분산 데이터베이스(Distributed Database)

분산된 저장소(node)들이 네트워크를 통해 연결되어 작동하는 하나의 데이터베이스 관리 시스템(DBMS)

등장배경

분산 데이터베이스는 하나의 데이터베이스를 쓰는 것 같지만 실제로는 여러 개의 데이터베이스를 쓰게 된다. 이를 통해 '보안'과 '빠른 처리속도'라는 이점을 갖는다. 데이터베이스의 기능이 다양하고 데이터 양이 많이 증가하는 환경에서 활용하면 좋다.

6가지 투명성의 특징(Transparency)

1. 병행 투명성 : 다수의 트랜잭션 수행 시 일관성 유지 / 자원처리의 양, 속도 개선
2. 장애 투명성 : 장애 발생이 All or Nothing 유지(원자성 유지) / 데이터 일관성
3. 지역사상 투명성 : 개별 지역의 물리적 이름과 관계없이 접근 가능 / 확장성 확보
4. 위치 투명성 : 데이터를 물리적 저장 위치가 아닌 논리적 입장에서 접근 / 생산성, 활용성 강화
5. 중복 투명성 : 데이터를 지역별로 중복 저장하여도 데이터 처리 가능 / 병목현상 해소
6. 분할 투명성 : 물리적 구조가 여러 단편으로 분할 저장되어 논리적 사용 / 성능향상

분산 데이터베이스 방식

1. Clustering

등장배경 : 데이터베이스 서버가 죽으면? → 데이터베이스 서버를 여러 개로 만들자!
Active-Active, Active-Standby
장점 : 서버가 여러 대이기 때문에 성능적으로 유리하고, 서버 하나가 죽어도 다른 서버가 역할을 대신할 수 있어서 지속적인 서비스 제공이 가능하다.
단점 : 서버 여러 대를 동시에 운영하기 때문에 비용이 많이 들어가고, 데이터베이스 storage는 1개여서 병목이 생길 수 있다.

2. Replication

등장배경 : 저장된 데이터가 손실되면? → 데이터베이스 storage도 여러 개로 하자!
Master-Slave : 부하 분산 방식, Slave는 Read-only
장점 : 데이터베이스 Read(Select)성능을 높일 수 있고, 비동기 방식으로 운영되어 지연시간이 거의 없다.
단점 : 각 노드간의 데이터 동기화 보장이 어렵고, Master노드가 다운되면 복구 및 대처가 어렵다.

3. Sharding

등장배경 : 데이터가 너무 많아서 검색 성능이 좋지 않아서 빠르게 하려면? → 테이블을 나누어서 저장하자!
장점 : 서버의 수평적 확장이 가능하고, 스캔 범위를 줄여주기 때문에 쿼리 반응 속도가 빨라진다.
단점 : 데이터를 적절히 분리하지 못하면 오히려 샤딩 전보다 비효율적일 수 있고, 한 번 분할되면 다시 합치기 어렵다.

• 데이터 잘 분산시키기
  Shard key로 나눠진 샤딩 방법
  1. 해시 샤딩
  2. 다이나믹 샤딩
  3. 엔티티 그룹 샤딩

분산 데이터베이스 장단점

[장점]
1. 시스템의 가용성 확보
2. 지역업무에 특화된 서비스 제공
3. 시스템 확장 및 적응성
4. 장애에 대한 신뢰성 증진
5. 지역별 자원 활용 및 확장성 용이
[단점]
1. 트랜잭션에 대한 처리 알고리즘이 복잡
2. 관리가 복잡하여 비용 증대
3. 통신망 장애 시 부가적 피해 가능성
4. 잠재적 오류 내재 가능성
5. 설계 및 구현의 어려움

분산 데이터베이스와 블록체인의 차이점

분산 데이터베이스	퍼블릭 블록체인
재해복구, 백업	악의적인 사용자를 전제하고 만들어진 시스템 : 합의 알고리즘
성능상의 이점	운영 주체가 사라져도 시스템 유지 가능 : 탈중앙화, 거버넌스

분산 데이터베이스 > 분산 원장 > 블록체인

분산원장(Distributed Ledger)

= 공유원장, 분산원장기술
분산 데이터베이스의 한 종류로, 거래정보를 기록한 원장을 분산화된 네트워크에서 참여자들이 공동으로 저장하고 기록한 기술
P2P 네트워크가 필요하다면 노드 간 복제데이터에 대한 합의 알고리즘이 수행되어야 한다.

중앙집중형 원장

• 장점
  소유권을 명확히 할 수 있다.
• 단점
  해당 기관에 대한 신뢰에 크게 의존
  신뢰할 수 있는 제3기관 설립, 운영에 높은 사회적 비용
  이용자의 높은 수수료 부담
  규제 및 감독의 진입장벽으로 혁신적인 신규서비스 및 사업자의 진출을 제한

분산원장

• 장점
  효율성(Efficiency)
  보안성(Security)
  시스템 안정성(Resilience)
  투명성(Transparency)
• 단점
  신뢰를 담보해 줄 외부기관이 존재하지 않기 때문에 시스템 자체에서 신뢰를 형성하는 매커니즘을 설계해야 한다.
  특정 내부 참가자가 악의적으로 원장을 조작하여 배포하는 것을 차단하면서 원장을 갱신할 수 있는 합의 절차를 마련하지 못했기 때문에, 비트코인 개발 이전까지는 금융서비스에 실제로 적용하지 못했다.

세그윗(SegWit)

Segregated Witness의 약자
비트코인의 블록에서 디지털서명 부분을 분리함으로써 블록당 저장 용량을 늘리는 소프트웨어 업그레이드

등장배경

점차 비트코인 블록체인을 활용하는 유저가 많아지면서 ‘속도’와 ‘확장성’을 개선해야 했다.

• 속도 : 합의에 도달하여 거래기록이 장부에 기록되는데 걸리는 시간
• 확장성 : 갑자기 많은 트래픽이 발생했을 경우 다운이나 지연없이 서비스 연속성이 보장되는 성질

🌈 블록체인의 속도와 확장성 개선을 위한 방법
1. 블록의 용량↑ : 세그윗
2. 블록체인 내 기술도입 : 샤딩
3. 블록체인 외부와 연계
4. 합의 알고리즘 재설계

서명부분을 Off-Chain에서 작동하게 분리함으로써 기존 시스템에는 영향을 주지 않으면서 처리속도를 개선하였다.

적용

• 그로스톨코인(Groestlcoin)
  기존의 비트코인에서 세그윗을 처음으로 활성화하고 라이트닝 네트워크를 지원한 암호화폐
  개인정보 보호 지향, 수수료 거의 없음, 안전한 코인을 목표로 한다.

특징

• 거래속도의 확장성 해결
  서명부분을 따로 Witness라는 데이터 영역으로 분리해 더 많은 거래를 처리할 수 있다.
• 거래 가변성(변할 수 있음) 문제 해결
  TXID를 따로 보관, 관리함으로써 실질적인 거래내용에는 변화가 없지만 TXID만 변경하여 새로운 거래를 만들어 낼 수도 있는 문제를 해결하였다.(서명 조작 불가)
• 버전 호환
  소프트포크 업그레이드(이전 버전과 호환이 가능하다.)

머클트리

여러 데이터에 대해 단계적으로 해시함수를 적용하여 하나의 해시값으로 나타내는 데이터 구조
블록체인에 있는 데이터의 위변조를 방지하고 무결성(변하지 않았음)을 보장한다.
여러 개의 데이터를 여러 단계를 거쳐 하나의 해시값으로 만드는 트리

• Merkle Root : 여러 데이터를 모아 만들어진 하나의 해시값

머클트리가 무결성을 보장하는 방법

해시함수는 서로 다른 입력에 대해 동일한 출력값을 가지지 않기 때문에 데이터의 값이 변화할 경우,
다른 해시값들이 연쇄적으로 변하게 되어 기존의 머클루트 값과 다른 값을 갖게 된다.

블록체인에서 머클트리를 사용하는 방법

블록의 모든 트랜잭션을 반복 해싱하여 얻은 머클루트 값이 블록 헤더에 포함된다.
이 블록 헤더의 해시값이 블록의 고유한 해시값이 되고 이 해시값은 다음 블록의 헤더에 포함된다.
따라서 특정 블록에 있는 트랜잭션을 하나라도 변경하는 경우 블록은 체인처럼 모두 연결되어 있기 때문에 해당 블록 이후에 연결된 블록을 모두 수정해야 한다.