Leading the new direction of IO performance elasticity

はじめに

IaaS の最も重要なコアコンポーネントの一つとして、Alibaba Cloud ESSD は ECS に対して低レイテンシ、永続性、高信頼性のブロックストレージサービスを提供し、クラウドベンダーのフルフラッシュブロックストレージの業界ベンチマークとなっています。より多くの企業やコアアプリケーションのクラウド移行、コンテナやサーバーレスアーキテクチャの急速な発展に伴い、ブロックストレージの IO パフォーマンス弾力性に対して新たな課題と要件が提起されています。こうした背景のもと、Alibaba Cloud ストレージチームは ESSD Auto PL という新しいクラウドディスク規格を投入しました。ESSD Auto PL はパフォーマンスと容量をデカップリングし、IO パフォーマンスオンデマンドの 2 つの主要機能を提供します。本記事では、ブロックストレージの代表的なビジネスシナリオに基づき、Auto PL の新機能とその背景にある技術的原理を紹介します。

クラウドストレージの IO 弾力性要件とビジネスの課題

クラウドネイティブ技術の発展に伴い、ますます多くの企業がクラウドコンピューティングの仮想化、弾力的スケーリング、そして急速に発展するクラウドネイティブ技術の分散フレームワーク、コンテナ技術、オーケストレーションシステム、継続的デリバリー、高速イテレーションに基づき、大規模で弾力性に富んだクラウド分散ビジネスシナリオを構築しています。新しいコンピューティング形態は短期間、軽量などの方向へ徐々に発展しており、ブロックストレージの IO パフォーマンス弾力性に対してより多くの要件が提起されています（パフォーマンスは通常、IOPS（1 秒あたりの入出力操作数）とスループット BPS（Bytes per Second）で記述されます）。以下は代表的なビジネスの課題です。

• VM/コンテナの一括起動：コンピューティングインスタンスの起動時、システムディスクが短時間で大量の IOPS とスループット BPS を消費します。

• ビジネスピーク：顧客のビジネスが予期しない急激なトラフィック増加に直面するシナリオでは、クラウドディスクと VM に短期的なバーストパフォーマンス要件に対する弾力的な拡張能力が必要です。

• 定期的なタスク処理：OLAP/バッチ処理は予測可能な時間帯に大量のタスクを定期的に送信し、クラウドディスクにバースト弾力性拡張能力を要求します。

従来のブロックストレージ製品はパフォーマンスと容量が連動する設計です。ユーザーはクラウドディスク容量を購入することで対応する IOPS/BPS パフォーマンスの上限を得られ、クラウドディスクの拡張によってディスク容量と IO パフォーマンスを獲得します。ESSD は PL0/1/2/3 の複数のパフォーマンスレベル（PL：Performance Level）をサポートし、異なる PL レベルには異なる IO パフォーマンス上限があります。顧客はクラウドディスク設定変更機能で PL レベルを引き上げ、より高い IOPS/BPS パフォーマンス上限を得ることができます。クラウドネイティブなビジネスはクラウドの弾力性を十分に活用しており、ビジネス要件には長期的な期間が存在し、通常ある程度のストレージパフォーマンス余裕が確保されています。さらに、クラウドトラフィックのかなりの部分には明確なピークと谷の動作があり、大半の時間はビジネスの低負荷期間にあり、ビジネスのピークを正確に予測することは困難です。典型的な IO バーストトラフィックサービスでは、一定期間内に 1 回以上のバースト IO トラフィックが発生する可能性があり、バースト時間は短く、バーストパフォーマンスのピークは高く、インターネットのフラッシュセールなどのバーストビジネスシナリオで一般的であり、パフォーマンス計画に新たな課題を提起しています。パフォーマンス設定を高く確保しすぎると、日常リソースの大量なアイドル浪費を招きます。しかし、パフォーマンス確保が不十分だと、ビジネスが急激なトラフィックピークに耐えられません。つまり、クラウドディスクの拡張や設定変更を通じて正確なパフォーマンス計画を立てることは非常に困難です。

ESSD Auto PL

上記のビジネス課題に対応するため、Alibaba Cloud は ESSD Auto PL 製品仕様を投入しました。オンデマンド設定とオンデマンドバーストモードをサポートし、容量単位あたり 1,000 IOPS/GB という極めて高いパフォーマンス上限を実現します。パフォーマンスオンデマンド設定は主に予測可能な周期的 IO トラフィックシナリオを対象としています。ESSD Auto PL の作成時、ユーザーはストレージ容量を選択するだけでなく、IO パフォーマンス上限を個別に設定でき、IO パフォーマンスと容量のデカップリングを実現します。予測可能な IO ピークに対して、ユーザーはビジネス要件に応じて IO パフォーマンスを柔軟に調整し、予測可能な応答能力を提供できます。

予期しない急激なビジネスピークに対して、Auto PL はパフォーマンスオンデマンドバーストモードをサポートし、単一ディスクで最大 100 万 IOPS、4 GB/秒の限界 IO パフォーマンスを提供します。クラウドディスクは実際のパフォーマンスニーズに応じて自動調整され、IO パフォーマンスの予測や計画が不要になります。ESSD 分散ストレージの弾力性を最大限に活用し、急激なトラフィック下でのパフォーマンス計画の問題を完全に解決します。この機能は後払いモードを採用しています。ユーザーは事前設定されたパフォーマンスを超える実際の読み書き回数に応じてのみ支払えばよく、ビジネスの安定稼働を確保しつつ、リソース設定コストを最大化します。大規模インターネット E コマースのバーストトラフィックシナリオを例に取ると、ビジネスは当初 ESSD PL1 を使用しており、パフォーマンス上限は 50,000 IOPS、350 MB/秒でした。ビジネスバーストトラフィックシナリオにおいて、クラウドディスクの 2.3% が PL1 パフォーマンス上限に達し、ビジネスに影響を与えていました。ビジネスピーク時間は短く、トラフィックピークを正確に見積もることができませんでした。従来の対応では ESSD PL2 を使用してビジネスバーストトラフィックに対応する必要がありました。ESSD Auto PL とオンデマンドバーストモードを使用することで、ストレージ TCO が 49% 削減されます。

Auto PL は ESSD PL1 のベンチマークパフォーマンスとも互換です。標準的な Auto PL クラウドディスクのパフォーマンスは ESSD PL1 と完全に一致し、既存顧客とビジネスシナリオ間でのシームレスな切り替えを可能にします。さらに、ESSD Auto PL は業界で初めてパフォーマンスオンデマンド設定とパフォーマンスオンデマンドバーストの両方を同時にサポートし、組み合わせて使用でき、ユーザーは実際の IO トラフィックモデルに応じて柔軟に設定できます。

Auto PL 技術分析

パフォーマンスと容量のデカップリング、および負荷に基づくパフォーマンス弾力スケーリングをサポートするクラウドディスクとして、ESSD Auto PL は多くの技術的課題を解決する必要があります。たとえば、ビジネス負荷の変化をいかに迅速に感知するか、オンデマンドでリソースを動的にリリースしてパフォーマンススケーリングをいかに実現するか、負荷分散スケジューリングをいかに迅速に行うかなどです。ESSD Auto PL クラウドディスクは繰り返し改善を重ね、粒度の細かいクラウドディスクセグメンテーションメカニズムを設計しました。これにより、バックエンドストレージクラスター全体のリソースをバランスよく利用し、迅速な動的調整を実現します。また、クラスター容量とパフォーマンスレベルのリアルタイムモニタリングとスケジューリング、マルチレベル QoS 分離など、IO パフォーマンスバーストによるトラフィック影響やマルチテナント IO 干渉などの課題にも対応しています。

クラウドディスクの粒度の細かいセグメンテーション

ESSD Auto PL は最大 1,000 IOPS/GB をサポートし、NAND SSD の容量単位あたりの IOPS パフォーマンスをはるかに上回ります。各 ESSD クラウドディスクの LBA アドレス空間は複数のストライプグループに分割されます。ストライプグループの IO は分散アルゴリズムによって異なるストレージノードに分散処理され、RDMA ネットワークと高性能ストレージの能力を最大限に活用します。ESSD Auto PL は粒度の細かいアドレス空間管理机制を設計しました。これにより、小容量クラウドディスクでも複数のストレージノードに完全に分散配置され、より広い範囲の IO スケジューリング能力を実現します。同時に、広い範囲の IO スケジューリング能力により、ストレージクラスターの単一ノードのホットスポットや一部の IO ロングテールレイテンシを軽減できます。

マルチテナント分離と IO 優先度管理

EBS は典型的なマルチテナントサービスです。バースト時の高スループット/高 IOPS トラフィックは、低負荷テナントの IO レイテンシに影響を与える可能性があります。100 万 IOPS の IO バーストの極限パフォーマンスは、分離能力にさらに高い要求を突きつけます。ESSD はインスタンス QoS とクラウドディスク QoS をサポートしています。インスタンス QoS は複数仮想マシン間の IO 分離能力を提供し、その上限はユーザーが購入したインスタンスの vCPU コア数と強く関連します。一部の小規模インスタンスではストレージクレジットバースト機能をサポートし、アイドル時の IO クォータを蓄積して最大 30 分間のパフォーマンスバーストを提供できます。クラウドディスク QoS はインスタンス内の各クラウドディスクのパフォーマンス上限を提供し、クラウドディスクの仕様に関連します。VM から送信される IO は、リンク上でクラウドディスク QoS とインスタンスレベル QoS を順次通過します。バースト IO トラフィックにはマークが付けられ、トラフィック輻輳シナリオでフルリンクがバーストトラフィックを正確に識別し、非バーストトラフィックが優先されることを保証します。バースト IO トラフィックによるシステムのローカルホットスポットや IO 輻輳に対応するため、10 ミリ秒レベルでのサービス負荷感知と IO トラフィック予測を実現し、秒レベルで動的キューイングと同時実行調整を完了し、ハードウェアオフロードの動的キューイング分散メカニズムと組み合わせて、マルチテナントシナリオでの弾力性向上によるテナント間のパフォーマンス干渉を回避します。

マルチクラスターパフォーマンスレベル負荷分散

極端な IO パフォーマンス弾力性はパフォーマンス SLA に新たな課題をもたらし、特に 100 万 IOPS の IO バーストパフォーマンス限界はより大きなトラフィック輻輳リスクを生み出します。このため、ESSD は新しいマルチクラスターパフォーマンスレベル負荷分散メカニズムを設計しました。新しいインテリジェントな負荷分散スケジューリングメカニズムは、クラスター/ストレージノード/IO スレッドのマルチレベルスケジューリングで成り立っています。クラウドディスクのパフォーマンス設定に基づいて、コンポーネントの IO 負荷をリアルタイムで監視し、クラスター内での秒レベルの IO 負荷分散とクラスター間の分レベルのトラフィックスケジューリングを実現します。クラスター/ストレージノードのトラフィック間に顕著なパフォーマンスレベル差がある場合、クラウドディスクのホットマイグレーションをリアルタイムでトリガーし、多数のクラウドディスク負荷のパフォーマンスを同時に競い合う問題を解決します。

まとめ

将来の ESSD の主力プロダクトとして、ESSD AutoPL はエラスティックコンピューティングに直面するあらゆる業界と顧客をカバーします。AutoPL は柔軟性と弾力性を備え、IT スケール計画の難易度と不適切な計画によるリスクを低減し、運用保守担当者や IT リソース調達担当者から支持されるでしょう。新規・既存の Alibaba Cloud 顧客を問わず、ESSD AutoPL を ESSD PL1 の代替として購入できます。AutoPL は顧客に手頃な価格でシンプルかつ便利な体験を提供し、ビジネスの成長をサポートします。AutoPL プロダクトの幅広いご利用と、より良いサービスを提供するための貴重なフィードバックをお待ちしています。これからも技術革新を通じて ESSD のパフォーマンスとサービス品質保証能力を継続的に向上させ、ユーザー体験を改善し、顧客に常に稼働するコンピューティングサービスを提供します。