2020.07.14

高速なKVS：Aerospikeの特徴、ユーザーケースを紹介します。

こんにちは。次世代システム研究室のB.Mです。外国人です。よろしくお願いします。

弊社では、MySQL, MariaDB, MongoDBなど、様々なデータベースを用途に応じて使い分けていますが、大規模な機能、高いパフォーマンスが要求されるデータの保管先としてAerospikeを導入していました。
先日、Aerospikeのsetに関するの管理問題が発生して、システムをメンテナンスをしました。
そこで今回は、Aerospikeの特徴や注意点、使用例などをご紹介したいと思います。
注意点：今回の話は無料版(Community Edition)しか発生しません。
問題点：管理しやすいため、Set名は日付に追加しています。例えば：Set名は”books_20200101″です。
でも、1つnamespaceに最大1023Setしかないです。もし一日1Set を追加した場合、３年くらい上限に達します。
それで、古くて、使わないデータセットを削除するのが必要になります。
ですが調査結果により、Setを動的に削除するのができなくなりました。
問題点と解決方法は後で具体的説明いたします。その前に、まずはAerospikeについて、特徴と優位性を紹介したいと思います。

1. Aerospikeの紹介

Aerospikeとは米Aerospike社によって開発・販売されているNoSQLデータベースのです。
まずは、NoSQL データベースについて説明したいと思います。

NoSQLデータベースとは

簡単に説明すると、RDBMS（リレーショナルデータベース管理システム）以外のデータベースのことです。
そのため、Not only SQL (NoSQL) と呼ばれています。
RDBMSは関係モデルの複雑で高度な問い合わせができますが、速度が遅いです。
NoSQLは関係モデルの複雑で高度な問い合わせができないが、速度が早いです。

各種類の代表、メリットとデメリット表は以下のようになります。

NoSQL_vs_RDBMS
 

2. Aerospikeの特徴

Aerospikeは、C言語で書かれていてフラッシュ向けに最適化されたインメモリオープンソースのNoSQLデータベースです。
以前は商用のみでしたが、現在は、無料版も提供されています。

主な特徴として、次の点が挙げられます。
  • 高速な分散KVS
  • 基本的にデータはSSD、インデックスはメモリに持つ
  • スケールアップ・スケールアウト両方に対応
  • レプリケーションファクター(RF)・バックアップで可用性を確保可能
  • GET/SETは驚異的な速度を発揮するが、KVSなのでSCANやQUERYは得意ではない
  • オープンソースのCommunity Editionと有償のEnterprise Editionがある

2.1 ハイブリッドストレージ

Aerospikeは、次のタイプのメディアおよび組み合わせのいずれかにデータを保存できます。
  • ダイナミックランダムアクセスメモリ（DRAM）
  • 非揮発性メモリ拡張（NVMe）フラッシュまたはソリッドステートドライブ（SSD）
  • 永続メモリ（PMEM）
  • 従来のスピニングメディア
Aerospikeでのストレージはデータストレージ（Data Storage）とプライマリインデックスストレージ（Primary index storage）に分けています。上記のストレージタイプを使用して、以下の表でハイブリッドストレージオプション間の違いが比較できます。


上記の表によりプライマリインデックスストレージはDRAM、データストレージはSSDなどのは最高のコストパフォーマンスです。

2.2 高速な分散KVS

Aerospikeの仕様のメリットは：

データを永続化（データストレージはSSDに保存します）

パフォーマンスが良い（プライマリインデックスストレージはRAMか高速メモリを使用します）

ある記事により、平均1ミリ秒以下のレイテンシで読込み/書込みが可能で、スループットは超高性能SSDを使用した場合では、なんと1サーバーで100万TPSにも達するようです。

TPS: （Transactions Per Second） トランザクション毎秒。


データはSSD保存が基本

AerospikeはSSDに最適化されたデータベースであり、基本的にはSSDにデータを保存します。
SSDの代わりにHDDを使うこともできますが、AerospikeのパフォーマンスはSSDの性能に大きく依存するので、あえてHDDにするメリットは殆どありません。
また、より速度が必要な場合は、AerospikeをRedisのようにPure In Memory(全部データはメモリに保存される)で動かすという事も実は可能です。 しかし、当然ながら永続性は失われますし、それをやるなら別にAerospikeじゃなくてもいいかな〜と自分は思っています。

2.3 データ階層

AerospikeはNamespace, Set, Record, Binの階層構造になっています。 これはMySQLにおけるDatabase, Table, Row, Columnに似ています。

 


 

無料版は
Namespacesが最大2つをサポートされます。
Cluster Management (max Cluster size, data)が8 nodes, 5 TBまでサポートされます。
詳細はこちらに参考できます。

Cluster

  • クラスターは複数ノードに分散されます。
  • クラスターの管理は自動化されているため、手動での再調整や再構成は必要ありません。
  • 1つ以上の名前空間が含まれます。
  • 名前空間の追加/削除には、クラスター全体の再起動が必要ですので、稼働前に使用するNamespaceを全て作成しておくことをおすすめします。

Node

  • 各ノードは同一であると想定されます。
  • データ（および関連するトラフィック）はノード間で均等に分散されます。
  • ノード間の大きな違いは問題を意味します。
  • ノード容量は、ノード障害パターンを考慮に入れる必要があります。

Namespace

MySQLのDatabaseのようなものです。
  • ストレージメディアに関連付けられている:
    • ハイブリッド（インデックスにはRAM、データにはSSD）
    • 永続性のみのRAM +ディスク
    • RAMのみ
  • それぞれを独自に構成できます:
    • レプリケーションファクター（変更にはクラスター全体の再起動が必要です）
    • RAMとディスクの構成
    • ハイウォーターマークの設定
    • デフォルトttl（自動的にデレットされてはならないデータがある場合は、これを「0」に設定する必要があります）

Set

MySQLのTableに似ています。
  • RDBMSの「テーブル」と同様です。
  • セットはオプションです。
  • AerospikeはKVSなのでスキーマはありませんのおで、スキーマは事前に定義する必要はありません。
  • レコードをリクエストするには、そのセットを知っている必要があります。
  • スキャンはセット全体で実行できます
  • SetはNamespace毎に1,023個まで作成することができます。
注意点：Set数が限定なので、 日毎にSetを作成していると、3年以内にSetが作成できないので注意しましょう。

Record / Bin

Recordはkey, expiration, generation, binsによって構成されています。
  • RDBMSのRowと同様です。
  • レコードのすべてのデータは同じノードに保存されます。

key

  • ユニークなID。
  • KVSって、Key Value Storeですから基本的にRecordはKeyを使用したらクセスできます。

expiration（TTL = Time to live）

  • Recordの有効期限です。
  • 有効期限を超過したRecordはAerospikeによって自動的に削除されます。
  • 秒単位は秒です。
  • 有効期限を設定したくない場合は”-1”です。
  • デフォルトは0です。

generation

Recordを更新されると自動的にインクリメントされていく値です。
GenerationPolicyを使用することで、「generationがNより大きいRecordのみ」などの条件を設定することができます。

bins

Binとは名前と値の組の事で、Recordは必ずBinを1個以上持っています。
  • 現在Binの値には：
    • シンプル（整数、文字列、ブロブ[言語固有]）
    • 複雑（リスト、マップ）
    • 大きなデータ型（Large Data Types）
  • 単一のビンがクライアントによって更新される場合があります
    • インクリメント
    • 置換
    • ユーザー定義関数（User Defined Function）

使用例

Aerospike では aql (Aerospike Query Language) と呼ばれる SQL に近いコマンドラインインターフェースがあります。 aql を使って CRUD処理などのデータ操作できます。以下はaqlを使用して、Recordを作成・取得する例です。
aql> SET OUTPUT JSON
aql> SET RECORD_PRINT_METADATA true
aql> SET RECORD_TTL 3600
aql> INSERT INTO test.books (PK, name, price) VALUES (4798139017, '楽しいRecord', 2020万円)
OK, 1 record affected.

aql> SELECT * FROM test.books WHERE PK = 4798139017
[
  {
    "edigest": "N/A",
    "ttl": 3571,
    "gen": 1,
    "bins": {
      "name": "楽しいRecord",
      "price": 2020万円
    }
  }
]
例えば：データを変更する時、簡単に変更できます。
aql> INSERT INTO test.books (PK, name, price, created_at) VALUES ('key_001', 'Record_001', '10man', 20200606)
OK, 1 record affected.

aql> SELECT * FROM test.books WHERE PK = 'key_001'
[
  {
    "edigest": "N/A",
    "ttl": 3589,
    "gen": 3,
    "bins": {
      "name": "Record_001",
      "price": "10man",
      "created_at": 20200606
    }
  }
]
 

3.　問題解決

冒頭で記述しましたが、もしSet名に日付を付けていた場合、クエリ時のSet 名を変更することで、いつのデータかを変更することができます。

しかし、1つのNamespace のSet 数の上限は1023 です。そのため、もし一日1Set を追加した場合、3年後には1023 を超えてしまいます。もし、古いSet を削除したいなら、現在の仕様では、データを期限切れ設定にするかディスクがワイプされた後にコールドリスタートする方法しかありません。

もし、サービスが稼働していた場合、再起動したくありません。（無料版では再起動に30分かかります。ちなみに、有料版は10秒だそうです。）

Aerospikeはtruncate機能をサポートしていますが、truncateして、コールドリスタートしても、セットがまだ残ります（空セットです）。

それで、一番簡単な方法は：日付をキーに入れます。そうすると、Set名は’books_20200101’から’books’に統一して、PKは例えば’key_001’から’book_20200701_key_001’になります。PKでクエリするの際、PKに日付の情報と組み立てましたらデータを取得できます。

例えば：


aql> SET RECORD_TTL 3600
aql> INSERT INTO test.books (PK, name, price, created_at) VALUES ('book_20200701_key_001', 'Record_001', '10man', 20200606)
OK, 1 record affected.

aql> SELECT * FROM test.books WHERE PK = 'book_20200701_key_001'
[
  {
    "edigest": "N/A",
    "ttl": 3600,
    "gen": 1,
    "bins": {
      "name": "Record_001",
      "price": "10man",
      "created_at": 20200606
    }
  }
]

対応方法は簡単なんですが、アプリのAPIを修正すると有効期限を設定するのが必要ですので、ご注意ください。


参考リンク

 

最後に

Aerospikeを用いて、高速なKVSデータベースとユーザーケースを紹介しました。RDBMSとNoSQLのデータベースはメリットとデメリット両方がありますが、システムの要求に応じて使用した方が適切だと思います。Aerospikeは特に早いですから、その利点を使用してより良いアプリを開発できれば幸いです。

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