Definition

Was sind IOPS?

| Autor / Redakteur: Walter Schadhauser / Rainer Graefen

Die Anzahl von IOPS ist durch viele physikalische Beschränkungen limitiert.
Die Anzahl von IOPS ist durch viele physikalische Beschränkungen limitiert. (Bild: Stock.adobe.com)

Die Geschwindigkeit der Kommunikation zwischen dem Prozessor eines Computers und Ein-/Ausgabeeinheiten wie den Schnittstellen zu den Speichermedien wird in Input/Output Operations per Second, kurz IOPS, gemessen. Doch gemach, die werbewirksam propagierten Messwerte sind eher als theoretische Grenze zu interpretieren, denn realistisch.

Um IOPS zu verstehen wird gerne der Vergleich mit dem Autoverkehr gewählt. Würde man an einer Straße oder einer Autobahn einen Zähler aufstellen, so würde man feststellen, dass sich abhängig von der Anzahl der Fahrspuren (Bandbreite einer Verbindung), der Fahrgeschwindigkeit der Autos (Latenz) und der Nutzlast von PKWs und LKWs (Blöcke) ein unterschiedlicher Durchsatz von Fahrzeugen (IOPS) pro Zeiteinheit ergeben würde. Anschließend müssen die IOPS auch verarbeitet werden, sonst kommt es wie im Straßenverkehr zu einem Stau.

Einige rechnerische Überlegungen

Nimmt man einmal an, dass Im Unternehmen ein Netzwerkkabel mit 1 GBit/s Bandbreite den Computer mit dem Speichersystem verbindet und dass bei jedem Speicherzugriff 4 KByte Daten transportiert werden und die Pakete verzögerungsfrei bereitgestellt werden, dann stellt man schnell fest, dass die Bandbreite des Netzwerkkabels bei rechnerisch 31.250 IOPS vollständig ausgelastet ist. Bei 10 GBit/s-Verbindungen könnten 312.500 IOPS transportiert werden. Um etwa ein Speichersystem auszulasten, dass 1 Million IOPS liefern könnte, wären noch breitbandigere Netzwerkleitungen notwendig, oder, wie bei einer Autobahn, mehrere "Fahrspuren".

Diese erste Überlegung zeigt, wo die obere Grenze der IOPS-Verarbeitung anzusiedeln ist. Als verzögerndes Moment kommt die Art der Operation hinzu: Wird auf das Speichermedium geschrieben, oder werden Daten vom Speichermedium gelesen? Die Hersteller von SSDs geben hier auf Grund der Technik von Solid State Drives wie auch bei RAID-Systmen mit Festplatten unterschiedliche Werte an. Lesen geht (fast immer) schneller als Schreiben. Diese begründen sich aus der Art der Speicherung. Bei der Blockspeicherung von SSDs müssen häufig erst einmal die Speicherzellen in einem Löschvorgang von älteren Daten befreit werden, beim RAID-Speicher ist ein Parity-Wert zu berechnen und anschließend sind mehrere Festplatten zu beschreiben. Diese Zusatzoperationen kosten Zeit.

Ein weiterer Aspekt, der die Anzahl von IOPS verringert und sich aus mehreren Parametern zusammensetzt, ist die Latenz:

  • Diese ergibt sich aus der "Fahrgeschwindigkeit", die in einem Lichtleiter bei 300.000 Kilometer pro Sekunde liegt, in einem Kupferkabel bei ca. 225.000 km/s liegt, in Leiterplatten noch einmal darunter.
  • Somit spielt auch die Weglänge eine wesentliche Rolle, da zwischen einem Finnischen Rechenzentrum und einem in Deutschland stehenden Computer ca. 10 Millisekunden Zeit vergehen bis mit der ersten Antwort auf einen IOPS zu rechnen ist.
  • Eine Rolle spielt auch die Antwortzeit einer Speicherzelle auf eine Leseanfrage, die bei Festplatten bei 10 Millisekunden, bei Flash-Speicher bei etwa 100 Mikrosekunden und bei DRAMs bei einigen Nanosekunden liegt.
  • Hinzu kommen diverse Schaltzeiten von elektro-optischen Umsetzern mit Transistoren und Spiegeln.

Man sieht, es ist nicht ganz einfach ein Speichersystem, das 1 Million IOPS liefern würde, auch so einzusetzen, dass es effektiv genutzt werden kann. Ohne eine entsprechend teure Infrastruktur, die von vielen Anwendungsprogrammen gemeinsam genutzt wird, ist das fast unmöglich. Die nächste Generation von SSD-Speichern mit NVMe- und NVMf-Schnittstellen könnte da wirtschafltiche Hilfestellungen leisten.

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