レプリケーション

レプリケーション：信頼性と可用性を高めるための複製技術

レプリケーションは、システムの信頼性、フォールトトレラント性、アクセシビリティを向上させるための重要な技術です。ソフトウェアやハードウェアのリソースを冗長化し、情報を複数の場所に複製することで、単一障害点の発生によるシステム停止を防ぎます。データや処理を複製することで、複数の場所からアクセス可能になり、システムの可用性が向上します。

データレプリケーションと計算レプリケーション

レプリケーションには、大きく分けてデータレプリケーションと計算レプリケーションがあります。データレプリケーションは、同じデータを複数の記憶装置に保存する技術です。一方、計算レプリケーションは、同じ計算タスクを複数の場所で実行する技術で、実行場所が異なる場合は空間的レプリケーション、同じ場所で繰り返す場合は時間的レプリケーションと呼ばれます。

レプリケーションの透過性とフェイルオーバー

ユーザーは、データが複製されていることを意識することなく、あたかも単一の実体へのアクセスと同じようにレプリケーションされたデータにアクセスできる必要があります。これがレプリケーションの透過性です。また、障害発生時には、複製されたリソースへのフェイルオーバーがシームレスに行われる必要があります。

動的レプリケーションと静的レプリケーション

レプリケーションは、大きく分けて動的レプリケーションと静的レプリケーションがあります。動的レプリケーションでは、全ての複製が同じ要求を同時に処理します。一方、静的レプリケーションでは、1つの要求は1つの複製で処理され、その結果が他の複製に伝播されます。

さらに、プライマリ/バックアップ型（マスタースレーブ型）と複数プライマリ型があります。プライマリ/バックアップ型では、1つのマスター複製が全ての要求を処理し、他の複製はバックアップとして待機します。複数プライマリ型では、全ての複製が要求を処理し、データの一貫性を維持するために分散並行性制御機構が必要です。

レプリケーションと負荷分散、バックアップ

負荷分散は、異なる計算タスクを複数のマシンに分配する技術であり、レプリケーションとは異なります。ただし、負荷分散ではデータの共有が必要なため、内部的にデータレプリケーションを利用することが多いです。バックアップは、長期的なデータ保存を目的とする技術で、頻繁な更新を行うレプリケーションとは異なります。

分散システムにおけるレプリケーション

レプリケーションは分散システムにおいて非常に重要な概念です。データや計算の複製により、システム全体の可用性とフォールトトレラント性を高めます。複製されたプロセスは、イベントを処理し、データの一貫性を維持します。

レプリケーションモデル

様々なレプリケーションモデルが存在し、それぞれに特徴があります。代表的なモデルとして、トランザクションレプリケーション、状態機械レプリケーション、仮想同期があります。これらのモデルは、データの一貫性、性能、障害への耐性といった異なる特性を持っています。トランザクションレプリケーションはACID特性を満たすため最も堅牢ですが、性能は遅くなります。仮想同期は高速ですが、障害への対応は限定的です。状態機械レプリケーションは、両者のバランスを取ったモデルと言えます。

データベースにおけるレプリケーション

データベースシステムでは、マスタースレーブ型のレプリケーションが一般的です。マスターデータベースが更新を記録し、スレーブデータベースに通知します。マルチマスターレプリケーションでは、任意のノードに更新要求を送信できますが、データの一貫性を維持するために複雑な衝突解決機構が必要です。同期式レプリケーションでは衝突を防ぎますが、性能が低下する可能性があります。非同期式レプリケーションは性能が良いですが、データの不整合が発生する可能性があります。

ストレージにおけるレプリケーション

ストレージレプリケーションは、単一ストレージへの更新を複数の物理ディスクに分散させることで実現されます。ミラーリングはローカルディスク間で行われるレプリケーションで、ネットワーク経由で行われる遠隔レプリケーションとは区別されます。同期レプリケーションはゼロデータロスを保証しますが、性能が低下します。非同期レプリケーションは性能が良いですが、データ損失のリスクがあります。半同期レプリケーションは、両者のバランスを取った手法です。Point-in-Timeレプリケーションは定期的なスナップショットを作成することで、ある時点の状態を復元可能にします。

分散共有メモリ

分散共有メモリシステムでは、複数のノードがメモリ上の同じページを共有し、各ノードがそのページの複製を保持します。

プライマリ/バックアップ型と複数プライマリ型

従来のレプリケーションは、プライマリ/バックアップ型が主流でした。1つのプライマリが処理を行い、バックアップが待機します。しかし、この方式はコスト効率が悪く、1980年代後半から複数プライマリ型のレプリケーションが研究されました。複数プライマリ型では、全ての複製が処理を行い、負荷を分散します。ジム・グレイは複数プライマリ型に懐疑的な見解を示しましたが、仮想同期モデルなどの登場により、複数プライマリ型は現実的な選択肢となりました。最近の製品では、複数プライマリ型レプリケーションをサポートするものも増えています。

まとめ

レプリケーションは、システムの信頼性と可用性を向上させるための強力な技術です。様々なレプリケーションモデルや実装方法が存在し、システムの要件に合わせて最適な選択を行うことが重要です。

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