分散システムのCAP定理を理解する

分散システムのCAP定理を理解する

はじめに

たくさんの情報と接続要求を扱う現代の仕組みは、多くの場合、複数の計算機に仕事を分けて行う分散処理という形で作られています。分散処理は、処理能力を高め、一部の計算機が壊れても全体が止まらないようにする利点がありますが、情報の正確さや利用しやすさを保つのが難しくなるという問題もあります。

この問題を考える上で重要なのが、ＣＡＰ定理と呼ばれる考え方です。ＣＡＰ定理は、分散処理を行う仕組みにおいて、情報の正確さ（一貫性）、利用しやすさ（可用性）、そしてネットワークの一部が切断されても動作すること（分断耐性）の３つの性質のうち、同時に満たせるのは２つまでだと説明しています。

情報の正確さを優先すると、全ての計算機で情報を同じ状態に保つ必要があり、ネットワークの一部が切断されると、切断された先の計算機は情報にアクセスできなくなり、利用しやすさが損なわれます。逆に、利用しやすさを優先すると、ネットワークが切断されてもそれぞれの計算機は動作し続けますが、情報の更新が反映されるまでに時間がかかり、一時的に情報に違いが生じてしまうため、正確さが損なわれます。ネットワークの切断への耐性を優先する場合は、一部のネットワークが切断されても動作し続ける仕組みになりますが、情報の正確さと利用しやすさのどちらを優先するかの選択が必要となります。

このように、ＣＡＰ定理は、分散処理を行う仕組みを作る上での、相反する性質のバランスを示しています。この定理を理解することで、それぞれの性質の重要性を考え、目的に合った仕組み作りができます。例えば、銀行のシステムでは情報の正確さが最も重要なので、一貫性と分断耐性を優先した設計を行い、利用しやすさは多少犠牲にするといった判断ができます。一方で、動画配信サービスのように多少の情報の違いがあっても問題なく、常に利用できることが求められるサービスでは、可用性と分断耐性を優先した設計を行い、一貫性は多少犠牲にするといった判断ができます。このように、CAP定理を理解することで、状況に応じた最適な設計の選択が可能になります。

一貫性とは

一貫性とは、複数の利用者が情報を共有する仕組みの中で、誰もが常に同じ最新の情報を見ている状態を指します。これは、情報の信頼性を保つ上で欠かせない性質です。

例として、みんなで使う帳簿を考えてみましょう。ある人が帳簿の数字を書き換えたとします。もし、他の人が古い数字のまま見ていたら、計算が合わなくなり、大きな混乱を招く恐れがあります。一貫性が保たれていれば、誰かが書き換えた瞬間に、全員が新しい数字を見ることができ、このような問題は起こりません。

情報技術の世界では、この一貫性は特に重要です。例えば、インターネット上で買い物をするとき、商品の在庫数や価格は常に最新の情報でなければなりません。もし古い情報が表示されたまま誰かが購入手続きを進めてしまったら、実際には在庫がない商品を買えたことになってしまい、後々トラブルになります。ですから、システム全体で一貫性を保つ仕組みが必要なのです。

この一貫性には、種類があることを知っておく必要があります。一つは、情報の処理手順における一貫性です。これは、決められた手順に沿って情報が正しく処理され、矛盾が生じないことを保証するものです。例えば、銀行の預金引き出しでは、残高が十分にあることを確認してから引き出し処理を行う、という手順が必ず守られます。

もう一つは、分散した情報の一貫性です。これは、複数の場所に同じ情報が保管されている場合に、全ての場所で情報が一致している状態を指します。例えば、複数の倉庫に同じ商品を保管している場合、各倉庫の在庫数を常に一致させる必要があります。

このように一貫性は、状況によって様々な意味を持ちますが、共通しているのは、情報の信頼性を保つための重要な概念であるということです。

可用性とは

{可用性とは、ある決まった期間において、機器やシステムが正常に機能している時間の割合を指します。 つまり、ユーザーがいつでも必要に応じてシステムを利用できる状態であることを示す尺度です。システムが利用できない時間には、計画的な停止と計画外の停止が含まれます。計画的な停止は、定期保守やシステム更新など、あらかじめ予定されている停止です。一方、計画外の停止は、予期せぬ障害や事故によるシステム停止であり、これらは事業継続性に大きな影響を与えます。

高い可用性を実現するためには、様々な工夫が必要です。一つは冗長化です。これは、主要な機器やシステムを複数用意し、一つが故障した場合でも、別のものが機能を引き継ぐようにする仕組みです。例えば、サーバーを複数台用意し、一つのサーバーが停止しても、他のサーバーが処理を継続することで、サービスを中断させずに済みます。また、データベースについても同様に、複製を用意することで、データ消失のリスクを低減し、可用性を高めることができます。

さらに、障害発生時の迅速な復旧体制も重要です。障害を早期に発見し、原因を特定し、速やかに復旧するための手順を確立しておく必要があります。監視システムを導入し、システムの状態を常に監視することで、障害発生を迅速に検知することができます。また、定期的な訓練を実施し、復旧手順の習熟度を高めておくことも重要です。

高い可用性を持つシステムは、顧客満足度の向上にも繋がります。システムが安定稼働することで、ユーザーはストレスなくサービスを利用できます。これは、顧客ロイヤルティの向上や、ひいては事業の成長に貢献します。そのため、可用性はシステム設計において重要な考慮事項であり、ビジネスの成功に欠かせない要素と言えるでしょう。}

分断耐性とは

ネットワークの分断への耐性、つまり分断耐性とは、一部のネットワークが遮断された状況でも、システム全体が止まらずに動き続ける能力のことです。ネットワークの分断とは、繋がっていたネットワークが何らかの原因で分断され、機器同士の通信ができなくなる状態を指します。例えるなら、複数の場所に散らばる事務所を繋ぐ通信回線が切断されるようなイメージです。このような状況下でも、システムは分断されたそれぞれのネットワーク内で独立して機能し、利用者へのサービス提供を継続しなければなりません。

現実世界のネットワークでは、様々な理由でネットワークの分断が発生する可能性があります。例えば、物理的な回線の切断、機器の故障、自然災害、人為的なミスなど、予期せぬ出来事がネットワークの遮断を引き起こす可能性があります。このような事態に備え、システム設計の段階で分断耐性を考慮することは非常に重要です。特に、複数の機器が連携して動作する分散システムでは、分断耐性が不可欠です。分断耐性を持つシステムは、一部の機能が停止しても、他の部分が影響を受けずに動作し続けることができます。これにより、サービス停止による損失を最小限に抑え、信頼性の高いシステムを構築することが可能になります。近年、多くの機器がネットワークで繋がり、相互に依存しているため、システムの分断耐性を確保することは、安定したサービス提供のために欠かせない要素と言えるでしょう。

なぜ３つ全てを満たせないのか

情報をやり取りする仕組みを考える時、絶対に外せない大切な決まりがあります。それは、情報の正しさ、使いやすさ、そして繋がっていることの全てを同時に完璧にすることはできないという決まりです。これをＣＡＰ定理と言います。

情報の正しさとは、システム全体で情報が同じであることです。例えば、お店の在庫数を考えると、どの店員さんが見ても同じ数が表示されなければいけません。これが一貫性です。

使いやすさとは、いつでも情報にアクセスできることです。お客さんが商品を買いたい時に、システムが止まっていては困ります。いつでも使えるようにしておくことが可用性です。

繋がっていることとは、システムの各部分が常に連絡を取り合えることです。ネットワークが途切れてしまうと、情報が伝わらなくなり、システムの一部が孤立してしまいます。これが分断耐性です。

では、なぜこの３つを同時に満たせないのでしょうか。もし、ネットワークが何らかの理由で分断されてしまったとします。この時、システムの一部は他の部分と繋がらなくなります。繋がらないままでも、いつでも使えるようにしようとすると、孤立した部分で新しい情報が書き込まれてしまい、全体で情報がバラバラになってしまいます。情報の正しさを保てなくなるのです。

反対に、情報の正しさを守ろうとすると、分断された部分からの書き込みを拒否しなければなりません。そうすると、その部分ではシステムが使えなくなってしまい、いつでも使えるということができなくなります。

つまり、ネットワークが分断された時に、情報の正しさと使いやすさの両方を得ることはできないのです。現実の世界では、ネットワークの分断は常に起こり得ます。ですから、システムを作る際には、ＣＡＰ定理を理解し、どの性質を優先するかをきちんと考えて設計する必要があります。例えば、銀行のシステムでは情報の正しさを最優先にする必要がある一方、動画配信サービスでは多少の情報の違いがあっても、いつでも見られることが重要になります。

まとめ

分散システムを構築する上で、避けて通れない重要な概念が「ＣＡＰ定理」です。この定理は、分散システムが持つ３つの特性、すなわち「一貫性」「可用性」「分断耐性」のうち、同時に全てを満たすことはできないというものです。この３つの特性を理解し、どれを優先するかの取捨選択を行うことが、安定した高性能な分散システムを構築するための鍵となります。

まず、「一貫性」とは、システム内の全てのデータが常に同じ状態であることを指します。例えば、ある利用者がデータの更新を行った場合、他の全ての利用者も同じ更新されたデータを見ることができる状態です。金融システムのように、データの整合性が求められる場面では、この一貫性が非常に重要になります。仮に、残高の照会で異なる値が表示された場合、大きな問題に発展する可能性があります。

次に、「可用性」とは、システムが常に利用可能な状態であることを指します。システムに障害が発生した場合でも、利用者はサービスを利用できる状態が維持されるべきです。ニュースサイトのような、常に最新の情報を提供する必要があるシステムでは、この可用性が非常に重要になります。たとえ一部のサーバーに障害が発生したとしても、利用者は他のサーバーから情報を得ることができるように設計する必要があります。

最後に、「分断耐性」とは、ネットワークの一部が切断された状態でも、システムが稼働し続けることを指します。地理的に分散したシステムでは、ネットワークの切断は起こりうる事象であり、システムがこのような状況でも動作し続けるためには、分断耐性が不可欠です。

ＣＡＰ定理に基づくと、分散システムは、この３つの特性のうち、同時に２つまでしか満たすことはできません。例えば、一貫性と可用性を両立しようとすると、ネットワークの分断に耐えられなくなります。逆に、分断耐性と可用性を両立しようとすると、データの一貫性を保証できなくなります。そのため、システムの要件に応じて、どの特性を優先するのかを慎重に検討する必要があります。例えば、金融システムでは一貫性と分断耐性を優先し、ニュースサイトでは可用性と分断耐性を優先するといった選択が必要となります。このようにＣＡＰ定理を理解し、システムの特性に応じて適切な設計を行うことで、初めて安定した高性能な分散システムを構築することが可能になります。ＣＡＰ定理は、分散システムにおける設計の指針となる重要な要素と言えるでしょう。