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パフォーマンスの課題解決に向けたOracle 高速DBソリューション「RESQ」-高速化のための技術
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パフォーマンスの課題解決に向けたOracle 高速DBソリューション『RESQ』

  Oracleデータベースにおけるパフォーマンス課題の解決に向けて、DBシステムの状況確認、パフォーマンス診断から改善案の策定・提案、構築までを提供するプロフェッショナルサービスです。「クイック診断」と「DBインフラ構築」の2つのサービスで構成され、短期間かつ低コストでOracleデータベースの大幅なパフォーマンス向上を実現します。
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高速化のための技術
システム性能のボトルネックには様々な原因があります。ハードウェアのレイヤーに限っても、
  • CPUリソース不足
  • ストレージIO性能不足による待機
  • ネットワーク帯域の不足
などがあげられます。
CPU性能が昨今著しく向上していることもあり、特にデータベースシステムにおいては、ストレージIO性能を改善させることにより、システム全体のパフォーマンスを向上することができます。また、データ量の増大に比例してネットワークを通るデータ量も増大しているため、パフォーマンス向上の観点からデータ通信性能の改善も無視できなくなっています。
本ソリューションでは、ストレージIO高速化のためにIOアクセラレータを使用しています。また、データ通信高速化のためにInfiniBandという技術を採用しています。
本ソリューションで使用する高速化のための技術
図 1　本ソリューションで使用する高速化のための技術

ストレージIO高速化
IOアクセラレータ
本ソリューションのストレージデバイスとして採用している IOアクセラレータ は、直接PCIバスに接続するNANDフラッシュメモリ型SSD（Solid State Disk）です。ハードディスクのような回転待ち時間がないことに加え、直接PCIバスに接続するため、SAS/FC/SATAインターフェイスを使用した一般的なSSDと比較しても、IO性能が非常に高いという特徴があります。このIOアクセラレータを使用することで、アプリケーションのパフォーマンスを向上させることができます。
  • 記憶方式
    IOアクセラレータの記憶方式には、シングルレベルセル（SLC）とマルチレベルセル（MLC）があります。SLCはセル当たり1ビットを保存し、MLCはセル当たり2ビットを使用します。MLCは、各デバイスにSLCよりも多くのデータを保存できますが、SLCよりも耐久性が低いという特性があります。
  • 帯域幅
    IOアクセラレータは非常に優れたI/O帯域幅を持っています。SLCモデルがREAD最大750MB/秒、WRITE最大670MB/秒、MLCモデルがREAD最大700MB/秒、WRITE最大490MB/秒と、一般的なSSDの数倍のI/O帯域幅を実現しています。 さらに、2つのIOアクセラレータモジュールを並列に配置したIOアクセラレータDuoでは、IOアクセラレータの2倍近いI/O帯域幅を実現しています。
    DBインフラ構築
    図 2　IOアクセラレータのI/O帯域幅（論理帯域）
    ※帯域幅は設計上の上限値であり実際のデータ転送速度とは異なります。

  • レイテンシ
    IOアクセラレータでは、ハードディスクのシークタイムに相当する時間がかからないため、データアクセスレイテンシは非常に低くなっています。4KブロックのREADの場合、SLCモデルではわずか50マイクロ秒であり、MLCモデルでも80マイクロ秒となっています。

データ通信高速化
本ソリューションではデータ通信を高速化するために、InfiniBandを利用し、さらなる高速化を実現しています。

以下にInfiniBandの概要を説明いたします。
InfiniBand
InfiniBandは、ノード間で高速な通信を実現するための業界標準として開発された、パケットベースの相互接続インターフェイス/プロトコル仕様です。InfiniBand には、
  • 非常に高い帯域幅（QDR 4xでは40Gbps）
  • 低レイテンシ
  • ハードウェア/ファームウェアで通信プロトコルを制御することができるため、CPU の使用率が低い
という特徴があります。

InfiniBandの仕様は、バスをベースにした従来型技術ではなく、スイッチファブリックアーキテクチャーを中心にして開発されており、高速データ転送に必要な帯域幅が利用できるようになっています。InfiniBand標準の詳細は、http://www.InfiniBandta.org を参照してください。
  • InfiniBandの帯域幅
    InfiniBandには帯域幅の異なる複数の規格があります。2010年8月現在では、1リンクあたり2.5Gbpsの帯域幅を持つSDR（Single Data Rate）、SDRの2倍の帯域幅を持つDDR（Double Data Rate）、SDRの4倍の帯域幅を持つQDR（Quad Data Rate）が実装されています。さらにEDR（Eight Data Rate）、HDR（Hexadecimal Data Rate）と拡張される予定です。
    また、リンクを4本、12本と束ねて使用することで通信速度を向上させることができます。一般的なHCA（Host Chanel Adapter）には4x接続が採用されています。なお、上り下りの信号線は独立しており、全2重の帯域を提供します。
InfiniBandのリンクの種類
図 3　 InfiniBandのリンクの種類
表 1　InifiniBandの通信速度一覧
リンク SDR DDR QDR
1x 2.5 Gbps 5 Gbps 10 Gbps
4X 10 Gbps 20 Gbps 40 Gbps
12x 30 Gbps 40 Gbps 120 Gbps
※ 転送には 8b/10b変換が用いられ、8bitのデータが10bit化され転送されるため、実効転送レートは上記の値の80%となります。したがって SDR 4x, DDR 4x, QDR 4xの実効転送レートはそれぞれ 8Gbps, 16Gbps, 32Gbpsとなります。

冗長化のための技術
本ソリューションでは下記2点の冗長化ポイントにより、単一障害点を克服しています。
  • データベースサーバーの冗長化
    データベースサーバーが一台停止しても、データベースは稼働し続けます。
  • ストレージパスの冗長化
    データベースサーバーからストレージサーバーまで複数の経路を用意しています。これにより、単一障害で通信が遮断されることはありません。
HA構成全体図
図 4　 HA構成全体図

データベースサーバーの冗長化
データベースサーバーの冗長化は、データベースサーバーを複数台使用し、Oracle RACなどのクラスタ機能により冗長化を実現します。

ストレージパスの冗長化
ストレージパスの冗長化は、図 5のようにInfiniBandスイッチの2重化とマルチパスソフトウェアで実現します。データベースサーバーとストレージサーバーには、それぞれDual-Port InfiniBand HCA Cardが1枚装着されており、経路の冗長化を可能にしています。データベースサーバーとストレージサーバーが冗長化されていますので、システム全体としては、HCA Card障害は単一障害点とはなりません。弊社検証により、Red Hat Enterprise LinuxではマルチパスソフトウェアとしてDevice Mapper Multipathの使用を推奨します。
RHELの場合、データベースサーバーからはストレージサーバーの物理ディスクを、SCSIデバイス(/dev/sd*)として認識します。図5の経路①と経路②のように、経路が2つある場合、/dev/sda、 /dev/sdb のように、1つの物理ディスクを2つのSCSIデバイスとして認識します。Device Mapper Multipathを用いることで、複数のSCSIデバイスを束ね、１つのマルチパスデバイス(/dev/mapper/mpath*)として使用できます。例えば、/dev/sdaと/dev/sdbが束ねられ、/dev/mapper/mpath0として使用できます。マルチパスデバイスに対して、fdiskコマンドでパーティションの作成や、mkfsコマンドでファイルシステムの作成を行ないます。
ストレージパスの冗長化イメージ図
図 5　 ストレージパスの冗長化イメージ図
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