Oracle 11gのI/Oキャリブレーション概要：ストレージ性能評価の基本と実行手順

Oracle Databaseがディスクに対してデータの読み書きを行うたびに、データベースはディスク入出力（I/O）操作を発生させます。多くのソフトウェアアプリケーションのパフォーマンスはディスクI/Oによって制約を受けており、CPU時間の大部分をI/O処理の完了待ちに費やすアプリケーションは「I/Oバウンド（I/O律速）」状態にあると言われます。こうした問題への対策として有効なのが、I/Oキャリブレーションです。

はじめに

堅牢なI/Oサブシステムの構築は、アプリケーション基盤を整備するうえで不可欠な要素です。I/Oスタック内のどれか一つのコンポーネントでもスループットが制限されていると、それがI/Oフロー全体の弱点（ボトルネック）となります。しかし、実際のワークロードを正確に再現することは容易ではなく、I/Oサブシステムの検証は従来から難しい課題とされてきました。

Oracle DatabaseのI/Oキャリブレーション機能を使用すると、ストレージサブシステムの性能を評価し、I/Oパフォーマンスの問題がデータベース側にあるのか、それともストレージサブシステム側にあるのかを切り分けることができます。外部ツールの中にはI/O操作を順次発行するものもありますが、Oracle DatabaseのI/OキャリブレーションはOracleデータファイルを使用してストレージメディアへランダムにI/Oを発行します。そのため、実際のデータベースの動作により近い測定結果が得られる点が大きな特徴です。

I/Oキャリブレーション（Calibrate I/O）機能は、DBMS_RESOURCE_MANAGER.CALIBRATE_IO()というPL/SQLプロシージャをベースにしています。このプロシージャを実行すると、以下の特徴を持つワークロードが生成されます。

• I/O負荷の高い、読み取り専用のランダムI/O（db_block_size単位）
• 大きなブロック（1MB）によるシーケンシャル（順次）I/Oワークロード

キャリブレーションの結果はモニタリングし、期待されるスループット率（I/Oサブシステムの最大総スループット）と比較する必要があります。I/Oキャリブレーションを活用すれば、ストレージサブシステムの性能評価や、I/O性能問題の原因がデータベースホスト側かストレージサブシステム側かの判定が可能になります。

本記事では、以下のトピックについて解説します。

• I/Oキャリブレーションの前提条件
• I/Oキャリブレーションの実行方法
• キャリブレーション実行時の留意点

I/Oキャリブレーションの前提条件

I/Oキャリブレーションを実行する前に、以下の要件が満たされていることを確認してください。

• ユーザーにSYSDBA権限が付与されていること
• TIMED_STATISTICS初期化パラメータがTRUEに設定されていること
• 非同期I/Oが有効になっていること

ファイルシステムを使用している場合、非同期I/Oは初期化パラメータFILESYSTEMIO_OPTIONSをSETALLに設定することで有効化できます。

同期I/Oでは、I/O要求がOSに発行されると、その操作が完了するまで書き込みプロセスがブロックされます。一方、非同期I/Oでは呼び出し元プロセスがブロックされず、実行中の他の要求を妨げることなく処理を継続できます。

以下のSQLクエリを実行して、データファイルに対して非同期I/Oが有効になっていることを確認しましょう。

COL NAME FORMAT A50
SELECT NAME,ASYNCH_IO FROM V$DATAFILE F,V$IOSTAT_FILE I
  WHERE  F.FILE#=I.FILE_NO
  AND    FILETYPE_NAME='Data File';

下記の画像は、クエリの実行例とその結果を示しています。

注意： 1つのデータベースインスタンス上で同時に実行できるキャリブレーションは1つだけです。

I/Oキャリブレーションの実行方法

Oracle DatabaseのI/Oキャリブレーション機能は、DBMS_RESOURCE_MANAGER.CALIBRATE_IOプロシージャを使って利用します。このプロシージャは、データベースファイルに対してI/O負荷の高い読み取り専用ワークロード（1MBのランダムI/Oで構成）を発行し、ストレージサブシステムが持続できる最大IOPS（1秒あたりのI/O要求数）および最大MBPS（1秒あたりのI/Oメガバイト数）を測定します。

DBMS_RESOURCE_MANAGER.CALIBRATE_IOプロシージャによるI/Oキャリブレーションは、主に以下のステップで構成されます。

1. ランダムなDBブロックサイズ読み取り：すべてのデータベースインスタンスから全データファイルに対して、ランダムなデータベースブロックサイズ（デフォルト8KB）の読み取りを発行します。このステップにより、データベースが持続できる1秒あたりの最大I/O操作数が出力パラメータmax_iopsとして返されます。max_iopsは、オンライントランザクション処理（OLTP）データベースにとって重要な指標です。また、出力パラメータactual_latencyにはこのワークロードの平均レイテンシが返されます。入力パラメータmax_latencyを使用すれば、データベースブロックサイズのI/O要求に対して許容できる最大レイテンシ（ミリ秒単位）を指定することもできます。
2. 1MBのランダム読み取り：すべてのデータベースインスタンスから全データファイルに対して、1MBのランダム読み取りを発行します。このステップでは、データベースが持続できる最大MBPS（1秒あたりのメガバイト数）が出力パラメータmax_mbpsとして返されます。これはデータウェアハウスにとって重要な指標です。

ユーザーが入力パラメータnum_physical_disks（データベースストレージシステム内のおおよその物理ディスク数）を指定すると、キャリブレーションはより高速かつ正確に実行されます。

I/Oワークロードの実行にはオーバーヘッドが伴うため、通常のデータベースワークロードへの影響を最小限に抑えるために、I/Oキャリブレーションはデータベースがアイドル状態のとき、あるいはピーク時間帯を避けて実行すべきです。

下記の画像は、DBMS_RESOURCE_MANAGER.CALIBRATE_IOプロシージャの出力例です。

キャリブレーション実行時の留意点

I/Oキャリブレーションを実行する前に、以下の点を考慮しておきましょう。

• 同じストレージサブシステムを使用するデータベースでは、一度に1つのキャリブレーションのみ実行してください。同一ストレージサブシステムを共有する複数のデータベースで同時にキャリブレーションを実行すると、失敗します。
• インスタンスへのI/Oを最小限に抑えるため、データベースを静止（クワイエス）状態にしてください。
• Oracle Real Application Clusters（RAC）環境では、ノード間でストレージサブシステムをキャリブレーションできるよう、すべてのインスタンスが起動（オープン）していることを確認してください。
• Oracle RACデータベースの場合、ワークロードはすべてのインスタンスから同時に生成されます。
• 入力パラメータnum_physical_disksは任意です。データベースのストレージシステム内のおおよその物理ディスク数を設定することで、キャリブレーションはより高速かつ正確になります。

I/Oキャリブレーションの進行中は、いつでもV$IO_CALIBRATION_STATUSビューでキャリブレーション状況を照会できます。また、キャリブレーションが正常に完了した後は、DBA_RSRC_IO_CALIBRATE表で結果を確認できます。以下に結果の例を示します。

まとめ

I/Oリソース管理（IORM）とCalibrate I/O機能は、現在のI/Oアーキテクチャの限界を把握するうえで非常に有用です。キャリブレーション完了後には、その結果情報を活用して適切なI/O設計やサイジングを行うことができます。ご意見やご質問がある場合は、フィードバックタブからお知らせください。