키-값 저장소

키-값 저장소(key-value store)는 키-값 데이터베이스라고도 불리는 비 관계형(non-relational) 데이터베이스이다.
이 저장소에 저장되는 값은 고유 식별자(identifier) 를 키로 가져야 하며, 키와 값 사이의 이러한 연결 관계를 ‘키-값’ 쌍이라고 지칭한다. 키는 유일해야 하며, 해당 키에 매달린 값은 키를 통해서만 접근할 수 있다.

• 키는 일반 텍스트일 수도 있고 해시 값일수도 있다. 성능상의 이유로 키는 짧을수록 좋다.
• 값은 문자열일 수도 있고, 리스트, 객체 일수도 있다. 보통 값으로 무엇이 오든 상관하지 않는다.

아마존 DynamoDB, memcached, Redis 등이 키-값 저장소의 예다.

단일 서버 키-값 저장소

한 대의 서버만 사용하는 키-값 저장소를 설계하는 가장 직관적인 방법은, 키-값 쌍 전부를 메모리에 해시 테이블로 저장하는 것이다. 이 방법은 빠른 속도를 보장하고 있긴 하지만 모든 데이터를 메모리 안에 두는 것이 불가능할 수도 있다는 약점을 가지고 있다. 이에 대한 개선책으로는 아래와 같은 것이 있다.

• 데이터 압축 (compression)
• 자주 쓰이는 데이터만 메모리에 두고 나머지는 디스크에 저장

이러한 개선책으로도 단일 서버로는 부족해지는 상황이 온다. 많은 데이터를 저장하려면 분산 키-값 저장소(distributed key-value store) 를 만들 필요가 있다.

분산 키-값 저장소

키-값 쌍을 여러 서버에 분산시키기 때문에 분산 해시 테이블이라고도 불린다.

분산 시스템을 설계할 때는 CAP 정리를 이해하고 있어야 한다.

CAP 정리

CAP 정리는 데이터 일관성, 가용성, 파티션 감내 라는 세 가지 요구사항을 동시에 만족하는 분산 시스템을 설계하는 것은 불가능하다는 정리다. 세 요구사항 중 두 가지를 충족하려면 나머지 하나를 희생해야 하는 트레이드오프를 고려해야 한다.

CAP	내용
C (Consistency, 데이터 일관성)	분산 시스템에 접속하는 모든 클라이언트는 어떤 노드에 접속했느냐에 관계 없이 언제나 같은 데이터를 보게 되어야 한다.
A (Availability, 가용성)	분산 시스템에 접속하는 클라이언트는 일부 노드에 장애가 발생해도 항상 응답을 받을 수 있어야 한다.
P (Partition tolerance, 파티션 감내)	파티션은 네트워크 상 노드 사이에 통신 장애가 발생하였음을 의미한다. 파티션 감내는 네트워크에 파티션이 생기더라도 시스템은 계속 동작하여야 한다는 것을 뜻한다.

파티션 감내에서 등장하는 네트워크 파티션은 네트워크 장애로 인해 분산 시스템의 일부 노드들이 통신할 수 없는 상태가 되는 상황이다. 분산 시스템의 네트쿼크가 분리된 상태로 볼 수 있는데, 이 때문에 네트워크 통신 장애가 발생해 데이터 동기화나 요청 문제가 발생할 수 있다.

[예시 상황]
- 여러 서버(A, B, C, D)가 서로 통신하며 데이터를 동기화하고 있다고 가정
- 갑자기 네트워크 장애가 발생하여 서버 A와 B는 서로 통신할 수 있지만, 서버 C와 D는 다른 네트워크 섹션에 갇혀 A와 B와 통신하지 못하는 상황

A -- B
X   X (네트워크 장애)
C -- D

이 경우, A와 B는 서로 통신할 수 있지만, C와 D는 A, B와 분리된 네트워크 파티션에 속해 서로 통신할 수 없다.
즉, 네트워크가 둘로 분리된 상태이다.

세 요구사항 중 두 가지를 충족할 경우의 시스템 별 차이

• CA 시스템
  • 일관성과 가용성을 만족하는 키-값 저장소. 파티션 감내는 지원하지 않지만 통상 네트워크 장애는 피할 수 없는 일로 여겨지기 때문에 분산 시스템은 반드시 파티션 문제를 감내할 수 있도록 설계되어야 한다. 사실상 실세계에서는 존재하지 않는 시스템으로 볼 수 있다.
• CP 시스템
  • 일관성과 파티션 감내를 만족하는 키-값 저장소. 가용성을 희생한다.
    CP 시스템에서는 네트워크 장애가 발생할 경우 각 노드의 데이터 일관성을 보장하기 위해 장애 상황에서 몇 클라이언트의 통신이 제한될 수 있다. 금융 시스템이나 거래 시스템 등 데이터 무결성이 중요한 경우에 적합하다.
• AP 시스템
  • 가용성과 파티션 감내를 만족하는 키-값 저장소. 일관성을 희생한다.
    네트워크 파티션 동안에도 모든 클라이언트 요청에 가능한 한 응답을 제공한다. 동기화 되지 않는 데이터를 반환하더라도 장애가 발생한 노드 외의 정상 상태의 노드는 계속 읽기 연산을 수행한다. 소셜 미디어나 검색 엔진처럼 서비스 연속성이 중요한 경우에 적합하다.