NewSQL: グローバルアプリケーションのための分散ACIDトランザクションのスケーリング

今日のデータ駆動型の世界では、アプリケーションにはスケーラビリティとデータの一貫性の両方が求められます。従来のリレーショナルデータベースは、強力なACID（原子性、一貫性、分離性、耐久性）保証を提供する一方で、水平方向のスケーリングに苦労することがよくあります。一方、NoSQLデータベースはスケーラビリティを提供しますが、通常はパフォーマンスのためにACID特性を犠牲にします。NewSQLデータベースは、その中間的な存在として登場し、両方の世界の長所、すなわちNoSQLのスケーラビリティとパフォーマンスを、従来のRDBMSのACID保証と組み合わせることを目指しています。

NewSQLとは？

NewSQLは単一のデータベース技術ではなく、従来のデータベースシステムと同じACID保証を提供しつつ、NoSQLシステムのスケーラビリティを達成しようとする、最新のリレーショナルデータベース管理システム（RDBMS）の一種です。これらは、大量のトランザクション処理と大規模なデータ量を扱うように設計されており、最新の分散アプリケーションに適しています。

本質的に、NewSQLシステムは、大規模に運用される際の従来のRDBMSの限界に対処するように設計されています。データを複数のノードに分散して処理することで水平スケーラビリティを可能にし、同時にトランザクションが信頼性が高く一貫した方法で処理されることを保証します。

NewSQLデータベースの主な特徴

• ACID準拠: NewSQLデータベースは、データの完全性と一貫性を保証するためにACID特性を優先します。これは、金融システムやeコマースプラットフォームなど、機密データを扱ったり、厳格なトランザクション保証を必要とするアプリケーションにとって不可欠な要件です。
• スケーラビリティ: データと処理を複数のノードに分散させることで、水平方向にスケーリングできるように設計されています。これにより、パフォーマンスを犠牲にすることなく、増大するワークロードとデータ量を処理できます。
• SQLインターフェース: ほとんどのNewSQLデータベースはSQL互換のインターフェースを提供しており、開発者が既存のアプリケーションを移行したり、既存のSQLスキルを活用したりすることが容易になります。
• 分散アーキテクチャ: NewSQLデータベースは通常、分散アーキテクチャ上に構築されており、高い可用性とフォールトトレランスを実現できます。
• パフォーマンス: 高性能なトランザクション処理に最適化されており、インメモリデータストレージ、分散クエリ処理、ロックフリーの同時実行制御などの技術をしばしば採用しています。

NewSQLにおけるアーキテクチャのアプローチ

NewSQLデータベースの実装には、いくつかのアーキテクチャ的アプローチが使用されています。これらのアプローチは、スケーラビリティとACID保証をどのように達成するかという点で異なります。

1. シェアードナッシングアーキテクチャ

シェアードナッシングアーキテクチャでは、クラスタ内の各ノードが独自の独立したリソース（CPU、メモリ、ストレージ）を持ちます。データはこれらのノードに分割され、分散されます。このアーキテクチャは、ノードを追加することでシステムの容量が線形に増加するため、優れたスケーラビリティを提供します。シェアードナッシングアーキテクチャを使用するNewSQLデータベースの例には、Google SpannerやCockroachDBがあります。

例: 世界中にユーザーを持つグローバルなeコマースプラットフォームを想像してみてください。シェアードナッシングのNewSQLデータベースを使用することで、プラットフォームはデータを地理的に分散した複数のデータセンターに配置できます。これにより、異なる地域のユーザーに対して低レイテンシを確保し、地域の障害発生時にも高い可用性を提供します。

2. シェアードメモリアーキテクチャ

シェアードメモリアーキテクチャでは、クラスタ内のすべてのノードが同じメモリ空間を共有します。これにより、ノード間の高速なデータアクセスと通信が可能になります。しかし、このアーキテクチャは通常、共有メモリがノード数の増加に伴ってボトルネックになるため、スケーラビリティに限界があります。このアーキテクチャを活用するデータベースの例には（厳密な意味でのNewSQLではありませんが、同様のトランザクションスケーリングアプローチを示すものとして）、特定のインメモリデータベースクラスタが含まれます。

3. シェアードディスクアーキテクチャ

シェアードディスクアーキテクチャでは、クラスタ内のすべてのノードが同じストレージデバイスを共有します。これにより、データ管理が簡素化され、高い可用性が提供されます。しかし、すべてのノードが同じストレージにアクセスする必要があるため、このアーキテクチャもボトルネックになる可能性があります。クラスタ化された一部の従来のRDBMSシステムは、NewSQLというラベルが付けられていないかもしれませんが、スケーラブルなトランザクション処理という広い文脈の中で考慮されることがあります。

分散環境におけるACIDトランザクション

分散環境でACID特性を維持することは複雑な課題です。NewSQLデータベースは、データの一貫性と信頼性を確保するために様々な技術を採用しています。

1. 2フェーズコミット（2PC）

2PCは、複数のノードにわたる原子性を保証するために広く使用されるプロトコルです。2PCでは、コーディネーターノードが参加するすべてのノードにわたってトランザクションを調整します。トランザクションは、準備フェーズとコミットフェーズの2つのフェーズで進行します。準備フェーズでは、各ノードがトランザクションをコミットする準備をし、コーディネーターに通知します。すべてのノードが準備完了であれば、コーディネーターはコミットを指示します。いずれかのノードが準備に失敗した場合、コーディネーターはすべてのノードに中止を指示します。

課題: 2PCは遅くなる可能性があり、単一障害点（コーディネーター）を導入してしまいます。そのため、現代のNewSQLシステムは代替プロトコルを好むことがよくあります。

2. PaxosおよびRaftコンセンサスアルゴリズム

PaxosとRaftは、分散システムが障害の存在下でも単一の値について合意することを可能にするコンセンサスアルゴリズムです。これらのアルゴリズムは、データの一貫性とフォールトトレランスを確保するためにNewSQLデータベースでよく使用されます。これらは、2PCに代わるより堅牢で効率的な方法を提供します。

例: CockroachDBは、Raftを使用して複数のノードにデータを複製し、すべてのレプリカが一貫していることを保証します。これは、1つのノードが故障しても、システムの運用をデータの損失や不整合なしに継続できることを意味します。

3. SpannerのTrueTime API

Google Spannerは、TrueTimeと呼ばれるグローバルに分散された外部整合性を持つタイムスタンプシステムを使用しています。TrueTimeはクロックの不確実性に対して保証された上限を提供し、これによりSpannerは地理的に分散したデータセンター間で強力な一貫性を達成できます。これによりSpannerは、低レイテンシと高スループットでグローバル分散トランザクションを実行できます。

重要性: TrueTimeは、データベースが分散環境であっても、最も強力な分離レベルである直列化可能性を維持できるため、Spannerのアーキテクチャの重要な構成要素です。

NewSQLデータベースを使用するメリット

• スケーラビリティ: NewSQLデータベースは、増大するワークロードとデータ量に対応するために水平方向にスケーリングできます。
• ACID準拠: 強力なACID保証を提供し、データの完全性と一貫性を保証します。
• パフォーマンス: 高性能なトランザクション処理に最適化されています。
• フォールトトレランス: フォールトトレラントに設計されており、一部のノードが故障しても運用を継続できます。
• SQL互換性: ほとんどのNewSQLデータベースはSQL互換のインターフェースを提供しており、既存のアプリケーションの移行が容易になります。

NewSQLデータベースのユースケース

NewSQLデータベースは、スケーラビリティとデータの一貫性の両方を必要とする幅広いアプリケーションに適しています。一般的なユースケースには以下のようなものがあります。

1. 金融アプリケーション

銀行システムや決済処理業者などの金融アプリケーションは、金融取引の正確性と信頼性を確保するために厳格なACID保証を必要とします。NewSQLデータベースは、データ完全性を維持しながら大量のトランザクション処理に対応するために必要なスケーラビリティとパフォーマンスを提供できます。

例: 1日に数百万件の取引を処理するグローバル決済ゲートウェイには、大量のトラフィックを処理し、すべての取引が正しく処理されることを保証するデータベースが必要です。NewSQLデータベースは、これらの要件を満たすために必要なスケーラビリティとACID保証を提供できます。

2. Eコマースプラットフォーム

eコマースプラットフォームは、多数の同時ユーザーとトランザクションを処理する必要があります。NewSQLデータベースは、このワークロードに対応するために必要なスケーラビリティとパフォーマンスを提供し、注文が正しく処理され、在庫が正確に更新されることを保証します。

例: 大規模なオンライン小売業者は、ホリデーショッピングシーズン中のピーク負荷に対応できるデータベースを必要とします。NewSQLデータベースは、増加した需要に合わせてスケールし、すべての注文がエラーなく処理されることを保証できます。

3. ゲームアプリケーション

多人数同時参加型オンラインゲーム（MMO）は、多数の同時プレイヤーと複雑なゲームロジックを処理する必要があります。NewSQLデータベースは、このワークロードに対応するために必要なスケーラビリティとパフォーマンスを提供し、ゲームの状態が一貫しており、プレイヤーが不正行為をできないように保証します。

例: 人気のMMOゲームには、数百万人の同時プレイヤーを処理し、すべてのプレイヤーデータが一貫していることを保証するデータベースが必要です。NewSQLデータベースは、これらの要件を満たすために必要なスケーラビリティとACID保証を提供できます。

4. サプライチェーン管理

現代のサプライチェーンはグローバルに分散しており、在庫レベル、注文状況、出荷追跡に関するリアルタイムの可視性が必要です。NewSQLデータベースは、サプライチェーンシステムから生成される大量のデータを処理するために必要なスケーラビリティとパフォーマンスを提供し、データが正確で一貫していることを保証します。

5. IoT（モノのインターネット）プラットフォーム

IoTプラットフォームは、接続されたデバイスから膨大な量のデータを生成します。NewSQLデータベースは、このデータを保存・分析し、デバイスのパフォーマンス、使用パターン、潜在的な問題に関する洞察を提供するために使用できます。また、センサーの読み取り値や制御コマンドなどの重要なIoTデータが確実に保存・処理されることを保証します。

NewSQLデータベースの例

以下は、注目すべきNewSQLデータベースの例です。

• Google Spanner: グローバルに分散され、スケーラブルで、強力な一貫性を持つデータベースサービス。
• CockroachDB: トランザクション対応で強力な一貫性を持つキーバリューストア上に構築された分散SQLデータベース。
• TiDB: オンライントランザクション処理（OLTP）とオンライン分析処理（OLAP）の両方のワークロードをサポートするオープンソースの分散SQLデータベース。
• VoltDB: 高速データと迅速な意思決定のために設計されたインメモリのスケールアウトSQLデータベース。
• NuoDB: クラウド環境向けに設計された分散SQLデータベース。

適切なNewSQLデータベースの選択

アプリケーションに適したNewSQLデータベースを選択するには、以下を含むいくつかの要因に依存します。

• スケーラビリティ要件: どれくらいのデータ量とトラフィックを処理する必要がありますか？
• ACID要件: アプリケーションにとってACID保証はどの程度重要ですか？
• パフォーマンス要件: トランザクションをどのくらいの速さで処理する必要がありますか？
• デプロイ環境: データベースをどこにデプロイしますか（例：オンプレミス、クラウド）？
• SQL互換性: 既存のアプリケーションや開発チームにとってSQL互換性はどの程度重要ですか？
• コスト: データベースの予算はいくらですか？

決定を下す前に、要件を慎重に評価し、異なるNewSQLデータベースの機能とパフォーマンスを比較することが重要です。特定のワークロードで異なるデータベースのパフォーマンスをテストするために、ベンチマークを実行することを検討してください。

NewSQLの未来

NewSQLデータベースは急速に進化している技術です。データ量とアプリケーションの複雑さが増し続けるにつれて、スケーラブルで一貫性のあるデータベースへの需要は増加する一方です。今後数年間で、NewSQLのアーキテクチャ、アルゴリズム、およびツーリングにおいてさらなる革新が期待されます。

NewSQLにおける将来の潜在的なトレンドには、以下のようなものがあります。

• より多くのクラウドネイティブデータベース: NewSQLデータベースは、Kubernetesやサーバーレスコンピューティングなどのクラウドネイティブ技術を活用し、ますますクラウド環境向けに設計されるでしょう。
• 地理的分散の改善: NewSQLデータベースは、地理的に分散されたデータの扱いにさらに優れ、世界中のどこからでもデータへの低レイテンシアクセスを提供するようになります。
• 機械学習との統合: NewSQLデータベースは、機械学習プラットフォームとの統合が進み、リアルタイム分析とデータ駆動型の意思決定が可能になります。
• セキュリティの強化: NewSQLデータベースは、機密データを不正アクセスから保護するために、より高度なセキュリティ機能を組み込むでしょう。

結論

NewSQLデータベースは、スケーラビリティとデータの一貫性の両方を必要とするアプリケーションにとって、魅力的なソリューションを提供します。従来のRDBMSとNoSQLデータベースの両方の長所を組み合わせることで、NewSQLデータベースは最新の分散アプリケーションを構築するための強力なプラットフォームを提供します。スケーラブルで一貫性のあるデータベースへの需要が高まり続ける中、NewSQLはデータ管理の未来においてますます重要な役割を果たすと期待されています。

金融システム、eコマースプラットフォーム、ゲームアプリケーション、またはIoTプラットフォームを構築している場合でも、NewSQLデータベースは、データの完全性と信頼性を確保しながら、規模と複雑さの課題に対処するのに役立ちます。NewSQLの世界を探求し、それがあなたの組織にどのように利益をもたらすかを確認することを検討してください。