Nutanixのストレージとは？Storage Pool・Container・RFを理解しよう【NCA 7.5対策】

はじめに

前回は、Nutanix AHV環境における仮想ネットワークについて学びました。

VMは、

vNIC → Subnet → VLAN

という仕組みを利用してネットワークへ接続していました。

では、VMが利用するデータはどこに保存されているのでしょうか？

一般的な3Tier構成では、サーバーとは別にSANなどの共有ストレージを用意することがあります。

一方、Nutanixでは各Nodeに搭載されたストレージを利用し、ソフトウェアによって分散ストレージを構成します。

今回は、

DSF
Storage Pool
Storage Container
vDisk
Replication Factor
Compression
Deduplication
Erasure Coding

など、Nutanixのストレージを理解するうえで重要な仕組みを学んでいきましょう。

従来の3Tier構成を振り返ろう

従来の仮想化環境では、

Server
   │
Network
   │
Shared Storage

のように、サーバーと共有ストレージを分離する構成がよく利用されます。

複数のサーバーから共有ストレージへアクセスし、VMのデータなどを保存します。

一方、NutanixではHCIの考え方を採用しています。

各Nodeが、

CPU
Memory
Storage

を持っています。

Node 1        Node 2        Node 3
  │             │             │
Storage       Storage       Storage

これらをソフトウェアによってまとめて利用するのがNutanixの特徴です。

DSFとは？

以前の記事でも登場したのが、

DSF（Distributed Storage Fabric）

です。

DSFは、Nutanixの分散ストレージ機能です。

各Nodeに搭載されたローカルストレージをまとめて、Cluster全体から利用できるストレージ基盤を提供します。

Node 1        Node 2        Node 3
Storage       Storage       Storage
   ＼            │            ／
    ＼           │           ／
     ───────── DSF ─────────
              │
              ▼
      Distributed Storage

物理的には複数のNodeに分散しているディスクを、Nutanixのソフトウェアによって管理します。

CVMがストレージを制御する

DSFを実現するうえで重要なのが、

CVM（Controller Virtual Machine）

です。

基本的に各NodeにはCVMが存在します。

Node 1        Node 2        Node 3

[CVM] ←────→ [CVM] ←────→ [CVM]
  │             │             │
Storage       Storage       Storage

各CVMが連携することで、Cluster全体に分散したストレージを利用できるようにします。

つまり、

CVM = ストレージサービスなどを提供するController VM

DSF = CVMなどによって実現される分散ストレージ

と整理できます。

Nutanixストレージの階層

Nutanixのストレージを理解するときは、次の階層を意識すると分かりやすくなります。

Physical Disk
      ↓
 Storage Pool
      ↓
Storage Container
      ↓
    vDisk
      ↓
     VM

それぞれ詳しく見ていきましょう。

Physical Disk

一番下にあるのが物理的なストレージデバイスです。

Nodeには、

SSD
NVMe
HDD

などのストレージデバイスが搭載されます。

Nutanix Node

├─ CPU
├─ Memory
└─ Storage
     ├─ SSD
     ├─ SSD
     └─ HDD

これらがNutanixの分散ストレージを構成する物理的な土台になります。

Storage Poolとは？

物理ストレージを論理的にまとめたものが、

Storage Pool

です。

イメージとしては、

Node 1 Disks ─┐
Node 2 Disks ─┼─→ Storage Pool
Node 3 Disks ─┘

となります。

つまりStorage Poolは、

Cluster内の物理ストレージリソースをまとめた領域

です。

そのStorage Poolの上に、VMなどが利用する論理的な領域を作成します。

Storage Containerとは？

Storage Poolの上に作成される論理的なストレージ領域が、

Storage Container

です。

Storage Pool
      │
 ┌────┼────────┐
 ▼    ▼        ▼
Container A  Container B  Container C

Storage Containerは、VMの仮想ディスクなどを格納するために利用されます。

たとえば、

Storage Pool

├─ Production-Container
├─ Development-Container
└─ Test-Container

のように用途ごとに分けることもできます。

Storage PoolとStorage Containerの違い

この2つは名前が似ているため混同しやすいところです。

整理すると、

用語	役割
Storage Pool	物理ストレージリソースをまとめる
Storage Container	Storage Pool上に作る論理的なストレージ領域

簡単に覚えるなら、

Physical Disk
     ↓
Storage Pool
     ↓
Storage Container

です。

Poolの中にContainerがある

とイメージすると分かりやすいでしょう。

vDiskとは？

VMが利用する仮想ディスクが、

vDisk（Virtual Disk）

です。

VMから見ると、

VM
│
├─ Disk 1：100GB
└─ Disk 2：500GB

のような普通のDiskに見えます。

しかし、その裏側ではNutanixの分散ストレージが利用されています。

VM
 ↓
vDisk
 ↓
Storage Container
 ↓
Storage Pool
 ↓
DSF
 ↓
各NodeのStorage

VMを利用する管理者が、

「このデータはNode 1のSSDのこの場所に保存しよう」

と意識する必要はありません。

Nutanix側がデータの配置を管理します。

Data Locality

Nutanixストレージの特徴として覚えておきたいのが、

Data Locality（データローカリティ）

です。

これは、

VMが利用するデータを、可能な限りそのVMが動作しているNodeの近くで利用する

という考え方です。

たとえばVM AがNode 1で動いている場合、

Node 1

┌──────────────┐
│    VM A      │
│      ↓       │
│     CVM      │
│      ↓       │
│ Local Data   │
└──────────────┘

とすることで、不要なネットワーク越しの読み込みを減らせます。

データを1台のNodeだけに保存して大丈夫？

ここで疑問が出てきます。

Node 1にデータを保存して、Node 1が故障したらどうなるの？

そのためNutanixでは、データの可用性を確保する仕組みが用意されています。

そこで登場するのが、

Replication Factor（RF）

です。

Replication Factorとは？

Replication Factorは、Nutanixのデータ冗長性に関係する考え方です。

代表的なのが、

です。

RF2

RF2では、障害に備えてデータのコピーを別のNodeにも保持します。

イメージすると、

Node 1              Node 2

Data A ───────────→ Data A Copy

となります。

これによって、1つのNodeだけにデータが依存することを防ぎます。

RF2は、一般的に1つの障害に耐えられる構成として考えます。

RF3

より高い耐障害性が必要な場合には、

RF3

があります。

Node 1       Node 2       Node 3

Data A       Copy 1       Copy 2

複数のコピーを異なる障害ドメインへ保持することで、RF2より高い冗長性を実現します。

一般的には同時に2つの障害へ耐えられる構成として考えます。

ただし、その分だけデータを保持するために必要なストレージ容量も増加します。

RF2とRF3の違い

整理すると、

項目	RF2	RF3
データコピー	2つ	3つ
耐障害性	1障害	2障害
必要容量	比較的少ない	多い
可用性	高い	より高い

NCA対策として、

RFが大きくなるほど耐障害性は高くなるが、必要なストレージ容量も増える

という関係を理解しておきましょう。

Compressionとは？

Nutanixではストレージ容量を効率的に利用するための機能があります。

その一つが、

Compression（圧縮）

です。

たとえば、

元データ
100GB

   ↓ Compression

圧縮後
60GB

のように、データを圧縮して保存することで必要なストレージ容量を削減します。

実際の圧縮率はデータの種類などによって異なります。

Deduplicationとは？

もう一つが、

Deduplication（重複排除）

です。

同じデータが複数存在する場合に、重複するデータを効率化します。

たとえば、

Data A
Data A
Data A
Data B

というデータがあった場合、

Data A × 1
Data B × 1

のように、重複しているデータを削減する考え方です。

特に似たデータを大量に持つ環境では、ストレージ容量の効率化につながる場合があります。

Erasure Codingとは？

さらに覚えておきたいのが、

Erasure Coding

です。

Nutanixでは、ストレージ容量を効率的に利用しながらデータを保護するための仕組みとして利用されます。

単純なReplicationでは、同じデータを複数コピーします。

Replication

Data A
Data A Copy

一方、Erasure Codingではデータを複数のデータ片とパリティ情報に分けて保持します。

イメージすると、

Data
 ↓
┌────┬────┬────┬────────┐
│ A1 │ A2 │ A3 │ Parity │
└────┴────┴────┴────────┘

一部のデータが失われても、残ったデータとパリティ情報から復元できるようにします。

ReplicationとErasure Codingの違い

非常に単純化すると、

Replication

は、

同じデータを複数持って守る

仕組みです。

一方、

Erasure Coding

は、

データと復元用情報を分散して持つ

仕組みです。

Replication
↓
コピーによって保護


Erasure Coding
↓
データ + Parityによって保護

Erasure Codingは、Replicationだけを利用する場合と比較してストレージ容量を効率化できる場合があります。

Prismからストレージを確認する

NutanixのストレージもPrismから管理・監視できます。

たとえば、

Storage Container
容量
使用量
空き容量
Performance

などを確認できます。

Administrator
      │
      ▼
    Prism
      │
      ▼
   Storage
      │
 ┌────┼──────────┐
 ▼    ▼          ▼
容量  使用量  Performance

NCAでは単に用語を覚えるだけでなく、

Prismのどこから何を確認できるのか

という管理者目線も意識しておきましょう。

IOPSとは？

ストレージのPerformanceを確認するときに登場するのが、

IOPS

です。

IOPSは、

Input/Output Operations Per Second

の略です。

1秒間に何回のI/O処理を行えるか、または行っているかを表す指標です。

たとえば、

1000 IOPS

であれば、1秒間に1000回のI/O処理という意味になります。

ストレージの負荷や性能を確認するときに利用される重要な指標です。

Latencyとは？

もう一つ重要なのが、

Latency（レイテンシ）

です。

Latencyは、

I/O処理にどれくらい時間がかかったか

を表します。

たとえば、

VM
 │
 │ Read Request
 ▼
Storage
 │
 │ Response
 ▼
VM

← この処理にかかった時間 →

がLatencyです。

一般的にはLatencyが大きくなるほど、VMから見たストレージ応答が遅くなります。

Throughputとは？

ストレージPerformanceでは、

Throughput（スループット）

も重要です。

Throughputは、

一定時間にどれくらいのデータを転送できるか

を表します。

たとえば、

500 MB/s

のように表します。

整理すると、

指標	意味
IOPS	1秒間のI/O回数
Latency	I/Oにかかった時間
Throughput	一定時間に転送したデータ量

となります。

はちみつ屋さんで例えると？

今回も、はちみつ屋さんで考えてみましょう。

複数の店舗があり、それぞれに倉庫があります。

名古屋店     東京店      大阪店

 倉庫          倉庫         倉庫

これらの倉庫をまとめて、

会社全体の巨大な倉庫システム

として管理します。

これがDSFです。

倉庫全体の保管スペースをまとめたものが、

Storage Pool

です。

さらに、

はちみつ用エリア

お菓子用エリア

飲料用エリア

のように用途別の保管エリアを作ります。

これがStorage Containerです。

そして、実際に置かれている商品がVMのvDiskに相当します。

RFをはちみつ屋さんで考える

大事なはちみつを名古屋店だけに置いていたら、名古屋店でトラブルが起きたときに困ります。

そこで東京店にもコピーを置きます。

名古屋店
はちみつA

     ↓ Copy

東京店
はちみつA

これがRF2のイメージです。

さらに高い耐障害性が必要なら、別の店舗にもコピーを保持します。

つまり、

「大事なはちみつを複数の店舗に分散して守る」

のがReplicationです。

NCA対策として覚えておきたいポイント

今回の重要ポイントを整理します。

用語	ポイント
DSF	Nutanixの分散ストレージ機能
CVM	ストレージサービスなどを提供
Storage Pool	物理ストレージリソースをまとめる
Storage Container	Pool上の論理的なストレージ領域
vDisk	VMが利用する仮想ディスク
Data Locality	VMが利用するデータを可能な限り近くで利用
RF2	データを冗長化し、1障害への耐性を持たせる
RF3	RF2より高い冗長性を持たせる
Compression	データを圧縮
Deduplication	重複データを削減
Erasure Coding	データとパリティを利用して効率的に保護
IOPS	1秒間のI/O回数
Latency	I/Oの応答時間
Throughput	一定時間に転送するデータ量

特にストレージの階層、

Physical Disk
      ↓
Storage Pool
      ↓
Storage Container
      ↓
vDisk
      ↓
VM

はしっかり理解しておきましょう。

ここまでの構成を全部つなげよう

これまで学んできた内容を組み合わせると、Nutanixの全体像がかなり見えてきます。

                    Prism
                      │
                      ▼
              Nutanix Cluster
                      │
                     Node
                      │
                     AHV
                      │
                      VM
                 ┌────┴────┐
                 │         │
              Network    Storage
                 │         │
                vNIC      vDisk
                 │         │
               Subnet     CVM
                 │         │
                VLAN      DSF
                 │         │
          Physical NIC   Storage

つまりVMから見ると、

ネットワーク側ではvNIC

ストレージ側ではvDisk

を利用しています。

その裏側をAHV・CVM・DSFなどのNutanixの仕組みが支えています。

まとめ

今回はNutanixのストレージについて学びました。

Nutanixでは各Nodeに搭載されたストレージを、DSFによって分散ストレージとして利用します。

そのストレージは、

Physical Disk → Storage Pool → Storage Container → vDisk → VM

という関係で理解できます。

また、

Replication Factor

によってデータの冗長性を確保し、

Compression
Deduplication
Erasure Coding

などによってストレージ容量を効率的に利用する仕組みもあります。

NCA対策では個々の用語を暗記するだけではなく、

「VMが使っているDiskの裏側で、Nutanixがどのようにデータを保存・保護しているのか」

という流れを理解しておくことが重要です。

次回は、複数のNodeをまとめて動作させるNutanix Clusterの構成と管理について詳しく学んでいきます。