【ITニュース解説】Wal3: A Write-Ahead Log for Chroma, Built on Object Storage

AIや機械学習の分野で注目されている「ベクトルデータベース」の一つであるChromaが、そのデータ管理の心臓部とも言える仕組みを刷新した。Wal3と名付けられたこの新しい技術は、現代のクラウド環境、特にオブジェクトストレージ上でデータベースを効率的に動作させるための重要な解決策である。この技術を理解するためには、まずデータベースがデータを安全に保つための基本的な仕組み、「書き込み先行ログ（Write-Ahead Log、WAL）」について知る必要がある。データベースは、データの変更要求を受け取ると、すぐに実際のデータを書き換えるのではなく、まず「これからこういう変更をします」という予定表、すなわち「ログ」にその内容を記録する。このログへの記録が完了してから、実際のデータファイルに変更を反映させる。この手順を踏むことで、もしデータの書き換え中にシステムが突然停止しても、再起動時にログを読み返すことで、中途半端な状態で失われるはずだったデータを正確に復元できる。この仕組みが、データベースの信頼性、特にデータの永続性を保証する上で極めて重要な役割を担っている。

しかし、この伝統的なWALの仕組みは、ローカルのハードディスクやSSDのような、ファイルに情報を「追記」できるストレージを前提として設計されてきた。一方で、Amazon S3に代表される「オブジェクトストレージ」は、現代のクラウドシステムで広く利用されているが、その動作原理は大きく異なる。オブジェクトストレージは、一度保存されたファイル（オブジェクト）の一部だけを書き換える「追記」や「部分更新」が非常に苦手である。オブジェクト内のデータを少しでも変更したい場合、変更後のデータでオブジェクト全体を丸ごと上書き（再アップロード）する必要がある。この特性のため、従来のWALをオブジェクトストレージ上でそのまま利用しようとすると、ログを一行書き加えるたびに、巨大なログファイル全体を再アップロードする、という非常に非効率な処理が発生してしまう。これは、システムの性能を著しく低下させるだけでなく、データ転送量に応じたクラウドの利用料金を増大させる原因にもなっていた。Chromaもこの問題に直面し、クラウドネイティブな環境で真価を発揮するためには、WALの仕組みを根本から見直す必要があった。

この課題を解決するために開発されたのが「Wal3」である。Wal3の核心的なアイデアは、巨大な単一のログファイルを持つのではなく、ログを非常に小さな単位、「マイクロログ」に分割して管理することにある。データの変更が発生するたびに、その変更内容だけを記録した小さなマイクロログファイルを一つ作成し、独立したオブジェクトとしてオブジェクトストレージに保存する。これにより、変更のたびに巨大なファイルを再アップロードする必要がなくなり、オブジェクトストレージの特性に適合した、高速かつ低コストな書き込みが実現された。このアプローチは、ログの追記という操作を、新しい小さなオブジェクトの作成という操作に置き換えることで、オブジェクトストレージの制約を回避している。

さらにWal3は、効率的なデータ復旧とストレージ管理のために「チェックポイント」という仕組みを導入した。チェックポイントとは、ある特定の時点におけるデータベースの全データ状態を丸ごとスナップショットとして保存したものである。定期的にこのチェックポイントを作成することで、それ以前のマイクロログはデータ復旧に不要となるため、安全に削除することができる。もしシステムが再起動した場合、最新のチェックポイントからデータを読み込み、そのチェックポイントが作成された後に追加されたマイクロログだけを順に適用していけば、最新の状態を迅速に復元できる。これにより、起動時に読み込むべきログの量が大幅に削減され、システムの起動時間が短縮される。また、不要になった古いログを削除することで、ストレージの使用量を抑え、コスト削減にも貢献する。これらのマイクロログとチェックポイントが、いつ作成され、どの順番で適用されるべきかを管理するために、Wal3は専用のメタデータファイルも利用する。このファイルが全体の状態を管理する索引の役割を果たし、システムの整合性を保つ。

Wal3の導入により、Chromaは多くの利点を獲得した。第一に、オブジェクトストレージ上でネイティブに動作する能力を手に入れたことで、真のクラウドネイティブデータベースへと進化した。第二に、オブジェクトストレージが提供する極めて高いデータの耐久性をそのまま活用できるため、システムの信頼性が向上した。第三に、複数のコンピュータが同じオブジェクトストレージ上のログを共有することで、一貫性を保ちながらシステムを水平に拡張（スケールアウト）することが容易になった。これにより、より大規模なデータ処理にも対応できるようになった。Wal3は、データベースの信頼性を支える伝統的なWALの概念を、現代のクラウドインフラストラクチャの現実に合わせて再構築した、優れた技術的解決策である。この事例は、既存の技術が新しい環境で壁にぶつかった際に、その根本的な原理に立ち返り、環境の特性を活かす形で再設計することの重要性を示している。