Amazon DynamoDB の概要

　Amazon DynamoDBは、可用性（Availability）とネットワーク分断耐性（Partition Tolerance）を重視したAP型データベースの代表例で、クラウド環境ならではの水平スケーラビリティに優れた特徴を持っています。その特性をよく理解して、大規模分散処理構成のユースケースで活用しましょう。

　水平スケーラビリティとは、サーバなどのリソースの数を増やしてシステム全体のパフォーマンスを高める手法のことです。既存のリソースの性能を向上することでシステムのパフォーマンスを高める手法のことを、垂直スケーラビリティといいます。

AP型データベースのアーキテクチャ

　最初に、AP型データベースに共通する特徴を押さえておきましょう。

　AP型のNoSQLデータベースは、一貫性（Consistency）が下がる代わりに、可用性（Availability）とネットワーク分断耐性（Partition Tolerance）を高めています。具体的には、次のイメージのように複数のアベイラビリティゾーンにデータベースを配置し、各ノードにデータを分散して配置することで実現しています。

　単一障害点がないことが大きな特徴で、どこのノードからでもデータ更新が可能であり（すべてのアベイラビリティゾーンにあるデータを参照・更新します）、ノードも任意に追加／設定できるスケーラビリティにも優れた分散型構成です。

　ただし、ノードの故障や通信のエラーにより、複数のノード間で整合性のとれない（一貫性を損なう）ケースが発生します。

　その回避策として、読み込み時に最新のデータで古いノードのデータを更新するReadRepair機能や、Quorumを使って結果整合性をとる方法（簡単にいえば、不整合が出た場合に、なるべく多くの一致したデータを判定する多数決に似た手法）で対応しています。

　AP型データベースを理解するうえで、押さえておかなければならないのが、各ノードに配置される「データ」と「キー」の概念です。DynamoDBでは「Consistent Hashing」と呼ばれるアルゴリズムにより、各ノードと配置されるデータを決定しています。例えば、先の図では都道府県と市／区は1：Nの関係であり、都道府県を区別するキーを「親キー」、市や区を区別するキーを「子キー」とします。DynamoDBで親キーをパーティションキー（Partition Key）、子キーをソートキー（Sort Key）と呼びます。


　これらのキーに対して、次のルールを押さえておくことが必要です。

• 親キーで配置されるノードが決定する
• ノード内のデータ順序を決定する子キーを任意に設定できる
• 子キーを作成しない場合は、親キーでデータを一意に特定できるようにする必要がある
• キーにはインデックスを設定できる

　こうしたデータを分散して保持するAP型の仕組みを踏まえると、当然、RDBで当たり前にできていた次のようなことができなくなります。

● RDBと比較した場合のAP型データベースの制約
制約	理由
テーブル間の結合ができない	データが分散して配置されているので、「データ同士を結合して射影する」といった操作はできない
外部キーがない	キーはパーティションキーとソートキーに限定される
条件指定は基本的に、プライマリキー以外は使用できない	データが分散して配置されているので、プライマリキー以外で検索をかけることができない。それ以外の項目で検索が必要な場合は、インデックスを作成する、もしくはソートキーを指定する（ただし、ソートキーのみの検索は性能上問題が出る可能性がある）
副問合せができない	データが分散して配置されるので、検索結果のデータを条件とすることができない
GROUP BYなどの集約関数が存在しない	データが分散して配置されるので、集約に必要なデータが検索時に足りない
OR、NOTなどの論理演算子はなくANDのみ	データベースの性質上、サポートしない

　このように、AP型のNoSQLデータベースを、RDBの代替として考えるには機能制約が相応にあります。RDBで実現できる機能を使いたい場合は、RDBを導入すべきであり、NoSQLデータベースは、その特性を生かしたユースケースに対して導入を検討すべきです。

　ただし、AP型NoSQLデータベースを導入する場合でも、前述の表に記載されているさまざまな機能要件を求められるケースもあります。アプリケーションの設計時に制約をしっかりと意識し、データベースの機能に委ねるべきか、不足する機能に代替する処理をアプリケーションで実装すべきかを判断できるようにしておきましょう。

DynamoDBの概要と特徴

　DynamoDBは、AWSが提供するAP型NoSQLデータベースのマネージドサービスです。項目・属性の定義が必要ないスキーマレスのテーブル構成をとります。

　スキーマレスということもあり、値の厳密な設計が不要な他に、属性は項目ごとに異なっても問題ありません。パーティションキーで配置するノードが決定し、ソートキーでノード内でのデータ順序が決定するため、注文と注文明細のような1対多のデータ構造でもそのまま保存することができます。キーの判定には関係演算子（<、>、<=、>=）や等値系演算子（==、!=）が利用可能です。

　なお、DynamoDBのデータサイズ上限は1項目あたり400KBです。バイナリデータなどサイズの大きくなりがちなデータは保存できないので注意が必要です。


　DynamoDBはリージョンごとにデータベースが構築されるサービスであり、3箇所の異なるアベイラビリティゾーンにデータがレプリケーションされます。結果整合性に関しては、オプションで選択可能です。

● DynamoDBの結果整合性オプション
	結果整合性のオプション	動作
読み込み	結果整合性のある読み込み	2/3の読み込みで結果が一致した場合、正常応答
	強い読み込み整合性	すべてのReadRepairが完了している状態で結果を応答
	トランザクション読み込み	直列化可能分離レベル（SERIALIZABLE）でデータを読み取るオプション
書き込み	結果整合性のある書き込み	2/3以上の書き込みが成功した場合、正常応答
	トランザクション書き込み	すべての書き込みが成功した場合、正常応答

　DynamoDBではテーブル単位で読み書きのパフォーマンスをスループットとして定義します。読み取りのスループットを「読み込みキャパシティユニット」（Read Capacity Units：RCUs）と呼び、書き込みスループットを「書き込みキャパシティユニット」（Write Capacity Units：WCUs）と呼びます。RCUsとWCUsはそれぞれ次のように定義されています。

● キャパシティユニットの定義
種類	説明
RCUs	1秒あたりの読み込み項目数 × 項目のサイズ （4KBまでを1ブロックとして計算） 結果整合性ある読み込みの場合はスループットが2倍になる
WCUs	1秒あたりの書き込み項目数 × 項目のサイズ （1KBまでを1ブロックとして計算） トランザクション書き込みの場合はスループットが半分になる

　例えば、3KBのデータを読み込むリクエストが毎秒1000回あるのであれば、1000RCUsです。仮に6KBのデータだとすると、ブロック単位の4KBを超えているので、2ブロック（8KB）が必要です。

　すなわち、2倍のRCUsとして計算し、2000RCUsとなります。結果整合性のある読み込みの場合、スループットが2倍になるのでRCUsは半分で済み、3KBだと500RCUs、6KBだと1000RCUsです。

　書き込みも計算方法は同様で、3KBのデータを書き込むリクエストが毎秒10回あるとすると、30WCUsです。トランザクション書き込みはスループットが半分になるので、倍の60WCUsが必要になります。

　DynamoDBにはその他に、次のような特徴・機能があります。

● DynamoDBの特徴
特徴	説明
フィルタを使った読み込み	クエリやスキャンした結果にフィルタを設定し、結果を絞り込む機能
条件付き書き込み	データの有無や項目値に応じた条件を設定でき、該当したとき更新を行う機能
TTL （TimeToLive）	データ属性にTTLを設定し、有効期限を過ぎると自動的にテーブルからデータを削除する機能
DAX （DynamoDB Accelator）	マルチアベイラビリティゾーン構成で自動フェイルオーバー機能をもつインメモリキャッシュ
DynamoDB Streams	DynamoDB で行われたデータの追加・変更・削除履歴を記録する機能。更新前のデータを残す、更新前後のデータ双方残すなどのオプションも選択できる
クロスリージョン レプリケーション	リージョンをまたいでDynamoDBを構築する機能。リージョンを超えて1つのテーブルが構築されるわけではなく、DynamoDBのレプリカが別のリージョンに構成されるイメージ。更新は双方同期される
DynamoDB Trigger	DynamoDBへのデータ更新をきっかけにLambdaファンクションを実行する機能。別のテーブルの更新や監査ログの保存、プッシュ通知などの用途で利用可能

DynamoDBの利用料金

　DynamoDBの利用では、2種類の課金体系があります。リクエスト数に応じた従量課金となる「オンデマンドキャパシティモード」と、キャパシティユニットの設定値に応じて時間単位の従量課金となる「プロビジョンドキャパシティモード」です。いずれかのモードの料金に加えて、データベースに保存するデータ量や利用した機能に応じて料金が発生します。

● DynamoDBの利用料金
項目	内容
オンデマンド キャパシティモード	読み込みリクエスト数に応じた従量課金 書き込みリクエスト数に応じた従量課金
プロビジョンド キャパシティモード	オンデマンド 読み込みキャパシティユニット数と時間（1時間あたり）に応じた従量課金 書き込みキャパシティユニット数と時間（1時間あたり）に応じた従量課金 リザーブド 一定の読み込みキャパシティユニットに応じた1年間・3年間の固定料金（全額前払いおよび一部前払い、前払いなし）（全額前払い以外は月額固定費用を支払う） 一定の書き込みキャパシティユニットに応じた1年間・3年間の固定料金（全額前払いおよび一部前払い、前払いなし）（全額前払い以外は月額固定費用を支払う）
データベースストレージ	データ量に応じた従量課金
バックアップストレージ・ データ復元	データ量に応じた従量課金
データ転送量	DynamoDBへのデータ受信（イン）：無料 DynamoDB からのデータ送信（アウト）：転送量に応じた従量課金
グローバルテーブル （クロスリージョンレプリケーション）	オンデマンドキャパシティモード レプリケート書き込みリクエスト数に応じた従量課金 プロビジョンドキャパシティモード レプリケート書き込みキャパシティユニット数と時間に応じた従量課金
DAX	インスタンスタイプに応じた従量課金
DynamoDB Stream	Streamからの読み込みリクエスト数に応じた従量課金
DynamoDB Trigger	AWS Lambdaファンクションのリクエスト回数と実行時間に応じた従量課金

　詳細はAWSのサイトでも確認することができます。