（RAMPD_50）、1840萬（RAMPD_80）、2070萬（RAMPD_90）、2185萬（RAMPD_95）和2300萬IOPS（RAMPD_100），坐標軸的縱軸對應的延時毫秒值。

隨著測試負載的增加，如果平均延遲呈線性，或者緩慢增加，并未出現(xiàn)陡增的拐點，意味著存儲系統(tǒng)穩(wěn)定性和潛力較好。例如下圖，浪潮高端全閃HF18000G5的表現(xiàn)優(yōu)異。

三是總體響應時間，也即Overall Response Time。

SPC-1的總體響應時間的計算公式如下，它采用類似方差的方式，通過計算相鄰IOPS取樣點之間延時的差異，來評估總體延時的波動或偏離程度。如上圖黃色間斷線所示。

其四，穩(wěn)定性。

長穩(wěn)測試階段證明了連續(xù)測量期間，最大的可持續(xù)I/O請求至少需要8小時。其目的是，能夠容易為客戶、顧問或業(yè)內(nèi)廠商證明SPC-1 IOPS的結果，在需要長期I/O請求的業(yè)務系統(tǒng)環(huán)境中，能夠保持長期持續(xù)穩(wěn)定的性能。

此測試階段計算的I/O請求吞吐量必須在報告的SPC-1 IOPS 結果的5%以內(nèi)浮動。從OLTP類應用的需求考慮，延遲小于30毫秒才算通過；不過，大多數(shù)送測廠商會覺得超過2毫秒，甚至超過1毫秒就無法接受了。

長穩(wěn)測試階段可以約束報告的SPC-1 IOPS的結果（也即最大值）。長穩(wěn)測試階段必須在與RAMPD_100測試階段相同的負載水平上運行。

最后，成本。

成本方面的指標至少有兩個。

一方面是性能價格比。SPC-1 PRICE-PERFORMANCE，SPC-1總性價比的計算方式是使用系統(tǒng)總價格除以SPC-1 IOPS，有時衡量單位是$/SPC-1 KIOPS，表示每千個SPCI-1 IOPS的價格。
另一方面是容量價格比。SPC-1 ASU Price定義為總系統(tǒng)價格除以SPC-1 ASU的容量，衡量單位是$/GB。

浪潮高端全閃  SPC-1實際報告解讀

從https://spcresults.org/benchmarks/results/spc1-spc1e可以下載到各個廠商在不同時期的產(chǎn)品測試報告。我們選取幾個重要的報告和信息來進行解讀和比較，以浪潮高端全閃HF18000G5和其他排名靠前的廠商或產(chǎn)品為例。如下圖紅框內(nèi)所示，可單擊下載ES（精簡版，PDF格式）、FDR（完整版，PDF格式）和SF（支持文件，ZIP格式）。

第一，概覽。

在浪潮高端全閃HF18000G5的SPC-1精簡版報告《A32023_ES》這個PDF里，能看到幾乎所有的重要信息。其中包括2300萬（精確值是23001502）的SPC-1 IOPS；SPC-1性能方面的性價比為$375.56/SPC-1 KIOPS（遠好過于總榜第二名，第二名SPC-1 IOPS約為2100萬，該報告對應的文件是A32018_ES.pdf），容量價格比為$10.58/GB。

平均延時SPC-1 IOPS Response Time為0.294毫秒，總體響應時間SPC-1 Overview Response Time為0.246毫秒，整個系統(tǒng)設置為Protected 2，能防止單點故障；數(shù)據(jù)保護方式為RAID 10。

下載浪潮高端全閃HF18000G5的SPC-1完整版報告《A32023_FDR》，這個PDF，可以看到更多詳細信息。

根據(jù)SPC-1 IOPS以及ASU Capacity的配置，并結合SUSTAIN–Data Rate Graph圖表，我們還可以計算出來，在SPC開始統(tǒng)計性能之前，長達8小時的持續(xù)寫入（SUSTAIN 長穩(wěn)測試），使得整個浪潮高端全閃HF18000G5的ASU Capacity的空間，寫入超過20次以上，避免了性能的虛高。

第二，拓撲圖。

從下圖可以看出，浪潮高端存儲采用32個控制器，每個控制器部署10個16Gb FC前端端口，15個1.92TB NVMe SSD和3個375GB Optane SSD。
HF18000G5通過兩臺Inspur FS9620光纖交換機連接到62臺服務器（Inspur NF5280M5）。

第三，成本。

此次浪潮存儲的測試配置還包含了浪潮光纖導向器FS9620。在報告中，我們可以看到“Storage Configuration Pricing”一欄中，總價格包含了FS9620的價格，如下表：

然而，我們看到SPC-1網(wǎng)站中，有些廠商，沒有光纖交換連接的部件，如交換機FC Switch，或者導向器FC Direct的配置和報價。可能使用的是直連方式，因此拉低了系統(tǒng)的總體價格。但用戶需要清楚的是，實際部署這種高性能低延遲的中高端存儲，光纖交換連接的部件是不可或缺的。

每個送測的廠商，都必須在報告的“Storage Configuration Pricing”部分，給出詳細的組件、數(shù)量、價格和整個送測系統(tǒng)的總價。這樣才能確保是性價比，而非僅僅是最高峰性能的比較，這樣對最終用戶更有參考價值。

第四，穩(wěn)定性。

在第一部分“剖析SPC-1測試要素”中已經(jīng)提到：SPC-1 IOPS結果在5%以內(nèi)浮動，多數(shù)送測廠商會努力將延遲做到1毫秒以內(nèi)。

浪潮高端全閃HF18000G5在8個小時的長穩(wěn)測試中表現(xiàn)出色（詳見FDR中SUSTAIN – Response Time Graph圖表），非常平穩(wěn)，近乎一條直線。如下圖，即使是在縱坐標軸非常狹窄的區(qū)域（0到0.6毫秒）的呈現(xiàn)中，波動幅度很小。

SPC-1性能榜單中某TOP 4的其他廠商在8個小時的長穩(wěn)測試中表現(xiàn)抖動。如下圖，測試開始20分鐘左右，突然陡增到約1.65毫秒，正因如此其FDR報告SUSTAIN – Response Time Graph圖表的縱坐標軸的區(qū)域不得不放寬到0到1.8毫秒。

浪潮存儲如何做到穩(wěn)定性，可以在2020-06-28發(fā)表的如下文章找到部分答案。
《登頂SPC-1，兼顧“性能”與“可靠”的雙料王者》
https://mp.weixin.qq.com/s/QA0ZK6ZMGS-gBFONocISsg 

第五，延時。

高IOPS、高并發(fā)，對存儲系統(tǒng)的延時是巨大的挑戰(zhàn)?？梢钥闯黾词乖?300多萬這么高的IOPS下，浪潮高端全閃HF18000G5延時僅0.294毫秒。總體響應時間為0.246毫秒。這一成績比2020年3月，浪潮存儲AS5600G2全閃存的752萬IOPS、0.472毫秒延，有所改善。

小結：報告對比

通過比較才能看出更多信息。我們選取SPC-1中，最近三年內(nèi)，也即從2018年到2021年，并且性能超過1000萬IOPS的存儲，我們發(fā)現(xiàn)僅剩下4個型號，包括浪潮存儲、富士通等，浪潮高端全閃HF18000G5在總IOPS、平均延時、總體響應時間、性能性價比（SPC-1 Price Performance）、單控IOPS、單盤IOPS等方面均排名第一。

總而言之，作為多控制器的高端存儲產(chǎn)品，浪潮高端全閃HF18000G5（32控），在SPC-1性能總榜中位列全球第一。

以下是索引和擴展閱讀：
1、  SPC-1?基準評測性能排名前10的產(chǎn)品報告 
http://www.spcresults.org/benchmarks/results/top10/performance/spc1/3

2、SPC-1官方規(guī)范
http://www.spcresults.org/specifications#spc-1

3、存儲性能委員會 簡介
https://baike.baidu.com/item/%E5%AD%98%E5%82%A8%E6%80%A7%E8%83%BD%E5%A7%94%E5%91%98%E4%BC%9A/23189723?fr=aladdin

作者：浪潮信息首席架構師葉毓睿