PanFS RAID 6+とは？
ストレージの未来を支えるインテリジェントRAID

RAID 6+をサポートする最新のPanFSは、NASの世界にパラダイムシフトを引き起こす革新的なストレージ・オペレーティングシステムです。従来のNAS製品は、その規模が大きくなるに伴って信頼性や可用性が低下するのに対して、Panasasのストレージ製品はスケールアウトに伴ってストレージの信頼性と可用性が向上します。個々のファイル毎に分散されたインテリジェントなRAIDアーキテクチャにより、従来のRAIDが抱えていた制約は完全に克服されます。PanFSは、ストレージシステムの再構築に要する時間を大幅に短縮し、データ損失のリスクを最小限に抑制します。また、効率の良いRAIDパフォーマンスによって求める成果に到達するまでの時間が飛躍的に短縮されるとともに、発生の可能性が非常に低い3台のドライブの同時障害の場合でも、ファイルシステムの可用性を維持することができます。

スケールアウトに伴って信頼性が向上する革新的なPanFS RAID 6+

RAID 6+に対応し、革新的な進化を遂げたPanFSは、大規模ストレージの信頼性を飛躍的に向上させることができます。三重パリティデータ保護機能とファイル毎に分散されたインテリジェントなRAIDアーキテクチャによって、大規模ストレージにおいて極めて高度な信頼性が実現しています。PanasasのスケールアウトNASアプライアンスでは、2台のストレージブレードの同時障害が発生してもデータは確実に保護されます。また、シングルセクターディスクエラーに対する補助的保護機能も備えています。ファイル毎に分散されたRAIDアーキテクチャでは、リストアしなければならないデータ量を大幅に削減可能で、発生の可能性が極めて低い壊滅的な障害においても、システム復旧に要する時間が最小限に短縮されます。

Panasas PANFS RAID 6+ の特徴と利点
PanFS RAID 6+の優れた機能は、三重パリティやファイル毎に分散されたRAIDアーキテクチャによる高信頼性だけにとどまらず、従来のNAS製品をはるかに上回るさまざまなバリューを提供します。

RAID 6+三重パリティデータ保護機能
Panasasの製品は、革新的な三重パリティデータ保護機能によってこれまでにないレベルのデータの信頼性と可用性を提供します。

ディスクメディアエラーの問題
この10年間、RAIDはストレージシステムの性能と信頼性の向上のために利用されてきました。RAIDが利用されてきたこの10年間で、その利用は非>常に広範囲に及ぶようになってきました。しかし、同時にディスクの密度は250倍も高密度になっています。このディスクの高密度化は、ストレー ジシステムの信頼性とデータ統合に関して、大きな挑戦となっています。PanasasオブジェクトRAIDアーキテクチャは、このメディアの高密度化と 信頼性とデータ統合に対するソリューションを提供し、同時に非常に高いスケーラビリティを実現するアーキテクチャです。

ディスクの高密度化に際しての挑戦 - ディスクメディアエラーと新たな挑戦

1. メディアエラーの発生の可能性と頻度の増えることによって、RAIDの再構成に失敗する可能性の増加
2. RAID再構成の時間の増加とRAID再構成の失敗によるリカバリー時間の増加
3. データ破損はメモリ、スイッチ、ネットワークインフラを通過するデータ量の増加によって、ストレージシステム以外の部分で発生する可能>性が高い

• 水平パリティ（ブレードベース） – RAID 6二重パリティ冗長符号を活用し、データおよびパリティを複数の物理ディスクに分散します。これにより、2台のブレードが同時に故障した場合でも別のブレードからデータを再構築することができます。ファイル毎に分散されたRAIDアーキテクチャでは、再構築が必要になるのは故障したドライブのファイルコンポーネントのみで、ブロックレベルでドライブ全体を再構築する必要がありません。PanFSでは、極めて高速な再構築機能、そしてデータファイルに影響を及ぼす複数ブレードの障害の可能性を最小限に低減する優れたアーキテクチャにより、複数ドライブの同時障害の可能性を大幅に低減しています。

• 垂直パリティ（ディスクベース） – 補助的な単一パリティ保護機能を使用する垂直パリティにより、各ストレージブレード内のセクターエラーに対して先進の保護機能を提供します。従来のストレージ製品では、再構築中にシングルセクターエラーが発生した後に二重障害のほとんどが発生しているため、この機能は非常に重要です。垂直ポリティは、水平パリティによってストレージブレードを完全に再構築することなく、高速にセクターを回復可能にするソリューションです。また垂直パリティは、バックグラウンドのデータスクラブプロセスにおけるハードディスク上のシングルビットフリップの検出と訂正にも使用されます。

RAID 6+三重パリティ保護機能により、従来の二重パリティによるアプローチに比べ、パフォーマンスを著しく低下させることなく150倍の飛躍的な信頼性の向上を実現しています。

PanFSの分散されたファイル毎のRAID機能（RAID 6+）

PanFS RAIDは、ファイル毎にRAID冗長符号アルゴリズムを適用することによって実装されています。このアーキテクチャは、ストレージハードウェアの構成要素すべてにファイルの断片を分散させることで、物理デバイスの障害からデータを保護します。サイズの大きなファイルは、通常8台から11台のストレージブレードにストライピングされ、最適なパフォーマンスを得るためにそのファイルの断片がすべてのストレージブレードに分散されるまで、さらにストライピングが実行されます。データ保護機能は任意のストライプに実装されているため、ファイルは数百台、数千台規模のディスクの障害のリスクから本質的に遮蔽されることになります。PanFS RAID 6+は効率性が極めて優れており、ストレージ容量のオーバーヘッドは25%程度に抑制されています。

大規模ストレージにおける信頼性を最大限に高めるRAID技術
個々に分散されたファイル毎のRAID機能とは

ストレージシステムの信頼性は、これまでスケールアウトに伴って低下すると認識されていました。しかし、PanFSの個々に分散されたファイル毎のRAIDによって、その常識は覆されることになります。10台のドライブ構成のシステム（図1）では、ファイルコンポーネントが10台のドライブに分散され、サイズの大きいファイルは8台のドライブによるストライピング、小さなファイルは三重ミラーリングが行われます。3台のドライブに障害が発生すると、ファイルには実質的に影響が及びます。ファイル5は再構築することができないため、バックアップからリストアしなければなりません。ファイル1と4では2つのドライブに、ファイル3では1つのドライブに障害が発生しています。この例では、影響を受けないのはファイル2のみです。限られた数の同じドライブ群に多数のファイルを分散させると、ファイル損失のリスクは非常に大きくなります。

図1: 10台のドライブ構成のPanasasシステム

20台のドライブ構成のシステム（図2）にスケールアウトすると、同じ5つのファイルの損失リスクは劇的に改善されます。10台のドライブ構成のシステムと同じストライプ幅を維持する場合、ファイル毎のRAIDではより数の多いドライブ間にファイルの断片が分散されます。より大規模なこのシステムでは、複数のドライブに障害が発生しても任意のファイルに影響が及ぶ可能性は低くなります。20台のドライブ構成のシステムで3台のドライブに障害が発生すると、3つのファイルが影響を受けることになりますが、どのファイルでも二重障害は発生しておらず、すべてのファイルを再構築することができます。どのファイルもバックアップからリストアする必要はありません。

図2: 20台のドライブ構成のPanasasシステム

このように、PanFSの分散されたファイル毎のRAIDによって、大規模ストレージにおける信頼性が本質的に向上します。またPanFSは、リニアに向上するRAIDのパラレル再構築性能、三重パリティ、サイズの小さなファイルの三重ミラーリング、そしてファイルシステムの可用性拡張により、信頼性を向上させます。

サイズの小さなファイルの三重ミラーリング

PanFSでは、サイズの小さなファイルがすべて三重ミラーリングされ、比類ないデータ保護機能を提供します。ファイルのコピーは各々が異なるストレージブレードに配置され、通常はSolid State Disk（SSD）上に保存されます。このため、このようなファイルが保存されているストレージブレードが2台同時に故障しても、データの損失が発生しません。ファイルのミラーリングされたコピーの再構築が必要な時には、フラッシュのスピードで高速に再構築されるため、保護機能が低下した状態は短時間で解消されます。サイズの小さなファイルは3台のSSDに独立してミラーリングされるため、このようなファイルの信頼性は極めて高くなります。また、膨大な数のファイルであっても、比類ない再構築性能によって可用性が飛躍的に向上します。高速に再構築が行われるため、耐障害性の限度を超える数のハードウェアに障害が発生し、可用性が損なわれる可能性は最小限に低減されます。

リニアに向上するRAIDのパラレル再構築性能

従来のブロックベースのRAIDアプローチでは、特定のドライブに保存されているファイルが識別されないため、障害の発生したドライブのすべてのブロック — 修復するファイルとは関係のないブロックや、何も保存されていない未使用ブロックまで — を長時間掛けて再構築し、耐障害性を回復しなければなりませんでした。この結果、ディスク内のデータの0.01%のみを再構築するためであっても、ディスク全体を完全に再構築する必要が生じます。現在普及しているドライブのサイズを考えると、PanFSでは数分から数時間で再構築が完了するのに対して、従来型のRAIDアレイでは数日から数週間も要するケースがあります。

PanFS RAIDは、再構築の対象を破損した特定のファイルのみに最小化するとともに、システムの大規模化に伴って再構築性能がリニアに向上するパラレル再構築を行うことにより、再構築に要する時間を本質的に短縮します。これにより、業界で広く認識されている大容量ディスクドライブ（4TB、6TB、8TB、あるいはそれ以上）で構成されたRAIDの再構築時間の問題が解決します。PanFSのファイル毎に分散されたRAIDアーキテクチャでは、まず再構築の対象が修復の必要なファイルのみに最小化されます。ファイルは、複数のオブジェクトストレージデバイス（OSD）に分散して保存されている、複数のコンポーネントオブジェクトで構成されます。あるOSD上でセクターエラーが発生し、ファイルのコンポーネントオブジェクトにアクセスできなくなると、PanFSは影響を受けるファイルを即座に把握して、問題のないセクター上に短時間で効率良くコンポーネントオブジェクトを再構築することができます。

また、ストレージブレードへのパラレルデータチャネルにより、ブロックベースの従来のRAIDシステムに比べ再構築性能が飛躍的に向上します。システム容量が増加してさらにシェルフが追加されるに伴って、追加のストレージシェルフ各々のディレクターブレードは他のディレクターブレードと連携し、再構築をパラレル実行します。これにより、再構築性能をリニアに向上させることが可能となり、シングルシェルフから20シェルフ構成のActiveStorにスケールアウトする場合、再構築性能は20倍高速になります。また、再構築の対象は任意のファイルの破損したコンポーネントオブジェクトだけであるため、極めて効率的にRAID再構築が行われます。

ファイルシステムの可用性拡張（EFSA: Extended File System Availability）

二重、三重にパリティ保護されている場合は、ストレージの壊滅的な障害が頻繁に発生することはありません。しかしながら、そのような障害が発生した場合の影響は甚大で、通常はファイルシステム全体のリストアが必要になります。数百テラバイト以上の規模のデータを管理するストレージ担当者にとって、このような障害は悪夢以外の何物でもありません。PanFSでは、ファイルシステムの可用性拡張（EFSA: Extended File System Availability）が採用されており、ファイルシステムの可用性を維持することによって、他のシステムがダウンしてしまうような状況においてもビジネスの持続性が確保されます。RAID 6+では、ファイルシステムのディレクトリデータが四重ミラーリングされており、ネームスペースはデータよりもさらに一段階上の保護対策が施されています。これにより、3台のドライブの同時障害が発生した場合でもファイルシステムの可用性は維持され、利用することが可能になります。ファイルシステムがオンライン状態である場合、PanFSはストレージ管理者に対してリストアが必要なファイルの極めて小規模なリストを提供します。リスト内の特定のファイルをリストアすると、ファイルシステム全体の可用性と信頼性を回復させることが可能です。このようなRAID 6+のファイル毎の保護機能やEFSAがなければ、ITシステムの復旧には数日から数週間も掛かることも珍しくありません。

スケーラブルなクライアント側のRAIDエンジン

レガシーなRAIDアプローチと違い、PanFSアーキテクチャではクライアントの数に合わせてRAIDエンジンのパフォーマンスもリニアに拡張することができます。DirectFlowプロトコルを使用してファイルシステムにアクセスする場合、各クライアントはRAIDパリティエンジンとして少量のCPUリソースを使用します。数百、数千ノードレベルにスケールアウトLinuxクラスタでは、僅かなCPUの利用率で極めて高いRAID性能を発揮します。これにより、従来のハードウェアRAIDコントローラで課題となっていたボトルネックが排除され、アプリケーションリソースに合わせてRAID性能をリニアに拡張することが可能になります。