チェック方法から解消方法までストレージのI/Oパフォーマンスを低下させる「ミスアライメント」問題

仮想化の普及に伴い、ストレージは複数の段階で抽象化されるようになった。このとき、ファイルが「ミスアライメント」状態になると、I/O速度が低下し、さまざまな場面で不都合を生じさせることになる。

[Chris Evans，Computer Weekly]

　NANDフラッシュが広く普及するまで、永続性ストレージのベースとなっていたのは一般に機械式のデバイスだった。

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　ストレージデバイスは、テープやカードに穿孔していた時代から、テープや回転型のディスクメディア（HDDや光学ドライブ）の時代へと変化してきた。これらのデバイスの物理特性は、全てデータの読み書き速度に影響を及ぼす。

　サーバ仮想化によって、基盤となる物理ストレージが仮想マシン（VM）の論理ディスクに抽象化されるようになると、入出力（I/O）のミスアライメントという問題が新たに登場した。I/Oのミスアライメントは、I/Oのパフォーマンス低下につながる。これは共有ストレージアレイ内のストレージを複数の段階を経て抽象化することで、論理ブロックのアライメントが失われることが原因だ。

　この問題の原因を突き止めるには、ストレージが外部アレイからVMゲストにマップされる仕組みを知る必要がある。一般に、ストレージエリアネットワーク（SAN）やネットワークファイルシステム（NFS）ベースのストレージの内部では、4KB以上の固定ブロック（チャンク）でデータの読み書きが行われる。

　この上に、VMwareの「VMFS」（Virtual Machine File System）やMicrosoftの「VHD」（Virtual Hard Disk）などがファイルレイアウトとして作成される。

　SANもNFSも、ファイルシステムの動作はわずかに異なる（「Hyper-V」は「NTFS」を使用）が、アライメントのメリットに関係する特性は変わらない。「VMFS-5」のアロケーションサイズは1MBで、I/Oのサイズはゲスト自体に基づく。

　これを土台に、VMゲストとOSのファイルシステムが重なる。例えば「Windows」とNTFSはクラスタサイズが固定であらかじめ定義されている。この関係を以下の図1に示す。各層がLBA（論理ブロックアドレス）の境界（「LBA=0」から始まる）に沿ってアライメントされる。VMゲストデータのいずれかのブロックに対して読み取りまたは書き込みI/Oが1回行われると、ストレージ層で1回だけI/Oが発生する。

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