データベーススペシャリスト試験が迫ってきたので、用語は知っていたがしっかりとは理解していなかったCAP定理について勉強。
CAP定理とは
分散型データベースシステムに関する定理。 一貫性 (Consistency)・可用性 (Availability)・分断耐性 (Partition-tolerance) の三つの特性のうち、同時には最大二つまでしか満たすことができない 、というもの。それぞれの単語の頭文字をとってCAP定理と呼ばれる。
- 一貫性 (Consistency)
- データの整合性が保たれること。
- 具体的にいうと、すべてのデータ読み込みにおいて、最新の書き込みデータもしくはエラーのどちらかを受け取ることができること。
- 可用性 (Availability)
- 利用したい時に利用できること。
- 具体的にいうと、一つのサーバに障害が発生しても、他のダウンしていないサーバの機能が損なわれず、応答を返すことができること。
- 分断耐性 (Partition-tolerance)
- データが複数のサーバに分散されること。
- 具体的にいうと、ネットワークが分断されてしまい、サーバ同士が通信できなくなっても、データの読み書きが動作すること。
具体例で見てみる
以下、データベーススペシャリスト試験 令和2年秋期 午前II 問1 より引用。
図のデータベース1，2は互いのデータの複製をもつ冗長構成である。クライアントからの更新・参照要求を受けたデータベースサーバ(以下，サーバという)は直下のデータベースを更新・参照し，他方のサーバにデータ更新を通知する。通知を受けたサーバは直下のデータベースに更新を反映する。
サーバ1，2間のネットワークが分断し，データ更新を通知できなくなったとき，CAP定理で重視する特性(C，A，P)に対するサーバの挙動のうち，適切な組合せはどれか。
CAP定理の特性C及びPを
重視する場合CAP定理の特定A及びPを
重視する場合ア 一方のサーバは停止し、もう一方のサーバは動作し続ける。 両方のサーバが停止する。 イ 一方のサーバは停止し、もう一方のサーバは動作し続ける。 両方のサーバが動作し続ける。 ウ 両方のサーバが動作し続ける。 一方のサーバは停止し、もう一方のサーバは動作し続ける。 エ 両方のサーバが動作し続ける。 両方のサーバが停止する。
選択肢に出てくる3つのパターンについて、それぞれどの特性が満たされているか考える*1。
(1) 一方のサーバは停止し、もう一方のサーバは動作し続ける。
一方のデータ読み込みに対しては最新のデータ、もう一方のデータ読み込みに対してはエラーが返るため、一貫性(C)は満たされる。サーバには障害が発生していないが、サーバの機能が使えない状態になるため、可用性(A)は満たされない。サーバ間のネットワークは分断されているが、動作し続けているサーバではデータの読み書きが動作するため、分断耐性(P)は満たされる。
よって、(1)はC及びPを満たす。
(2) 両方のサーバが動作し続ける。
データ更新の通知がされなくなるため、一方のサーバで更新されたデータが、もう一方のデータ読み込みでは受け取れない可能性がある。すなわち最新のデータが受け取れない可能性があるため、一貫性(C)は満たされない。両方のサーバは動作し続けるため、可用性(A)は満たされる。サーバ間のネットワークは分断されているが、動作し続けているサーバではデータの読み書きが動作するため、分断耐性(P)は満たされる。
よって、(2)はA及びPを満たす。
(3) 両方のサーバが停止する。
どちらのサーバもデータ読み込みに対してエラーが返るため、一貫性(C)は満たされる。サーバには障害が発生していないが、サーバの機能が使えない状態になるため、可用性(A)は満たされない。ネットワークの分断に起因してサーバが動作しなくなっているため、分断耐性(P)は満たされない。
よって、(3)はCを満たす。
以上から、イが答えとなる。
データベースシステムによる違い
一般的なリレーショナルデータベースでは、トランザクション処理でデータの整合性を保っている。しかし、ネットワークが分断した場合にはサーバ間での通信ができなくなってしまい、整合性が取れなくなってしまう。そのため、分断耐性(P)を諦め、一貫性(C)+可用性(A)を満たすものが多い*2。
一方でNoSQLでは、リレーショナルデータベースとは別のユースケースを意識してか、一貫性(C)+分断耐性(P)、もしくは可用性(A)+分断耐性(P)を満たすものが多くなっている。
おまけ: 情報処理技術者試験の過去問の引用について
試験問題は著作権の対象のため、本来であれば掲載の許諾を取る必要がある。
しかし、IPAの「よくある質問」を確認すると、出典さえ明記しておけば問題文を全文掲載できるとのことで、本記事では問題文をそのまま掲載している。
７．その他
試験の過去問題の使用方法（申請方法、使用料等）について教えてください。
当機構で公表している過去の試験問題の使用に関し、許諾や使用料は必要ありません。（ダウンロードでのご利用も特に問題ございません。） ただし、以下の留意点を必ず確認の上、ご使用ください。【留意点】
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・出典を以下のように明記してください。（年度、期、試験区分、時間区分、問番号等）
[例]「出典：平成31年度 春期 基本情報技術者試験 午前 問1」
また、問題の一部を改変している場合、その旨も明記してください。
・公表しているPDF以外の電子データの提供はできません。
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