クラウドストレージのコア技術：仮想化ストレージ

導入

仮想化により、コンピューターがストレージを使用する方法が変わります。物理マシンが仮想マシン (VM) に抽象化されるのと同様に、物理ストレージデバイスも仮想ディスク (仮想ディスク) に抽象化されます。今日はストレージ仮想化技術についてお話します。仮想ディスクはどのように実装されますか?

仮想ディスクの実装

サーバーストレージを拡張する主な手段には、直接接続ストレージ (DAS)、ストレージエリアネットワーク (SAN)、ネットワーク接続ストレージ (NAS) の 3 つがあることはご存じでしょう。では、仮想ディスクを実装するにはどのようなタイプのストレージを使用できるのでしょうか?

仮想化環境では、VMWare などのハイパーバイザーが同時に多数の VM にストレージ領域を割り当てる必要があります。このプロセスでは、まず物理ストレージリソースを仮想ディスクに再分割し、それを VM に割り当てる必要があります。

当然ながら、DAS を使用して物理ディスクを VM に直接接続することはできません。これを実行すると、必要となる物理ディスクが多すぎます。 SAN は、論理ユニット (LUN) の形式でストレージリソースを提供します。ただし、仮想環境内の VM の数は非常に多く、LUN の数ではそれほど多くの仮想ディスクをサポートするのに十分ではありません。

さらに重要なのは、VM はいつでも作成、削除、または移行する必要があるため、仮想ディスクは多くの VM で共有されるということです。 VM を移行する場合、元のデータが失われないように共有ストレージが必要です。 DAS も SAN も共有ストレージには適していません。

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リソースの割り当てと共有の問題を考慮して、ハイパーバイザーは NAS を使用して仮想ディスクを実装します。 VMware は通常、VMFS (仮想マシンファイルシステム) または NFS プロトコルを使用して仮想ディスクを実装します。 VMFS は、仮想マシン環境専用のファイルシステムプロトコルです。

各仮想マシンのデータは、実際には一連のファイルです。最も重要なファイルは仮想ディスクファイル (VMDK ファイル) です。さらに、スワップパーティションファイル (vswp ファイル、swap に相当)、不揮発性メモリファイル (nvram、bios に相当) などがあります。仮想ディスク上の各 VM の IO 操作は、実際には仮想ディスクファイルの読み取りと書き込みです。

VMFS は仮想サーバー環境向けに設計、構築、最適化されており、複数の仮想マシンが統合されたクラスター化されたストレージプールにアクセスできるため、リソースの使用率が大幅に向上します。 VMFS を使用するとリソースの共有が可能になり、管理者は効率性とストレージ使用率の向上によるメリットを直接享受できるようになります。

では、クラウドコンピューティングで仮想ディスクをどのように使用するのでしょうか?

インスタンスストレージ

仮想ディスクを使用する最も一般的な方法はインスタンスストレージです。各 VM は仮想マシンインスタンスであり、ハイパーバイザーは各インスタンスで CPU、メモリ、ディスクなどのシミュレートされたハードウェア環境を提供します。このようにして、仮想ディスクは物理世界と同様に仮想マシンインスタンスの一部になります。 VM が削除されると、仮想ディスクも削除されます。

このインスタンスストレージモデルでは、仮想ディスクと仮想マシン間のストレージ関係は、実際には DAS ストレージです。しかし、前述したように、仮想ディスクの基盤となる実装は NAS を使用して実装されます。ハイパーバイザーの役割は、VM 層のストレージモデルを、仮想マシンの基盤となる層の実装プロトコル (VMFS または NFS) から分離することです。

VMFSプロトコルはストレージリソースの仮想化を実装し、各VMに再配布します。

ボリュームストレージ

インスタンスストレージには制限があります。開発者は通常、VM を再構築するときにユーザーデータを保持できるように、インスタンスデータ (OS やインストールされたサーバーアプリケーションソフトウェアなど) をユーザーデータから分離したいと考えています。

この要件により、ボリュームストレージという別のストレージモデルが生まれます。ボリュームはストレージのメイン単位であり、仮想ディスクパーティションに相当します。これは仮想マシンインスタンスの一部ではなく、仮想マシンの外部ストレージデバイスと見なすことができます。

ボリュームは 1 つの VM から切り離し、別の VM に接続することができます。このようにして、インスタンスデータとユーザーデータの分離を実現します。 OpenStack の Cinder はボリュームストレージの実装です。

インスタンスストレージとボリュームストレージに加えて、別の特殊なタイプの仮想化ストレージであるオブジェクトストレージについて説明します。

オブジェクトストレージ

多くのクラウドアプリケーションでは、多くの場合、複数のデータセンターにまたがる異なる VM 間でデータを共有する必要があります。オブジェクトストレージはこの問題を解決できます。前回の記事『クラウドコンピューティングのIaaS管理基盤の基本機能とは？』でオブジェクトストレージについて触れました。

オブジェクトストレージモデルでは、データはストレージセグメント (バケット) に保存されます。これは文字通り「バケット」とも呼ばれます。ハードドライブの例えを使うと、オブジェクトはファイルのようなもので、ストレージセグメントはフォルダー (またはディレクトリ) のようなものになります。オブジェクトとバケットは、Uniform Resource Identifiers (URI) によって見つけることができます。

オブジェクトストレージの中心的な設計概念は、実際には仮想化です。具体的には、ボリューム、ディレクトリ、ディスクなどのファイルの物理的な保存場所をバケットに仮想化し、ファイルをオブジェクトに仮想化することです。アプリケーション層では、データへのアクセスが簡素化され、基盤となるストレージテクノロジの異種性と複雑さが遮断されます。

オブジェクトストレージモデル

NASとオブジェクトストレージにはそれぞれ長所がある

もちろん、NAS ストレージテクノロジーはデータ共有の問題も解決できないのかと疑問に思うかもしれません。オブジェクトストレージの規模とコストの利点により、多くのクラウド環境では NAS の代わりにオブジェクトストレージが使用されています。

オブジェクトストレージは多くのノードに分散され、最新のデータが常に利用できるとは限らないため、オブジェクトストレージのデータ一貫性は強くありません。強力な一貫性が必要な場合は、NAS を使用できます。現在、クラウドコンピューティング環境では、NAS とオブジェクトストレージが共存しています。

NAS と同様に、オブジェクトストレージはハードウェアアーキテクチャではなく、ソフトウェアアーキテクチャです。アプリケーションは、REST API を介してオブジェクトストレージに直接アクセスします。一般的に使用されるオブジェクトストレージには、Amazon の S3 や OpenStack の Swift などがあります。

結論

実際のクラウドプラットフォームアプリケーションでは、実際の状況に応じてさまざまな仮想化ストレージテクノロジを適切に使用する必要があります。