iSCSI、SAS、FCプロトコルの違い

企業では主に3つのストレージ・ネットワーキング技術が採用されており、それぞれに長所と短所があります。本記事では、FC、SAS、iSCSIの各ストレージプロトコルを比較し、VMware vSphere環境におけるそれぞれの最適な活用方法を解説します。ただし、この情報は他のITインフラストラクチャでのストレージ導入にも活用できます。

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FC、SAS、iSCSI:技術比較

vSphere 環境の冗長性、高可用性、および負荷効率を高めるための一般的な手法は、 vSphereクラスタ内のESXiホストを設定する. VMwareの共有ストレージの作成は、クラスタにとって最も重要な要件の一つです。共有ストレージを作成するには、いくつかの方法があります:

• ストレージサーバーおよびESXiホスト上のSASインターフェース
• ファイバーチャネル(FC)
• iSCSI
• Virtual SAN (vSAN)

VMwareでは、vSANが標準で搭載されており、vSphere Clientから設定できますが、他の3つは設定に追加のソフトウェアやハードウェアが必要です。iSCSIとSASの違いを確認し、FCと他の方式を比較することで、これらの技術のさまざまな側面を理解しましょう。

• ファイバーチャネル これは、大規模組織において高いパフォーマンス、可用性、信頼性が求められるミッションクリティカルなアプリケーション向けのストレージシステムにとって、究極のソリューションです。ただし、このようなソリューションは価格が高額である点にご留意ください。
• SAS はより手頃な価格の技術であり、信頼性、高可用性、およびパフォーマンスが重視される企業環境では、SASベースのソリューションが広く採用されています。
• iSCSI 3つの選択肢の中で最もコストパフォーマンスに優れており、予算が限られている場合でも既存のインフラと併用できます。

FC対SAS

これら2つの成熟した技術はいずれも、高いパフォーマンス、信頼性、可用性を備えています。ただし、データ転送においては、ファイバーチャネルの方がわずかに高いパフォーマンスを発揮します。 

• SASはコストパフォーマンスに優れており、エンタープライズ向けストレージに最適です。
• FCストレージネットワークは、企業環境における膨大な量のデータを扱うSANで広く利用されています。 
• プロトコルブリッジングを使用することで、FCネットワーク上でSASディスクを利用し、ディスクドライブへのSAS変換を行うことができます。
• ストレージがサーバーと同じラックまたは同じ部屋内に設置されている場合(ダイレクトアタッチドストレージ)、SASストレージが最適な選択肢となります。

インフラストラクチャが拡大し、SASストレージの容量が不足してきた場合は、より高い拡張性を備えたファイバーチャネルSANストレージの導入を検討するとよいでしょう。

SAS 対 iSCSI

SASはSCSIコマンドを使用してディスクデバイスを接続するためのインターフェースであるのに対し、iSCSIは基盤となるTCP/IPネットワークを利用してSCSIコマンドをカプセル化するプロトコルです。サーバーにSASドライブを採用することで、手頃な価格で高いパフォーマンスと信頼性を実現できます。iSCSIを利用すれば、共有ストレージとして使用されるサーバー上でSATAディスクドライブさえも利用することが可能になります。

FC 対 iSCSI

ファイバーチャネルは、独自のネットワーク規格を用いて、ストレージエリアネットワーク(SAN)内のディスクドライブにSCSIコマンドを送信する最上位のソリューションです。iSCSIは、低コスト、適度なパフォーマンス、十分な拡張性が決定要因となる場合、SAN(LUN)を接続するための代替手段として利用できます。 iSCSIに使用されるイーサネットネットワークは汎用的で一般的ですが、本来はストレージトラフィックの転送を主目的としていません。したがって、パフォーマンスの面ではファイバーチャネルが優れています。

ここで、FC、SAS、iSCSIの各技術の主なパラメータを、この比較表にまとめてみましょう。

VMwareの共有ストレージアプローチの比較

以下は、vSANを含むVMware vSphereの共有ストレージを構築するための各手法を簡単に比較した表です。

ストレージ技術の概要

VMwareの共有ストレージを構築するための各手法について、さらに詳しく見ていきましょう。

SASとは何ですか？

SAS(Serial Attached SCSI)は、サーバーにおいてディスクドライブやDVDドライブなどを接続するために広く使用されているインターフェース規格であり、 テープドライブ. SASは、ESXiホストなどのサーバーにおけるダイレクトアタッチドストレージ(DAS)や、ネットワーク経由でアクセス可能な共有ストレージとして構成されたサーバー(ストレージサーバー)で広く使用されています。

SCSI(パラレルSCSI)の後継であるSASは、SCSI(Small Computer System Interface)コマンドを使用して動作し、より高い効率性を実現するように最適化されています。 SASコントローラは、SASおよびSATAディスクドライブの接続に対応しています。これは信頼性の高いストレージインターフェース規格であり、長年にわたり使用され、その間に大幅な機能強化が図られてきました。

• 構成要素. SASシステムは、主に3つのコンポーネントで構成されています:
  • 発起人 – SASディスクドライブが接続されているホストコンピュータの一部
  • ターゲット – 論理ユニットを含むディスクデバイスで、ホストコンピュータに接続されており、この場合は"イニシエーター"と呼ばれる
  • サービス提供サブシステム – イニシエーターとターゲットを接続するためのケーブルなどの機器が含まれます
• パフォーマンス. SAS を使用すると、複数の高速物理リンクを 1 つのより高速なポートに統合し、これらのリンクとコントローラ間の帯域幅を拡大することができます。 SAS 3のインターフェース速度は12 Gbit/s、SAS 4は22.5 Gbit/sであり、現在開発中のSAS 5では45 Gbit/sが提供される見込みです。実際には、速度は接続されるSASディスクドライブの種類(HDDまたはSSD)によって異なります。
• 柔軟性. SASストレージコントローラ(SASホストバスアダプタとも呼ばれる)は、サーバーに搭載する必要があります。SASコントローラとは、PCI-Eスロットに装着されるボード(回路基板)のことです(以前はPCIスロットが使用されていました)。 コンピュータのマザーボードには限られた数のPCI-Eスロットがあり、SASコントローラには限られた数のSASポートがあります。エキスパンダ(エッジエキスパンダおよびファンアウトエキスパンダ)をインストールすることで、SASコントローラがアドレス指定できるSASデバイスの数を増やすことができます。ケーブルの最大長は10メートルです。スケーラブルなストレージシステムを計画する際には、これらの可能性と制限を考慮に入れる必要があります。
• 使いやすさ. 直接接続型ストレージの場合、SASストレージサブシステムの導入は簡単です。SASストレージコントローラ(SAS RAIDコントローラを含む)を導入し、ディスクを接続する必要があります。SASディスクを使用してSANを構築するには、SASエキスパンダを利用できます。その後、ファイバーチャネルを使用して、SANなどの外部ネットワークへデータを転送することができます。
• 費用. SASストレージシステムの導入は企業にとって手頃な価格であり、これがSASの利点です。

SAS規格は、サーバー側とクライアント側の両方にハードウェアSASインターフェースを必要とする方式です。この技術は、SAS 4において最大22.5 Gbit/sの転送速度を実現しますが(前述の通り、SAS 5は現在開発中です)、いくつかの制限があります。 

• SASインフラストラクチャは拡張性がありません ストレージサーバーのSASポートの数には限りがあるためです。ただし、さらにストレージ容量が必要な場合は、ディスクをより大容量のものに交換するか、追加のストレージサーバーを導入することができます。 
• ストレージサーバーとディスクは、同じラックに設置する必要があります ケーブルの長さに制限があるためです。したがって、この手法は、高速なデータ転送が求められる中小規模の環境では有効ですが、非常に大規模な環境では適していません。

ファイバーチャネルとは何ですか？

ファイバーチャネル(FC)は、ディスクやネットワーク機器などを含む高性能ストレージシステム向けの相互接続技術です。FCは、SCSIデータの変換を行うことなく、デバイス間のデータ転送をサポートします。

• 建築。 ファイバーチャネルの標準アーキテクチャは5層構造となっており、イーサネットネットワークで使用されるOSIモデルとは異なります:
  • FC-0 は 物理層 また、この環境におけるデータ制御のためのデータケーブル、コネクタ、および信号伝送も含まれます。
  • FC-1 は 伝送プロトコル層 データの符号化および復号、データの同期、リンクの維持、およびエラー検出を担当する。
  • FC-2 は フレーム化およびシグナリングプロトコル層。この層は、転送されるデータの構造と構成を定義し、データの順序付けとフロー制御を担う。デバイス間で送受信されるプロトコルデータ単位の分割および再構成は、この層で行われる。
  • FC-3 は 共通サービス層 RAID、暗号化、データストライピング、マルチキャストなどのサービスを提供するFC機能、および将来開発される可能性のあるその他のFC機能に使用されます。
  • FC-4 は 上位層プロトコル または マッピングレイヤー FCをトランスポートとして利用できるプロトコルとその使用順序を記述するために用いられる。これにより、これらのプロトコルをFCのレベル0～3にマッピングすることが可能となり、上位層プロトコル(SCSIなど)と下位層のFC層との間の通信ポイントを提供する。

  FCモデルおよびハードウェアは、プロトコルオフロードエンジン(POE)向けに設計されています。これにより、伝送オーバーヘッドが低減され、全体的な効率が向上します。主要なSANシステムの多くは、SCSIコマンドをFCフレームにカプセル化し、ホスト(サーバー)から共有ストレージへトラフィックを転送するために、ファイバーチャネルプロトコルを採用しています。

• パフォーマンスファイバーチャネルの最大の利点は速度にあり、これを利用して完全な機能を備えた高速ネットワークを構築することができます。第7世代(Gen 7)のFCネットワークは、64GFCおよび256GFCに対応しており、それぞれ一方向あたり12,800 MB/sおよび51,200 MB/sのスループットを実現します。 128Gファイバーチャネルは、最大24,850 MB/sのスループットを提供します。デュアルチャネル互換性があることも、ファイバーチャネルがストレージエリアネットワーク(SAN)のストレージ相互接続として広く採用されている理由の一つです。 
• 柔軟性と拡張性. データの同時多重アクセスと長距離接続は、ファイバーチャネルの利点です。 FCを利用するには、特別なハードウェアや機器が必要です。具体的には、サーバー(ESXiホストなど)に搭載されるホストバスアダプタ、ストレージサーバー(SANの構成要素)上のFCコントローラ、FCスイッチ、ケーブルなどです。ESXiホストの数がストレージのFCポート数を超える場合は、スイッチを設置する必要があります。このような構成は、大規模なサーバーインフラストラクチャでは一般的です。FC SANシステムでは、SASディスクドライブを使用することも可能です。
  

  遠隔サポートを利用すれば、冗長アレイ(ミラーリング)を構成する各ディスクを異なる場所に配置することができます。ディスクのデータは、プライマリサイトから数キロメートル離れたリモートサイトへミラーリングすることが可能です。この手法により、地域的な災害によるデータ損失を防ぐことができます。

  使用するケーブルについては、銅線ケーブルと光ファイバーケーブルの両方がサポートされていますが、ファイバーチャネル技術の利点を最大限に活かすためには、光ファイバーケーブルを使用することをお勧めします。銅線ケーブルの最大距離／ケーブル長は、ケーブルの品質にもよりますが、30メートルです。光ファイバーケーブルは、ケーブルの品質にもよりますが、100メートルから最大50キロメートルまで対応しています。 光ケーブルにはシングルモードとマルチモードがあります。シングルモードファイバーは、より高い伝送速度、帯域幅、および伝送距離を実現します。性能の低下を防ぐため、高品質なSFP(Small Form-factor Pluggable)トランシーバーを使用してください。

  スケーラビリティに関しては、ファイバーチャネルストレージシステムは、小規模から大規模まで、あらゆる規模の環境で利用可能です。相互接続技術として、ファイバーチャネルはポイントツーポイント接続、スイッチドトポロジー、およびアービトレーテッドループに対応しています。

• 使いやすさファイバーチャネルは、デバイスを接続する手段としてよく知られているイーサネットネットワークとは異なります。この技術の原理を理解し、専用のハードウェアを導入するには、さらなる手間がかかります。ファイバーチャネルSANストレージの設定は難易度が高く、専用のハードウェアや機器を導入する必要があります。
• 費用ファイバーチャネル・ストレージシステムに使用されるハードウェアや機器は高価です。このようなインフラは、データ転送速度とセキュリティを最優先事項とする大手銀行や大企業において、その真価を発揮します。

イーサネット上のファイバーチャネル(FCoE)

Fibre Channel over Ethernet(FCoE)は、基盤となる物理的な高速イーサネットネットワーク(10Gbitネットワークなど)を、オーバーレイ層でファイバーチャネルアーキテクチャと併用できるようにする技術です。 FCフレームのカプセル化は、それらをイーサネット上にマッピングすることで行われます。

FCoEは、イーサネットネットワーク用のハードウェアとの互換性を高めるために開発されましたが、ネイティブのファイバーチャネル・ストレージネットワークに比べてオーバーヘッドが高くなる点に留意してください。FCoEの主な目的は、専用のFC機器を購入することなく、イーサネットネットワーク上でファイバーチャネル技術を利用することでコストを削減することです。なお、FCoEはFCの拡張と見なすことはできますが、FCの代替とはみなされません。

詳細については、当社の記事をご覧ください。 ネットワークトポロジー およびOSIモデル。

iSCSIとは何ですか？

iSCSI(Internet Small Computer Interface)は、TCP/IPネットワーク上でSCSIコマンドを伝送するプロトコルです。iSCSIプロトコルは、 SMB と NFSファイル単位でデータを共有するものです。このプロトコルを利用すれば、ネットワークカード、スイッチ、ケーブルなどのイーサネットネットワーク機器や、SASまたはSATAディスクを搭載したNASデバイスやストレージサーバーを使用することができます。

• パフォーマンス. パフォーマンスは基盤となるネットワークの帯域幅に依存しますが、SASやファイバーチャネルのパフォーマンスには及びません。iSCSIは、イーサネットネットワークでのパフォーマンス向上のために、マルチパス、ジャンボフレーム、その他の技術をサポートしています。ストレージ接続には、10Gbps、40Gbps、さらには100Gbpsの高速イーサネットネットワークを使用できます。 iSCSIプロトコルを使用してTCP/IPネットワーク経由でSCSIコマンドを送信する場合、SASやFCストレージシステムと比較してオーバーヘッドが発生し、全体的なパフォーマンスに影響を与えます。iSCSIの使用時に発生しうるレイテンシは、リモートストレージサーバー上のSSDストレージデバイスの利点を損なう可能性があります。また、カプセル化処理には追加のプロセッサリソースが消費され、これには時間がかかります。
• 柔軟性iSCSIプロトコルを使用する場合、接続可能なiSCSIターゲットの数に上限はありません。iSCSIで接続できるストレージの最大容量は、ストレージサーバー、NAS、またはSANに搭載されているディスクの容量によって決まります。技術的には、サーバーやNASを使用することも可能です(ネットワーク接続型ストレージ) SASやSATAディスクを使用して、iSCSIターゲットを設定します。
• 使いやすさ. 中級レベル – ストレージおよびIPネットワークに関する知識が必要です。
• 費用iSCSIプロトコルを使用してネットワークストレージにアクセスすることで、コストを削減でき、主に中小企業で利用されています。技術的には安価なハードウェアを使用することも可能ですが、そのようなハードウェアでは信頼性やパフォーマンスに制限がある点に留意してください。

SASやFCとは異なり、iSCSI技術は特定のハードウェアを必要としません。既存のイーサネットネットワークインフラストラクチャ内で動作し、ソフトウェアエミュレートされたiSCSIアダプタを使用します。これにより、追加の機器が不要となるため、前述の2つの技術よりも拡張が容易であり、IT予算が限られている小規模な環境においても導入コストを抑えることができます。一方、iSCSIを機能させるには、特定のオペレーティングシステム(OS)とソフトウェア構成を備えた専用サーバーが必要となります。

以下の表は、iSCSIで使用されるOSIレイヤーと、ファイバーチャネルの動作に使用されるそれに相当するOSIレイヤーを示しています。

プロのアドバイス: イーサネットネットワークとFCoEまたはiSCSIプロトコルを使用してネットワークストレージにアクセスする場合は、本番ネットワークや仮想マシン(VM)ネットワークなどではなく、ストレージ専用ネットワークを使用してください。これにより、パフォーマンスの低下を防ぎ、セキュリティを強化し、問題の診断を容易にすることができます。

vSANとは何ですか？

vSANは、VMware環境向けのストレージ仮想化ソフトウェアであり、複数のESXiホストで構成されるハイパーコンバージド仮想インフラストラクチャを構築するためのVMwareのESXiハイパーバイザーの一部として提供されます。VMwareは当初、共有ストレージを構築するための独自のアプローチを VMFSストレージ vSphere v5.5以降、vSANは大幅に改善され、 vSphere 7.0.3. VMware では、追加のストレージサーバーハードウェアを必要とせずに、ローカルサーバーのリソースや既存のギガビットイーサネットネットワークを利用できます。

このオプションは、特別なハードウェアを必要とせず、 VMware vSphere Client の GUI を通じて設定するさらに、ホストやストレージディスクの物理的な設置場所に依存しません。

欠点は、 VMware vSAN クラスタの作成 には 追加のvSphereライセンスホストの数が多いと、コストが高くなりがちです。vSANのパフォーマンスは、ネットワークの速度やESXiホストに搭載されているディスクの性能に左右されます。

vSANは、規模を問わずあらゆるインフラに適した選択肢であり、専用のストレージサーバーを導入できない場合に特に便利です。ただし、大規模なデータセンターではコストがかかるソリューションとなる可能性があります。VMware vSphereでのVMware vSANの利用は、ハイパーコンバージドインフラストラクチャ(HCI)としても知られています。

結論

この比較における勝者は、お客様の要件によって異なります。パフォーマンス、価格、信頼性、使いやすさを考慮して、最適なストレージソリューションを選択できます。

VMware vSphereは、FC、SAS、iSCSIストレージに対応しています。さらに、VMwareはvSANを提供しており、ESXiホストにダイレクトアタッチストレージを接続して、VMを保存するためのSANのようなストレージ環境を構築できます。

開始する前に 物理環境から仮想環境への移行 プロジェクトでは、仮想化サーバーのIOPs数を把握するために、実現可能性調査を行うことをお勧めします。その結果に基づき、どのストレージ構成が最適かを判断することになります。また、次のような信頼性の高いバックアップソリューションを使用して、vSphere環境のバックアップを行うこともお忘れなく NAKIVO Backup & Replication.

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