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Shared Nothingなのに、Active-Activeクラスタ?
~ 高いスケーラビリティを誇る日立国産DBMS「HiRDB」のクラスタ技術 ~
2013/11/15
株式会社 日立製作所 情報・通信システム社
ITプラットフォーム事業本部 開発統括本部
ソフトウェア開発本部 DB設計部

脇坂 彰人(わきざか あきと)
© Hitachi, Ltd. 2013. All rights reserved.
技術が支えるビジネスの価値創出
教育

行政

健康/医療
製造/流通
情報活用がリードする
金融
ビジネスと社会

ビッグデータ利活用
高信頼クラウド
Hadoop
Hitachi
Advanced
Data Binder※

水
交通
エネルギー

スマート情報
セキュリティ

ストリーム
データ処理

インメモリ
データグリッド

並列DBMS

※『内閣府の最先端研究開発支援プログラム「超巨大データベース
時代に向けた最高速データベースエンジンの開発と当該エンジン
を核とする戦略的社会サービスの実証・評価」(中心研究者:喜連
川 東大教授/国立情報学研究所所長)の成果を利用』

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1
Contents
1.HiRDBは、「Shared Nothing」
2.Shared Nothingなのに、Active-Activeクラスタ?
3.Active-Activeクラスタの実力は?

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2
1.HiRDBは、「Shared Nothing」

© Hitachi, Ltd. 2013. All rights reserved.

3
Shared Nothingは、データベースを分割し、
DBサーバが重複なく割り当てられたデータを
独立に処理するアーキテクチャ
■Shared Nothing
並列処理
■Shared Disk
DBサーバ
DBサーバ

ストレージ

ストレージ
パーティション(分割)表

完全独立
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4
Shared Nothingアーキテクチャ
□DBをアクセスするBES(*2)が、分割されたデータを独立に処理する。
□FES(*1)がSQLを振り分け、業務APにデータの所在を意識させない。
完全独立

業務AP

APサーバ

FES 1

FES 2
FES n

DBサーバ

BES 1

業務APは、
データの所在を意識しない

・データの所在位置はFESで自動認識。
・BESが受け持つデータを並列に処理。
・BESの処理結果をFESが纏めて返却。

BES m

BES 2

排他プール
DBバッファ

DBアクセスに必要なリソー
スが独立し、競合が無い

ストレージ
FES

*1 : SQL受付サーバ
(Front End Server)

BES

パーティション
(分割)表

*2 : DBアクセスサーバ
(Back End Server)

更新ログ

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5
2. Shared Nothingなのに、
Active-Activeクラスタ?

© Hitachi, Ltd. 2013. All rights reserved.

6
DBサーバの障害に備えるために
欠かせないクラスタ構成
切り換え

障害
DBサーバ

ストレージ

Shared Nothingで
構築するクラスタ構成は?
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7
稼動中サーバごとに待機サーバを用意する
Active-Stanbyでのクラスタ構成
投資リソースを活用したい

障害
DBサーバ
クラウド、従量課金

ストレージ
パーティション(分割)表

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8
Active-Activeクラスタは
どうなの?

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9
障害サーバの処理を稼動中サーバで引き継ぐ
Active-Activeでもクラスタ構成
□障害サーバが担当していたデータを,他の稼働中サーバが分担する
■Shared Nothing
障害サーバに割り当てられて
いたデータの処理を引き継ぐ

投資リソースの
有効活用

■Shared Disk
障害

縮退

DBサーバ

障害
ストレージ

DBサーバ

ストレージ
パーティション(分割)表

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10
Shared Nothingなのに、
Active-Activeクラスタ?
□ 完全独立しているのに、障害サーバの処理をどう引き継ぐの?
□ 複数サーバの障害に対応はどうやるの?
障害
DBサーバ

ストレージ
パーティション(分割)表

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11
Active-Activeクラスタ構成
□BES単位で、稼動中サーバに切り替えて業務を継続。
□あらかじめ複数のBESを配置し、複数の稼働中サーバに負荷を
分散できる。
通常運用時

障害発生時

DBサーバ 1

DBサーバ 2

DBサーバ 3

BES1

BES3

BES5

BES1

BES3

BES5

BES2

BES4

BES6

BES2

BES4

BES6

BES1

BES2

DBサーバ 1

障害

DBサーバ 2

DBサーバ 3

DB及びシステムログ
引継ぎ&継続使用
BES単位で
切り替え(移動)
⇒分散引継ぎ

DBサーバ2、DBサーバ3で
処理を分散して引き継ぐ。
サーバ間の負荷は平準化。
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12
2台目もダウンしたら?
通常運用時

障害発生時

DBサーバ 1

DBサーバ 2

DBサーバ 3

BES1

BES3

BES5

BES1

BES3

BES5

BES2

BES4

BES6

BES2

BES4

BES6

BES1

BES2

DBサーバ 1

障害

DBサーバ 2

DBサーバ 3

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13
複数サーバでの障害発生にも対応
□多点障害でも、第2、第3の稼動中のDBサーバに処理を
引き継げる。
1台目の障害発生時

さらに2台目の障害発生時

DBサーバ 1

DBサーバ 2

DBサーバ 3

BES1

BES3

BES5

BES3

BES5

BES2

BES4

BES6

BES4

BES6

BES1

BES2

BES1

BES2

障害

DBサーバ 1

DBサーバ 2

DBサーバ 3

BES3
BES4
BES1

DBサーバ2の障害発生時は、
DBサーバ3で処理を引き継ぐ。

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14
Active-Activeクラスタ構成を実現するからくり
FES 1

FES 2

BES 1
BES 1
BES 1

FES 3

BES 3
BES 3
BES 3

BES 2
BES 2
BES 2
DBバッファ
1 関東

BES 5
BES 5
BES 5

BES 4
BES 4
BES 4
DBバッファ

2 東日本

BES 6
BES 6
BES 6
DBバッファ

3 関西

4 西日本

5 中部

6 海外

DBAREA1

DBAREA2

DBAREA3

DBAREA4

DBAREA5

DBAREA6

1 関東

2 東日本

3 関西

4 西日本

5 中部

6 海外

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15
障害が発生したら?
FES 1

FES 2

障害 BES 1

FES 3

BES 3
BES 3
BES 3

BES 1
BES 1
BES 2
BES 2
BES 2
DBバッファ
1 関東

BES 5
BES 5
BES 5

BES 4
BES 4
BES 4
DBバッファ

2 東日本

BES 6
BES 6
BES 6
DBバッファ

3 関西

4 西日本

5 中部

6 海外

DBAREA1

DBAREA2

DBAREA3

DBAREA4

DBAREA5

DBAREA6

1 関東

2 東日本

3 関西

4 西日本

5 中部

6 海外

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16
稼動中サーバのリソースを有効活用
切り替え完了まで
キューイング
FES 1

FES 2

FES 3

□自動でアクセス先を切り替え

□不足したプロセスは追加起動
待機中プロセスが
担当データを
成り変わって処理

障害 BES 1

BES 3
BES 3
BES 1

BES 1
BES 1
BES 2
BES 2
BES 2
DBバッファ
1 関東

BES 5
BES 5
BES 2

BES 4
BES 4
BES 1
DBバッファ

2 東日本

3 関西

BES 6
BES 6
BES 2
DBバッファ

4 西日本

1 関東

5 中部

6 海外

2 東日本

DBAREA1

DBAREA2

DBAREA3

DBAREA4

1 関東

2 東日本

3 関西

4 西日本

DBバッファなどの
DBAREA5
DBAREA6
リソースを共有
5 中部

6 海外

□DBバッファの占有もできます
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17
Active-Activeクラスタの切り替え先制御
□日立のクラスタソフトウェア HAモニタ※と連携して、
Active-Activeクラスタを開発しました
□切り替え可能なサーバの情報を連携し、担当データの切り替え先を
制御
DBサーバ 1

障害

DBサーバ 2

DBサーバ 3

BES3

BES5

BES2

BES4

BES6

BES*

BES1

BES2

BES*

BES*

BES*

BES*

BES*

BES*

BES*

BES*

BES*

HAモニタ

どのサーバの
受け入れも可能

BES1

HAモニタ

BES3の
切り替えを指示

HAモニタ

※Microsoft Failover ClusterやHP Serviceguardなどと組みあわせるには、HA Toolkit Extensionを使います。
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18
3.Active-Activeクラスタの実力は?

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19
切り替え時間ってどれくらい?

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20
数秒です!
デモでご体感ください。

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21
Active-Activeクラスタ デモンストレーション
□ 数秒オーダでの切り替え
□ 多重障害への対応
稼働中サーバに負荷分散し、
安定した業務継続
切り替え中でも新規
トランザクションを受付可能

障害
DBサーバ1 DBサーバ2 DBサーバ3

数秒オーダで
切り替え

3台で稼動
2台で稼動
全面ダウン
期間ゼロ

DBサーバ CPU利用率

DBサーバ全体スループット
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22
デモンストレーションで
数秒オーダの切り替えの様子を
ご覧ください。

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23
数秒での切り替えのからくり
□『検知・引継ぎ・回復』の3つのポイントの高速化で、
数秒オーダでの切り替えを実現。

切替元 (a)素早く検知 切替先

(b)素早く引継ぎ

障害
HiRDB

HA
モニタ

HA
モニタ

Alive監視

HiRDB

(c)素早く回復

フェイルオーバ時間

※1

Active-Active

HiRDB Version 7

HA Booster Pack

HA Booster Pack

▼障害検知

DB

▼リソース切り替え

ログ

数秒オーダ
時間
▼トランザクション決着
▼DB回復
▼回復準備

※2

※1:障害発生~新規トランザクション受付開始までの時間。
※2:トランザクション決着時間はシステムログ量に依存。

※ HAモニタ、HA Booster Pack : クラスタウェア
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24
(a)素早く障害を検知する
□マシンダウン
□OSパニック
□HiRDBダウン

クラスタウェア間でのAlive監視による検知
HA Booster Packでの通知による瞬時検知
HiRDB自らの申告によるゼロ秒検知
切替元

マシンダウン

切替先
監視

HiRDB

HiRDB障害
HiRDBスローダウン

OSパニック

HA
モニタ

申告

Alive監視

HA
モニタ

HiRDB

監視

Time
Stamp

HA Booster Pack

HA Booster Pack

通知

・切替元のマシンダウンを、
切替先からのハートビートで検知。
・切替先から切替元のマシンをリセット。

DB

HiRDBのスローダウンを、生存監視
機能(Time Stampの定期更新/定期参照)に
より、HAモニタが検知。
ログ
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25
(b)素早くリソースを引き継ぐ
□共有ディスクの数に依存しない、短時間でのディスク引継ぎ:
①HA Booster PackがHiRDBのI/Oに介在し、
切替元からのアクセスのみを許可。
②障害発生時、アクセス制御の変更のみで引継ぎを実現。
切替元

切替先
HA
モニタ

HA
モニタ
HiRDB

HiRDB

HA Booster Pack

HA Booster Pack

・・・

・・・

①I/O介在での
アクセス制御
常時オンライン
(活性)状態

DB
DB ログ
DB ログ
DB ログ
ログ

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26
(b)素早くリソースを引き継ぐ
□共有ディスクの数に依存しない、短時間でのディスク引継ぎ:
①HA Booster PackがHiRDBのI/Oに介在し、
切替元からのアクセスのみを許可。
②障害発生時、アクセス制御の変更のみで引継ぎを実現。
切替元

切替先
HA
モニタ

HA
モニタ
HA Booster Packあり

HA Booster Packなし

HiRDB

ディスク

・・・

切
替
時
間

アクセス
許可

切替先
ディスク

アクセス
拒否

共有ディスク数

切替元
HA Booster Pack
活性化

活性化

切
替
時
間

非活性化

シ
ー
ケ
ン
シ
ャ
ル
処
理

HiRDB
HA Booster Pack

一
括
処
理

・・・

②アクセス制御
の変更(引継ぎ)

DB
DB ログ
DB ログ
DB ログ

共有ディスク数

ログ

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27
(c)素早くHiRDBを回復させる
□高速DB回復&稼動中のリソースの利用で早期サービス再開
- 高速DB回復
①ディスク毎の並列DB回復
②新規トランザクションの早期受付開始
- 稼動中のリソースの利用 ③DB処理プロセスの成り代わり

□Active-ActiveクラスタではDB回復を稼動中サーバに分散して実施
BES3
BES4
切替指示

BES1
回復準備

②新規トランザクションの
早期受付開始
BES4

HAモニタ

①ディスク毎の
HiRDB並列DB回復
BES3

切替先

稼働中

BES1

DB回復

稼動中HiRDBへの
HA Booster Pack

DB回復
(ディスク1)

③DB処理プロセスの
成り代わり

DB回復
(ディスク2)

時間

切替指示

BES6

HiRDB
BES5
BES6
BES2
回復準備

稼働中
DB回復

BES2

HAモニタ

BES5

切り替え

DB回復
(ディスク3)
DB回復
(ディスク4)

時間

HA Booster Pack

DB回復

トランザクションの
決着

回復トランザクション
新規トランザクション
稼働中のトランザクション
© Hitachi, Ltd. 2013. All rights reserved.

28
システムのSLAを維持する
□切り換えタイミングで割り当てCPUを活性化し、SLAを維持する
障害サーバの担当データの処理性能を
確保するためにCPUを活性化
CPU

CPU
CPU
DBサーバ 1

CPU

CPU

CPU
DBサーバ 2

CPU

DBサーバ 3

BES1

BES3

BES5

BES2

BES4

BES6

BES1

CPU

BES2

障害

© Hitachi, Ltd. 2013. All rights reserved.

29
Shared Nothingなのに、
Active-Activeクラスタ?
□通常運用時、各DBサーバが担当データを独立に処理。
□障害発生時、障害サーバの担当データを稼動中のサーバが引き継ぐ。
□独立しているのに、オンデマンドにシェアするActive-Activeクラスタ。
通常運用時

障害発生時

DBサーバ 1

DBサーバ 2

DBサーバ 3

BES1

BES3

BES5

BES1

BES3

BES5

BES2

BES4

BES6

BES2

BES4

BES6

BES1

BES2

DBサーバ 1

障害

DBサーバ 2

DBサーバ 3

© Hitachi, Ltd. 2013. All rights reserved.

30
いかがでしたでしょうか?
『Shared Nothingなのに、Active-Activeクラスタ?』
Shared Nothingアーキテクチャでの
Active-Activeクラスタのからくりを
ご紹介しました。

© Hitachi, Ltd. 2013. All rights reserved.

31
これからも
Made in Japan DBMS,
極めていきます。

を

今後も、日立のデータベースに
ご期待ください。
HiRDB:Highly Scalable Relational DataBase
© Hitachi, Ltd. 2013. All rights reserved.

32
END
Shared Nothingなのに、Active-Activeクラスタ?
~ 高いスケーラビリティを誇る日立国産DBMS「HiRDB」のクラスタ技術 ~

2013/11/15
株式会社 日立製作所 情報・通信システム社
ITプラットフォーム事業本部 開発統括本部
ソフトウェア開発本部 DB設計部

脇坂 彰人

© Hitachi, Ltd. 2013. All rights reserved.

33
他社所有名称等に関する表示
・
・
・
・
・

製品の内容・仕様は、改良のために予告なしに変更する場合があります。
Hadoop は,Apache Software Foundationの商標です。
Microsoftは,米国Microsoft Corporationの米国およびその他の国における登録商標または商標です。
HP Serviceguardは,Hewlett-Packard Development Company, L.P.の商品名称です。
本資料に記載の会社名,製品名は,それぞれの会社の商標もしくは登録商標です。

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34
付録

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日付と支店番号でDBを分割した例
□月単位に支店グループを2次元分割
□独立したBESで並列に処理
関東
集計業務

関西
集計業務

その他
集計業務

BES 1

BES 2

BES 3

空間軸での
分割

支店売上管理表
第1次元
分割列

第2次元
分割列

<関東地区> <関西地区> <その他地区>
支店番号
~1999

支店番号
2000~2999

2011-07-30 関東 東京 1001

DBAREA1

DBAREA2

DBAREA3

2011-07-30 関西 大阪 2001

関東07

関西07

他07

・
・
2011-08-30 関東 横浜 1010

DBAREA4

DBAREA5

DBAREA6

2011-08-30 東北 仙台 4001

関東08

関西08

他08

・
・
2011-09-30 関東 東京 1001

DBAREA7

DBAREA8

DBAREA9

2011-09-30 関西 神戸 2015

関東09

関西09

他09

時間軸での
分割

支店番号
3000~

日付

地区 支店

支店番号

売上 ・・・

<7月>

2011-07-30 九州 福岡 3010

<8月>

2011-08-30 関西 京都 2008

一定期間保管
<9月>

・
・

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38
DB格納領域の簡単なローテーション運用
□DBの格納領域を、月次で簡単に再利用。
■従来の運用

DB格納領域の
削除・追加が大変

<7月>
<10月>

ローテーション運用を容易にす
る『月別ハッシュ分割』の利用

関東10

DBAREA1

<9月>

月別
ハッシュ
分割

関西07

他07

DBAREA4

DBAREA5

DBAREA6

関東08

関西08

他08

DBAREA7

DBAREA8

DBAREA9

関東09

<8月>

DBAREA3

関東07

<7月>

DBAREA2

関西09

他09

<7月>⇒<10月>

<8月>

<9月>

<10月>
<関東地区> <関西地区> <その他地区>
支店番号
~1999

支店番号
2000~2999

支店番号
3000~

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39
今や、ストレージ仮想化技術で対処できる時代
□DB格納領域の見積もり、運用がどれだけ必要? 大変?
■従来の運用

■ストレージ機能と連携した
シン・プロビジョニングでの運用
DBAREA1

<関東地区> <関西地区> <その他地区>
支店番号
~1999

支店番号
2000~2999

支店番号
3000~

DBAREA1

DBAREA2
予備

DBAREA3

DBAREA3

予備

DBAREA2

最大

オンデマンド
仮想Vol(ディスク)

ディスク追加

見積もり、設計が大変
・データ増加を予測した見積もり設計。
・それに伴う拡張・運用設計の立案。
・DBエリアのパンク回避のための余裕値設計。

監視、運用が大変
・個々のDBエリアの監視。
・ディスク追加によるDBエリア拡張。

ストレージ
プール

HDD

・仮想ディスクに最大サイズでDB
エリアを確保でき、DB容量設計
が容易。
・DBエリアの自動拡張に伴い、
オンデマンドでストレージを割り
当てられる。
・ストレージプール全体で枯渇
監視でき、監視、拡張運用が容易。

ストレージプールを活用した
資源共有により負担を軽減
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40
マスタ表の効率的な共有アクセス
□マスタ系データの配置は?
関東
集計業務

関西
集計業務

その他
集計業務

FES 1

FES 2

FES 3

APサーバ

BES 1

DBサーバ
DBバッファ

マスタ

関東

BES 2
DBバッファ

マスタ

関西

商品マスタ

・全BESから参照できる表属性。
・各BESのバッファで独立して参照できる。
・複数のBESから参照する場合でも、
BES間での通信はおこなわない。

BES 3
DBバッファ

マスタ

その他

特定BESへのアクセス
集中を回避できる

DBAREA10

ストレージ

全BESから参照できる
『共用表』属性を利用

共用表属性

DBAREA1

DBAREA2

DBAREA3

関東

関西

他

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41
じゃあ、「共用表」を更新したら、どうする?
□更新要求をFESが受け、全BESに配布。バッファを更新。
□受け持ちBESだけがストレージ上のデータを更新。
関東
集計業務

関西
集計業務

その他
集計業務

FES 1

FES 2

FES 3

BES 1

更新

BES 2

BES 3

APサーバ
受け持ちBES

DBサーバ
DBバッファ

マスタ

関東

DBバッファ

マスタ

関西

DBバッファ
その他

DBAREA10

ストレージ

商品マスタ

共用表属性

DBAREA1

DBAREA2

DBAREA3

関東

関西

マスタ

DBサーバの独立性を
確保する
・共用表の更新要求を全BESに配布。
・バッファヒットしない場合はストレージから
読み込んでバッファを更新。
・受け持ちBESだけがストレージ上の
データを更新。
・更新ログは全BESで出力。

他

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42

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