サーバー、ストレージ、ネットワーク仮想化の実装と適用

[[317466]]

仮想化技術は、データセンターに不可欠な技術の 1 つになっています。では、仮想化テクノロジーとは何でしょうか?仮想化は広い意味を持つ用語です。コンピュータでは、通常、コンピューティング要素が実際のベースではなく仮想ベースで実行されることを意味します。仮想化テクノロジーは、ハードウェアの容量を拡張し、ソフトウェアの再構成のプロセスを簡素化できます。 CPU 仮想化技術は、単一の CPU で複数の CPU を並列にシミュレートできるため、プラットフォームで複数のオペレーティング システムを同時に実行でき、アプリケーションは互いに影響を与えることなく独立した空間で実行できるため、コンピューターの作業効率が大幅に向上します。

ホストベースの仮想化は、サーバーベースの仮想化とも呼ばれます。サーバーのオペレーティング システムに仮想レイヤーを埋め込むか追加することで、デバイスの仮想化を実装します。この方法では、特別なハードウェアを追加する必要はなく、仮想化機能を備えたソフトウェア モジュールをインストールするだけで済みます。これは、アプリケーション サーバーのオペレーティング システムにドライバーの形で組み込まれており、オペレーティング システムに提示されるのは論理ボリューム (Logic Volume Management) です。複数のマシンに分散された物理ストレージ デバイスは、論理ボリュームを通じて統合された論理仮想ストレージ スペースにマッピングされます。論理ボリューム管理システムは、実際には物理ストレージ デバイスから論理ボリュームにマッピングする仮想化されたストレージ管理レイヤーです。システムレベルとアプリケーションレベルで複数のマシン間でのストレージ共有を実現できます。

サーバー、ストレージ、ネットワーク仮想化の実装と適用

サーバー上で実行される仮想化ソフトウェアには、サーバーの CPU、メモリ、帯域幅などのオーバーヘッドが必要であり、オペレーティング システムに大きく依存するため、仮想化システムはさまざまなプラットフォームと互換性がなく、移植性が低くなります。

ただし、ホストベースの仮想化は実装が最も簡単です。通常、ストレージ仮想化プロセスを完了するには、アプリケーション サーバーにボリューム管理ドライバー モジュールをインストールするだけで済みます。同質プラットフォーム上で低コストかつ高性能という特徴を持っています。

ストレージ デバイス仮想化は、通常、ストレージ デバイス コントローラに実装され、ストレージ コントローラ仮想化とも呼ばれます。この仮想化実装方法は、特定の物理デバイスに直接対応するため、最適なパフォーマンスを実現します。仮想化ロジックがデバイスに統合されているため、ストレージ仮想化の管理はユーザーにとってシンプルで便利かつ透過的です。しかし、この仮想化技術には統一された標準がなく、一般的に特定のメーカーの製品にのみ適用可能であるため、異機種製品間でのストレージ カスケードを実現することが難しく、このストレージ仮想化製品のスケーラビリティが制限されやすくなります。

さらに、メーカーの制限により、ユーザーが選択できるストレージ デバイスは限られています。ストレージのカスケードと拡張を実現するための基盤となるシールド サービスを提供するサードパーティの仮想化ソフトウェアがない場合、システムのスケーラビリティは非常に低くなります。しかし、最近の研究結果では、これらの欠点を克服するためにディレクトリベースの仮想化方式が採用されています。

ネットワーク仮想ストレージ技術は、現在ストレージ仮想化の主流技術であり、商用分野では多くの成功した製品が存在します。一般的なネットワーク仮想ストレージ テクノロジには、主にネットワーク接続ストレージ (NAS) とストレージ エリア ネットワーク (SAN) が含まれます。 2 つのシステムのアーキテクチャ、通信プロトコル、およびデータ管理方法の違いにより、NAS は主にファイル共有に基づく仮想ストレージ システムで使用され、SAN は主にデータベース アプリケーションに基づくブロック レベルのデータ共有領域で使用されます。ストレージ エリア ネットワーク (SAN) は、現在のネットワーク ストレージの主流テクノロジーです。

仮想化ストレージの実装は、ホストからストレージ デバイスまでのパスに沿ったさまざまな場所に分散できます。これにより、ネットワークベースのストレージ仮想化は、スイッチベースの仮想化、ルーターベースの仮想化、およびストレージ サーバー側の仮想化に細分化できます。

スイッチの仮想化は、スイッチにファームウェア仮想化モジュール層を埋め込むことによって実現されます。スイッチング機能と仮想化機能がスイッチに統合されているため、スイッチがシステムのボトルネックになりやすく、単一障害点が発生する可能性があります。ただし、この構造ではサーバーに仮想化ソフトウェアをインストールする必要がないため、アプリケーション サーバーの負荷を軽減できます。また、ストレージ デバイスやホスト環境に基づくセキュリティの問題もなく、異機種環境における相互運用性も向上しています。

ルータ仮想化とは、仮想化モジュールをルータに統合し、ストレージ ネットワークのルータにスイッチのスイッチング機能とルータのプロトコル変換機能の両方を持たせることです。ストレージ仮想化の範囲を、ローカル エリア ネットワーク内の仮想ストレージから広域仮想ストレージまで拡張します。

近年、iSCSI ベースの仮想ストレージ技術など、ルーターベースの仮想化技術が大きく進歩し、広く使用されるようになり、広域ネットワーク下のクラウドストレージの基盤構造に強固な基盤が築かれました。

専用メタデータ仮想化とは、専用のメタデータ サーバーをストレージ ネットワークに接続してストレージ仮想化作業を完了する、帯域外仮想化方式です。

メタデータ サーバーは、ネットワーク ベースの仮想ストレージ サービスを提供します。さまざまな物理デバイスをマッピングして、仮想デバイス ストレージ プール全体のグローバルな統合データ ビューを形成し、各アプリケーション サーバーに常駐する仮想化エージェント ソフトウェアと通信する役割を担います。各アプリケーション サーバー上の仮想エージェント ソフトウェアは、ストレージ アクセス ビューと I/O 通信の管理、およびデータ アクセス リダイレクトの実装を担当します。エージェントソフトウェアには、データキャッシュとデータ事前アクセスを実装する機能があり、ローカルストレージビューとメタデータを維持する機能があります。ローカルにアクセスされたメタデータ情報をキャッシュして一時的に保存し、専用のメタデータ サーバーとのデータの一貫性を維持できます。データ アクセスの局所性によりメタデータ サーバーへのアクセス回数を減らすことで、ストレージ スループットを大幅に向上できます。

ネットワークの大規模仮想ストレージ技術は、将来、仮想ストレージ技術の主な研究ホットスポットとなるでしょう。その中で、iSCSI プロトコルに基づくネットワーク ストレージは、ストレージ エリア ネットワーク (SAN) の急速な発展を継続的に促進するための重要なテクノロジであると考えられています。このプロトコルは、IP プロトコルを介して SCSI コマンドをカプセル化し、大規模なストレージ デバイスをネットワークに接続し、iSCSI ベースのストレージ アクセス プロトコルとインターネットを有効にすることで、地理的な場所に依存しないデータ ストレージ、データ バックアップ、およびデータ取得を実現します。

特に、10Gbイーサネットの急速な普及と、アクセス遅延を短縮するリモートダイレクトメモリアクセス（RDMA）技術の急速な発展は、IPベースの仮想ストレージ技術のさらなる急速な発展を加速させるでしょう。

インターネット仮想化は、ストレージ テクノロジの最高レベルです。クラスタ技術、グリッド技術、オーバーレイネットワーク技術、P2P技術、分散ファイルシステム技術を採用し、仮想化技術を通じて世界中のさまざまなタイプのストレージデバイスを統合し、統一された仮想メモリとハードディスク機能を外部に提供します。

インターネットベースの仮想化の開発はまだ初期段階ですが、Jun Wang、Xiaoyu Yao らが提案した成熟した TCP/IP プロトコルに基づく SAN テクノロジなど、いくつかの研究成果はすでに出ています。このテクノロジでは、iSCSI プロトコルと階層型キャッシュ メカニズムを使用して、WAN ベースのストレージ サーバーへの高速アクセスを実現します。インターネットベースのストレージ仮想化（ストレージ クラウドなど）は、実際にはユーザーにストレージ サービスを提供する仮想化テクノロジです。

ストレージ仮想化システムを実装するための鍵は、多数の異種ストレージ デバイスのビューを統合された仮想ストレージ リソースにマッピングすることです。通常、仮想化を実現するために、ユーザー パスとストレージ デバイス パスにストレージ管理コンポーネントが追加されます。異なる種類や特性の物理デバイスをシールドし、多数の異種ストレージリソースを統合し、アクセスが容易で、任意に分割でき、オンラインで拡張でき、安全で安定した仮想ストレージシステムをユーザーに提供します。

仮想化ストレージ システムを実装するために対処する必要がある主要なテクノロジには、次のものがあります。

異機種ストレージ メディアの相互接続と統合管理。ストレージ仮想化の中心的なタスクは、さまざまな属性のストレージ デバイスと互換性を持ち、それらの異なる物理的特性を保護し、ユーザーに統一された仮想論理デバイス アクセス メソッドを提供することです。ネットワークで接続されたさまざまな物理ストレージ デバイスは、仮想ボリュームの形式でユーザーに提供されます。ストレージ容量の物理的な割り当てはユーザーにとって透過的ですが、ユーザーはストレージ容量とデータ セキュリティ ポリシーを懸念しています。ストレージ仮想化管理システムとその互換性のあるプロトコルは、ストレージ ネットワークに接続されたさまざまなデバイス間の違いを隠蔽し、論理ストレージ デバイスの管理、構成、割り当てを簡素化し、オンライン パーティショニング、拡張、ストレージの構成、およびストレージ デバイスのオンライン追加と交換のための仮想ストレージ管理テクノロジをユーザーに提供します。

データ共有の競合と一貫性。データ共有は、ストレージ仮想化の主な機能の 1 つです。ネットワークベースの仮想ストレージでは、データ共有アクセスに対する要求が高くなります。異なる物理ストレージ デバイスに保存されたデータのコピーにより、オペレーティング システム間、およびオペレーティング システムとデータ ウェアハウス間でのデータ共有が容易になります。ただし同時に、データの整合性を確保するために、ロック メカニズム アルゴリズム、バックアップ配布アルゴリズム、およびキャッシュ一貫性テクノロジを慎重に設計する必要があります。

透過的なデータ ストレージとフォールト トレラントおよび災害耐性戦略。データへの透過的なアクセスには、ストレージ デバイスの物理的な違いを隠すための仮想ストレージが必要です。システムは、リソースの特性とユーザーのニーズに応じてストレージ リソースを自動的にスケジュールして利用するため、ユーザーは論理ボリュームに基づいてデータのコピー、ミラーリング、バックアップを簡単に実行できるほか、仮想デバイス レベルでデータ スナップショットを実装できます。

仮想ストレージ システムでは、システムの誤操作、単一点障害、予期しない災害などの要因によるデータ損失を克服するために、データ セキュリティ レベルに応じてフォールト トレランスおよび災害耐性のメカニズムを確立する必要があります。システムは、データ バックアップ、データ システムのフォールト トレランス、災害警告、および自動回復戦略を複数のメカニズムに基づいてユーザーに透過的に実装する必要があります。

パフォーマンスの最適化と負荷分散。ストレージ システムは、グローバルな観点から、さまざまなストレージ デバイスの特性に基づいて最適化する必要があります。マルチレベル ストレージ アーキテクチャは、ストレージ応答時間、スループット レート、およびさまざまなストレージ デバイスのストレージ容量に基づいて配置し、マルチレベル データ キャッシュおよびデータ プリフェッチ機能を実装する必要があります。

ユーザーのニーズに応じてさまざまなストレージ戦略を調整して、データへのオンデマンド アクセスを実現し、I/O バランス戦略を慎重に設計し、特定の物理デバイスに応じてユーザー I/O 要求を合理的に割り当て、ストライピング メソッド、データ ブロッキング、時間と空間の負荷差別化、アクティブ データ アクセス、およびデータ プリフェッチ戦略を使用して、データ アクセスの効率を向上させます。アクセス効率をさらに向上させるために、ストレージ オブジェクト ベースのストレージ アクティブ サービス戦略を使用して、データ アクティブ予測サービスを改善することもできます。

データ セキュリティ アクセス ポリシー。ネットワークベースのストレージはアクセスを制御する必要があります。仮想ストレージ システムでは、データへの不正アクセスや悪意のある攻撃を回避する必要があります。透過的なストレージ サービスによってもたらされるデータ セキュリティは、仮想化管理ソフトウェアによって実装する必要があります。安全なアクセスを実現するための戦略には、キーベースの認証管理やデータ暗号化戦略、ストレージ本体の上に信頼できる管理ノードのレイヤーを追加するなど、さまざまなものがあります。これらはすべて実行可能な方法です。

高い信頼性と拡張性。高い信頼性とスケーラビリティは、仮想ストレージ システムに不可欠な機能です。システムの高い信頼性を確保するために、システムでは効率的な障害予測、障害検出、障害分離、障害回復のテクノロジを使用する必要があります。

仮想ストレージシステムは、通常のストレージサービスを中断することなく、ストレージ容量とストレージサービスを任意に拡張し、ストレージデバイスを透過的に追加および交換できる必要があります。仮想ストレージ システムには、さまざまな種類のストレージ デバイスを自動的に検出、インストール、検出、管理する機能も必要です。