書籍「Designing Data-Intensive Applications」下読み

全体として何に関する本か

ストレージとデータ処理技術に関する基礎概念について、原理と実践の両方の観点を通して、読者がdata-intensive applicationsを構築するための技術選択の意思決定を助ける本である。 この分野は、NoSQL、ビッグデータ、スケーラビリティ、ACID、CAP定理、結果整合性、シャーディング、MapReduceなどバズワードで溢れており、正しい知識を身につけることが難しいため、本にまとめたのではないかと考える。

この本では、タイトルに「データベース」や「分散システム」と書かず、「Data-Intensive Applications」 としている。これは、大量で複雑なデータを扱うアプリケーションというのは、万能のデータベースが1つあれば賄えるものではなく、複数のストレージやデータ処理技術を組み合わせて構築するという切り口であるためである。

どのような構成で知識や概念を展開しているか

この本は3つのパートで構成されている。

  • Part 1では、data-intensive applicationsの設計を支える基礎概念について議論する。reliability/scalability/maintainability、データモデルとクエリ言語、ストレージエンジン、データシリアライゼーションのためのフォーマットとスキーマエボリューション。
  • Part 2では、1台のマシン上のデータから複数のマシンに分散されたデータに移行する。レプリケーション、パーティショニング/シャーディング、トランザクション、一貫性、合意。
  • Part 3では、キャッシュや検索インデックスなど、異なる複数のデータベースを統合する必要のあるヘテロジニアスなアプリケーションについて議論する。バッチ処理、ストリーム処理など。最後に、全てをまとめて、将来的にreliable, scalable, maintenableなアプリケーションを構築するためのアプローチを議論する。

この本を読んで達成したいこと

リバースプロキシ、アプリケーションおよびRDBMSによる、伝統的なサーバサイドのWebアプリケーションアーキテクチャでは耐えられないワークロードに対処するアーキテクチャを設計するために必要な知識・原理を理解すること。 具体的には、各ツール(KafkaやCassandra、Hadoopなど)の原理的な限界を議論できるようになること。

そのアーキテクチャというのは、高度に発達したシステムの異常は神の怒りと見分けがつかない - IPSJ-ONE2017 - ゆううきブログにある観測のためのアーキテクチャであり、大量かつ多次元なデータ収集と多様な参照パターンが必要であると予想できる。

Designing Data-intensive Applications: The Big Ideas Behind Reliable, Scalable, and Maintainable Systems

Designing Data-intensive Applications: The Big Ideas Behind Reliable, Scalable, and Maintainable Systems

著者のMartin Kleppmannは、ケンブリッジ大学の分散システム研究者。その前は、LinkedInとRapportiveで大規模データインフラストラクチャに携わるソフトウェアエンジニアとして働いていたとのこと。

他の方の感想

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MySQLの同期レプリケーションで複数の更新クエリを1トランザクション内で発行すると速くなるケース

っていう話をいちりんちゃんこと id:ichirin2501 に聞いた。

MySQLで準同期レプリケーションまたは同期レプリケーションを使って、マスター・スレーブ構成で運用している場合、マスターはコミット後、スレーブが更新イベントを受け取ってログに書き込むまで待つようになる。

ところが、例えばRDSでMulti AZ配置するケースのように、マスター・スレーブ間のネットワーク遅延が大きい場合、スレーブがイベントを受け取るまでのレイテンシが大きくなるので、準同期レプリケーションで性能が落ちることがある。

このとき、AUTOCOMMITを有効にして更新クエリごとにコミットしているケースと比較して、明示的に複数の更新クエリを1つのトランザクション内で発行させると、性能が向上するケースがある。なぜなら、スレーブが更新イベントをまとめて受け取るようになり、1リクエスト内の一連のクエリ実行に要するマスター・スレーブ間のイベント往復回数が減るためだ。

write I/Oをバッファして、まとめてフラッシュすると性能が向上するという話と似ている。

【追記】

Multi-AZ 配置 - Amazon RDS | AWS に、RDSのMulti AZ配置では同期物理レプリケーションを使用しているとある。これはDRBDみたいなものなのだろうか。

詳解システム・パフォーマンス 第2章「メソドロジ」メモ

書籍「詳解システム・パフォーマンス」 下読み - ゆううきメモ の続き。今回は第2章「メソドロジ」。

パフォーマンスアナリストが複雑なシステムに立ち向かうときに、パフォーマンス問題を起こ している場所を特定し、問題を分析するためにどこから始め、どのような手順を踏んだらよいかを示してくれるのがメソドロジである。 Brendan Gregg,西脇靖紘,長尾高弘「詳解システム・パフォーマンス」, オライリージャパン p.15

この章で興味深かったのは以下の7点である。

  • Known-Unknowns
  • リソース使用率の定義と飽和(Saturation)の概念
  • ワークロード分析(workload analysis)とリソース分析(resource analysis)
  • USEメソッド
  • 競合とコヒーレンスのスケーラビリティプロファイルの差
  • 待ち行列理論
  • ヒートマップ

Known-Unknowns

パフォーマンスについて知れば知るほど、知らないことが増えるという話。そもそも知らないと認識していない状態であるUnknown-Unknownに対して、コンピュータシステムのアーキテクチャとシステム固有のアーキテクチャを人間が知ることで、徐々にパフォーマンス特性を理解しているというのが現状である。今のモニタリングツールでは、Unknown-UnknownをKnownにするためのサポートができていない。システムのモデリングをもう少し自動化できないかどうか。

リソース使用率の定義と飽和(Saturation)の概念

リソース使用率には、時間ベースの定義と能力ベースの定義がある。前者は

サーバーまたはリソースがビジー状態だった時間の平均的な割合 Brendan Gregg,西脇靖紘,長尾高弘「詳解システム・パフォーマンス」, オライリージャパン p.61

後者は

システムやコンポーネント(ディスクドライブなど)は、一定のスループットを提供できる。どのパフォーマンスレベルでも、システムやコンポーネントは、持っている能力の一定の割合を使って動作している。この割合を使用率と呼ぶ。 Brendan Gregg,西脇靖紘,長尾高弘「詳解システム・パフォーマンス」, オライリージャパン p.61

前者の特徴は、使用率が100%になっても要求を受け付けられることである。後者は、それ以上の要求を受け付けられない状態である。必ずしも両方の情報が提供されているとは限らない。

飽和は、処理できるよりもリソースに対する要求がどれくらい多いかを表す。能力ベースの使用率が100%を超えたときに、キューイングが始まると発生する。

USEメソッド

筆者のBrendan Greggがおそらく勧めているであろう分析メソッド。エラーがあるか=>使用率が高いか=>飽和があるかを各リソースについてチェックする。ロールごとにリソースリストがあると便利かもしれない。

競合とコヒーレンスのスケーラビリティプロファイルの差

x軸スレッド数、y軸スループットとしたときに、競合とコヒーレンスでグラフの形状が異なる。競合発生時は、スループットの傾きが小さくなるだけだが、コヒーレンス発生時はスループットが低下する。データのコヒーレンシを維持するために、各スレッドに伝搬するなどのオーバヘッドが発生し、このオーバヘッドはスレッド数が増加するたびに大きくなるため。

待ち行列理論

コンピュータシステムのコンポーネントは、キューイングシステムとしてモデリングできることが多い。 「負荷が倍になったら平均応答時間はどうなるか。」、「プロセッサを追加すると、平均応答時間にどのような影響が及ぶか。」、「負荷が倍になったとき、システムは 90 パーセンタイルの応答時間を 100m 秒未満にすることができるか。」といった問いに答えるために使える。

ヒートマップ

散布図の密度が高すぎてみにくい場合、ヒートマップが使える。

詳解 システム・パフォーマンス

詳解 システム・パフォーマンス

書籍「詳解システム・パフォーマンス」 下読み

詳解システム・パフォーマンス輪読を始めた。初回は、全体把握と第1章。

全体把握というのは、書籍「本を読む本」でいうところの読書の第2段階「点検読書」のうち組織的拾い読みに該当する。さらに同著には、積極的読書のためには質問をすることが重要と書かれており、点検読書の段階では、「全体として何に関する本か」、「何がどのように詳しく述べられているか」に関する質問に答えるとよい。自分の考えでは、「この本を読んで達成したいことは何か」という質問にも、点検読書の間に答えられるとよいと思っている。

全体として何に関する本か、何がどのように詳しく述べられているか

システムパフォーマンス分析に関する本である。特に、まえがきに書かれているように、「オペレーティングシステム、そ してオペレーティングシステムのコンテキストにおけるアプリケーションのパフォーマンスについての本」である。

具体的には、システム全体とシステムの代表的な要素(CPU、メモリ、ファイルシステム、ディスク、ネットワークなど)に関して、パフォーマンス分析に必要なメンタルモデルの構築、分析とチューニングの手法が、具体的なケースの紹介としてではなく、方法論として書かれている。

この本を読んで達成したいことは何か

2つある。ひとつは、エンジニアの勘に頼らない、システムパフォーマンスの分析ができるようになること。もうひとつは、高度に発達したシステムの異常は神の怒りと見分けがつかない - IPSJ-ONE2017 - ゆううきブログ に書いたシステムモデルの構築の足がかりにすること。

詳解 システム・パフォーマンス

詳解 システム・パフォーマンス

最近のXenの変遷について

Xen をとりまく状況

【仮想化道場】コードの全面的なリフレッシュを行ったハイパーバイザー「Xen 4.5」 - クラウド Watch が詳しい。

  • 2003年 Xen 最初のバージョン公開
  • 2007年 CitrixがXenSourceを買収 => 開発がスローペースに
  • 2011年 Linux 3.0 からメインストリーム
  • 2013年 CitrixがXenソースコードXenに関する権利をLinux Foundationに寄贈 => 再度Xenの開発が活発化
  • 2014年 本格的にLinux FoundationのもとXen Projectでのリリースが行われたのは Xen 4.4
  • Xen 4.4からは、6カ月ごとにリリース

Xen 4.4

Xen Project 4.4 Release Notes - Xen 「Xen 4.4」リリース、正式にARMアーキテクチャをサポート | OSDN Magazine

  • libvirt本格サポート
  • ARM サポートを正式化
  • FIFOベースのイベントチャンネル => 最大500ほどだった仮想マシンの上限が大幅に引き上げられた
  • kexecのサポート改善
  • PVHモードの実験的サポート
  • ゲストEFIブートの実験的サポート

Xen 4.5

Xen Project 4.5 Release Notes - Xen

  • コードの全面的な見直し => 差し引き6万3000行のコードが減った
  • カーネル脆弱性に対するゼロデイアタック
  • Rootkit
  • マルウェア攻撃を自己監視するHVMゲストセキュリティ機能の向上
  • 高精度イベントタイマー(High Precision Event Timer:HPET)のサポート
  • 2ソケット以上のサーバーでのPCI/PCIeパススルーの低レイテンシ化
  • 仮想PCUにおけるNUMAアーキテクチャのサポート
  • Systemd のサポート
  • toolstackの改良。Pythonベースで書かれた管理ツールのxend/xmコマンドから、C言語で書かれたxl/libxlに変更された
  • QEMMも2.0にバージョンアップ
  • 試験的にリアルタイムスケジューラ(RTDS)サポート
  • PVHサポート
  • Supervisor Mode Access Prevention(SMAP)サポート
  • 仮想マシンからハイパーバイザーへの割り込みを仮想化して頻度を少なくするvAPICのサポート

Xen 4.6

「Xen 4.6」公開、多数の機能強化や新機能追加が行われる | OSDN Magazine Xen Project 4.6 Feature List - Xen

  • メモリイベントサブシステムの強化
  • 仮想マシンVM)イベントシステム
  • Xen Security Modules(XSM)でデフォルトポリシーが用意
  • vTPM 2.0サポート
  • GRANTテーブルの拡張性強化
  • 大規模なワークロードに対応するためのチケットロックの導入
  • IntelのCache Allocation Technologyをサポート => 仮想マシンへのL3キャッシュの割り当てを増やせる
  • Intel Memory Bandwidth Monitoringもサポートされ、Xenホストの帯域飽和を識別できるように
  • Intel P2Mフレームワークの強化
  • libxc/libxlのライブマイグレーションが最新のMigration v2
  • 高可用性技術「Remus」も書き直されMigration v2ベース
  • Libxl非同期オペレーションがキャンセル可能に
  • Xen SCSIフロントエンドとバックエンドのサポート
  • VPMUカーネルのサポート
  • mmapコールの性能改善
  • blkfrontのマルチキュー、マルチページリング

DebianXenバージョン(2016/03/29)

  • wheezy 4.1.4
  • jessie 4.4.1
  • stretch 4.6.0
  • sid 4.6.0

感想

Linux Foundationに移管されていたことを知らなかった。 バージョンがあがるにつれ機能追加の数が増えている。