IOPS چیست و چرا در انتخاب سرور اهمیت دارد؟

هنگام راه‌اندازی یا ارتقای یک زیرساخت پردازشی، بسیاری از مدیران شبکه و توسعه‌دهندگان تمرکز اصلی خود را روی تعداد هسته‌های پردازنده و میزان حافظه رم می‌گذارند. بااین‌حال، در سناریوهای واقعی بارها پیش می‌آید که یک سرور با وجود بهره‌مندی از پردازنده قدرتمند و چندین گیگابایت رم، هنگام مواجهه با بارهای کاری سنگین یا پایگاه‌های داده پرترافیک دچار کندی شود. در چنین شرایطی، گلوگاه اصلی سیستم ممکن است نه پردازنده و نه حافظه، بلکه عملکرد لایه ذخیره‌سازی باشد. اینجا است که شاخصی کلیدی به نام IOPS در ارزیابی تجهیزات ذخیره‌سازی و انتخاب سرور مناسب اهمیت پیدا می‌کند.

ارزیابی عملکرد لایه ذخیره‌سازی بدون شناخت شاخص‌های سنجش آن امکان‌پذیر نیست. اگرچه پارامترهایی مانند سرعت انتقال داده برای کاربران عمومی شناخته‌شده‌تر هستند، اما در تجهیزات سروری و بارهای کاری سازمانی، تعداد عملیاتی که یک سیستم ذخیره‌سازی می‌تواند در هر ثانیه انجام دهد نیز اهمیت زیادی دارد. در این مقاله به بررسی مفهوم IOPS، عوامل مؤثر بر آن، تفاوت آن با سرعت انتقال داده و نقش این شاخص در بارهای کاری مختلف می‌پردازیم.

IOPS چیست؟

IOPS مخفف عبارت Input/Output Operations Per Second و به معنای تعداد عملیات ورودی و خروجی در هر ثانیه است. این معیار نشان می‌دهد یک تجهیز ذخیره‌سازی یا آرایه‌ای از دیسک‌ها در شرایط آزمایش مشخص، در هر ثانیه چه تعداد عملیات خواندن یا نوشتن را می‌تواند انجام دهد. برخلاف سرعت انتقال داده که معمولاً با واحدهایی مانند مگابایت یا گیگابایت بر ثانیه سنجیده می‌شود و حجم داده منتقل‌شده در واحد زمان را نشان می‌دهد، IOPS بر تعداد عملیات ورودی و خروجی تمرکز دارد.

عملیات ورودی و خروجی شامل خواندن داده‌ها (Read) و نوشتن داده‌ها (Write) می‌شود. برای درک بهتر این مفهوم، یک مرکز پست را در نظر بگیرید که در آن ممکن است یک بسته بزرگ یا تعداد زیادی پاکت کوچک در مدت مشخص جابه‌جا شود. Throughput بیشتر به حجم کل داده جابه‌جاشده توجه دارد، درحالی‌که IOPS تعداد عملیات انجام‌شده را اندازه‌گیری می‌کند. به همین دلیل، یک حافظه با IOPS بالا می‌تواند در بارهای کاری متشکل از درخواست‌های کوچک و متعدد عملکرد مناسبی داشته باشد.

IOPS چگونه اندازه‌گیری می‌شود؟

مقدار IOPS یک عدد ثابت و مستقل از شرایط نیست و به عوامل مختلفی بستگی دارد. اندازه بلوک داده، نوع عملیات، الگوی دسترسی، Queue Depth و نوع بار کاری می‌توانند نتیجه بنچمارک را به‌طور محسوسی تغییر دهند. به همین دلیل، هنگام مقایسه دو حافظه یا دو سرور، صرفاً مقایسه عدد IOPS بدون توجه به شرایط آزمایش می‌تواند گمراه‌کننده باشد.

حجم بلوک داده (Block Size)

اندازه بلوک داده یکی از مهم‌ترین پارامترهای مؤثر بر نتیجه آزمون IOPS است. در بنچمارک‌های ذخیره‌سازی ممکن است از اندازه‌هایی مانند ۴ کیلوبایت، ۸ کیلوبایت، ۶۴ کیلوبایت یا حتی بزرگ‌تر استفاده شود.

به‌طور کلی، در شرایط آزمایش یکسان، اندازه بلوک کوچک‌تر می‌تواند امکان انجام تعداد بیشتری عملیات در هر ثانیه را فراهم کند؛ درحالی‌که بلوک‌های بزرگ‌تر حجم بیشتری از داده را در هر عملیات منتقل می‌کنند و بیشتر برای بررسی Throughput اهمیت دارند. بنابراین، عدد IOPS بدون ذکر Block Size اطلاعات کاملی درباره عملکرد یک حافظه ارائه نمی‌دهد.

خواندن و نوشتن

عملکرد ذخیره‌سازی در عملیات خواندن (Read IOPS) و نوشتن (Write IOPS) لزوماً یکسان نیست. تفاوت میان این دو به معماری حافظه و نحوه مدیریت عملیات در هر نوع Storage بستگی دارد. برای مثال، در SSDها و NVMeها، کنترلر حافظه، مدیریت فلش، کش و فرایندهای داخلی مربوط به نوشتن می‌توانند روی عملکرد Write IOPS تأثیر بگذارند. در HDDها نیز حرکت هد و چرخش دیسک در عملکرد عملیات خواندن و نوشتن تصادفی نقش مهمی دارند.

به همین دلیل، سازندگان معمولاً Read IOPS و Write IOPS را به‌صورت جداگانه اعلام می‌کنند و هنگام مقایسه دو محصول باید هر دو مقدار را در نظر گرفت.

دسترسی تصادفی و ترتیبی

الگوی دسترسی سیستم به اطلاعات تأثیر مستقیمی بر عملکرد لایه ذخیره‌سازی دارد. در دسترسی ترتیبی (Sequential I/O)، داده‌ها به‌صورت پیوسته و در بخش‌های مجاور ذخیره‌سازی خوانده یا نوشته می‌شوند؛ مانند خواندن یک فایل ویدیویی بزرگ. در مقابل، دسترسی تصادفی (Random I/O) شامل درخواست‌هایی است که به بخش‌های مختلف فضای ذخیره‌سازی ارسال می‌شوند.

بسیاری از بارهای کاری مانند برخی عملیات پایگاه‌های داده، ماشین‌های مجازی و سامانه‌های تراکنشی می‌توانند به Random I/O وابستگی زیادی داشته باشند. به همین دلیل، Random IOPS در این سناریوها اهمیت بالایی دارد. بااین‌حال، نمی‌توان یک اندازه بلوک یا الگوی دسترسی مشخص را برای تمام سرورها به‌عنوان بهترین معیار در نظر گرفت؛ زیرا نوع Workload تعیین می‌کند کدام شاخص اهمیت بیشتری دارد.

تفاوت IOPS با سرعت خواندن و نوشتن چیست؟

یکی از ابهام‌های رایج هنگام انتخاب سرور، اشتباه گرفتن IOPS با سرعت انتقال داده یا همان Throughput است. اگرچه هر دو شاخص برای ارزیابی عملکرد لایه ذخیره‌سازی استفاده می‌شوند، اما عملکرد سیستم را از دو زاویه متفاوت بررسی می‌کنند.

سرعت خواندن و نوشتن که با واحدهایی مانند MB/s یا GB/s اندازه‌گیری می‌شود، حجم داده منتقل‌شده در واحد زمان را نشان می‌دهد. در مقابل، IOPS تعداد عملیات ورودی و خروجی انجام‌شده در هر ثانیه را اندازه‌گیری می‌کند.

برای درک ساده‌تر می‌توان این تفاوت را با یک سیستم حمل‌ونقل مقایسه کرد. یک وسیله نقلیه بزرگ می‌تواند در هر نوبت حجم زیادی از بار را جابه‌جا کند، درحالی‌که وسیله‌ای دیگر ممکن است در مدت مشابه تعداد بیشتری سفر کوتاه انجام دهد. Throughput بیشتر به حجم داده منتقل‌شده توجه دارد، درحالی‌که IOPS تعداد عملیات را نشان می‌دهد.

چه عواملی روی IOPS تأثیر می‌گذارند؟

دستیابی به IOPS بالا به یک عامل واحد وابسته نیست و نتیجه نهایی حاصل تعامل سخت‌افزار، نرم‌افزار و نوع بار کاری است. برای ارزیابی عملکرد ذخیره‌سازی یک سرور باید مجموعه این عوامل را در کنار یکدیگر بررسی کرد.

• نوع حافظه ذخیره‌سازی: نوع Storage یکی از مهم‌ترین عوامل تعیین‌کننده عملکرد است. HDDها به دلیل وجود قطعات مکانیکی و زمان جست‌وجوی هد، در Random I/O معمولاً IOPS بسیار پایین‌تری نسبت به SSDها دارند. SATA SSDها با حذف قطعات مکانیکی عملکرد بسیار بالاتری ارائه می‌کنند و NVMe SSDها نیز با استفاده از رابط PCIe و پروتکل NVMe می‌توانند به IOPS بسیار بالاتری دست پیدا کنند. بااین‌حال، مقدار دقیق IOPS به مدل حافظه، ظرفیت، کنترلر و شرایط آزمایش بستگی دارد.
• تأخیر یا Latency: Latency مدت زمانی است که برای انجام یک عملیات I/O لازم است و معمولاً با میلی‌ثانیه یا میکروثانیه اندازه‌گیری می‌شود. کاهش Latency می‌تواند در شرایط مناسب امکان دستیابی به IOPS بالاتر را فراهم کند، اما رابطه میان این دو به Queue Depth و نوع Workload نیز وابسته است.
• صف درخواست‌ها (Queue Depth): Queue Depth مشخص می‌کند چه تعداد درخواست I/O به‌صورت هم‌زمان در صف پردازش قرار دارند. افزایش Queue Depth در برخی شرایط می‌تواند باعث استفاده بهتر از ظرفیت ذخیره‌سازی و افزایش IOPS شود، اما افزایش بیش از حد آن معمولاً باعث افزایش Latency می‌شود و لزوماً به عملکرد بهتر منجر نخواهد شد.
• نوع Workload: نوع بار کاری تأثیر زیادی بر IOPS دارد. یک سیستم با بار خواندن تصادفی، رفتار متفاوتی نسبت به سیستمی دارد که بیشتر عملیات ترتیبی یا نوشتن را انجام می‌دهد. به همین دلیل، IOPS یک Storage در یک Workload ممکن است با مقدار آن در Workload دیگر تفاوت قابل‌توجهی داشته باشد.
• RAID و معماری Storage: استفاده از RAID می‌تواند عملکرد ذخیره‌سازی را تغییر دهد. RAID 0 با توزیع داده میان چند دیسک می‌تواند در شرایط مناسب عملکرد خواندن و نوشتن را افزایش دهد. در مقابل، RAID 5 و RAID 6 به دلیل نیاز به محاسبه و به‌روزرسانی Parity، به‌ویژه در Random Write، دارای Write Penalty هستند و عملکرد نوشتن آن‌ها می‌تواند نسبت به برخی آرایش‌های دیگر پایین‌تر باشد.

IOPS چرا برای دیتابیس اهمیت زیادی دارد؟

پایگاه‌های داده یکی از مهم‌ترین بارهای کاری هستند که می‌توانند به عملکرد سریع ذخیره‌سازی نیاز داشته باشند. سامانه‌هایی مانند MySQL، PostgreSQL و Microsoft SQL Server در بسیاری از سناریوها با تعداد زیادی عملیات خواندن و نوشتن مواجه هستند. سیستم‌هایی مانند Elasticsearch نیز بسته به نوع استفاده و ساختار داده می‌توانند بار قابل‌توجهی روی Storage ایجاد کنند.

زمانی که کاربر یا برنامه‌ای درخواست اطلاعات ارسال می‌کند، پایگاه داده ممکن است نیاز داشته باشد Indexها را بررسی کند، داده‌ها را از Storage بخواند یا تغییرات جدید را روی دیسک ثبت کند. بخشی از این عملیات می‌تواند شامل درخواست‌های کوچک و تصادفی باشد. اگر Storage نتواند این درخواست‌ها را با سرعت مناسب پردازش کند، درخواست‌ها در صف قرار می‌گیرند، Latency افزایش پیدا می‌کند و زمان اجرای Queryها بالا می‌رود.

بنابراین، در پایگاه‌های داده پرتراکنش، عملکرد Storage می‌تواند یکی از عوامل مهم در زمان پاسخ‌گویی باشد. البته عملکرد نهایی دیتابیس تنها به IOPS وابسته نیست و عواملی مانند CPU، RAM، Cache، طراحی Query و ساختار Indexها نیز نقش مهمی دارند.

چه نوع کسب‌وکارها و پروژه‌هایی به IOPS بالا نیاز دارند؟

همه پروژه‌ها به IOPS بسیار بالا نیاز ندارند و انتخاب Storage باید بر اساس Workload واقعی انجام شود. بااین‌حال، برخی پروژه‌ها به دلیل تعداد زیاد درخواست‌های هم‌زمان و عملیات خواندن و نوشتن کوچک، بیشتر از سایرین به عملکرد بالای ذخیره‌سازی نیاز دارند.

• فروشگاه‌های اینترنتی پرترافیک: فروشگاه‌های آنلاین در زمان کمپین‌ها و تخفیف‌ها ممکن است با تعداد زیادی درخواست هم‌زمان برای مشاهده محصولات، بررسی موجودی و ثبت سفارش مواجه شوند. در چنین شرایطی، عملکرد مناسب Storage می‌تواند به کاهش زمان پاسخ‌گویی کمک کند.
• سیستم‌های مالی و تراکنشی: سامانه‌های پردازش تراکنش‌های مالی به عملکرد پایدار و قابل پیش‌بینی Storage نیاز دارند؛ زیرا تعداد زیادی عملیات خواندن و نوشتن می‌تواند به‌صورت هم‌زمان انجام شود.
• اپلیکیشن‌های SaaS: سرویس‌هایی که به‌صورت ابری به کاربران و شرکت‌های متعدد خدمات ارائه می‌دهند، ممکن است با تعداد زیادی درخواست I/O کوچک و هم‌زمان مواجه شوند.
• پایگاه‌های داده بزرگ: پایگاه‌های داده‌ای که حجم زیادی از عملیات خواندن و نوشتن تصادفی دارند، معمولاً از Storageهایی با IOPS و Latency مناسب سود می‌برند.
• زیرساخت‌های مجازی‌سازی: سرورهایی که میزبان تعداد زیادی ماشین مجازی هستند، درخواست‌های I/O چندین ماشین را به‌صورت هم‌زمان روی Storage ارسال می‌کنند. به همین دلیل، عملکرد ذخیره‌سازی می‌تواند به یکی از عوامل مهم در عملکرد کلی زیرساخت تبدیل شود.
• سیستم‌های ERP و CRM سازمانی: سامانه‌هایی که کاربران زیادی به‌صورت هم‌زمان در آن‌ها اطلاعات را ثبت، ویرایش یا بازیابی می‌کنند، ممکن است به Storage با توان عملیاتی مناسب نیاز داشته باشند.

برای انتخاب سرور چقدر باید به IOPS توجه کنیم؟

سنجش نیاز پروژه به عملکرد ذخیره‌سازی یکی از مراحل مهم هنگام خرید یا اجاره زیرساخت است. بی‌توجهی به این موضوع می‌تواند باعث شود بخش زیادی از هزینه صرف سخت‌افزاری شود که با Workload واقعی پروژه تناسب ندارد یا برعکس، Storage انتخاب‌شده در زمان افزایش بار کاری به گلوگاه تبدیل شود.

هنگام بررسی مشخصات فنی یک سرور، نباید تنها به عنوان‌هایی مانند SSD یا NVMe توجه کرد. مدل دقیق Storage، نوع NAND، کنترلر، ظرفیت، نوع RAID و شرایطی که اعداد IOPS در آن اندازه‌گیری شده‌اند، همگی اهمیت دارند. برای مثال، دو سرور با پردازنده و میزان رم یکسان ممکن است به دلیل استفاده از Storageهای متفاوت، عملکرد کاملاً متفاوتی در اجرای پایگاه داده یا ماشین‌های مجازی داشته باشند.

همچنین بهتر است هنگام انتخاب زیرساخت، رشد آینده پروژه را در نظر بگیرید. اگر احتمال افزایش تعداد کاربران یا حجم عملیات وجود دارد، Storage انتخاب‌شده باید ظرفیت و عملکرد کافی برای پاسخ‌گویی به این رشد را داشته باشد. برای پروژه‌هایی با بار کاری سنگین دیتابیسی، ماشین‌های مجازی متعدد یا پردازش‌های پرتراکنش، بررسی گزینه‌های خرید سرور اختصاصی ایران با Storage سریع و متناسب با Workload می‌تواند به جلوگیری از ایجاد گلوگاه در عملکرد سیستم کمک کند.

چگونه میزان IOPS موردنیاز پروژه را تخمین بزنیم؟

برای تخمین نیاز واقعی به IOPS بهتر است به جای استفاده از یک عدد عمومی، ابتدا Workload پروژه را بررسی کنید. این کار به انتخاب دقیق‌تر Storage و جلوگیری از هزینه‌های غیرضروری کمک می‌کند.

• شناسایی نوع بار کاری (Workload): مشخص کنید پروژه بیشتر خواندن‌محور است یا نوشتن‌محور و عملیات آن بیشتر به‌صورت ترتیبی انجام می‌شوند یا تصادفی.
• بررسی تعداد درخواست‌های هم‌زمان: تعداد کاربران، سرویس‌ها و درخواست‌های هم‌زمانی را که به Storage ارسال می‌شوند بررسی کنید.
• تعیین نسبت Read به Write: مشخص کردن نسبت تقریبی خواندن و نوشتن، مانند ۸۰ درصد Read و ۲۰ درصد Write، می‌تواند در انتخاب Storage و پیکربندی RAID مفید باشد.
• بررسی اندازه بلوک داده: اندازه عملیات I/O را در Workload واقعی یا تست موردنظر مشخص کنید. ابزارهایی مانند FIO و Iometer امکان اجرای آزمون‌های مختلف با Block Size و الگوهای دسترسی مشخص را فراهم می‌کنند.
• عدم اتکا به یک عدد بنچمارک: اعداد اعلام‌شده توسط سازندگان معمولاً در شرایط آزمایش کنترل‌شده به دست می‌آیند و الزاماً عملکرد Storage در Workload واقعی شما را نشان نمی‌دهند. هنگام مقایسه، باید شرایط آزمایش، اندازه بلوک، Read/Write Mix و Queue Depth را نیز بررسی کنید.
• در نظر گرفتن رشد پروژه: Storage را صرفاً بر اساس بار فعلی انتخاب نکنید. ظرفیت و توان عملیاتی موردنیاز در آینده نیز باید در تصمیم‌گیری لحاظ شود.

آیا IOPS بالا همیشه به معنی عملکرد بهتر است؟

پاسخ کوتاه به این پرسش «خیر» است. IOPS بالا به‌تنهایی تضمین‌کننده عملکرد بهتر یک Storage یا سرور نیست. برای ارزیابی واقعی باید IOPS را در کنار Latency، Throughput، نوع Workload و سایر اجزای زیرساخت بررسی کرد.

عملکرد نهایی یک سرور حاصل هماهنگی میان چندین بخش است:

• پردازنده (CPU) و حافظه (RAM): اگر پردازنده یا حافظه برای Workload موردنظر کافی نباشد، افزایش توان Storage لزوماً باعث افزایش عملکرد کلی سیستم نمی‌شود.
• تأخیر شبکه (Network Latency): در سرویس‌هایی که به شبکه وابسته هستند، Latency بالای شبکه می‌تواند زمان پاسخ نهایی را افزایش دهد؛ بنابراین IOPS بالاتر همیشه به معنای تجربه کاربری سریع‌تر نیست.
• بهینه‌سازی نرم‌افزار و پایگاه داده: Queryهای غیربهینه، Indexگذاری نامناسب، Cache ضعیف یا معماری نادرست نرم‌افزار می‌توانند عملکرد سیستم را محدود کنند، حتی اگر Storage از IOPS بالایی برخوردار باشد.

بنابراین، IOPS باید به‌عنوان یکی از شاخص‌های مهم عملکرد Storage در نظر گرفته شود، نه تنها معیار ارزیابی کیفیت زیرساخت.

ارزیابی نهایی لایه ذخیره‌سازی

IOPS یکی از شاخص‌های مهم برای سنجش توانایی یک سیستم ذخیره‌سازی در انجام عملیات ورودی و خروجی در واحد زمان است. این شاخص در بارهای کاری مانند پایگاه‌های داده، ماشین‌های مجازی و سامانه‌های تراکنشی اهمیت زیادی دارد؛ اما مقدار IOPS بدون در نظر گرفتن اندازه بلوک، الگوی دسترسی، نسبت Read به Write، Queue Depth و Latency نمی‌تواند تصویر کاملی از عملکرد Storage ارائه دهد.

برای انتخاب سرور مناسب، ابتدا باید Workload واقعی پروژه را شناخت و سپس Storage را بر اساس نیاز همان Workload انتخاب کرد. در برخی پروژه‌ها Throughput بالا اهمیت بیشتری دارد و در برخی دیگر، IOPS و Latency پایین نقش تعیین‌کننده‌تری دارند. در نهایت، بهترین زیرساخت زمانی شکل می‌گیرد که پردازنده، حافظه، شبکه و لایه ذخیره‌سازی متناسب با نیاز واقعی پروژه انتخاب و به‌صورت یکپارچه ارزیابی شوند.