データベースシャーディングとは何ですか?

組織は、データベースシャーディングを使用して次のメリットを得ています。

応答時間を改善する

単一の大規模データベースでは、データ取得に時間がかかります。データベース管理システムは、正しいデータを取得するために多くの行を検索する必要があります。対照的に、データシャードの行数はデータベース全体よりも少ないです。したがって、シャーディングされたデータベースから特定の情報を取得したり、クエリを実行したりするのにかかる時間が短くなります。 

完全なサービス停止を回避する

データベースをホストしているコンピュータに障害が発生すると、データベースに依存するアプリケーションにも障害が発生します。データベースシャーディングは、データベースの一部を異なるコンピュータに分散させることでこれを防ぎます。いずれかのコンピュータで障害が発生しても、他の機能シャードで動作できるため、アプリケーションはシャットダウンされません。 シャーディングは、多くの場合、シャード間のデータレプリケーションと組み合わせて実行されます。そのため、1 つのシャードが使用できなくなった場合、代替シャードからデータにアクセスして復元できます。

効率的にスケールする

増大するデータベースは、より多くのコンピューティングリソースを消費し、最終的にはストレージ容量の限界に達します。組織はデータベースシャーディングを使用して、データベースのスケーリングをサポートするためにコンピューティングリソースをさらに追加できます。メンテナンスのためにアプリケーションをシャットダウンすることなく、実行時に新しいシャードを追加できます。

データベースシャーディングメソッドは、特定のデータ行について正しいノードを特定するために、シャードキーにさまざまなルールを適用します。一般的なシャーディングアーキテクチャを次に示します。

範囲ベースのシャーディング

範囲ベースのシャーディング、または動的シャーディングは、値の範囲に基づいてデータベース行を分割します。その後、データベース設計者は、それぞれの範囲にシャードキーを割り当てます。例えば、データベース設計者は、次のように顧客名の最初のアルファベットに従ってデータをパーティショニングします。 

 

名前	シャードキー
A から I で始まる	A
J から S で始まる	B
T から Z で始まる	C

 

顧客レコードをデータベースに書き込むとき、アプリケーションは顧客の名前を確認して正しいシャードキーを特定します。その後、アプリケーションはそのキーを物理ノードと照合し、そのマシンに行を保存します。同様に、アプリケーションは特定のレコードを検索するときに反対方向の照合を実行します。

メリットとデメリット

データの値によっては、範囲ベースのシャーディングによって、単一の物理ノードでデータの過負荷が発生する可能性があります。この例では、シャード A (A から I で始まる名前を含む) には、シャード C (T から Z で始まる名前を含む) よりもはるかに多くのデータ行が含まれる場合があります。ただし、より簡単に実装できます。

ハッシュシャーディング

ハッシュシャーディングは、ハッシュ関数と呼ばれる数式を使用して、データベースの各行にシャードキーを割り当てます。ハッシュ関数は、行から情報を取得し、ハッシュ値を生成します。アプリケーションは、ハッシュ値をシャードキーとして使用し、対応する物理シャードに情報を保存します。

ソフトウェアデベロッパーは、ハッシュシャーディングを使用して、データベース内の情報を複数のシャードに均等に分散させます。例えば、ソフトウェアは顧客レコードを 1 と 2 の代替ハッシュ値を持つ 2 つのシャードに分割します。 

名前	ハッシュ値
John	1
Jane	2
パウロ	1
Wang	2

メリットとデメリット

ハッシュシャーディングは、物理シャード全体で均等にデータを分散させますが、情報の意味に基づいてデータベースを分離しません。そのため、ソフトウェアデベロッパーは、コンピューティング環境に物理シャードをさらに追加するときに、ハッシュ値を再割り当てするのが困難になる場合があります。 

ディレクトリシャーディング

ディレクトリシャーディングは、ルックアップテーブルを使用して、データベース情報を対応する物理シャードと照合します。ルックアップテーブルは、データベース列をシャードキーにリンクするスプレッドシート上のテーブルのようなものです。例えば、次の図は、衣類の色のルックアップテーブルを示しています。

カラー	シャードキー
青	A
赤	B
黄	C
黒	D

アプリケーションが衣類の情報をデータベースに保存する場合、ルックアップテーブルを参照します。ドレスが青い場合、アプリケーションは対応するシャードに情報を保存します。 

メリットとデメリット

ソフトウェアデベロッパーがディレクトリシャーディングを使用するのは、柔軟性があるためです。各シャードはデータベースの意味のある表現であり、範囲による制限はありません。ただし、ルックアップテーブルに誤った情報が含まれていると、ディレクトリのシャーディングは失敗します。 

geo シャーディング

geo シャーディングは、地理的な場所に従ってデータベース情報を分割して保存します。例えば、デートサービスのウェブサイトは、次のようにデータベースを使用してさまざまな都市の顧客情報を保存します。 

名前	シャードキー
John	カリフォルニア
Jane	ワシントン
パウロ	アリゾナ

ソフトウェアデベロッパーは都市をシャードキーとして使用します。各顧客の情報は、各都市に地理的に所在する物理的なシャードに保存されます。 

メリットとデメリット

geo シャーディングを使用すると、リクエストを実行する顧客とシャードの間の距離が短くなるため、アプリケーションは情報をより迅速に取得できます。データアクセスパターンが主に地理に基づいている場合、これはうまく機能します。ただし、geo シャーディングによってデータ分散が不均等になる可能性もあります。 

データベースシャーディングは、アプリケーションのワークロードを共有するために追加のノードまたはコンピュータを割り当てる水平スケーリング戦略です。フォールトトレラントなアーキテクチャにより、組織は水平スケーリングのメリットを得ることができます。1 台のコンピュータに障害が発生しても、他のコンピュータは中断することなく動作を継続します。データベース設計者は、論理シャードを複数のサーバーに分散させることでダウンタイムを短縮します。 

ただし、シャーディングの他にも、いくつかのデータベーススケーリング戦略があります。他のいくつかの手法も詳細に検討し、比較してみてください。

垂直スケーリング

垂直スケーリングは、1 台のマシンのコンピューティング性能を高めます。例えば、IT チームは、増加するトラフィックに対応するために、CPU、RAM、およびハードディスクをデータベースサーバーに追加します。 

データベースシャーディングと垂直スケーリングの比較

垂直スケーリングのコストは比較的低いですが、垂直にスケールできるコンピューティングリソースには制限があります。一方、水平スケーリング戦略であるシャーディングは実装がより簡単です。例えば、IT チームは古いコンピュータハードウェアをアップグレードする代わりに複数のコンピュータをインストールします。

レプリケーション

レプリケーションは、データベースの正確なコピーを作成し、それらを異なるコンピュータに保存する手法です。データベース設計者は、レプリケーションを使用して、フォールトトレラントなリレーショナルデータベース管理システムを設計します。データベースをホストしているコンピュータのいずれかに障害が発生しても、他のレプリカは動作し続けます。レプリケーションは、分散コンピューティングシステムでは一般的な方法です。

データベースシャーディングとレプリケーションの比較

データベースシャーディングでは、同じ情報のコピーは作成されません。代わりに、1 つのデータベースを複数の部分に分割し、それらを異なるコンピュータに格納します。レプリケーションとは異なり、データベースシャーディングでは可用性は高くなりません。 シャーディングをレプリケーションと組み合わせて使用すると、スケールと高可用性の両方を実現できます。

場合によっては、データベースシャーディングは、特定のデータセットのレプリケーションで構成されることがあります。例えば、米国と欧州の両方の顧客に製品を販売する小売店は、両方のリージョンのために、サイズ変換テーブルのレプリカを異なるシャードに保存する場合があります。アプリケーションは、変換テーブルの複製コピーを使用して、他のデータベースサーバーにアクセスすることなく、測定サイズを変換できます。 

パーティション

パーティショニングは、データベーステーブルを複数のグループに分割するプロセスです。パーティショニングは、次の 2 つのタイプに分類されます。 

• 水平パーティショニングは、データベースを行で分割します。
• 垂直パーティショニングは、データベースの列の異なるパーティションを作成します。 

データベースシャーディングとパーティショニングの比較

データベースシャーディングは、水平パーティショニングに似ています。どちらのプロセスも、データベースを一意の行の複数のグループに分割します。パーティショニングはすべてのデータグループを同じコンピュータに保存しますが、データベースシャーディングはそれらを異なるコンピュータに分散させます。

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