クラウドインフラの設計やストレージ選定において、データの保存方式を正しく理解することは欠かせません。なかでもブロックストレージは、データベースや仮想マシンなど高速な読み書きが求められる場面で広く採用されています。
しかし、ブロックストレージとはそもそもどのような仕組みなのか、オブジェクトストレージやファイルストレージとは何が違うのか、どのような場面で選ぶべきなのかといった疑問を持つ方も多いのではないでしょうか。
本記事では、ブロックストレージの定義や仕組みから、メリット・デメリット、他のストレージとの違い、具体的なユースケース、そして適切なストレージの選び方まで、JAPAN AIが網羅的に解説します。
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ブロックストレージとは
ブロックストレージとは、データを固定長の「ブロック」と呼ばれる単位に分割し、各ブロックに固有のアドレスを付与して保存するストレージ方式です。
一般的なファイルストレージがフォルダやファイル名といった階層構造でデータを管理するのに対し、ブロックストレージはファイルシステムに依存しません。OS（オペレーティングシステム）に対して論理的なディスクボリュームとして提供されるため、OSは物理ディスクと同じ感覚でデータの読み書きを行えます。各ブロックは独立して管理され、データの一部だけを書き換える際にもファイル全体を上書きする必要がありません。
この特性により、データベースのトランザクション処理や仮想マシンのブートディスクなど、高速かつ頻繁なデータアクセスが求められる用途で広く採用されています。
ブロックストレージの基本を押さえることで、クラウドインフラの設計やストレージ選定における判断基準が明確になります。
ブロックストレージの仕組み
ブロックストレージの仕組みは、データを一定サイズのブロックに分割し、それぞれに一意のアドレスを割り当てるという構造に基づいています。
ストレージ領域はまず「ボリューム」という論理的な単位に区切られ、そのボリューム内部がさらに固定長のブロックへ分割されます。ブロックサイズは一定サイズで設定されており、各ブロックにはLBA（Logical Block Addressing、論理ブロックアドレッシング）と呼ばれるアドレスが振られます。
データの書き込み時には、ストレージコントローラーがデータをブロック単位に分割し、空きブロックへ順次格納します。読み取り時にはアドレスを指定するだけで目的のブロックへ直接アクセスできるため、ファイルパスをたどる必要があるファイルストレージと比べてオーバーヘッドが少なく、高速な入出力を実現可能です。
物理的な接続方式としては、SAN（Storage Area Network：ストレージエリアネットワーク）を介したアクセスが代表的です。SANではFC（Fibre Channel：ファイバーチャネル）やiSCSI（Internet Small Computer System Interface）といったプロトコルが使われ、サーバーとストレージ間を専用ネットワークで接続します。クラウド環境ではこうした物理的なSAN構築が不要となり、AWS EBSやGoogle Cloud Persistent Diskなどのサービスを通じて、仮想的なブロックボリュームをオンデマンドで利用可能です。
ブロックストレージの仕組みを理解しておくと、パフォーマンス要件に応じたストレージ設計がしやすくなります。
ブロックストレージのメリット
ブロックストレージのメリットは、高速なパフォーマンスや柔軟なスケーラビリティ、そしてブロック単位でのきめ細かいデータ制御にあります。データを固定長のブロックで管理する構造上、ファイルシステムのオーバーヘッドを排除できるため、低レイテンシーかつ高IOPSの処理を実現できます。ブロックストレージの主なメリットを3つの観点から解説します。
- パフォーマンス
- 柔軟性とスケーラビリティ
- きめ細かいコントロール
パフォーマンス
ブロックストレージの最大のメリットは、低レイテンシーかつ高IOPSを実現する優れたパフォーマンスです。
ブロックストレージでは、データへのアクセス時にファイル名やディレクトリパスを解決する処理が不要です。各ブロックに割り当てられたアドレスを直接指定してデータを読み書きするため、メタデータの検索にかかるオーバーヘッドが最小限に抑えられます。さらに、複数のI/Oパスを同時に利用できる構造を持つため、並列処理による高スループットも実現します。
実際に、AWS EBSのio2 Block Expressボリュームでは最大256,000 IOPSとミリ秒未満のレイテンシーを提供しており、汎用SSDのgp3ボリュームでもベースラインで3,000 IOPS、最大80,000 IOPSまでスケールアップが可能です。こうした性能特性により、リアルタイム性が求められるデータベース処理やトランザクション処理において、ブロックストレージのメリットが最も発揮されます。
出典:Amazon Web Services「Amazon EBS の特徴」
出典:Amazon Web Services「汎用 SSD ボリューム」
出典:Amazon Web Services「Amazon EBS が汎用 (gp3) ボリュームの最大サイズとプロビジョンドパフォーマンスを引き上げ」
柔軟性とスケーラビリティ
ブロックストレージのメリットとして、必要に応じてボリュームの容量やパフォーマンスを柔軟に変更できるスケーラビリティも見逃せません。
ブロック単位でデータを管理する構造のため、ボリュームの拡張時にデータの再配置やファイルシステム全体の再構築を行う必要がありません。クラウド環境では、稼働中のインスタンスにアタッチしたままボリュームサイズを拡張したり、IOPSやスループットの設定値を変更したりできるサービスが一般的です。
たとえば、AWS EBSのElastic Volumes機能では、ボリュームのサイズ変更やタイプ変更をダウンタイムなしで実行できます。
ビジネスの成長やデータ量の増加に合わせて段階的にリソースを追加できるため、初期投資を抑えながら将来の拡張にも対応しやすい点が、ブロックストレージのメリットです。
きめ細かいコントロール
ブロックストレージのメリットには、ブロック単位でデータを操作できるきめ細かいコントロールも含まれます。
オブジェクトストレージでは、データの一部を変更する場合でもオブジェクト全体を上書きする必要があります。ファイルストレージではファイル内の一部分を書き換えることは可能ですが、ファイルシステムを介するためオーバーヘッドが生じます。一方、ブロックストレージでは変更が生じたブロックだけを書き換えれば済むため、書き込みの効率が大幅に向上します。
また、ブロック単位でのスナップショット取得や暗号化設定も可能であり、データ保護やコンプライアンス対応においてもきめ細かい制御を実現できます。部分更新の効率性を活かせる場面では、ブロックストレージのメリットが際立ちます。
ブロックストレージのデメリット
ブロックストレージのデメリットは、他のストレージ方式と比較した際のコストの高さとメタデータ管理の制約にあります。高いパフォーマンスを実現する一方で、その分だけ運用コストやデータ管理の柔軟性にトレードオフが生じます。ブロックストレージの主なデメリットを2つの観点から解説します。
- コスト
- メタデータの制限
コスト
ブロックストレージのデメリットとして最も指摘されるのが、オブジェクトストレージやファイルストレージと比較してコストが高い点です。
オンプレミス環境のブロックストレージは、低レイテンシーと高IOPSを実現するために、高性能なハードウェアや専用のネットワーク基盤を必要とします。オンプレミス環境ではSANの構築にFC対応のスイッチやHBA（Host Bus Adapter）が必要となり、初期投資が大きくなります。クラウド環境でも、プロビジョンドIOPSを設定すると容量課金に加えてIOPS単位の課金が発生するため、大容量のデータを長期保存する用途ではGB単価がオブジェクトストレージの数倍に達することも珍しくありません。
ブロックストレージのデメリットであるコスト面を踏まえると、すべてのデータをブロックストレージに格納するのではなく、パフォーマンス要件に応じて他のストレージ方式と使い分ける設計が重要です。
メタデータの制限
ブロックストレージのデメリットには、メタデータの格納が最小限に制限される点もあります。
ブロックストレージが各ブロックに保持するメタデータは、ブロックアドレスやタイムスタンプなど必要最低限の情報に限られます。この設計はデータ転送時のオーバーヘッドを削減しパフォーマンスを高める一方で、データの内容や属性を示すカスタムメタデータを付与できません。
オブジェクトストレージであれば、作成者やコンテンツタイプ、アクセス権限などの豊富なメタデータをオブジェクトごとに設定でき、メタデータを活用した検索や分類が容易です。
画像や動画、ログファイルなど、メタデータによる管理や検索が重要なデータを扱う場合には、ブロックストレージのデメリットであるメタデータの制限が運用上の課題になり得ます。用途に応じてオブジェクトストレージとの併用を検討することが有効です。
ブロックストレージ・オブジェクトストレージ・ファイルストレージの違い
ブロックストレージ・オブジェクトストレージ・ファイルストレージの違いは、データの管理単位とアクセス方式に起因しています。ブロックストレージは固定長のブロック単位、オブジェクトストレージはメタデータ付きのオブジェクト単位、ファイルストレージは階層型のディレクトリ構造でデータを管理します。
以下の比較表で主要な違いを整理したうえで、パフォーマンス、コスト効率、データの保護とセキュリティの3つの観点から詳しく解説します。
| 比較項目 | ブロックストレージ | オブジェクトストレージ | ファイルストレージ |
|---|---|---|---|
| データ管理単位 | 固定長のブロック | オブジェクト（データ＋メタデータ＋ID） | ファイル（階層型ディレクトリ） |
| メタデータ | 最小限（アドレス等） | 豊富（カスタムメタデータ可） | 中程度（ファイル名・拡張子・権限等） |
| パフォーマンス | 高IOPS・低レイテンシー | 高スループット・高レイテンシー | 中程度 |
| スケーラビリティ | 中程度（ボリューム単位で拡張） | 高い（事実上無制限） | 制約あり（階層が深いと性能低下） |
| コスト | 高い | 低い（大容量向き） | 中程度 |
| 部分更新 | 可能（ブロック単位） | 不可（オブジェクト全体を上書き） | 可能（ファイル内の任意の位置） |
| 主な用途 | データベース・仮想マシン | バックアップ・メディア配信 | ファイル共有・ドキュメント管理 |
パフォーマンス
3種類のストレージの違いのなかで、パフォーマンス特性の差は最も顕著です。ブロックストレージは高IOPSと低レイテンシーに優れ、ランダムアクセスが多い処理に最適です。
ブロックストレージはアドレス指定による直接アクセスが可能なため、ランダムリード・ライトの性能が高く、データベースのトランザクション処理のように1秒間に数万回の入出力が発生するワークロードに適しています。オブジェクトストレージはHTTPベースのAPIでアクセスする構造上、1回あたりのレイテンシーはブロックストレージより高くなりますが、大容量ファイルの連続読み書きにおけるスループットに優れています。
ファイルストレージはNFS（Network File System）やSMB（Server Message Block）といったプロトコルを介してアクセスするため、パフォーマンスは両者の中間に位置します。
ストレージの違いを踏まえると、ワークロードのI/O特性に応じて最適な方式を選択することが、システム全体のパフォーマンスを左右します。
コスト効率
ストレージの違いはコスト構造にも大きく影響します。ブロックストレージはGB単価が最も高く、オブジェクトストレージは大容量データの保存において最もコスト効率に優れています。
ブロックストレージのコストが高い背景には、高性能なSSDやプロビジョンドIOPSの課金体系があります。容量に加えてIOPSやスループットに対しても課金されるため、大量のデータを長期保存する用途には向きません。オブジェクトストレージは容量課金が中心で、ペタバイト規模のデータでもGB単価を低く抑えられます。ファイルストレージは容量課金に加えてアクセス頻度に応じた課金が発生するサービスもあり、コスト面では中間的な位置づけです。
ストレージの違いをコスト面から評価する際には、単純なGB単価だけでなく、IOPSやデータ転送量を含めた総所有コストで比較することが重要です。
データの保護とセキュリティ
ストレージの違いは、データの保護とセキュリティの実現方法でも顕著に表れています。いずれのストレージ方式も暗号化やアクセス制御に対応していますが、冗長性の確保の方法が異なります。
ブロックストレージでは、ボリューム単位でのスナップショット取得やレプリケーションによってデータを保護します。スナップショットはブロック単位の差分で取得できるため、バックアップの効率が高い点が特徴です。オブジェクトストレージは、サービスの設計やロケーション設定に応じて冗長化する仕組みを備えており、99.999999999%（イレブンナイン）の耐久性を実現するサービスも存在します。
ファイルストレージは、ファイル単位でのアクセス権限設定やPOSIX準拠のパーミッション管理が可能であり、複数ユーザーでの共有環境におけるセキュリティ管理に適しています。
ストレージの違いを踏まえたうえで、データの重要度や可用性要件に応じて適切な保護方式を選択することが、安全なインフラ設計の基盤です。
ブロックストレージのユースケース
ブロックストレージのユースケースは、高速な読み書きと低レイテンシーが求められるワークロードに集中しています。調査会社360iResearchの推計によると、ブロックストレージの世界市場規模は2025年に238億2,000万ドルに達し、2032年までCAGR 18.30%で成長を続ける見通しです。この成長を牽引しているのが、データベースや仮想マシン、コンテナといった代表的なユースケースです。
- データベース
- 仮想マシン
- コンテナ
データベース
ブロックストレージの代表的なユースケースが、リレーショナルデータベースやトランザクション処理基盤のストレージです。
データベースは1秒間に数千〜数万回のランダムリード・ライトを発生させるため、低レイテンシーと高IOPSが不可欠です。ブロックストレージはアドレス指定による直接アクセスが可能であり、ファイルパスの解決やメタデータの検索といったオーバーヘッドが発生しません。MySQLやPostgreSQL、Oracle Databaseなどのリレーショナルデータベースでは、テーブルのレコード更新やインデックスの再構築といった処理がブロック単位で効率的に実行されます。
AWS上でAmazon RDSを運用する場合、バックエンドのストレージとしてEBSが使用されており、ブロックストレージのユースケースとして最も一般的な構成のひとつです。なお、Amazon Auroraは独自の分散共有ストレージを採用しており、EBSとは異なるアーキテクチャで動作します。
仮想マシン
ブロックストレージのユースケースとして、仮想マシンのブートディスクやデータディスクも広く採用されています。
仮想マシンはOSの起動時にディスクから大量のデータを読み込む必要があり、起動速度はストレージのランダムリード性能に直結します。ブロックストレージはOSに対して物理ディスクと同等のインターフェースを提供するため、仮想マシンのゲストOSからはローカルディスクとして認識されます。
この互換性により、既存のOS設定やアプリケーションをそのまま移行できる点も大きなメリットです。
クラウド環境では、AWSのEC2インスタンスにEBSボリュームをアタッチする構成や、Google CloudのCompute EngineにPersistent Diskを接続する構成が標準的です。仮想マシンの停止・再起動後もデータが永続化されるため、ブロックストレージのユースケースとして不可欠な存在です。
コンテナ
ブロックストレージのユースケースは、Kubernetesなどのコンテナオーケストレーション環境における永続ストレージにも広がっています。
コンテナは本来ステートレスな設計思想に基づいており、コンテナが停止するとその内部のデータは失われます。しかし、データベースやメッセージキューなどステートフルなワークロードをコンテナ上で稼働させるには、コンテナのライフサイクルとは独立したデータの永続化が必要です。
KubernetesではPersistentVolume（PV）とPersistentVolumeClaim（PVC）という仕組みを通じて、ブロックストレージをPodにマウントできます。
CNCFのIncubating Projectである分散ブロックストレージ「Longhorn」のように、Kubernetes環境に特化したストレージソリューションも登場しており、コンテナ環境でのブロックストレージのユースケースは今後さらに拡大すると見込まれます。
適切なストレージの選び方
適切なストレージの選び方は、扱うデータの性質とパフォーマンス要求の2つの軸で判断することが基本です。ブロックストレージ・オブジェクトストレージ・ファイルストレージにはそれぞれ得意な領域があり、万能な方式は存在しません。以下では、ストレージの選び方を2つの観点から整理します。
- データの性質
- パフォーマンス要求
データの性質
ストレージの選び方において最初に確認すべきは、扱うデータが構造化データか非構造化データかという点です。
構造化データとは、リレーショナルデータベースのテーブルやトランザクションログのように、定型的なフォーマットで管理されるデータを指します。こうしたデータはランダムアクセスや部分更新が頻繁に発生するため、ブロックストレージが向いています。
一方で、画像や動画、バックアップアーカイブなどの非構造化データは、一度書き込んだ後は読み取りが中心となるケースが多く、大容量を低コストで保存できるオブジェクトストレージが向いています。ドキュメントファイルやスプレッドシートなど、複数のユーザーが日常的にアクセス・編集するデータには、階層型のディレクトリ構造で直感的に管理できるファイルストレージが向いています。
データの性質を正確に把握することが、ストレージの選び方における第一歩です。
パフォーマンス要求
ストレージの選び方で次に重要なのが、ワークロードが求めるIOPSやレイテンシーの水準です。
ミリ秒未満のレイテンシーや数万IOPSが求められるデータベースやリアルタイム分析基盤には、ブロックストレージ以外の選択肢は現実的ではありません。一方、大容量ファイルの連続的な読み書きが中心で、1回あたりのレイテンシーよりもスループットを重視する場合には、オブジェクトストレージのほうがコストパフォーマンスに優れます。ファイル共有やコラボレーション用途では、複数ユーザーからの同時アクセスに対応できるファイルストレージが適切です。
パフォーマンス要求を定量的に整理したうえで、コストとのバランスを考慮してストレージを選ぶことが、最適なインフラ設計につながります。
ブロックストレージに関してよくある質問
ブロックストレージとオブジェクトストレージはどちらを選ぶべきですか？
高速な読み書きやランダムアクセスが求められるデータベースや仮想マシンにはブロックストレージ、大量の非構造化データを低コストで長期保存する場合にはオブジェクトストレージが適しています。両者を併用するハイブリッド構成も一般的であり、ホットデータをブロックストレージに、コールドデータをオブジェクトストレージに配置する設計が効果的です。
ブロックストレージはどのようなクラウドサービスで利用できますか？
主要なクラウドプロバイダーがブロックストレージサービスを提供しています。AWSではAmazon EBS、Google CloudではPersistent Disk、Microsoft AzureではAzure Managed Disksが代表的です。いずれもSSDベースの高性能ボリュームからHDDベースの低コストボリュームまで複数のタイプを用意しており、ワークロードに応じた選択が可能です。
ブロックストレージの容量はあとから変更できますか？
多くのクラウドサービスでは、稼働中のインスタンスにアタッチしたままボリュームの容量を拡張できます。たとえばAWS EBSのElastic Volumes機能では、ダウンタイムなしでサイズ変更やボリュームタイプの変更が可能です。ただし、ボリュームの縮小には対応していないサービスが多いため、初期設計時に将来の拡張を見据えたサイジングを行うことが推奨されます。
ブロックストレージを理解してストレージ選定に活かそう
ブロックストレージは、データを固定長のブロックに分割して管理するストレージ方式であり、高IOPSと低レイテンシーを実現できる点が最大の強みです。データベースや仮想マシン、コンテナ環境など、高速な読み書きが求められるワークロードにおいて不可欠な存在といえます。
一方で、コストの高さやメタデータの制限といったデメリットもあるため、すべてのデータをブロックストレージに格納するのではなく、オブジェクトストレージやファイルストレージと適切に使い分けることが重要です。データの性質とパフォーマンス要求を軸に、コストとのバランスを考慮した選定を行うことで、効率的かつ拡張性の高いインフラ基盤を構築できます。
本記事で解説した知識を活かし、自社のワークロードに最適なストレージ構成を検討してみてください。
