適用対象: Azure Stack HCI バージョン 22H2 および 21H2。Windows Server 2022、Windows Server 2019
Azure Stack HCI と Windows Server の背後にある基本的な記憶域仮想化テクノロジである記憶域スペース ダイレクトには、コストを削減しながら記憶域のパフォーマンスを最大化するための組み込みのサーバー側キャッシュが備わっています。 これは、デプロイ時に自動的に構成される、大規模で持続的なリアルタイムの読み取り および 書き込みキャッシュです。 ほとんどの場合、手動管理は必要ありません。 キャッシュのしくみは、存在するドライブの種類によって異なります。
ドライブの種類と展開オプション
記憶域スペース ダイレクトは現在、次の 4 種類のドライブで動作します。
| ドライブの種類 | 説明 |
|---|---|
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PMem は、永続メモリを指します。これは、新しい種類の低待機時間で高パフォーマンスのストレージです。 |
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NVMe (不揮発性メモリ エクスプレス) は、PCIe バスに直接配置されるソリッド ステート ドライブを指します。 一般的なフォーム ファクターは、2.5 インチ U.2、PCIe Add-In-Card (AIC)、M.2 です。 NVMe は、PMem を除く現在サポートされている他の種類のドライブよりも低い待機時間で、より高い IOPS と I/O スループットを提供します。 |
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SSD はソリッド ステート ドライブを指し、従来の SATA または SAS 経由で接続します。 |
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HDD とは、大容量のストレージ容量を低コストで提供する回転磁気ハード ディスク ドライブを指します。 |
これらはさまざまな方法で組み合わせることができ、"オールフラッシュ" と "ハイブリッド" の 2 つのカテゴリに分類されます。 すべての HDD を使用したデプロイはサポートされていません。
注
この記事では、NVMe、SSD、HDD を使用したキャッシュ構成について説明します。 永続メモリをキャッシュとして使用する方法については、永続 メモリの理解とデプロイに関するページを参照してください。
オールフラッシュストレージ展開の可能性
オールフラッシュデプロイは、ストレージのパフォーマンスを最大化することを目的としており、HDD は含まれません。
ハイブリッド展開の可能性
ハイブリッド展開は、パフォーマンスと容量のバランスを取るか、容量を最大化することを目的としており、HDD も含まれます。
注
ハイブリッド展開は、単一サーバー構成ではサポートされていません。 すべてのフラットな単一ストレージの種類の構成 (たとえば、all-NVMe や all-SSD) は、単一サーバーでサポートされている唯一のストレージの種類です。
キャッシュ ドライブが自動的に選択される
複数の種類のドライブを使用する展開では、記憶域スペース ダイレクトでは、キャッシュに最も高速な種類のすべてのドライブが自動的に使用されます。 残りのドライブは記憶容量として使用されます。
"最速" の型は、次の階層に従って決定されます。
たとえば、NVMe と SSD がある場合、SSD の NVMe キャッシュです。
SSD と HDD がある場合、SSD は HDD のためのキャッシュとして機能します。
注
キャッシュ ドライブは、クラスターに使用可能な記憶域容量を提供しません。 キャッシュ内のすべての格納データも他の場所に格納されるか、一度デステージされます。 つまり、クラスターの生ストレージ容量の合計は、容量ドライブの合計のみです。
すべてのドライブが同じ種類の場合、キャッシュは自動的に構成されません。 同じタイプの耐久性の低いドライブをサポートするために耐久性の高いドライブを手動でキャッシュとして構成するオプションがあります。その方法については、「手動構成」セクションを参照してください。
ヒント
場合によっては、記憶域プール キャッシュを使用しても意味がありません。 たとえば、オール NVMe またはオール SSD のデプロイでは、特に非常に小規模な場合、ドライブがキャッシュに "消費" されないと、ストレージの効率が向上し、パフォーマンスが最大化されます。 同様に、小規模なリモートまたはブランチ オフィスの展開では、キャッシュ ドライブの領域が限られている可能性があります。
キャッシュ動作が自動的に設定される
キャッシュの動作は、キャッシュ対象のドライブの種類に基づいて自動的に決定されます。 フラッシュ ドライブのキャッシュ (SSD の NVMe キャッシュなど) の場合、書き込みのみがキャッシュされます。 ディスク ドライブのローテーション用にキャッシュする場合 (HDD の SSD キャッシュなど)、読み取りと書き込みの両方がキャッシュされます。
オールフラッシュ環境の書き込み専用キャッシュ
キャッシュはオールフラッシュ シナリオで使用できます。たとえば、NVMe をキャッシュとして使用して SSD のパフォーマンスを向上させることができます。 オールフラッシュ デプロイのキャッシュでは、書き込みのみがキャッシュされます。 これにより、多くの書き込みと書き換えがキャッシュ内で結合され、必要に応じてのみデステージされ、容量ドライブへの累積トラフィックが減少し、有効期間が長くなるため、容量ドライブの摩耗が軽減されます。 このため、キャッシュの 耐久性が高く、書き込みに最適化された ドライブを選択することをお勧めします。 容量ドライブの書き込み耐久性は合理的に低い場合があります。
読み取りがフラッシュメモリーの寿命に大きな影響を与えないため、そしてSSDが常に低い読み取り待ち時間を提供するため、読み取り操作はキャッシュされず、容量ディスクから直接処理されます（データが最近書き込まれ、まだデステージされていない場合を除く）。 これにより、キャッシュを完全に書き込み専用にすることができ、その有効性が最大化されます。
これにより、書き込み待機時間などの書き込み特性がキャッシュ ドライブによって決まりますが、読み取り特性は容量ドライブによって決まります。 どちらも一貫性があり、予測可能で、均一です。
ハイブリッド展開の読み取り/書き込みキャッシュ
HDD のキャッシュ時には、読み取りと書き込みの両方がキャッシュされ、フラッシュのようなレイテンシ (多くの場合、約10倍向上) が実現されます。 読み取りキャッシュには、高速アクセスのために、および HDD へのランダム トラフィックを最小限に抑えるために、最近頻繁に読み取られたデータが格納されます。 (シークと回転の遅延のため、HDD へのランダム アクセスによって発生する待機時間と損失時間は大きくなります)。書き込みは、バーストを吸収し、以前と同様に、書き込みと書き換えを結合し、容量ドライブへの累積トラフィックを最小限に抑えるためにキャッシュされます。
記憶域スペース ダイレクトは、書き込みをステージング解除する前に、書き込みをデランダム化するアルゴリズムを実装します。これにより、ワークロードから実際の I/O (仮想マシンなど) がランダムである場合でも、順次と思われるディスクへの IO パターンがエミュレートされます。 これにより、HDD の IOPS とスループットが最大化されます。
NVMe、SSD、HDD を使用したデプロイでのキャッシュ
3 種類のドライブがすべて存在する場合、NVMe ドライブは SSD と HDD の両方にキャッシュを提供します。 動作は上で説明したように、SSD に対して書き込みのみがキャッシュされ、読み取りと書き込みの両方が HDD 用にキャッシュされます。 HDD のキャッシュの負荷は、キャッシュ ドライブ間で均等に分散されます。
概要
次の表は、キャッシュに使用されるドライブ、容量に使用されるドライブ、および各デプロイの可能性に対するキャッシュ動作をまとめたものです。
| デプロイメント | キャッシュ ドライブ | 容量ドライブ | キャッシュの動作 (既定) |
|---|---|---|---|
| すべて NVMe | なし (省略可能: 手動で構成) | NVMe | 書き込み専用 (構成されている場合) |
| すべて SSD | なし (省略可能: 手動で構成) | ソリッドステートドライブ (SSD) | 書き込み専用 (構成されている場合) |
| NVMe + SSD | NVMe | ソリッドステートドライブ (SSD) | 書き込み専用 |
| NVMe + HDD | NVMe | HDD（ハードディスクドライブ） | 読み取り + 書き込み |
| SSD + HDD | ソリッドステートドライブ (SSD) | HDD（ハードディスクドライブ） | 読み取り + 書き込み |
| NVMe + SSD + HDD | NVMe | SSD + HDD | HDD の場合は読み取り + 書き込み、SSD の場合は書き込み専用 |
サーバー側アーキテクチャ
キャッシュはドライブ レベルで実装されます。1 つのサーバー内の個々のキャッシュ ドライブは、同じサーバー内の 1 つまたは複数の容量ドライブにバインドされます。
キャッシュは Windows ソフトウェア定義記憶域スタックの残りの部分を下回っているため、記憶域スペースやフォールト トレランスなどの概念を認識する必要もありません。 これは、オペレーティング システムに表示される "ハイブリッド" (一部のフラッシュ、一部のディスク) ドライブを作成すると考えることができます。 実際のハイブリッド ドライブと同様に、物理メディアの高速部分と低速部分の間のホット データとコールド データのリアルタイムの移動は、外部にはほとんど見えません。
記憶域スペース ダイレクトの回復性が少なくともサーバー レベルであることを考えると (つまり、データ コピーは常に異なるサーバーに書き込まれます。サーバーごとに最大 1 つのコピー)、キャッシュ内のデータは、キャッシュにないデータと同じ回復性を利用します。
たとえば、3 方向ミラーリングを使用する場合、データの 3 つのコピーが異なるサーバーに書き込まれ、そこでキャッシュに格納されます。 後でデステージされるかどうかにかかわらず、常に 3 つのコピーが存在します。
ドライブ バインドは動的です
キャッシュ ドライブと容量ドライブの間のバインドには、1:1 から 1:12 以降までの任意の比率を使用できます。 スケールアップ時や障害発生後など、ドライブが追加または削除されるたびに動的に調整されます。 つまり、必要に応じて、キャッシュ ドライブまたは容量ドライブを個別に追加できます。
容量ドライブの数は、対称性のためにキャッシュ ドライブの数の倍数にすることをお勧めします。 たとえば、キャッシュ ドライブが 4 台の場合、7 または 9 よりも 8 つの容量ドライブ (1:2 の比率) でさらに高いパフォーマンスが得られます。
キャッシュ ドライブの障害の処理
キャッシュ ドライブが失敗すると、まだデステージされていない書き込みはすべて ローカル サーバーに失われます。つまり、他のコピー (他のサーバー内) にのみ存在します。 他のドライブ障害の後と同様に、記憶域スペースは、残っているコピーを確認することで自動的に回復できます。
しばらくの間、失われたキャッシュ ドライブにバインドされていた容量ドライブは異常に見えます。 キャッシュの再バインドが発生し (自動)、データの修復が完了 (自動) すると、正常と表示され再開されます。
このシナリオでは、パフォーマンスを維持するために、サーバーごとに少なくとも 2 つのキャッシュ ドライブが必要です。
その後、他のドライブの交換と同様に、キャッシュ ドライブを交換できます。
注
Add-In Card (AIC) または M.2 フォーム ファクターの NVMe を安全に交換するには、電源を切る必要がある場合があります。
他のキャッシュとの関係
Windows ソフトウェア定義ストレージ スタックには、他にも関連のないキャッシュがいくつかあります。 たとえば、記憶域スペースのライトバック キャッシュとクラスター共有ボリューム (CSV) のインメモリ読み取りキャッシュがあります。
Azure Stack HCI では、記憶域スペース ライトバック キャッシュを既定の動作から変更しないでください。 たとえば、New-Volume コマンドレットの -WriteCacheSize などのパラメーターは使用しないでください。
CSV キャッシュを使用するかどうかは、ユーザーが選択できます。 Azure Stack HCI では既定でオンになっていますが、このトピックで説明されているキャッシュと競合することはありません。 特定のシナリオでは、パフォーマンスを向上させることができます。 詳細については、「 Azure Stack HCI で CSV インメモリ読み取りキャッシュを使用する」を参照してください。
手動で構成
ほとんどのデプロイでは、手動構成は必要ありません。 必要な場合は、次のセクションを参照してください。
セットアップ後にキャッシュ デバイス モデルを変更する必要がある場合は、「ヘルス サービスの概要」の説明に従って、 Health Service のサポート コンポーネント ドキュメントを編集します。
キャッシュ ドライブ モデルの指定
すべてのドライブが同じ種類 (オール NVMe デプロイやオール SSD 展開など) のデプロイでは、Windows では同じ種類のドライブ間で書き込み耐久性などの特性を自動的に区別できないため、キャッシュは構成されません。
耐久性の高いドライブを使用して同じ種類の耐久性の低いドライブをキャッシュするには、Enable-ClusterS2D コマンドレットの -CacheDeviceModel パラメーターで使用するドライブ モデルを指定できます。 そのモデルのすべてのドライブがキャッシュに使用されます。
ヒント
Get-PhysicalDisk の出力に表示されるモデル文字列と正確に一致するようにしてください。
例
まず、物理ディスクの一覧を取得します。
Get-PhysicalDisk | Group Model -NoElement
出力例を次に示します。
Count Name
----- ----
8 FABRIKAM NVME-1710
16 CONTOSO NVME-1520
次に、キャッシュ デバイス モデルを指定して、次のコマンドを入力します。
Enable-ClusterS2D -CacheDeviceModel "FABRIKAM NVME-1710"
目的のドライブがキャッシュに使用されていることを確認するには、PowerShell で Get-PhysicalDisk を実行し、 Usage プロパティに "Journal" と表示されていることを確認します。
手動デプロイの可能性
手動構成を使用すると、次の展開が可能になります。
キャッシュの動作を設定する
キャッシュの既定の動作をオーバーライドできます。 たとえば、オールフラッシュデプロイでも読み取りをキャッシュするように設定できます。 既定値がワークロードに合わないと確信している場合を除き、動作を変更することはお勧めしません。
動作をオーバーライドするには、 Set-ClusterStorageSpacesDirect コマンドレットとその -CacheModeSSD パラメーターと -CacheModeHDD パラメーターを使用します。 CacheModeSSD パラメーターは、SSD のキャッシュ時のキャッシュ動作を設定します。 CacheModeHDD パラメーターは、HDD のキャッシュ時のキャッシュ動作を設定します。
Get-ClusterStorageSpacesDirect を使用して、動作が設定されていることを確認できます。
例
まず、記憶域スペース ダイレクトの設定を取得します。
Get-ClusterStorageSpacesDirect
出力例を次に示します。
CacheModeHDD : ReadWrite
CacheModeSSD : WriteOnly
次に、以下を実行します。
Set-ClusterStorageSpacesDirect -CacheModeSSD ReadWrite
Get-ClusterS2D
出力例を次に示します。
CacheModeHDD : ReadWrite
CacheModeSSD : ReadWrite
キャッシュのサイズ設定
キャッシュは、アプリケーションとワークロードのワーキング セット (任意の時点でアクティブに読み取りまたは書き込まれるデータ) に合わせてサイズ設定する必要があります。
これは、ハード ディスク ドライブを使用したハイブリッド展開で特に重要です。 アクティブなワーキング セットがキャッシュのサイズを超えた場合、またはアクティブなワーキング セットのドリフトが速すぎる場合は、読み取りキャッシュ ミスが増加し、書き込みを積極的に解除する必要があり、全体的なパフォーマンスが低下します。
Windows の組み込みのパフォーマンス モニター (PerfMon.exe) ユーティリティを使用して、キャッシュ ミスの割合を調べることができます。 具体的には、クラスター 記憶域ハイブリッド ディスク カウンターセットのキャッシュ ミス読み取り/秒を、デプロイの全体的な読み取り IOPS と比較できます。 各 "ハイブリッド ディスク" は、1 つの容量ドライブに対応します。
たとえば、4 つの容量ドライブにバインドされた 2 つのキャッシュ ドライブは、サーバーごとに 4 つの "ハイブリッド ディスク" オブジェクト インスタンスになります。
ユニバーサルルールはありませんが、読み取りが多すぎるとキャッシュが不足している可能性があるため、キャッシュを拡張するためにキャッシュ ドライブを追加することを検討する必要があります。 キャッシュ ドライブまたは容量ドライブは、必要に応じて個別に追加できます。
次のステップ
ストレージに関するその他の知識については、以下も参照してください。