ストレージ仮想化の展望
Overview of Storage Virtualization
あ ら ま し 57, 3, 05,2006 近年，企業向けITシステムのストレージの主流であるディスク装置の利用率（容量また は単位時間あたりの平均稼働率）が10％程度という事例を少なからず見ることができる。 この意味でストレージの仮想化は，サーバ仮想化と同様のコスト（導入コスト，運用コス ト）削減効果が期待できる。ストレージ仮想化は，上記のような狭義の意味合いに対して， 広義かつより一般的には「ストレージの物理装置を論理マッピングしてアプリケーションか らの論理ビューを物理的なトポロジーから切り離すこと」と定義され，実は以前からユーザ の意識の外で，このようなことは行われてきた。 本稿では，そのようなストレージ仮想化全般の動きについて述べ，今後を展望する。ま た身近で分かりやすい実現例としてファイルレベルのストレージ仮想化について述べる。 Abstract
In recent years, it has not been unusual for enterprise IT systems to have utilization rates of about 10％ or less for their disk units. So we can expect that storage virtualization will be effective for cost reduction as well as server virtualization. The term “storage virtualization” has recently been used in contexts such as the one mentioned above. But it originally meant a disconnection of storage’s physical topology from a logical view, and mapping the physical resources for a logical view of applications. Storage systems carry out such disconnection and mapping in an invisible manner. This paper explains virtualization in a block access layer and file aggregation layer as an example of how virtualization is adopted in an operational system.
熊沢忠志（くまさわ ただし） ストレージインテグレーション統括 部 所属
現在，ストレージソリューション製 品の企画，開発に従事。
ストレージ仮想化の展望
ま え が き この数年，IAサーバ上の小規模アプリケーショ ンを集約し，仮想化したサーバの上で運用すること の効果は多くのシステムで実証されてきた。 企業向けITシステムのストレージの代表である ディスク装置の利用率（容量または単位時間あたり の平均稼働率）が10％程度という事例を少なから ず見ることができる。このようなストレージの未利 用容量，過剰性能について集約，最適配分を行うス トレージ仮想化は，サーバ仮想化と同様のコスト （導入コスト，運用コスト）削減効果が期待できる。 ストレージ仮想化は上記のような狭義の意味合い に対して，広義かつより一般的には「ストレージの 物理装置を論理マッピングしてアプリケーションか らの論理ビューを物理的なトポロジーから切り離す こと」と定義される。実はストレージは，アプリ ケーションから共通のデータ保管庫として使えるよ う，様々な物理特性を広義の仮想化によって見えな くすることで普及，発展してきたと言える。 本稿では，そのようなストレージ仮想化全般の動 きについて述べ，今後を展望する。また身近で分か りやすい実現例としてファイルレベルのストレージ 仮想化について述べる。 ブロックアクセスの仮想化 ストレージシステムの構成は多様であるが，企業 システムで共通的なトポロジーとして，図-1のよう に表すことができる。 ストレージの仮想化は基盤となる物理ディスクい わゆるディスクドライブの層で，すでに行われてい るのである。今日，我々がオープンシステムで使っ ているディスクドライブでは，計算機システムの基 本テキストに載っているような「シリンダ，ヘッド， セクタ」といった考え方は見当たらない。ディスク 円盤上に並べられた512バイトのブロックには，ゼ ロから順にアドレスが整然と割り当てられており， データの読み書きはブロックアドレスによって行わ れる。 ディスク回転待ち時間や，ヘッド切替え・シリン ダ移動によるシーク時間を計算しようにもトラック， ヘッドなどの境界がブロックアドレスの関数には なっていない。 つぎの仮想化は，一般的になったRAID装置のコ ントローラで行われている。通常のRAID装置では， 複数の物理ディスクをグルーピングし信頼性を向上 させる冗長度，高速性を向上させる並列度を考えな がら，格納するデータの性質に適したRAIDタイプ を選択できるようになっている。仮想化の動作仕様 を与える手段をポリシーと表現するが，RAIDタイ プはストレージにおける最もプリミティブなポリ シーである。 RAIDが利用者に見せる論理ボリュームのアドレ スは，それを構成するディスクドライブ内のブロッ クアドレスとは無関係である。例えば，RAIDにお けるパリティデータを保持するブロックは論理ボ ストレージエリア ネットワーク サーバ OS RAIDコントローラ ボリュームマネージャ ディスクキャッシュメモリ ディスクドライブ ディスクコントローラ 仮想化スイッチ ブロック番号 ↑ シリンダ，ヘッド，セクタ ボリューム/ブロック番号 ↑ ディスク番号/ブロック番号 （ボリューム/ブロック番号）’ ↑ （ボリューム/ブロック番号）” ↑ 図-1 ストレージシステムの基本トポロジーとアドレッシング変換 Fig.1-Basic topology of storage system and address mapping.ストレージ仮想化の展望
リューム上のアドレスを持ってさえいない。 この層までくると，コントローラのキャッシュメ モリ効果も手伝い，シーク時間や回転待ち時間を観 測することは，ほとんど困難であり，ディスク応答 時間は定性的な確率論で語られる。では，RAID装 置 の 論 理 ボ リ ュ ー ム が ，OS 上で見える論理ボ リュームなのかというとそうではない。RAID装置 のボリュームを，さらに集めて分割し，新たな論理 ボリュームを生成するボリュームマネージャという ソフトウェアが動いていたり，ストレージエリア ネットワークの中にも同様の機能を持つ仮想化ス イッチが導入されたりしている場合もあるのでディ スクのアドレッシングは油断できない。 これらボリュームやブロックアドレスの仮想化に よって得られる主な効果は，以下の三つである。 （1） 稼働中のボリューム容量の追加 ボリューム使用率が高くなった場合，ブロックを 追加することで空き容量を増やし，運用，設定の変 更なしに，業務を継続することができる。 初期の論理ボリュームへの割当ブロックをゼロと し，使用状況に合わせて随時，物理ブロックを追加 していくシン・プロビジョニングは小規模サーバが 多数稼働する仮想サーバ環境で有望視されている。 （2） ボリュームの移動 例えば，システム稼働中にボリューム上にデータ へのアクセス負荷が下がってきた場合，より低速， 低コストな装置上のブロック域にボリュームを移動 することができる。 （3） ボリュームの複製 例えば，RAIDコントローラが行うRAID1（ミ ラー）制御である。一方のディスクが故障しても残 りのディスクで論理ボリュームは稼働し続ける。ま た2重化への復帰も可能である。 これらの仮想化はストレージシステムの発達の歴 史とともに必要性があって組み込まれたもので，ど の層が標準・正統というようなものではない。シス テム規模，運用の利便性に応じて選択すればよい。 およそ今日のストレージシステムでは，インタ フェース境界ごとに別のアドレスマッピングが行わ れている。仮にユーザが指し示すボリュームの特定 ブロックが，どのハードディスクのシリンダ，ヘッ ド，セクタに相当するかを知るには，システム管理 者および関連する装置の開発者が設計資料を手に集 まってマッピングを追いかける必要がある。このよ うな多段的なマッピングは決して理想的なものでは ない。より緻ち密な性能チューニング，信頼度設計の ためには，ストレージリソース管理ツールの強化が 求められる。一方では，簡素化のアプローチとして， グループ化した単純ディスクドライブの上に，ス イッチやコントローラを通さずに，直接ファイルシ ステムを構築するなどの動きも始まっている。 ファイルアクセスの仮想化 データベースシステムの設計・運用にかかわる技 術者は別として，ストレージと言えば，前章に述べ たブロックアクセス型の利用方法よりは，ファイル の格納場所だとイメージする方が大半と思う。 ファイルアクセス型ストレージのトポロジーは， 図-2のように表すことができる。ブロックアクセス ではボリューム番号とボリューム内のブロック番号 で対象ブロックを指定するのに対し，ファイルアク セスでは，マウントポイント以下，ルートからの ディレクトリ・パス名で，対象のファイルを指定す る（Windowsでは，ドライブレターやフォルダと いう用語が使われている）。 ファイルアクセスにおいては，基本となる仮想化 をファイルシステムが行っている。ファイルアクセ スに使うディスクも最終的にはボリューム/ブロッ ク番号でアドレスすることは変わらない。ディレク トリ情報を管理し，パス名をたどり，ファイルにブ ロック領域をマッピングするのはファイルシステム である。NAS（Network Attached Storage）は， ディスク装置の入口部分にファイルシステム機能を 組み込んだものである。 ファイルシステムによってアクセスインタフェー ス （ フ ァ イ バ チ ャ ネ ルSCSI ， USB ， シ リ ア ル SCSI・・・）のみならず，物理媒体（フラッシュ メモリ，ハードディスク，光ディスク・・・）など のデバイス特性は隠れ，ファイルストレージという 仮想化した記憶装置として扱うことができる。 ● ファイルストレージの課題 ファイルシステムは，ストレージハードウェアの 発達に応じて，申し分のない規模，機能のファイル ストレージを提供してきた。しかし近年，ファイル ストレージの容量は， （1） ITの普及によってオフィスファイル，電子ストレージ仮想化の展望
LAN クライアントサーバ ディスク装置 OS ファイルシステム ディスクドライブ ディスクキャッシュメモリ ディスク装置 ディスクドライブ NASヘッド または ファイルサーバ ファイルシステム SCSI SAS など パス/ファイル名 ↓ ディスク番号/ブロック番号 クライアントサーバ OS 図-2 ファイルストレージの基本トポロジー Fig.2-Basic topology of file storage.メール，インターネットコンテンツなどファイ ル数の増加， （2） 音声，動画などのマルチメディアデータ，観 測データの精度向上によるファイルサイズの拡大， によって年率30-60％で増え続けている。 ファイルの格納や共用のためには，ファイルサー バやNAS装置が便利であり，ネットワークに接続 することで簡単に利用できるため，ファイルデータ 容量の増加に応じて，ファイルサーバの増設が頻繁 に行われるようになった。しかし，その数が増え過 ぎた現場では，マウントポイントの管理，クライア ントのアクセス権の管理，多くのクライアントに合 わせてシステムのメインテナンス時間を調整・確保 することなどが課題になってきている。これらの課 題解決に加え，すべてのファイルサーバが均等に利 用されているわけではないので，空き容量の有効利 用や低負荷ファイルサーバへの負荷分散など，リ ソースの有効利用という観点から，ファイルサーバ を統合して運用管理を単純化しようという考え方が 必要になってきた。 ● ファイル仮想化の実現方法 統合，仮想化の基本は，ファイルストレージの容 量を集約して一つの大きな容量プールを作る，それ を要求に応じて各ファイルシステムに最適に分配す ることである。 容量の集約に当たって気をつけなければいけない のが，すでにファイルサーバに構築されたディレク トリやファイルの維持である。各ファイルサーバが 保持しているディレクトリ構造を集約して，すべて の構造を包含するディレクトリ構造体を仮想的な ディレクトリルートの配下に構成していく。そのよ うにしてできた構造体は，すべてのファイルの名前 情報が登録されているのでグローバルネームスペー スと呼ばれる。本稿ではグローバルネームスペース を管理するための情報をグローバルメタ情報と呼ぶ。 グローバルメタ情報では，統合ディレクトリ構造と， その中のファイル実体の所在情報が管理される。こ こでは最終のディスクアクセスのためのブロック領 域までも知っておく必要はなく，ファイル実体を管 理しているファイルサーバにおけるパスやファイル 名まで分かれば十分である。 ● ファイル仮想化を実現する方式 ファイル仮想化を実現するための方式としては， 図-3に示す三つに分類できる。現在は，様々なアプ ローチが製品として実用化され，検証されている時 期に当たる。 【方式1：共用ファイルシステム】 ローカルなファイルサーバの代表サーバまたは独 立なサーバ上にグローバルメタ情報を持つ。クライ アントは，メタ情報を持つサーバにアクセス対象 ファイルの所在を問い合わせる。その後，実体ファ イルを管理するファイルサーバに対して実際のファ イルアクセスを行う。 【方式2：ファイル仮想化スイッチ】 ローカルなファイルサーバとクライアントの間に ファイル仮想化スイッチを配置する。仮想化スイッ
ストレージ仮想化の展望
ファイルサーバ ファイルサーバ ファイルサーバ クライアントサーバ OS アクセスドライバ メタデータサーバ グローバル メタ情報 クライアントサーバ OS アクセスドライバ ファイル所在 問合せ ファイル データ転送 クライアントサーバ OS 仮想化スイッチ グローバル メタ情報 ファイルサーバ クライアントサーバ OS ファイルサーバ ファイルサーバ 方式1：共用ファイルシステム 方式2：ファイル仮想化スイッチ グローバル メタ情報 ローカル ファイルシステム グローバル メタ情報 ローカル ファイルシステム グローバル メタ情報 ローカル ファイルシステム 方式3：クラスタNAS クライアントサーバ OS クライアントサーバ OS 図-3 ファイル仮想化の実現方式 Fig.3-Architecture of file virtualization.チは配下のローカルなファイルサーバのディレクト リ構造を吸い上げ，グローバルメタ情報をスイッチ 内に保持する。クライアントからのアクセス要求は， グローバルメタ情報をたどって，目的のファイル サーバに渡され，処理される。 【方式3：クラスタNAS】 ローカルなNASのコントローラ同士が通信し， 互いのメタ情報を交換することで，グローバルメタ 情報を共有できる。アクセスを受け付けたノードが グローバルメタ情報を参照し，アクセス対象が自 ノードのファイルなら実行し，他ノードのファイル は，担当ノードに処理を引き継ぐ。 ● ファイル仮想化の機能と効果 グローバルネームスペースと，ローカルなファイ ルサーバ上のファイル名とのリンクを保ってさえい れば，それぞれの名前空間のディレクトリ構成は変 更して構わない。そこで，グローバルメタ情報はク ライアントへの論理的な見せ方として整然とした状 態に保ち，ファイル実体を物理管理上の利便性に合 わせてダイナミックに変更することで以下のような 様々な効果を得ることができる。 （1） グローバルネームスペース アクセスポイントを一元化でき，ファイルごとに 格納したファイルサーバを覚えておく必要がなくな る。またローカルなファイルシステムが持つ物理的 な制限（ファイルシステムサイズなど）をなくすこ とができる。 （2） ファイルの複製 ファイル実体を複数のローカルなファイルサーバ に置く。グローバルメタ情報からは，これら複数の ファイル実体をポイントする。冗長保管により可用 性を向上させることができるし，広域ネットワーク と組み合わせることで，災害対策システムの一部と して利用可能である。また，アクセスの多い特定の ファイルを複製し，負荷分散することもできる。
