分散ストレージの技術動向（II）：デュアルRAIDメカニズム

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3 つのコピーを持つ分散ストレージが直面するパフォーマンスの問題、安定性、信頼性の欠陥を解決するために、Daoentropy の Tierlis 分散ストレージはデュアル RAID 保護メカニズムを採用しています。前回の記事では、分散ストレージの基本原則について説明し、3 つのコピーを持つ分散ストレージの潜在的なリスクを分析しました。

• パフォーマンスの問題: 3 つのコピーの分散ストレージは、不均一な IO 分散とバレル効果の影響を受け、大きな遅延と応答の低速化を引き起こします。
• 安定性の問題: 頻繁なデータ再構築はユーザー サービスに影響を与えたり、業務の中断を引き起こしたりする可能性があります。
• データ損失のリスク: 特に、ハードウェアが老朽化したり、大規模な停電や予期しないノードのダウンタイムが発生すると、複数の機械式ハードドライブが同時に損傷し、3 つのコピーを持つ分散ストレージのデータ セキュリティが危険にさらされる可能性があります。

3 コピー分散ストレージが直面するパフォーマンスの問題、安定性、信頼性の欠陥を解決するために、Daoentropy の Tielishi 分散ストレージはデュアル RAID 保護メカニズムを採用しています。 Tielishi は、ネットワーク RAID (ノード間レプリカ、ノード間消去コード) とデータの一貫したハッシュランダム分散の特性を継承するだけでなく、図 2 に示すように、ディスクアレイ独自のノード内 RAID テクノロジとストレージ仮想化 (プーリング) 管理テクノロジである Storage Virtualization Manager (SVM) を分散テクノロジと組み合わせています。

図2 OneStack分散ストレージデュアルRAIDメカニズム

ネットワークレイドテクノロジー

Titlis 分散ストレージでは、各データ ブロックは、一貫性のあるハッシュ アルゴリズムに従って 2 つの異なるストレージ ノードをランダムに選択し、データのコピーを 2 つ保存します。これにより、いずれかのノードがダウンした場合でも、読み取りおよび書き込み操作を保証するデータ コピーが残り、高いビジネス可用性とデータ セキュリティが確保されます。

ノード内RAIDテクノロジー

Titlis 分散ストレージの各ノードでは、SVM ストレージ仮想化テクノロジーを通じてノード内に RAID データ保護が実装されています。 RAID レベルは、ミラーリング、またはストレージ効率の高い RAID5 または 6 にすることができます。ノード内 RAID 保護は、単一または複数のハードディスクの損傷に耐えることができ、障害修復はノードに限定され、ネットワーク データの再構築をトリガーすることなく、ネットワーク再構築ストームを効果的に回避します。

ノード内 RAID とネットワーク RAID (ノード間レプリカ/EC コード) テクノロジーを組み合わせることで、Titlis はデュアル RAID データ保護を実現します。 3 つのコピー アーキテクチャでは、3 つのディスクが同時に故障または破損すると、データが失われる可能性があります。デュアル RAID アーキテクチャでは、各ノードで同時に 1 つのディスクに障害が発生しても、データは安全に保たれ、ビジネスは継続されます。分散ストレージには数十または数百のストレージ ノードが含まれる可能性があることを考慮すると、ダブル RAID のデータ信頼性は 3 つのコピー アーキテクチャよりも大幅に高くなります。

ストレージ仮想化テクノロジー

Tilis は各ストレージ ノード上のストレージ仮想化管理ソフトウェア (SVM) 上で実行され、ノードのストレージ リソースを均一に管理されたストレージ プールに統合し、分散システムに vOSD リソースを提供します。 SVM はワイド ストライプ メカニズム (図 3 を参照) を使用して、ノードの各ディスク上の各 vOSD のワークロードを均等に分散し、単一の vOSD の IOPS 機能を大幅に向上させ、3 つのコピーの分散ストレージにおける不均一な IO 分散に効果的に抵抗します。

図3 ノード内のRAIDストライピングメカニズム

SVM ストレージ プールは、ノード内の複数の RAID グループで構成され、仮想ボリュームを通じて上位層分散システムに vOSD ストレージ サービスを提供します。各 vOSD は、3 つのレプリカ内の物理 HDD によってホストされる OSD に対応します。分散一貫性ハッシュ アルゴリズムによって割り当てられたデータ ブロックは、物理ハード ディスクに直接書き込まれるのではなく、SVM ストレージ プール内の仮想ボリュームによってバックアップされた vOSD に書き込まれます。 SVM は、ワイド ストライピング テクノロジを使用して、各物理ディスク上の vOSD のワークロードを均等に分散します。4 MB の各 vOSD オブジェクト データ ブロックは 32 KB のデータ ブロックに分割され、RAID グループの論理アドレス空間に順番に配置されます。 SVM は、各 RAID グループの論理アドレス空間に対して順次書き込み最適化戦略を採用しています。最初の書き込みでは、各グループの論理アドレスに従ってアドレス空間が割り当てられ、データが順番に書き込まれます。後続の書き換えでは、まず空きアドレス空間が埋められ、ハードディスクのシーケンシャル アドレス指定が可能な限り実現されます。これにより、機械式ハードディスクの低速なアドレス指定操作の回数が最小限に抑えられ、機械式ハードディスクの高速なシーケンシャル書き込み速度を利用して IO パフォーマンスが向上します。

セカンダリDRAM+フラッシュキャッシュアクセラレーション

ディスク アレイにおける一般的なパフォーマンス高速化方法は、共有キャッシュ高速化です。中～ハイエンドのディスク アレイとローエンドのディスク アレイのパフォーマンスの主な違いは、コントローラの数に加えて、キャッシュ アクセラレーション機能です。一般的なミッドエンドからハイエンドのディスク アレイは、512 GB から 1 TB の範囲の共有キャッシュ アクセラレーションをサポートできます。 Titlis はディスク アレイの設計を活用し、SVM 仮想化を通じて DRAM とフラッシュを組み合わせたセカンダリ キャッシュ アクセラレーションを実装します。適応型アルゴリズムにより、動的または静的なホット データ (高頻度の読み取りおよび書き込みまたは最近の読み取りおよび書き込みデータ) を自動的に識別し、最もホットなデータを最も低いレイテンシで DRAM に保存し、2 番目にホットなデータを大容量のフラッシュベースのソリッド ステート ドライブに保存します。分散技術のサポートにより、大容量の分散型二次キャッシュシステムが形成されます。ミッドエンドからハイエンドのディスクアレイと比較すると、Titlis 分散ストレージ システムは数十 TB、さらには 100 TB を超える分散キャッシュをサポートします。これは、キャッシュ容量の 10 倍、さらには 100 倍に相当します。

データ整合性検証とデータ自己修復

SVM ストレージ仮想化管理は、WAFL (NetApp)、Btrfs (SuSE)、ZFS (Oracle)、Storage Spaces (Microsoft) などのファイル システムの高度な経験を活用します。基盤となるストレージ内の各データ ブロックに 256 ビットのチェックサムを追加し、それをソリッド ステート ドライブ イメージのペアに個別に保存して、オンラインでのデータ整合性の検証を高速化します。チェックサムによってデータが破損していることが検出されると、ノード内の RAID 機能によってデータを自己修復できます。この機能を使用すると、ハードウェア障害をすばやく特定し、自動的に分離することができます。

デュアル RAID の詳細については、「分散ストレージの技術動向 (パート 3): デュアル RAID とトリプル レプリカ」をご覧ください。