IOPS چیست؟ بررسی کامل و نحوه اندازه‌گیری در کاربردهای عملی

IOPS چیست ؟

این پرسشی است کلیدی برای درک عملکرد واقعی سیستم‌های ذخیره‌سازی. IOPS (Input/Output Operations Per Second) معیاری است که تعداد عملیات ورودی و خروجی (خواندن و نوشتن) را که یک دستگاه ذخیره‌سازی در یک ثانیه می‌تواند انجام دهد، به‌دقت نشان می‌دهد. این معیار به ویژه برای ارزیابی عملکرد پایگاه‌داده، ماشین‌های مجازی یا فایل‌سرورها اهمیت دارد.

مفهوم و انواع IOPS

وقتی می‌پرسیم IOPS چیست؟ منظور ما شمارش تعداد I/Oهای تصادفی یا ترتیبی است که سیستم ذخیره‌سازی می‌تواند در یک ثانیه پردازش کند.

• IOPS تصادفی (Random): عملیات روی بلوک‌هایی که موقعیت آنها پیش‌بینی‌پذیر نیست، مانند دیتابیس‌ها یا فایل‌سرورها.
• IOPS ترتیبی (Sequential): عملیات پشت‌سرهم روی بلوک‌های مرتب.
• کل IOPS یا Total: مجموع IOPS خواندن و نوشتن در الگوهای مختلف.
  در تست‌های مرسوم، اندازه payload اغلب ۴KiB انتخاب می‌شود، هرچند IOPS به‌خودی‌خود استاندارد دقیقی ندارد.

چرا باید بدانیم IOPS چیست؟ اهمیت این معیار

عبارت IOPS چیست؟ اهمیت ویژه‌ای دارد چون عملکرد سیستم ذخیره‌سازی را در برابر حجم زیادی از درخواست‌ها نشان می‌دهد. در workloads تصادفی کوچک مانند VM، دیتابیس، یا فایل‌سرورها، IOPS نقش تعیین‌‌کننده دارد.

در بسیاری از مواقع، throughput (میزان داده بر ثانیه) به‌تنهایی کافی نیست، بلکه IOPS بالا موجب پاسخگویی بهتر، latency کمتر و عملکرد روان‌تر می‌شود. ترکیب IOPS، throughput و latency، تصویری جامع از کیفیت عملکرد سیستم ارائه می‌دهد

عوامل مؤثر بر IOPS

برای پاسخ به این پرسش که IOPS چیست؟ باید بدانیم چه عملیاتی آن را تحت تأثیر قرار می‌دهند:

• Block Size: اندازه بلاک داده—معمولاً ۴KiB برای تست. بلاک‌های کوچک‌تر = IOPS بیشتر اما overhead بیشتر
• Queue Depth یا عمق صف: تعداد درخواست‌های همزمان باز؛ عمق بیشتر ظرفیت IOPS را افزایش می‌دهد
• نوع ذخیره‌سازی: HDD معمولی صدها تا چند هزار IOPS، در حالی که SSD/NVMe سدها تا صدها هزار IOPS ارائه می‌کنند
• RAID level: RAID0 برای سرعت، RAID10 برای ترکیب سرعت و ایمنی، RAID5/6 برای ایمنی بیشتر ولی نوشتن کندتر .
• IO controller و CPU: کنترلر سریع و پردازنده قدرتمند به‌طور مستقیم IOPS را افزایش می‌دهند

ابزارهای متداول اندازه‌گیری IOPS

برای فهم دقیق اینکه IOPS چیست؟ نیاز به ابزارهای استاندارد داریم. برخی ابزارهای حرفه‌ای عبارت‌اند از:

• Iometer: ابزار بنچمارک اوپن‌سورس ساخته‌شده توسط Intel، تست IOPS را با تنظیم read/write mix با عمق صف قابل کنترل انجام می‌دهد
• fio: ابزار خط فرمان لینوکس و Windows با قابلیت استخراج دقیق IOPS، latency و throughput
• DiskSpd: ابزار Microsoft برای Windows با انعطاف در حالت‌های تست و گزارش نتایج IOPS
• ابزارهای لینوکس مانند iostat, ioping, sysbench نیز قابل استفاده هستند.

نحوه محاسبه IOPS

در تست اولیه، IOPS چیست؟ = تعداد کل عملیات I/O خواندن و نوشتن تقسیم بر مدت تست (ثانیه). به عنوان مثال، اگر ۵۰۰۰ عملیات در ۱۰ ثانیه اجرا شود، IOPS برابر ۵۰۰ خواهد بود

برای دقت بیشتر چند مرحله:

1. انتخاب بلاک سایز مثلا ۴KiB
2. تعیین read/write mix و عمق صف
3. اجرای ابزار برای حدود ۱ تا ۵ دقیقه
4. گزارش میانگین، min/max IOPS و latency

IOPS در HDD در برابر SSD

حالا ببینیم IOPS چیست؟ برای HDD و SSD:

• HDD: عملکرد بستگی به سرعت چرخش (مثلا 7200RPM)، مکانیکی بودن و seek time دارد. معمولاً IOPS خواندن تصادفی در حدود ۱۰۰–۲۰۰ IOPS.
• SSD/NVMe: اولاً نیاز به حرکت مکانیکی ندارند، پس IOPS بالا دارند—از چند ده هزار تا بیش‌ از ۴۴۰,۰۰۰ IOPS برای مدل‌هایی مثل Samsung 960 PRO.

IOPS، throughput و latency به‌طور هم‌زمان

برای درک کامل اینکه IOPS چیست؟ باید آن را همراه با throughput (میزان داده در ثانیه) و latency (زمان پاسخ به یک عملیات) بررسی کرد:

• IOPS: تعداد عملیات
• Throughput: داده منتقل‌شده (MB/s یا GB/s)
• Latency: زمان پاسخ به هر I/O (ms)

یک تست خوب شامل خواندن تصادفی با عمق صف بالا است که ترکیب IOPS بالا، latency کم و throughput مناسب را بررسی می‌کند. اگر فقط یک درخواست داده ارسال شود، عدد IOPS پایین خواهد بود و تصویر واقعی عملکرد نیست

کاربردهای عملی IOPS

1. فایل‌سرورها: در فایل‌سرورهای سازمانی که بارهای خواندن/نوشتن تصادفی زیاد دارند، IOPS بالا باعث پاسخ‌گویی روان‌تر کاربر می‌شود. IOPS چیست؟ در چنین محیط‌هایی باید با بلاک سایز ۴KiB اندازه‌گیری شود.
2. مجازی‌سازی: هر ماشین مجازی درخواست‌های I/O دارد، ترکیب VMها می‌تواند نیاز IOPS واقعی را بالا ببرد.
3. پایگاه‌داده: پایگاه‌های SQL/NoSQL به IOPS بالا برای تراکنش‌های کوچک، مهم پایبند هستند.

بر اساس تست‌هایی در محیط واقعی، حتی فایل‌سرور SMB متوسط به ۳۰ تا ۸۰ IOPS مداوم نیاز دارد تا بدون تأخیر کار کند

در برخی تست‌ها کاربران گزارش کرده‌اند که در یک خوشه با ۲۴ SSD، نرخ IOPS نهایی حدود ۷۰٬۰۰۰ IOPS با fio یا diskspd بوده که با RAID10 افزایش بیشتر نیز دارد

روش‌های افزایش IOPS

برای بهبود عملکرد و پاسخ به پرسش IOPS چیست؟ و چگونه آن را بالا ببریم:

1. استفاده از SSD یا NVMe به جای HDD
2. انتخاب RAID مناسب (مثلاً RAID10 برای ترکیب سرعت و redundancy)
3. تنظیم بلاک سایز مناسب (عموماً ۴KiB برای workload تصادفی)
4. افزایش queue depth و استفاده از کنترلرهای I/O کارآمد
5. بروز نگه‌داشتن firmware و درایورها تا از throttling جلوگیری شود
6. ابزارهای مانیتورینگ مانند iostat, fio, DiskSpd یا Performance Monitor برای پایش IOPS/latency/throughput

مطالعه موارد واقعی و اعداد IOPS

برخی نمونه‌های عملی:

• تست Intel X25-M SSD در ۴KiB random I/O با Iometer حدود ۸٬۰۰۰ تا ۳۵٬۰۰۰ IOPS واقعی نشان داد. حتی در حالت steady-state، IOPS ثابت در محدوده ۳٬۰۰۰–۴٬۰۰۰ بود
• SSDهای مدرن مانند Samsung 960 EVO/PRO تا ۳۳۰٬۰۰۰–۴۴۰٬۰۰۰ IOPS در شرایط QD16 ارائه می‌دهند.
• سیستم‌های enterprise مانند کلاستر NetApp یا EMC DSSD تا میلیون‌ها IOPS در SPECsfs2008 ثبت کرده‌اند، اما این‌ها در مقیاس دیتاسنتر هستند

ارائه چک‌لیست اندازه‌گیری IOPS

برای پیاده‌سازی حرفه‌ای:

• تعیین هدف workload (مثلاً فایل‌سرور، VM، دیتابیس)
• انتخاب ابزار مناسب (fio، DiskSpd، iometer)
• تنظیم بلاک ۴KiB، queue depth مناسب، mix read/write متناسب
• اجرای تست حداقل ۱ تا ۵ دقیقه برای آمادگی لرزش و preconditioning
• گزارش IOPS متوسط، max/min، latency و throughput
• مقایسه با اعداد تئوری یا vendor برای ارزیابی فاصله عملکرد

پیوستگی مفهومی IOPS در دنیای ذخیره‌سازی مدرن

وقتی بررسی می‌کنیم IOPS چیست؟ باید به این نکته توجه داشت: IOPS به خودی خود نشان‌دهنده عملکرد کامل نیست، بلکه وقتی در کنار latency و throughput قرار می‌گیرد، تصویر کامل مشخص می‌شود. سیستم‌های مدرن storage مانند NVMe over Fabrics، RAID های Flash، و cluster storage با استفاده از IOPS بالا و latency پایین، پردازش‌های real-time و زیرساخت ابری را تسهیل می‌کنند.

نقش IOPS در انتخاب سخت‌افزار سرور

در زمان تهیه سرور همانند سرور hpe ، یکی از فاکتورهای حیاتی در انتخاب زیرساخت ذخیره‌سازی، ارزیابی IOPS مورد نیاز بر اساس نوع بار کاری (Workload) است. پرسش اصلی همچنان پابرجاست: IOPS چیست؟ و چگونه این عدد می‌تواند بر انتخاب تجهیزات اثرگذار باشد؟

مثلاً یک سرور فایل سازمانی با ۵۰ کاربر هم‌زمان، با حجم فعالیت بالا، ممکن است به طور میانگین به ۱۰۰۰ تا ۱۵۰۰ IOPS نیاز داشته باشد. اگر برای این سرور تنها یک یا دو هارد مکانیکی 7200RPM استفاده شود، پاسخگویی سیستم کند خواهد بود. در این شرایط استفاده از هارد سرور SSD SATA یا حتی NVMe ضروری می‌شود.

برخی از تنظیمات پیشنهادی برای بارهای متفاوت:

توجه به IOPS چیست؟ در طراحی معماری شبکه و دستگاه سرور کمک می‌کند زیرساختی پایدار و قابل توسعه طراحی شود.

تفاوت IOPS تئوریک و واقعی

در مشخصات فنی بسیاری از تجهیزات ذخیره‌سازی، مخصوصاً هارد سرور SSD و NVMe، مقادیر IOPS بسیار بالا ذکر می‌شود. اما باید توجه داشت که این اعداد معمولاً تحت شرایط کاملاً ایده‌آل آزمایشگاهی اندازه‌گیری شده‌اند.

برای مثال:

• یک NVMe PCIe Gen4 با ظرفیت 1 ترابایت ممکن است در تبلیغات تا 700,000 IOPS ذکر شده باشد.
• در تست‌های واقعی (مثلاً در محیط Windows با عمق صف ۱۶ و بلوک ۴KiB)، حداکثر IOPS به 400,000 تا 500,000 می‌رسد.

اینجاست که تفاوت اصلی بین «IOPS تئوریک» و «IOPS واقعی» مشخص می‌شود و بار دیگر این پرسش مطرح می‌شود: IOPS چیست؟ عددی در بروشور سازنده یا عملکرد واقعی در میدان عمل؟

تجربه کاربران حرفه‌ای در فروم‌هایی مانند Reddit یا Proxmox نشان می‌دهد که انتخاب درست queue depth، block size و mix صحیح read/write تأثیر مستقیمی بر واقع‌گرایانه بودن نتایج دارد.

سنجش IOPS در محیط‌های مجازی و ابری

در محیط‌های مجازی مانند VMware ESXi، Hyper-V، یا KVM، درک اینکه IOPS چیست؟ حیاتی‌تر از همیشه است، چون چندین VM روی یک لایه ذخیره‌سازی مشترک اجرا می‌شوند.

مثال:

• یک VM پایگاه‌داده ممکن است به تنهایی 2000 IOPS بخواهد.
• اگر 10 VM مشابه هم‌زمان کار کنند، زیرساخت باید تا 20,000 IOPS را پشتیبانی کند.

در فضای ابری نیز، بسیاری از سرویس‌های ذخیره‌سازی مانند Amazon EBS، Google Persistent Disk، یا Azure Disks، بر اساس IOPS محدودیت تعریف می‌کنند.

در این سرویس‌ها نیز مفهومی مانند IOPS چیست؟ مبنای طراحی و انتخاب پلان ذخیره‌سازی است.

محدودیت‌های IOPS در نرم‌افزار و سیستم‌عامل

اگرچه سخت‌افزار نقش مهمی در تعیین عملکرد دارد، ولی پاسخ به سوال IOPS چیست؟ بدون در نظر گرفتن لایه نرم‌افزار ناقص است. سیستم‌عامل، فایل سیستم (مثل NTFS، ext4، XFS) و حتی نحوه مدیریت Cache و Flush عملیات، می‌توانند عملکرد IOPS را به شدت تحت تأثیر قرار دهند.

مثال:

• در ویندوز، فعال یا غیرفعال بودن write caching می‌تواند نرخ نوشتن تصادفی را تا دو برابر تغییر دهد.
• در لینوکس، پارامترهایی مانند dirty_ratio، IO scheduler و mount options عملکرد را دگرگون می‌کنند.

حتی درایورهای دستگاه‌ها، به‌روزرسانی‌های firmware و تنظیمات BIOS نیز می‌توانند جلوی رسیدن به حداکثر IOPS ممکن را بگیرند.

به همین دلیل، هنگام برنامه‌ریزی برای ارتقای IOPS باید به صورت یکپارچه سخت‌افزار، نرم‌افزار، سیستم‌عامل و حتی ابزارهای مانیتورینگ بررسی شوند.

 تاثیر IOPS بر تجربه کاربری و عملکرد سازمان

در دنیای امروز که عملکرد سیستم‌های اطلاعاتی برای سازمان‌ها حیاتی شده، درک دقیق اینکه IOPS چیست؟ دیگر فقط یک مسئله فنی نیست، بلکه عاملی تعیین‌کننده در کیفیت خدمات، رضایت کاربران و بهره‌وری کلی است.

تصور کنید یک سیستم ERP که تمام پرسنل یک شرکت با آن کار می‌کنند، هنگام ثبت فاکتور یا گزارش‌گیری کند باشد؛ این مسئله مستقیماً به ضعف در پاسخ‌دهی I/O بازمی‌گردد. یا در سناریویی دیگر، سرور فایل سازمانی که کارمندان روزانه ده‌ها فایل سنگین را بارگذاری و دانلود می‌کنند، با تاخیر چندثانیه‌ای مواجه باشد – تمام این‌ها به عملکرد IOPS مربوط است.

بهینه‌سازی IOPS نه‌تنها باعث کاهش زمان پاسخ سیستم می‌شود، بلکه می‌تواند هزینه‌ها را نیز به طور چشمگیری کاهش دهد؛ چرا که بسیاری از کندی‌ها و خرابی‌ها در ذخیره‌سازی، در نهایت منجر به ارتقاءهای غیرضروری یا هزینه‌های پشتیبانی می‌شود.

نتیجه‌گیری

پرسش ساده‌ای که بارها در طول مقاله تکرار شد این بود: IOPS چیست؟

اکنون می‌دانیم که IOPS به‌معنای «تعداد عملیات ورودی/خروجی در ثانیه» است و یکی از مهم‌ترین شاخص‌های سنجش عملکرد تجهیزات ذخیره‌سازی به شمار می‌رود. اما ارزش واقعی این عدد زمانی مشخص می‌شود که آن را در کنار نوع بار کاری، نوع درایو، اندازه بلوک داده، درصد خواندن/نوشتن، و حتی سیستم‌عامل و نرم‌افزارهای در حال اجرا تحلیل کنیم.

خلاصه‌ای از موارد کلیدی که آموختیم:

• IOPS یک شاخص حیاتی برای ارزیابی کارایی دیسک‌ها، SSD و NVMe است.
• افزایش IOPS موجب کاهش تاخیر، افزایش بهره‌وری و رضایت کاربران می‌شود.
• راه‌های اندازه‌گیری IOPS شامل ابزارهای حرفه‌ای در ویندوز و لینوکس هستند.
• همیشه باید بین IOPS تئوریک (تبلیغاتی) و واقعی تفاوت قائل شد.
• در محیط‌های مجازی و ابری، IOPS مبنای تعیین قیمت‌گذاری و تخصیص منابع است.
• ارتقای IOPS بدون بررسی نرم‌افزار، سیستم‌عامل و ساختار فایل سیستم، ناقص خواهد بود.

بنابراین، چه در حال خرید SSD برای سرور باشید و چه طراحی زیرساخت دیتاسنتر، همیشه از خود بپرسید: IOPS چیست و چه مقدار برای کاربرد من کافی است؟ درک و استفاده صحیح از مفهوم IOPS، کلید ساخت زیرساختی پایدار، سریع و اقتصادی است.

دانلود PDF