ストレージの仕組みを体系解説｜ブロック・SAN・FC・RAID・ハミング符号

まずは英語名と略語を日本語の意味につなげます

SANやSCSIのような略語は、読み方だけで覚えようとすると混乱しやすいです。最初に英語の正式名称・カタカナの読み方・何をするものかをセットで確認しましょう。

01｜まずは身近な例：パソコンの外付けSSDから考えます

写真を保存するとき、家庭ではUSBでSSDをつないだり、家庭内ネットワークのNASへ保存したりします。企業のデータベースや仮想マシンでは、多数のサーバーが大容量ストレージを高い信頼性で利用する場面があります。

そのような環境では、サーバーとストレージの間に専用の接続基盤を用意する設計が使われます。ファイバチャネル（Fibre Channel、FC）は、こうしたストレージ接続で広く利用されてきた高速な転送技術です。

図で見る｜『ブロック』とは小さな番号付き区画です

例えば写真を1枚保存しても、SSDの中には写真と同じ形の箱があるわけではありません。ストレージは、OSから見ると一定サイズで区切られた番号付きの領域の集まりです。これを論理ブロックと呼びます。

例えば1ブロックが4KiBだとすると、12KiBのデータ部分は最低でも3ブロック分に相当します。ただし、ファイルシステムの管理領域や実際の割り付け単位まで含めると、単純な割り算だけでは保存サイズは決まりません。

ファイルを開くときはOSのファイルシステムがブロックの位置を管理しています。SANはその一段下で、サーバーに「ブロックを読み書きできるディスク」のようなものを提供します。

02｜まず『ファイル』と『ブロック』の違いを整理します

普段は「報告書.pdfを開く」のようにファイル名で操作します。一方、OSはディスクを読み書きするとき、論理ブロックアドレス（LBA）で指定された領域にアクセスします。

FC SANは一般的に、このブロック単位のアクセスをサーバーへ提供するために使われます。

03｜DAS・NAS・SANは何が違うのですか

04｜ファイバチャネルの仕組みと役割

FCは、サーバー側のHBA（Host Bus Adapter）、FCスイッチ、ストレージのポートを結ぶ高速なシリアル通信技術です。ストレージ用途ではSCSIコマンドをFC上に載せるFCP（Fibre Channel Protocol）が広く使われます。

05｜光ケーブルと電気ケーブル、何が違いますか

FCの物理接続には、対応した光ファイバーや銅線の伝送媒体を使います。光は長距離接続や電磁ノイズへの耐性が必要な環境で選ばれます。一方、短距離の配線では銅線のダイレクトアタッチケーブルなどが使われる場合があります。

06｜接続方法はスイッチ型だけではありません

FCにはポイントツーポイント、スイッチドファブリック、調停ループ（FC-AL）といった接続トポロジーがあります。現在のSANで代表的なのはスイッチドファブリックですが、FCの定義がそれだけに限定されているわけではありません。

07｜SCSI・SAS・FCPをまとめて整理します

SCSIはストレージ操作のコマンド体系としての意味と、昔のパラレルSCSI接続方式の意味で使われることがあります。両者を分けることが重要です。FCPは、SCSIコマンドをFCの通信上で運ぶための仕組みです。FCの物理層がパラレルSCSIになるわけではありません。

08｜FCの階層はどのように分かれますか

FCはFC-0からFC-4までの機能層で整理されます。TCP/IPの階層をそのまま置き換えたものではありませんが、どの層が物理伝送を扱い、どの層が上位プロトコルとの橋渡しをするかを分けると理解しやすくなります。

09｜WWN・LUN・ゾーニングは何のために必要ですか

複数のサーバーとストレージが同じSANに接続されると、「どの機器が、どの記憶領域を見られるのか」を管理する必要があります。WWNはFC機器やポートの識別に利用される名前です。ゾーニングは主にFCファブリック側で相互に通信できるポートを制御します。LUNマスキングはストレージ側でホストに公開する論理ユニットを制御します。

10｜冗長化とマルチパスは何を守りますか

本番のストレージ接続では、HBA、スイッチ、ケーブル、ストレージ側のポートが故障してもサービスを継続できることが重要です。そのため、異なる経路を用意するマルチパス接続が使われます。

マルチパスソフトウェアは、利用できる経路を把握し、障害が起きたときの切替えや経路選択を支援します。冗長化は単にケーブルを2本に増やすことではありません。

11｜FC SANとiSCSI SANはどこが違いますか

両者は対立する考え方ではなく、サーバーへブロックストレージを提供するための異なる選択肢です。どちらが必ず高速か・安価かは、製品と環境によって変わります。

12｜NVMeとNVMe over Fabricsは何が違うのですか

NVMeは、主にSSDに向けて設計されたコマンド体系です。NVMe over Fabrics（NVMe-oF）は、NVMeのコマンドをネットワークを通じて利用するための仕組みです。NVMe/FCはその転送方式の一つで、FCファブリック上でNVMeを利用します。

13｜仕組みを短い擬似コードで確認します

以下は実際のFC制御ソフトウェアではなく、サーバーがストレージへ要求を送るときに考えるべき段階を表した学習用の擬似コードです。

const request = { operation: "READ", lun: 2, lba: 4096 };

// 1. 対象となる論理ボリュームを確認します。
// 2. ホストが利用できる経路を選択します。
// 3. FCPならSCSIコマンドをFCフレームで運びます。
// 4. ストレージが該当するブロックを読み出します。
// 5. 完了応答とデータがホストに戻ります。

14｜操作ラボ：接続方式と通信経路を切り替えます

下のラボでは、DAS・NAS・FC SAN・iSCSI SANを切り替え、サーバーからストレージへどの経路でアクセスするかを確認できます。FC SANを選ぶと、ポイントツーポイントとファブリックの構成、光と銅線の媒体、ゾーニング、2系統の冗長化を操作できます。

15｜似た言葉を取り違えないための整理

16｜まとめ：どの技術がどの役割かを押さえます

大容量ストレージへの接続を考えるときは、ファイルかブロックか、どのネットワーク基盤で運ぶか、どの機器を通るか、どのようにアクセスを制御するかの4点を整理すると理解しやすくなります。

ファイバチャネルはSANで使用される高速なシリアル転送技術であり、光ファイバーにも対応する銅線にも利用可能な方式があります。スイッチ型だけに限定されず、FCPでSCSIコマンドを運ぶこともできます。これらを一つのシステムとして説明できれば、関連技術の理解も進みます。

17｜RAIDの前に、SSDを「区画の並び」として考えます

利用者が開く写真は1つのファイルに見えます。しかしストレージへアクセスするとき、OSやファイルシステムはデータを小さな単位に分け、論理ブロックアドレス（LBA：Logical Block Address）を使って管理します。ブロックは倉庫の棚番号が付いた小さな区画のようなものです。

18｜RAIDはなぜ複数のディスクをまとめるのですか

RAID（Redundant Array of Independent Disks、レイド）は、複数の記憶装置を組み合わせ、性能や可用性などを高める技術です。例えば1台の故障で業務が止まらないようにする目的で使います。なおRAIDはバックアップの代わりではありません。誤削除・ランサムウェア・火災などには別の対策が必要です。

19｜図解：RAID 0・1・5はブロックをどう配置しますか

ここではA・B・C・Dをそれぞれ別のデータブロックとして考えます。RAID 0は分散、RAID 1は複製、RAID 5はデータとパリティを分散配置することが違いです。

RAID 5の図ではP0は最初のデータ組のパリティ、P1は次の組のパリティです。パリティの位置とデータの配置は実装やレイアウトにより異なります。図は各方式の仕組みを理解するための簡略図です。

20｜XORで故障したブロックを復元する仕組み

RAID 5のパリティは、データブロックの各ビットをXOR（排他的論理和）で計算するのが基本です。XORは、同じビット同士なら0、異なるビット同士なら1になります。

ディスクA: 1
ディスクB: 0
パリティP = A XOR B = 1

もしディスクAを失っても
A = B XOR P = 0 XOR 1 = 1

※実際にはブロックの各ビットで計算します。

21｜パリティビットとハミング符号は何が違うのですか

どちらも「データが壊れる可能性」への対策ですが、役割が違います。単純なパリティビットは偶数・奇数の整合性を検査するもので、1ビットの誤りを検出できますが、一般には壊れた位置を決定できません。一方、ハミング符号（Hamming code、ハミングコード）は複数の検査ビットによって誤り位置を特定できるようにした符号です。

22｜ハミング(7,4)をビットで計算してみます

7ビットの位置を1〜7とし、位置1・2・4をパリティ、位置3・5・6・7をデータとして使います。偶数パリティの場合、位置1の検査は1,3,5,7、位置2の検査は2,3,6,7、位置4の検査は4,5,6,7を対象とします。

位置:     1 2 3 4 5 6 7
役割:     P P D P D D D
データ:   ? ? 1 ? 0 1 1

P1 = D3 XOR D5 XOR D7 = 1 XOR 0 XOR 1 = 0
P2 = D3 XOR D6 XOR D7 = 1 XOR 1 XOR 1 = 1
P4 = D5 XOR D6 XOR D7 = 0 XOR 1 XOR 1 = 0

符号語:   0 1 1 0 0 1 1  → 0110011

ここで位置6のビットが1から0に反転すると、受信側では検査P2とP4が不一致となり、P1は一致します。検査結果の値は2＋4＝6なので、「6番目のビットが壊れた」と判断して1ビットを反転させます。これをシンドロームによる位置特定といいます。

23｜CRC・チェックサム・ECC・RAIDを整理します

データを守る方法は一つではありません。転送中のビット誤りを見つけたいのか、1ビットを直したいのか、ディスクが故障しても読み出したいのかによって技術を選びます。

24｜ストレージ整合性ラボ：RAIDとハミング符号を操作します

RAIDタブでは複数ディスクに保存するブロックとXORパリティを確認できます。ハミングタブでは4ビットから7ビットの符号語を作り、任意の1ビットを反転させたときのシンドロームを調べられます。

25｜全体像：どの層にどの技術が入りますか

ファイバチャネル（FC）はストレージへ要求を運ぶ技術、SCSIは読み書きのコマンド体系、ファイルシステムはファイルとブロックの対応付け、RAIDは複数ディスクの配置・冗長化、ECCはビット列の検出・訂正です。この区別が理解の土台になります。