Thick と Thin Provisioning: KVM QCOWのコンテキストにおけるパフォーマンスの違いとは？

KVMのThick Provisioning(シックプロビジョニング)と Thin Provisioning(シンプロビジョニング)とは？ 利点、欠点、パフォーマンスへの影響を把握して、最適なオプションを！

KVMとは？

Kernel-based Virtual Machine (KVM) は、Linuxカーネル内の仮想化モジュールであり、Linuxやその他のオペレーティングシステムをゲストとして実行する仮想マシン（VM）の作成と管理を可能にします。KVMはLinux上でType-1ハイパーバイザーとして動作し、CPU仮想化拡張機能などのホストのハードウェア機能を活用して、効率的で高性能な仮想化を実現します。QEMU（Quick EMUlator）と連動してハードウェアのエミュレーションとVM管理を処理し、KVMはオーバーヘッドを低く抑えながら、仮想化されたワークロードに最適化されたパフォーマンスを実現します。

KVMにおけるThick Provisioningの理解

KVMにおけるThick Provisioningの動作

Thick Provisioningは、固定プロビジョニングまたは積極的プロビジョニングとも呼ばれ、VM（仮想マシン）に要求されるディスクスペース全体を事前に割り当てることを意味します。仮想マシンが100GBを要求した場合、実際の使用状況に関わらず、ストレージプールから100GBのディスクスペースがすべて割り当てられます。KVMでは、ストレージボリュームを作成する際に設定できます。特に、RAWのようなフォーマットでは、指定されたスペースが即座にすべて使用されます。RAWは、非圧縮かつ非コピーオンライトのフォーマットで、シンプルです。

ストレージは最初に割り当てられるため、Thick Provisioningによりオンデマンドの割り当ての必要性が減り、ディスクスペースの拡張や断片化によるパフォーマンスの遅延が軽減されます。多くの場合、管理者は、ストレージ効率が低下するものの、需要の高いアプリケーションに予測可能な高性能ストレージを確保するためにThick Provisioningを選択します。

Thick Provisioningの利点と欠点

Thick Provisioningの利点

1. パフォーマンスの一貫性： 事前に割り当てられたストレージにより、操作中のディスクファイルの成長による遅延が回避され、VMのI/Oパフォーマンスが向上します。 また、断片化の低減も挙げられます。 ディスク上に専用のスペースが確保されるため、断片化が起こりにくくなり、VMがストレージに不要な遅延なくアクセスできるようになります。
2. 管理の簡素化： 固定スペース割り当てにより、ストレージの監視と管理が簡素化され、重要なVMの予期せぬ容量不足の問題を最小限に抑えることができます。

Thick Provisioningの欠点

1. 低いストレージ効率： 事前に要求されたストレージ全体を割り当てるため、仮想マシンがその容量を完全に利用しない場合には、スペースが無駄になる可能性があります。
2. 限定的な拡張性： 動的なワークロードの場合、ストレージが不足しないように事前計画が必要となるため、ストレージの変動が激しい環境では柔軟性が低下します。
3. 初期コストが高い： ストレージ容量を事前に多く確保する必要があるため、特にストレージ容量が限られている環境では、ハードウェアのコストが高くなる可能性があります。

KVMにおけるThin Provisioningの理解

Thin Provisioningは、当初にディスクスペース全体を事前に割り当てるのではなく、VMが使用した分だけストレージを割り当てる方法です。KVMにおけるシンプロビジョニングでは、ストレージの追加が必要な場合、VMを「拡張」することができ、未使用のリソースの過剰割り当てを防止することでスペースを節約できます。

KVMにおけるThin Provisioningの仕組み

KVMでは、Thin Provisioningは通常、QCOW（QEMU Copy-On-Write）フォーマットに依存します。QCOWは、柔軟で機能豊富なストレージフォーマットであり、動的なストレージ割り当てを可能にします。 ディスクスペースをすべて即時に事前割り当てするRAWとは異なり、QCOWは小規模に開始し、データが追加されるにつれて拡張します。

「コピーオンライト」の特性により、新しいデータが追加された場合にのみ変更がディスクに書き込まれるため、ストレージの効率性は高まりますが、I/Oの多いシナリオでは速度が低下する可能性があります。これにより、初期に消費されるストレージの量が削減され、スペースが効率的に使用されることが保証されます。ただし、このメカニズムは、データの読み書き時に余分なオーバーヘッドが発生する可能性があるため、I/Oの多い環境ではパフォーマンスの低下につながる可能性があります。

QCOWフォーマットとは？

QCOWは、圧縮、暗号化、スナップショットなどの機能に対応したQEMUディスクイメージフォーマットであり、仮想環境におけるThin Provisioningに最適です。VMに追加のスペースが必要な場合、QCOWは動的にスペースを割り当てるため、ファイルは必要な場合にのみ最大サイズまで拡張されます。これにより、管理者はリソースをオーバーコミットすることができ、各VMに必要なストレージを割り当てることが可能となり、物理スペースを不必要に大量に消費する必要がなくなります。

Thin Provisioningの利点と欠点

Thin Provisioningの利点

1. ストレージ効率の向上：使用されている部分のストレージのみが割り当てられるため、スペースの利用率が向上します。
2. コスト削減：Thin Provisioningにより未使用スペースが最小限に抑えられるため、ITチームは必要に応じて物理ストレージを割り当てることで、初期ストレージコストを削減することができます。
3. 拡張性：動的にストレージが成長するThin Provisioningでは、容易に拡張することができ、特に負荷が変動する環境で役立ちます。

Thin Provisioningの欠点

1. パフォーマンスオーバーヘッド：追加のスペースが必要になった場合、特に高 I/O のシナリオでは、ディスクの拡張プロセスが遅延につながる可能性があります。
2. オーバーコミットメントのリスク：ストレージプールが枯渇し、複数の VM が同時にスペースを必要とする場合、Thin Provisioningは問題を引き起こす可能性があります。
3. フラグメンテーション：Thin Provisioningは、長期的にフラグメンテーションを引き起こす可能性があり、ストレージブロックが段階的に割り当てられることでパフォーマンスが低下する可能性があります。

総括

KVM環境におけるThick ProvisioningとThin Provisioningの選択は、ストレージ要件とワークロードの要求に大きく依存します。Thick Provisioningは安定性とパフォーマンスの一貫性を提供し、専用のリソースを必要とするアプリケーションに最適です。特にQCOWと組み合わせた場合、Thin Provisioningは柔軟性とスペース効率を提供し、ストレージ効率とコスト管理が優先される環境に適しています。

高負荷またはクリティカルなアプリケーションでは、100%の安定したパフォーマンスを確保するために、Thick Provisioningが適している場合があります。一方、一般的なワークロードでは、未使用の割り当てスペースのオーバーヘッドなしに、Thin Provisioningが大幅なストレージの節約と柔軟性を提供できます。

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