ワンビッグRAID 10 – サーバーストレージの新標準

1990年代後半、新しいサーバーを構築する際の標準的な経験則は、オペレーティングシステムを独自の小さなRAID 1アレイに配置し、アプリケーションとデータを別のRAID 5アレイに分離することでした。これにはいくつかの理由がありましたが、その多くは時代の流れとともに忘れ去られてしまいました。主な要因としては、ストレージ容量が非常に高価であったこと、ディスクが小容量であったこと、ファイルシステムが頻繁に破損したこと、そして物理的なハードドライブが他の種類の障害と比較して非常に高い割合で故障していたことが挙げられます。人々は、物理的なハードドライブの故障から保護すること、ファイルシステムの破損から保護すること、そして必要な容量を確保することの必要性に迫られていました。

現在、ストレージの状況は変化しています。ファイルシステムは非常に堅牢になり、ファイルシステム自体による破損はほとんど聞かれなくなり、ジャーナリングなどの技術のおかげで、ほとんどの場合迅速かつ効果的に修正でき、エンドユーザーのデータ損失を防ぐことができます。今日、ファイルシステムの破損を心配する人はほとんどいません。

現代のファイルシステムは、以前よりもはるかに大きな容量を扱えるようになっています。1990年代後半から2000年代初頭には、単一のファイルシステムが扱える容量を超えるドライブアレイを簡単に作れることも珍しくありませんでした。今日では、一般的なファイルシステムはすべて少なくとも数テラバイト、多くの場合はペタバイト、エクサバイト以上のデータを扱えるため、そのような状況は現実的ではありません。

ハードドライブは1990年代後半に比べてはるかに信頼性が高くなっています。安価なドライブでも、ドライブ全体が故障する割合は非常に低くなっています。実際、アレイの故障（RAIDアレイ全体のデータ損失）は、ハードドライブの故障よりも、主にアレイ障害に関連する問題が主な原因となっています。今や、ハードドライブを無闇に交換することはなくなりました。大規模なアレイが一度もドライブを失わずに耐用年数全体を稼働し続けることも珍しくありません。

容量は劇的に拡大しました。4.3GBのハードドライブに代わり、現在は3TBのドライブを搭載しています。15年足らずで、単一のスピンドルの容量が約1,000倍になりました。

これらの要因が合わさることで、サーバーストレージ設計において劇的に異なるアプローチが必要となり、ストレージ設計の出発点となる「経験則」も変わる必要が生じました。

旧来のアプローチはRAID 1 + RAID 5と表現できます。RAID 1スペースはオペレーティングシステムに使用され、RAID 5スペース（おそらくより大きい）はデータとアプリケーションに使用されていました。この設計は2つのストレージの関心事を分離し、障害時に復旧が非常に困難で、データのアクセス性が依存するオペレーティングシステムの保護に最大限の力を注ぎ、高信頼性のRAID 1に配置しました。コストの低いRAID 5は、やや高リスクではあるものの、多くの場合データをRAID 1に保存するコストが高すぎるため、データ用として選択されていました。当時は理にかなったトレードオフでした。

今日、私たちの懸念事項は大きく異なり、新しいアプローチが必要です。この新しいアプローチは「ワンビッグRAID 10」として知られており、オペレーティングシステム、アプリケーション、データをすべて一緒に格納する単一の大きなRAID 10アレイを意味します。もちろん、これは便宜上の表現です。パフォーマンスや容量のニーズが単一ディスクを超えないシステムでは「ワンビッグRAID 1」と言うでしょうが、多くの人がRAID 1をRAID 10グループに含めるため、前者の方が言いやすいのです。

さらに略して、これをOBR10と呼びます。

ストレージのコストが大幅に下がり、プレミアムな存在から通常は豊富に存在するものになったこと、ファイルシステムが非常に信頼性が高くなったこと、RAID 1とRAID 10が同様のパフォーマンス特性を持つこと、そしてディスク以外の障害に起因するアレイ障害がバックグラウンドノイズから主要なデータ損失原因に移行したことから、RAID 10への移行とアレイ分割の廃止が新しい標準アプローチとなりました。

RAID 10により、以前はオペレーティングシステム専用だった高可用性で弾力性の高いストレージが、すべてのデータで利用できるようになりました。ミラーリングされたRAIDのパフォーマンスの利点に加え、すべてのデータに対して追加スピンドルによる利点も得られます。ドライブ容量の利用率が向上し、その改善された利用率に基づくパフォーマンスも向上します。

データベースで通常行われる従来のログファイル分離（悪名高いRAID 1 + RAID 5 + RAID 1アプローチ）も、RAID 10がすべてのデータにわたって最適なパフォーマンス特性を維持するため、不要になりました。RAID 10により、かつてアレイを分割させていたほぼすべての要因が解消されます。

言及されていない重要な要因として、分割アレイが伝統的に有益とされていたのはアクセス競合です。異なるプロセスが同時にディスクの異なる部分へのアクセスを必要とし、ドライブヘッドが理想的でないパターンで移動してドライブのパフォーマンスが低下する問題です。競合は、旧来の経験則が生まれた1990年代後半には大きな問題でした。

今日でもドライブ競合は存在しますが、大容量RAIDキャッシュの使用によって大幅に軽減されています。1990年代後半、ドライブキャッシュは多くても数メガバイト程度で、存在しないことも多くありました。今日では256MBは小さいキャッシュであり、平均的なサーバーはRAIDカードだけで1〜2GBのキャッシュを搭載した状態でデプロイされています。一部のシステムでは、コントローラーのメモリキャッシュを超えるセカンダリキャッシュとして、ソリッドステートドライブベースの追加キャッシュの統合が始まっています。これにより数百ギガバイトの非常に高速なキャッシュが容易に追加でき、スピンドル操作が競合を心配する必要がなくなるほどバッファリングできます。こうして競合の問題は年月とともに別の方法で解決されましたが、他の技術変化と同様に、アレイを分割する必要のあった従来の懸念から私たちを実質的に解放しました。

アレイ競合と同様に、1990年代後半にアレイを分割する理由として、はるかにまれであったもう一つの理由は、当時のSCSIおよびATA技術の制限によるコミュニケーションバスのパフォーマンス改善でした。これらも、現代のアレイにおけるシリアル通信メカニズム（SASおよびSATA）への移行によって解消されました。各アレイの単一バスの容量に制限されることなく、以前よりもはるかに大きく、はるかに柔軟に拡張できるようになりました。バス競合はほぼ解消されました。

ログファイルの増加などの保護のためにスペースを分割する必要がある場合は、物理的なアレイ分割ではなくパーティショニングによって実現できます。一般的に、パーティショニングはオーバーヘッドが増加し、ドライブが自己チューニングする能力が低下するため最小化したいところですが、より良いアプローチとなるケースもあります。ただし、従来のように基礎となる物理ストレージを分割する必要はありません。パーティショニングよりも、利用可能な場合は論理ボリューム管理の方が優れています。これによりパーティションのような分離が、パーティションの制限なしに実現できます。

結論として、サーバーストレージの新しい経験則は「ワンビッグRAID 10」です。RAID 5はもう不要、アレイ分割も不要です。信頼性、パフォーマンス、管理の容易さ、そして適度なコスト効率についての考え方です。すべての経験則と同様に、これがすべてのケースに当てはまるわけではありませんが、古い標準よりもはるかに広く適用されます。RAID 1 + RAID 5は標準として、常に望ましくない状況を「やり過ごす」試みであり、悪い状況を最大限に活用しようとするものでした。OBR10はそうではありません。新しい標準は望ましい標準です。「仕方なく」縛られているものではなく、実際に望む運用方法なのです。

新しいサーバーのストレージを設計する際は、OBR10から始め、技術的ニーズが特別にそれを満たさない場合にのみ別の選択肢を検討してください。OBR10を使用することを正当化する必要はなく、OBR10を使用しないことを正当化する必要があります。