Containers & Kubernetes

GKE 上のフォールトトレラントな永続ストレージをフルマネージドにする Filestore Enterprise

2022年8月17日

Google Cloud Japan Team

※この投稿は米国時間 2022 年 8 月 9 日に、Google Cloud blog に投稿されたものの抄訳です。

コンテナによる状態の保持

Kubernetes は、ステートレスなワークロード（ウェブサービスなど）だけでなく、ステートフルなアプリケーション（e コマースアプリケーションなど）の実行にも適した選択肢になっています。レポート「Data on Kubernetes」によると、Kubernetes ユーザーの 70% 以上がコンテナ内でステートフルアプリケーションを実行しています。さらに、MariaDB や Databricks などのマネージドデータサービスが、Kubernetes の移植性、Blue/Green デプロイなどの組み込み自動アップグレード機能、GKE のバックアップ、ユニットエコノミーを向上させる、すぐに利用できるコスト効率の恩恵を受け、Google Kubernetes Engine を SaaS ビジネスの中心として利用する傾向が強まっています。

これらのことから、GKE におけるコンテナネイティブストレージの重要性はますます高まっているといえます。具体的には、（コンテナの平均寿命は VM よりもはるかに短いため）コンテナの離脱に合わせてシームレスに接続と切断ができ、かつゾーン間でポータブルな状態を維持して柔軟性を維持できるストレージが必要です。ここが、Filestore Enterprise に適した部分です。お客様は、99.99% の可用性を持つフルマネージドリージョンファイルシステムを手に入れることができます。ストレージは、コンテナが回転するたびに瞬時に接続され、ゾーンごとのフェイルオーバーもシームレスに処理されます。

このブログの残りの部分では、コンテナによる複数のストレージオプションと、Filestore Enterprise がお客様のニーズを満たす最適なストレージオプションの決定を支援するためにどのようにフィットするかについて説明します。

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「ステートレス」コンテナの外部永続状態（左）と、永続ボリューム内の CSI 管理状態を持つ永続コンテナ（右）。

ストレージオプション

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3 つのストレージモデル（左から順に、ローカルファイルシステム、SAN、NAS）。

土地勘を理解するために、コンテナによって接続されたストレージの一般的なパターンについて、3 つのオプションを探ってみましょう（注: クラウドストレージはコンテナ内のアプリケーションコードを介してアクセスするため、ここでは扱いません）。

ローカル SSD デバイス上のローカルファイルシステム: ローカルファイルシステム（ローカル SSD ブロックデバイス上）は、設定が最も簡単で、費用対効果が非常に高く、（ローカル SSD 上）良いパフォーマンスを提供できます。しかし、ほとんどの場合、スナップショット、バックアップ、非同期 DR などのエンタープライズストレージ機能がありません。また、状態がホストローカルであるため、信頼性や冗長性にも限界があります。そのため、このモデルは、スクラッチスペースや一時的なストレージの用途には適していますが、本番環境レベルやミッションクリティカルな用途にはあまり適していません。

リモート / 共有ブロックデバイス（SAN）上のローカルファイルシステム: ストレージエリアネットワーク（SAN）モデルは強力で、よく知られています。SAN でバックアップされたリモートボリュームは、優れたパフォーマンス、高度なストレージサービス、および優れた信頼性を提供できます。ボリュームはコンテナのホストの外部にあるため、コンテナの移行時や元のホストに障害が発生した場合、永続ボリュームを別のホストに再接続（マウント）できます。しかし、一度に接続できるホストは 1 つと Pod のみに限定されるのが一般的です。クラウドの世界では、SAN デバイスは Google Cloud の Persistent Disk（PD）のようなネットワーク型ブロックサービスによって置き換えられています。

リモート / ネットワーク型ファイルシステム（NAS）: ネットワーク接続ストレージ（NAS）モデルは、複数のコンテナ間でボリュームの読み書き共有も可能なため、意味的には強力なストレージモデルであるといえます。このようなモデルでは、ファイルシステムのロジックはリモートファイラーに実装され、専用のファイルシステムプロトコル（最も一般的なのはネットワークファイルシステム（NFS））を介してアクセスされます。クラウドの世界では、NAS デバイスは Filestore のようなファイルシステムサービスに置き換わるのが一般的です。

GCP ブロックおよびファイルストレージのバックエンド

Google Cloud では、PD と Filestore のいずれかを使ってローカル以外のストレージを実装できます。PD は SSD や HDD を搭載した柔軟なブロックストレージを、Filestore は NFSv3 ファイルボリュームを提供します。両機種とも Container Storage Interface（CSI）によって管理され、GKE 管理システムに完全に統合されています。両モデルの主な長所と短所（下記に図示）は以下のとおりです。

PD は、容量に最適化されたストレージ（HDD）と、価格性能に優れたバリエーション（SSD、バランス）を提供します。PD は柔軟なサイズとゾーンボリュームを提供します。一方で、PD ベースのボリュームは、読み書き共有には対応していません。そのため複数のコンテナが同じボリュームに対して読み書きすることができません。お客様はリージョンサポート（RePD）を選択できますが、これはアクティブ - パッシブモデルに限定されます。PD 基盤のボリュームは、コンテナの移行やフェイルオーバー（ホスト障害後）をサポートします。しかし、そのような移行やフェイルオーバーの実装には時間と専門知識が必要な場合があります。
Filestore は、同様の HDD と SSD のバリエーションと、アクティブ / アクティブのリージョン別（エンタープライズ）バリエーションを提供します。Filestore のすべてのバージョンは、読み書き可能な共有モデルをサポートし、ほぼ瞬時にコンテナの移行とフェイルオーバーを行うことができます。この機能拡張のため、Filestore 基盤のボリュームは PD 基盤のボリュームに比べてコストが高く、最小サイズも 1 TB に制限されています。

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Google Cloud の主なストレージモデルである PD と Filestore

フルマネージドコンテナストレージとしての Filestore

PD と Filestore は、アップグレードやフェイルオーバーなどのユースケースにおいて、ホスト間でコンテナを移行するなどのコンテナネイティブな操作をサポートしています。PD をご利用のお客様は、複数の PD タイプを豊富に取り揃え、最高水準の価格と性能を実現できます。そのため、PD は価格性能と機能の面でメリットがあり、多くの GKE のお客様から支持されています。しかし、PD の場合、お客様はストレージシステムに関する専門知識が必要です。PD では、ファイルシステムのロジックはホストに組み込まれています。このカップリングは、移行中にホストがコンテナをきれいにシャットダウンし、ファイルシステムのマウントを解除し、PD をターゲットホストに再接続し、ファイルシステムをマウントし、その後コンテナを起動する必要があることを意味します。GKE はこれらの操作の多くを自動的に管理します。しかし、フェイルオーバーの場合、ファイルシステムやディスクの破損の問題が発生する可能性があります。ユーザーは、マウントされたボリュームを使用する前に、いくつかのクリーンアップ処理（"fsck"）を実行する必要があります。

Filestore では、お客様はホストから切り離された、フルマネージドのリージョンファイルシステムを手に入れることができます。お客様はストレージの運用に専門知識を必要とせず、ボリュームの接続や切断などのインフラストラクチャの運用がないため、フェイルオーバーもシームレスに行うことができます。また、複数のコンテナで同時に読み書きができるストレージもお客様にとってメリットになります。

GKE バックエンドとしての Filestore の一般的な価値に加え、Filestore Enterprise は、リージョン別（99.99%）の可用性、アクティブ-アクティブゾーンアクセス、即時スナップショット、各ボリュームに小さい SSD エントリポイントなどを追加して、ミッションクリティカルで中～大規模な、ステートフルなデプロイをサポートします。

概要とまとめ

Google Cloud は、GKE 永続ボリュームに対して、いくつかのフルマネージドオプションを提供しています。PD ベースのボリュームに加え、Filestore Enterprise は GKE にとってファーストクラスの一般用ストレージバックエンドであり、（アクティブ / アクティブ）リージョン間の冗長性と高速フェイルオーバー / 移行が重要な、ミッションクリティカルなユースケースにも対応可能です。さらに、Filestore Enterprise は、お客様にとってより良い価格性能効率を実現するためのスタート地点に立ったばかりです。たとえば、お客様はプライベートプレビューにアクセスし、ボリュームを共有としてビンパッキングすることで、Filestore Enterprise インスタンスの利用率を向上できます。