[日本仮想化技術] 2014/6/5 OpenStack最新情報セミナー資料

Ceph をベンチマークしてみました
2014/6/5
Open Programmable Infrastructure Environment
14/06/02 Copyright 2014(C) OSS Laboratories Inc. All Rights Reserved
1

仮想ストレージとは
l  仮想ストレージの階層
l  Disk Virtualization （ディスクの仮想化） :論理ブロック(LBA)
l  Block Virtualization （ブロックの仮想化） :LVM/RAID
l  File Virtualization （ファイルの仮想化）：VFS
l  File System Virtualization （ファイルシステムの仮想化）
(SNIA（Storage Network Industry Association）が作成したストレージ仮想化技術の分類)
l  ファイルシステムの仮想化：
l  クラスタ/グリッドファイルシステム／仮想ストレージ／Software Defined Storage, etc.
l  ユーザからはサーバや記憶装置の多様性と分散が隠蔽され、単なるボリュームや
ファイルとして扱える透過性を持つ。
l  商⽤用製品例
l  EMC ViPR
l  VMware VSAN
l  Datacore SANSymphony-V
l  NexentaStor
l  Cleversafe/Amplidata
l  分散ファイルシステムは、レプリケーションによるフォールトトレラント性強化
を⽬目指したもの、並列化による性能強化を⽬目指したもの、両⽅方を同時に実現しよ
うと設計されたものがある。
214/06/02
Copyright 2014(C) OSS Laboratories Inc. All Rights Reserved

クラウドストレージとは
l  クラウド上のストレージサービス
l  ユーザは物理的にどのデータセンタ／サーバ／ストレージ／ディスクに⾃自分
のデータが格納されているのか、全く意識しなくて良い
l  バックアップもオプション指定するだけで、⾃自動的に地理的分散を保証して
くれる
3
オブジェクトストレージ
(REST)のS3と、ブロック
デバイスのEBSを提供
オブジェクトストレージ(REST,
JSON/XML etc.)のCloud Storage
と、ブロックデバイスの
Persistent Diskを提供
オブジェクトストレージ
(REST, NTFS)のBLob
Storage(Azure Drive)と、ブ
ロックデバイスのLocal
Storageを提供
異なるサービス間、またはオンプレミス環境の
ストレージと互換性／可搬性がない
14/06/02

クラウド透過なクラウドストレージが理想
4
オンプレミス
（物理・仮想マシン）プライベートクラウド
パブリッククラウドサービス
（仮想マシン）
VMware, OpenStack, etc.
POSIX
(FUSE)
⾃自動
レプリケーション
ブロック
デバイス
オブジェクト
ストレージ
共有ファイル
VMイメージ
REST API
(S3, SWIFT互換)
ハイブリッド・クラウド
仮想マシン群
オンプレミス
（物理・仮想マシン）プライベートクラウド
パブリッククラウドサービス
（仮想マシン）
⾃自動
14/06/02

分散ファイルシステムの種類
14/06/02
Copyright 2014(C) OSS Laboratories Inc. All Rights Reserved 5
分類
概要
例
分散ファイルシステム
複数のホストがコンピュータネットワークを経由して
共有しつつファイルにアクセスすることを可能にする。
複数のサーバ上に配置されたファイルを、論理的に
構造化された 1つ以上の名前空間で透過的にアク
セスできる。
Amazon S3
Andrew File System
(AFS) etc.
分散フォールト
トレラント
ファイルシステム
データを複製する事により、分散ファイルシステムを
構成する要素に障害が発生しても、データ喪失する
事なくアクセスが継続できる。
Microsoft DFS
Moose FS, etc.
分散並列
データを細かく分割し、分散ファイルシステム上の各
ホストに分散配置する事により、性能をスケールア
ウトできる。
FraunhoferFS
(FhGFS)
PVFS/OrangeFS
etc.
分散並列フォールト
トレラント
上記全ての機能を備えたファイルシステム
Ceph
GlusterFS
XtreemFS etc.

調べてみました
14/06/02
製品名開発主体ライセンス
Amage クリエーションライン株式会社プロプライエタリ
Ceph Inktank LGPL2
Chiron FS luisfurquim@gmail.com GPL3
Cloudian クラウディアン株式会社プロプライエタリ
CloudStore/Kosmosfs/Quantcastfs Quantcast Apache License 2.0
Cosmos Microsoft internal 非公開
dCache DESY and others プロプライエタリ
FraunhoferFS (FhGFS) Competence Center for High Performance Computing FhGFS license
FS-Manager CDNetworks プロプライエタリ
General Parallel File System(GPFS) IBM プロプライエタリ
Gfarm file system 筑波大学/産業技術総合研究所 BSD
GlusterFS Gluster, a company acquired by Red Hat GPL3
Google File System(GFS) Google 非公開
Hadoop Distributed File System ASF, Cloudera, Pivot, Hortonworks, WANdisco, Intel Apache License 2.0
IBRIX Fusion IBRIX プロプライエタリ
LeoFS 楽天技術研究所 Apache License 2.0
Lustre
originally developed byCluster File System and currently supported
by Intel(formerly Whamcloud)
GPL
MogileFS Danga Interactive GPL

分散仮想ストレージのアーキテクチャ
l  メタデータ管理
l  集中管理型／分散管理型、フォールトトレランス、スケールアウト
l  ネーミング
l  データ格納場所とオブジェクトIDのマッピングアルゴリズム
l  クライアントアクセス
l  POSIX/FUSE/Block/REST
l  キャッシングと⼀一貫性保持
l  WORM/Transactional locking/Leasing
l  レプリケーション／同期⽅方式
l  同期／⾮非同期、Read only/Read/Write、CAP定理、PAXOS
l  ロードバランス
l  データ偏在の⾃自動修正
l  ⾃自⼰己修復機能（Self Healing）
714/06/02

Ceph
l  概要
l  Ceph は、カリフォルニア⼤大学サンタクルーズ校 (UCSC) の Sage Weil （現
DreamHost / Inktank共同設⽴立立者）がストレージ・システムに関する博⼠士論⽂文
の研究プロジェクトとして、2004年から開発を始められたファイルシステム
であり、2010年に Linux カーネル (2.6.34 以降) に組み込まれた。
l  CephはLGPL V2.1ライセンスで提供され、商⽤用版はCeph Enterpriseとして
Inktankから販売サポートされている。
l  開発／サポート体制
l  開発はInktankを中⼼心に進められているOpen Coreモデルである。オープン
ソース版がコアになり、商⽤用版は管理⽤用GUIやSNMPインターフェース、
Hyper-V連携等が加えられ、サポートが提供される。
l  2012年7⽉月に最初の安定板をリリースした後、約３ヶ⽉月毎にバージョンアッ
プが⾏行行われ、現在は2014年5⽉月にリリースされた6番⽬目のV0.80.1(Firefly)が提
供されている。Linuxカーネル3.4.20以降または3.6.6以降でサポートされてお
り、Windows版やMac版は提供されていない。また、OpenStackや
CloudStackと共同でIaaS基盤とのストレージ連携を強化している。
814/06/02

2014/4/30
“Red Hat to Acquire Inktank, Provider of Ceph”
14/06/02

Cephの特徴
l  ベンダフリー
l  汎⽤用PCサーバ／汎⽤用OS(Linux)を使⽤用
l  特別なハードウェア不要
l  オープンソース
l  フォールトトレラント
l  スケールアウト
l  汎⽤用プロトコル
l  POSIXファイルシステム
l  ブロックデバイス
l  REST(AWS S3/SWIFT互換)
l  WAN越しリモートレプリケーション（RGWのみ）
l  RW同期(LANのみ）
1014/06/02

RADOS
Reliable, Autonomous, Distributed Object Store
ブロック
デバイス
MDS
Monitors
OSDs
Cephのアーキテクチャ
11
CephFS
POSIX互換ファイル
システム
Kernel-client及び
FUSE-clientから使
用できる
Librados
C, C++, java,
Python, Ruby, PHP
からRADOSに
アクセスできるAPI
ライブラリ
RADOSGW
(RADOS
Gateway)
AWS S3及び
OpenStack SWIFT
互換のREST APIを
提供するhttpプロキ
シ
RBD
(RADOS Block
Device)
Linuxカーネルから
RADOSをブロック
デバイスとして使用
できる
API
Kernel
Client
ノード
ブロック
デバイス
vfs
ブロックデバイス
ドライバ
MDS
Monitors
OSDs
MDS
Monitors
OSDs
API
QEMU
/KVM
Kernel
Client
FUSE
Client
Ext4/xfs/btrfs
ブロック
デバイス
ノード
ブロック
デバイス
vfs
ブロックデバイス
ドライバ
Ext4/xfs/btrfs

CephFS (Posix file system)
kernel
Device driver
vfs
FUSE
File system
ブロック
デバイス
User space
Kernel space
Ceph-fuse
Client
Application
MDS
Monitors
OSDs
vfs
ブロックデバ
イスドライバ
vfs
User space
Kernel space
Ceph-kernel
Client
Application
RADOS
＊CephFSは、現時点(V.0.80)で本番稼働での使用は推奨されていない。
14/06/02
12
CephFS Kernel client
CephFS FUSE client

物理サーバ
QEMU/KVM
Ceph RBD（ブロックデバイス）
14/06/02
RBD
(RADOS Block Device)
Kernel
Client
librbd
VM
Linux
Kernel
Client
物理サーバ
Hypervisor
VM
物理サーバ
Linux
アプリケー
ション
アプリケー
ション
アプリケー
ション
Linuxページ
キャッシュを使用
ユーザースペース
モジュール
RBD Cacheを使用
Linuxのみサポート
カーネルスペース
モジュール
Hypervisorの種類は
問わない
VM OSの種類は
問わない
Hypervisorの種類は
QEMU/KVMのみ

Ceph RADOSGW (Object Gateway)
librgw
File system
ブロック
デバイス
Monitors
OSDs
vfs
ブロックデバ
イスドライバ
S3 API
librados
Application
RADOS
＊RADOSGWは、マルチサイト非同期レプリケーションをサポート
httpd
SWIFT API
14/06/02
14

OpenStackインテグレーション
14/06/02
Volumes Ephemeral
Copy-on-Write Snapshots

Keystone（認証サービス）連携
Keystone Server
RADOSGW
RESTful Object Store
Query token
Access with token
Grant/revoke

Glance（イメージサービス）連携
RBD
Glance Server
/etc/glance/glance-api.conf
default_store=rbd
rbd_store_user=glance
rbd_store_pool=images
Store, Download
Image

Cinder/Nova連携
RBD
Cinder Server
Libvirt
(QEMU/KVM)
VM
Boot from volume
ボリューム作成／接続
Volume
Image
Copy-on-write clone
librbd
Nova/compute

OpenStack+Cephのメリット
l  OpenStack 全体の可⽤用性の向上
l  MySQL のデータさえダンプ取得すれば、リストア可能
l  OS イメージ・スナップショットは Ceph 上にあ
るのでバックアップ不要
l  Compute ノード上のインスタンスデータは Ceph
のスナップショットから復旧
l  Network ノードは分散・冗⻑⾧長可能、データのバッ
クアップは不要
l  最⼩小構成（３ノード）から始めて、スケールアウ
ト可能
14/06/02

Cephのユースケース
14/06/02
Virtualization and Private
Cloud
(traditional SAN/NAS)
High Performance
(traditional SAN)
PerformanceCapacity
NAS & Object
Content Store
(traditional NAS)
Cloud
Applications
Traditional IT
XaaS Compute Cloud
Open Source Block
XaaS Content Store
Open Source NAS/Object
Ceph
Target
Ceph Target

Multi-site Replication
オブジェクトストレージ(RADOSGW)
のみ対応
l  物理的ロケーションの離れた別ク
ラスターにメタデータとデータを
複製。
l  複製⽅方式は、マスター／スレーブ、
スレーブはRead Only
l  複製先は複数可能
l  ディザスタリカバリー⽤用のバック
アップデータを保証する。
l  ⼀一貫性はAP(Eventually
consistency)
2114/06/02

Erasure coding（イレージャーコーディング）
l  Erasure Coding：定訳はないが、「消失符号」あるいは「消失訂正符号」という訳語も⼀一
部で使われている。
l  オブジェクトを分割して消失訂正符号を付加し、物理的に異なるノードに分散して格納す
ることで、その分割したデータのいくつかが消失した場合でも、元のオブジェクトを復元
することができる⼿手法で、マイクロソフトのAzureストレージにも採⽤用されている技術。
l  実装の仕組みは複数のアルゴリズムが⽤用意されているが、⼀一般的にオブジェクトの容量に
対して20% 40%程度の符号を付加すれば良いことから、レプリケーション（複製）に⽐比
べ物理的なディスクの利⽤用効率(実効容量)が⾼高い。
l  ただし、オブジェクトの書き込みの都度、符号化処理を⾏行行うので、パフォーマンスが劣化
する可能性があり、ディスクの利⽤用効率を優先する⼤大規模案件やパフォーマンスを要求し
ないアーカイブ⽤用途などに適している。
Erasure Coding
利用効率(2ディスク障害で
の保証)
約140%
200%
CPU使用率
High
Low
読み書き速度
遅い
速い

キャッシュ・ティアリング
CEPH STORAGE CLUSTER
Write ReadRead/Write
SSD
HDD

Cephロードマップ (as of 4/30)
14/06/02
1.2 2.0
CEPH
CALAMARI
PLUGINS
May 2014 Q4 2014 2015

ベンチマーク⽬目的
l  想定ユースケース
l  共有ファイルサーバ／VMイメージストア
l  CephFS／RBDでの各ドライバでの基本性能を検
証、Object Storageは実施しなかった
l  ⽐比較のために、ローカルHDDとNFSも検証した
l  限られたHW環境のため、スケールアウトの検証
は⾏行行っていない
14/06/02
25

ベンチマークテスト内容
対象ファイルアクセスパターン書込：読出ブロックサイズファイルサイズ
1 DBなどアプリケーションデータランダム 1 : 2 8 KB 64KB
2 ログファイルシーケンシャル 1 : 0 64 KB 1MB
3 オフィスドキュメントランダム 1 : 2 64 KB 512KB
4 画像等BLOBデータシーケンシャル 0 : 1 128 KB 10MB
14/06/02
NO. 同時並⾏行行数作成ファイル数
1 10 10
2 100 10
3 100 100
4 1000 100
5 300 300
アクセスパターン
シナリオ
•  ベンチマークプログラムは、ﬁoを使⽤用し、
fabricで⾃自動実⾏行行
•  ４アクセスパターンx5シナリオ＝２０タイプ
•  各タイプは10回実⾏行行し、最⼤大／最⼩小値を除い
た８回分を平均
•  OSのページキャッシュはオフ
•  Cephは全てデフォルト設定

テスト環境
l  HW環境
l  NW環境
l  SW環境
l  CentOS6.5（クライアントのみkernel3.1）
l  Ceph 0.78
環境 HW
NW
ローカルHDD
HP ML110 G7
Intel Celeron G530 @ 2.40GHz 1p/2c
HP 250GB SATA disk x1
1Gbps
ext3
NFS
Nfs v4
Ceph
ext4
RTT ms Mbps
Nuttcpでの計測 0.418 928.5
14/06/02
27

テスト環境(1)
l  クライアントは、KVMホスト上のVMに
Cephクライアントとベンチマークプログ
ラムを配置
l  以下の5種類の結果を⽐比較
l  CephFS kernel client
l  CephFS FUSE client
l  CephRBD（物理サーバ）
l  CephRBD（KVM VM)
l  CephRBD（Librbd+QEMU/KVM)
l  Cephクライアントは、CentOS6のデフォ
ルトkernelでは動かないので、3.1に変更
l  VMのイメージはKVMホスト上のqcow2
l  Ceph基本設定
l  pool 2 rbd(Block Device)
l  ceph osd pool set data size 3
l  ceph osd pool set data min_size 2
l  MonitorとMDSは冗⻑⾧長化（３台）しOSDと
同居
l  OSDのストライピングは⾏行行わない
l  OS/Cephともデフォルト設定で実施し、特
別なチューニングは実施しなかった
Mon
Ceph pool
同期
MDS
OSD
Mon
MDS
OSD
Mon
MDS
OSD
fio
fabric
Ceph
client
同期
Kvm host
14/06/02
28

テスト環境(2)
l  ⽐比較のためにローカルディスクとNFSで同⼀一のテストを⾏行行った。
/
ベンチマーク
ファイル
fio
fabric
物理サーバ
14/06/02
29
NFS
V4
fio
fabric
NFS
client
Kvm host
※SATA１ドライブに、
/と同居
ローカルディスク環境 NFS環境

キャッシング
ゲストVM ホストOS
ローカルファイル Page cache off
NFS NFSキャッシュ有
CephFS kernel client Page cache off QEMUキャッシュ有
CephFS FUSE client Page cache off QEMUキャッシュ有
CephRBD_VM（KVM VM) RBD cache off QEMUキャッシュ有
CephRBD_BM（物理サーバ） RBD cache off
CephRBD_QEMU（Librbd+QEMU/KVM) Page cache off RBD cache off
14/06/02
30

シナリオ1：
DBなどアプリケーションデータランダム W1 : R2  
8KB Block, 64KB File
14/06/02
31
DBなどアプリケーションデータランダム W1 : R2 8 KB1 Block, 64KB File
シナリオ１ Read KB/s
10並列／10ファイル
シナリオ１ Write KB/s
ローカルファイル NFS
1,478 2,162
2,523 2,515
1,220 2,149
1,347 2,315
8,610 2,043
609 890
1,021 1,023
574 997
635 1,065
4,015 969
CephFS_Kernel CepFS_FUSE CephRBD_VM
292 4,223 2,052
252 4,358 1,955
194 2,950 1,172
185 2,690 1,145
197 2,137 1,357
118 1,704 844
102 1,759 807
89 1,357 552
85 1,243 538
92 1,002 646
CephRBD_BM CephRBD_QEMU
1,763 1,932
2,752 1,980
1,277 1,441
1,391 2,325
1,118 2,938
729 791
1,111 809
601 679
655 1,082
533 1,372
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)$!!!"
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#!並列／#!ファイル
#!!並列／#!ファイル
#!!並列／#!!ファイル
#!!!並列／#!!ファイル
&!!並列／&!!ファイル
ローカルファイル
-./"
0123./4516718"
012./4.9/:"
0123;<=4>?"
0123;<=4<?"
0123;<=4@:?9"
!"
(!!"
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&$!!!"
&$(!!"
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'$(!!"
-./"
0123./4516718"
012./4.9/:"
0123;<=4>?"
0123;<=4<?"
0123;<=4@:?9"

シナリオ2：
ログファイルシーケンシャル W1 :R 0  
64KB Block, 1MB File
14/06/02
32
ログファイルシーケンシャル W1 :R 0 64KB Block, 1MB File
シナリオ２ Write KB/s
9,989 4,843
28,947 4,948
11,298 5,418
35,094 5,451
6,689 4,949
856 66,323 14,622
851 68,183 25,004
670 23,126 11,144
670 25,485 11,369
888 6,274 7,345
12,862 19,221
28,203 22,309
16,969 15,215
33,935 18,994
17,840 9,518
!"
#!$!!!"
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/012-.3405607"
/01-.3-8.9"
/012:;<3=>"
/012:;<3;>"
/012:;<3?9>8"

シナリオ3：
オフィスドキュメントランダム W1 :R 2  
64KB Block, 512KB File
14/06/02
33
オフィスドキュメントランダム W1 :R 2 64KB Block, 512KB File
シナリオ３ Read KB/s
シナリオ３ Write KB/s
11,020 16,204
16,698 16,137
9,033 15,323
8,706 15,596
8,289 15,073
4,447 6,539
6,738 6,511
4,153 7,046
4,003 7,172
3,856 7,012
3,982 18,057 11,920
5,991 17,017 16,246
2,853 7,973 13,333
2,705 9,364 17,985
2,640 6,952 14,455
1,616 7,286 4,810
2,420 6,866 6,556
1,312 3,667 6,131
1,244 4,306 8,270
1,228 3,234 6,725
11,462 11,794
15,534 17,240
8,406 17,036
8,820 20,418
7,089 19,426
4,625 4,759
6,268 6,956
3,866 7,834
4,056 9,390
3,298 9,037
!"
#$!!!"
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%!並列／%!ファイル
%!!並列／%!ファイル
%!!並列／%!!ファイル
%!!!並列／%!!ファイル
'!!並列／'!!ファイル
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+,-)*/)4*5"
+,-.678/9:"
+,-.678/7:"
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%!並列／%!ファイル
%!!並列／%!ファイル
%!!並列／%!!ファイル
%!!!並列／%!!ファイル
'!!並列／'!!ファイル
()*"
+,-.)*/0,12,3"
+,-)*/)4*5"
+,-.678/9:"
+,-.678/7:"
+,-.678/;5:4"

シナリオ4：
画像等BLOBデータシーケンシャル W0 : R1  
128KB Block, 10MB File
14/06/02
34
画像等BLOBデータシーケンシャル W0 : R1 128KB Block, 10MB File
シナリオ４ Read KB/s
27,435 107,686
73,532 108,906
27,958 107,413
60,161 106,828
21,159 21,232
48,937 39,374 106,617
60,726 32,460 110,905
60,049 2,270 100,186
60,761 2,273 99,314
38,913 1,522 76,314
23,649 11,029
63,999 21,158
28,028 11,448
49,722 11,103
18,501 10,785
!"
#!$!!!"
%!$!!!"
&!$!!!"
'!$!!!"
(!!$!!!"
(#!$!!!"
(!並列／(!ファイル
(!!並列／(!ファイル
(!!並列／(!!ファイル
(!!!並列／(!!ファイル
)!!並列／)!!ファイル
*+,"
-./0+,12.34.5"
-./+,1+6,7"
-./089:1;<"
-./089:19<"
-./089:1=7<6"

コンテキストスイッチ
s1 s3
s2 s4
!"
#!!"
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./0"
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,123)6789"
,123):*+,4"
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まとめ
1.  CephFS Kernelドライバはまだ本番環境には使えない
2.  CephFS FUSEドライバは、作成ファイル数が増えるとコン
テキストスイッチが急激に増加する
3.  CephRBDは検証環境では普通にNFS(１台）並みの性能
1.  1G etherを使い切っている
2.  NW/キャッシングのチューニングでさらに向上が⾒見見込まれる
4.  CephRBD_QEMUドライバは、ランダムRWではkernelドラ
イバより良い結果となった
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参考情報
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http://www.mellanox.com/related-docs/whitepapers/
WP_Deploying_Ceph_over_High_Performance_Networks.pdf

参考情報
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2,419MB/sec (8M Seq. READ)
110k IOPS (4k Seq. READ)

⽇日本Cephユーザー会
l  https://groups.google.com/forum/#!forum/ceph-jp
l  July Tech Festa 2014
l  http://2014.techfesta.jp/
l  会場: 産業技術⼤大学院⼤大学東京都品川区東⼤大井1-10-40
l  ⽇日程: 2014年6⽉月22⽇日（⽇日） 10:00-
l  タイトル：オープンソース次世代分散ストレージ「Ceph」解説
l  内容：
l  「Ceph」はLinuxカーネル2.6.34で標準実装されたファイルシステ
ムで、複数のストレージシステムに対して、データを分散管理する
仕組みを実現しています。
l  オブジェクトストア、ブロックストア、POSIX準拠の分散ファイ
ルシステムで構成され、⾼高い拡張性、⾃自動拡張、⾃自⼰己修復などが特
徴です。OpenStackにもブロックストレージのプラグイン
「Cinder」からも利⽤用可能です。今回はこの「Ceph」の概要から
優れた特徴について解説します。
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