Производительность NVMe-накопителей: сравнение Windows Server 2025 и Ubuntu Server 24.04.4 LTS

После публикации материала о включаемой вручную прямой поддержке NVMe в Windows Server 2025 возникает следующий вопрос: как такая конфигурация выглядит на фоне серверной ОС на базе Linux при сопоставимых нагрузках хранения. Для инфраструктурных проектов это сравнение важно не само по себе, а как ориентир при выборе платформы под высокопроизводительные NVMe-массивы, базы данных, виртуализацию и другие задачи с интенсивным вводом-выводом. Поэтому те же тестовые сценарии были выполнены в Linux-среде, чтобы оценить различия на одинаковой аппаратной базе.

Долгая история поддержки NVMe в серверных ОС

Поддержка NVMe в Linux появилась еще в ядре 3.3, выпущенном в марте 2012 года. В Windows Server работа с NVMe доступна начиная с Windows Server 2012 R2, где такие накопители обслуживались не напрямую, а через преобразование команд SCSI. Спустя более десяти лет вопрос о том, какая платформа эффективнее работает с хранилищем - Windows Server или Linux, остается предметом технических дискуссий. Поэтому сравнение дополнено результатами тестов, которые позволяют оценить различия на сценариях ввода-вывода.

Поскольку для Windows Server 2025 уже были получены результаты как с классическим, так и с новым прямым контуром работы с NVMe, для Linux также были выбраны два варианта обработки операций хранения. В тестах FIO использовались libaio и io_uring - два распространенных интерфейса для операций ввода-вывода. io_uring относится к более новой модели и дает больше возможностей для асинхронных операций, тогда как libaio по-прежнему широко применяется благодаря гибкости и простоте использования. 

Тестирование NVMe на Ubuntu Server 24.04.4 LTS

Для сравнения использовалась та же серверная платформа, что и в предыдущем материале о прямой поддержке NVMe в Windows Server 2025. Чтобы обеспечить высокую пропускную способность и сопоставимость результатов, конфигурация включала два 128-ядерных процессора AMD EPYC 9754, 768 ГБ памяти DDR5 4800 MT/s и пятнадцать NVMe-накопителей Solidigm P5316 емкостью 30,72 ТБ с интерфейсом PCIe 4.0, подключенных в режиме JBOD.

Как отмечалось в предыдущей статье, у Solidigm P5316 размер внутреннего блока адресации составляет 64 КБ. Из-за этого производительность записи на меньших блоках, например в тестах 4 КБ, может быть ниже ожидаемой. Поэтому были повторно использованы разные профили нагрузки с размерами блоков 4 КБ, 64 КБ и 128 КБ - это позволяет шире оценить поведение системы при операциях чтения и записи.

В качестве Linux-платформы была выбрана Ubuntu Server 24.04.4 LTS - распространенный серверный дистрибутив с долгосрочной поддержкой. При интерпретации результатов важно учитывать используемый стек ядра: базовая ветка Ubuntu 24.04 LTS связана с Linux 6.8, тогда как для актуальных точечных выпусков 24.04 применяется и аппаратно-ориентированный HWE-стек. Поэтому для повторяемости тестов версия ядра должна быть зафиксирована отдельно.

Случайное чтение

Последовательное чтение

Случайная запись

Последовательная запись

Примечание: результаты Linux по операциям ввода-вывода в секунду (IOPS) округлены до ближайшей тысячи из-за различий в представлении данных FIO между Windows Server 2025 и Ubuntu Server 24.04.4 LTS. Показатели пропускной способности, средней задержки и загрузки процессора округлены по единому правилу для обеих платформ.

Результаты показывают реальную картину

Уже по первым данным видно, что Ubuntu Server не превосходит Windows Server во всех сценариях. В тестах пропускной способности при случайном чтении libaio и io_uring показали сильные результаты, однако не достигли уровня прямого контура работы с NVMe в Windows Server 2025. В тесте случайного чтения блоками 64 КБ конфигурация Windows Server с прямой поддержкой NVMe оказалась примерно на 17% быстрее Linux-варианта: 91,165 ГиБ/с против лучшего результата io_uring на уровне 77,7 ГиБ/с.

При этом результаты не выглядят односторонними. В одном из тестов чтения Ubuntu Server немного опередила Windows Server - в сценарии последовательного чтения блоками 128 КБ. Лучший результат показал Linux libaio: 97,05 ГиБ/с против 92,562 ГиБ/с у Windows Server с прямой поддержкой NVMe, разница составила около 5%. Это может указывать на небольшое преимущество Linux при работе с размерами блоков, превышающими внутренний блок адресации накопителей.

Пропускная способность при случайной записи оказалась близкой на Linux и Windows Server, особенно в тестах с блоком 64 КБ. Разница между лучшим и худшим результатом в этом сценарии составила всего около 0,05%, что указывает на практически одинаковую реализацию возможностей накопителей во всех контурах обработки операций хранения.

В тестах последовательной записи картина отличалась. В сценариях с блоками 64 КБ и 128 КБ конфигурация на Linux 6.8 показала преимущество по пропускной способности. Разрыв не был радикальным, однако программные контуры с открытым исходным кодом опередили прямую поддержку NVMe в Windows Server примерно на 2 ГиБ/с в обоих случаях.

Результаты по задержке в целом повторили картину тестов пропускной способности, особенно заметно это видно на средних значениях при случайном чтении. В этом сценарии libaio и io_uring показали более высокую задержку. Наибольший разрыв был зафиксирован в тесте случайного чтения блоками 64 КБ: 0,207 мс у Windows Server с прямой поддержкой NVMe против 0,377 мс у libaio.

Одним из самых заметных результатов тестирования стала разница в загрузке процессора между Windows Server 2025 и Ubuntu Server 24.04.4 LTS. В трех из четырех тестов случайного и последовательного чтения Windows Server с прямой поддержкой NVMe показал наименьшую загрузку процессора. Наиболее показательный результат был зафиксирован при последовательном чтении блоками 128 КБ: загрузка процессора у Windows Server была на 27,34 процентного пункта ниже, чем у Linux io_uring.

В тестах случайной и последовательной записи libaio и io_uring выглядели лучше по загрузке процессора, чем в сценариях чтения. Однако этого оказалось недостаточно, чтобы обойти прямую поддержку NVMe в Windows Server: в трех тестах она показала наименьшую нагрузку на процессор. Заметным исключением стал libaio в тесте случайной записи блоками 4 КБ - загрузка достигла 45,76% ресурсов системы, тогда как остальные контуры обработки операций хранения находились около отметки 20%.

Ключевые наблюдения:

• Windows Server 2025 с прямой поддержкой NVMe показал преимущество в трех из четырех тестов производительности чтения.

• В большинстве тестов для Windows Server наблюдалась более низкая загрузка процессора.

• Ubuntu Server 24.04.4 LTS показала преимущество в трех из четырех тестов производительности записи.

Главный вывод - эффективность использования процессора

Результаты показывают, что Windows Server и Ubuntu Server демонстрируют близкий уровень производительности при прямом сравнении в сценариях случайного и последовательного ввода-вывода с разными размерами блоков. По пропускной способности Windows Server 2025 с прямой поддержкой NVMe чаще показывал преимущество в тестах чтения, тогда как Linux немного лучше выглядел в тестах записи. Показатели задержки в целом повторили эту картину, но главным отличием стала более высокая эффективность Windows Server 2025 по загрузке процессора при использовании прямого NVMe-контура.

Microsoft заметно доработала новый контур работы с хранилищем в Windows Server 2025. Он не во всех сценариях опережает libaio и io_uring, но показывает конкурентные результаты и особенно уверенно выглядит по расходу процессорных ресурсов. Эти данные нельзя считать универсальными для всех серверных конфигураций и типов нагрузок, однако они могут быть полезны при выборе между Windows Server и Linux в проектах, где производительность подсистемы хранения важнее, чем совместимость с конкретной операционной средой.