ディスク I/O のアーキテクチャ
理解のために小咄形式でまとめました。
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登場人物
- 太郎（後輩）：入社1年目の若手エンジニア。
- 花子（先輩）：システムエンジニア歴3年の先輩。
場面：オフィスの昼休み
太郎が花子とランチを食べながら質問する
太郎：「花子先輩、ディスク I/O のアーキテクチャ についての資料を読んだのですが、まだイメージがつかめなくて…。」
花子：「なるほど、じゃあ今回は ディスク I/O のアーキテクチャ を整理してみようか。大きく分けると、以下の４つのポイントがあるわね。」
- ディスクのタイプ
- インターフェイス
- ストレージの種類
- OS のディスク I/O スタック
1. ディスクのタイプ
花子：「まず ディスクのタイプ について説明するわね。現在、よく使われているディスクには大きく２種類あるの。」
-
回転磁気ディスク（HDD）
- プラッター（円盤）が回転し、磁気ヘッドがデータを読み書きする。
- ランダムアクセスは遅いが、大容量で安価。
- 主に
バックアップやコールドストレージに適している。
-
フラッシュメモリ（SSD）
- 機械的な可動部分がなく、電子的にデータを保存する。
- 高速なランダムアクセスが可能で、
OSやデータベースに適している。 - ただし、書き込み回数に制限がある（寿命問題）。
太郎：「SSD は速いけど、コストと寿命を考えると、HDD もまだまだ使いどころがあるんですね。」
2. インターフェイス
花子：「次に インターフェイス の話ね。ディスクとコンピュータの接続にはいろんな規格があるの。」
-
SATA（シリアル ATA）
- 主に HDD や安価な SSD に使われる。
- 転送速度は
6Gbpsくらいで、接続は簡単。
-
SAS（シリアルアタッチド SCSI）
- エンタープライズ向けの HDD や SSD に使われる。
-
SATA より信頼性が高く、高速。
-
NVMe（Non-Volatile Memory Express）
- フラッシュメモリ用に最適化された
PCIe ベースのインターフェイス。 -
超高速で低遅延。 - 例：最新のゲーミングPC や 高速データ処理システム。
- フラッシュメモリ用に最適化された
太郎：「じゃあ、普段の業務でデータベースのパフォーマンスを改善したいなら、 NVMe の SSD を選ぶのが良さそうですね！」
3. ストレージの種類
花子：「ディスクの 物理的な種類 だけじゃなく、 ストレージの運用方法 も重要よ。」
-
ローカルストレージ
- PC やサーバーに
直接取り付けられたディスク。 - 高速だが、
スケールしにくい。
- PC やサーバーに
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SAN（Storage Area Network）
-
ネットワークを介して接続されたストレージ。 -
大規模システム向け（データセンターなど）。 -
Fibre ChannelやiSCSIが使われる。
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NAS（Network Attached Storage）
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ファイルベースのストレージを提供するデバイス。 -
小規模なオフィスや家庭用によく使われる。
-
太郎：「なるほど、 SAN は 大規模なサーバー環境 で、 NAS は 小規模な共有ストレージ って感じですね。」
4. OS のディスク I/O スタック
花子：「最後に OS のディスク I/O スタック について説明するわね。これを理解すると、 どこでボトルネックが発生しているのか を特定しやすくなるわ。」
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アプリケーション層
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データベースやファイルシステムなどが I/O を要求。
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ファイルシステム層
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ext4, XFS, ZFSなどのファイルシステムがデータを管理。
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ブロックデバイス層
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RAID コントローラやバッファキャッシュでパフォーマンスを最適化。
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デバイスドライバ層
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HDD や SSDへ実際にデータを転送。
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太郎：「ファイルシステムの最適化や RAID の設定も、ディスク I/O のパフォーマンスに影響するんですね！」
花子：「ここまでの話を現実の 物流システム に例えてみると、こんな感じよ。」
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ディスクのタイプ → 倉庫の種類
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HDD は
巨大な倉庫（広いが、物を探すのに時間がかかる）。 -
SSD は
コンビニの在庫棚（小さいが、すぐ取り出せる）。
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HDD は
-
インターフェイス → 輸送手段
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SATA は
普通のトラック輸送（遅いが、安定）。 -
SAS は
高速バス輸送（エンタープライズ向け）。 -
NVMe は
新幹線輸送（超高速 & 低遅延）。
-
SATA は
-
ストレージの種類 → 物流の仕組み
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ローカルストレージ は
社内倉庫（高速だけど、拡張性がない）。 -
SAN は
大規模物流センター（複数拠点で利用）。 -
NAS は
町の宅配ボックス（手軽に共有）。
-
ローカルストレージ は
-
OS のディスク I/O スタック → 物流プロセス
- アプリケーション層：お客様が商品を注文。
- ファイルシステム層：在庫管理システムがデータを整理。
- ブロックデバイス層：トラックが倉庫から商品を運ぶ。
- デバイスドライバ層：倉庫の作業員が商品をピックアップ。
太郎：「なるほど！ディスク I/O の構造が、 物流の流れ に例えられるとわかりやすいですね！」
まとめ
花子：「ディスク I/O のアーキテクチャは、 どの部分がボトルネックになっているか を見極めるのに役立つわよ。」
太郎：「ありがとうございます！今度、 つーｒを使ってパフォーマンスを測定してみます！」
参考リンク
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システムパフォーマンス関連記事は、以下の書籍を参考に記述しています。