DB 샤딩 & 파티셔닝 완전 가이드 2025: 수평 확장, Range/Hash/Directory, 리샤딩, Vitess

TL;DR

• 샤딩 = 수평 확장의 답: 단일 DB로 안 되는 규모에서 필수
• 샤드 키 선택이 운명: 잘못 선택하면 hot spot, 재샤딩 지옥
• 3대 전략: Range, Hash, Directory (Lookup) — 각각 장단점
• 분산 트랜잭션이 어려움: 2PC는 느림, Saga가 현실적
• Vitess가 표준: YouTube/Slack/GitHub이 사용. MySQL 위의 분산 레이어

1. 샤딩이란?

1.1 단일 DB의 한계

[Single DB]
  ├─ CPU: 1 머신만큼만
  ├─ RAM: 256GB? 512GB?
  ├─ 디스크: 30TB
  └─ 네트워크: 25 Gbps

→ 결국 한계에 도달

수직 확장 (Vertical Scaling):

• 더 큰 머신
• 한계 있음 (가장 큰 EC2 = 24TB RAM, $20+/시간)
• 단일 장애점

수평 확장 (Horizontal Scaling):

• 여러 머신
• 무한 확장
• 복잡도 증가

1.2 Read Replica로 해결?

[Primary] (쓰기)
   ↓ replication
[Replica 1] [Replica 2] [Replica 3] (읽기)

도움: 읽기 트래픽 분산.

한계: 쓰기는 여전히 Primary 1대. 쓰기가 병목이면 도움 안 됨.

→ 샤딩이 필요합니다.

1.3 샤딩의 정의

샤딩 = 데이터를 여러 독립적 DB(샤드)에 분산.

[users 테이블]
  ↓ shard by user_id
[Shard 1: user_id 1-1M]
[Shard 2: user_id 1M-2M]
[Shard 3: user_id 2M-3M]
...

각 샤드는 완전히 독립적인 DB. 자체 CPU, RAM, 디스크.

1.4 샤딩의 효과

100배 성능 + 5배 비용 = ROI 좋음. 단, 복잡도가 큰 문제.

2. 샤드 키 선택 — 가장 중요한 결정

2.1 좋은 샤드 키의 조건

1. 균등 분포 — 데이터가 모든 샤드에 균등 분산
2. 불변 — 한 번 정해지면 거의 안 변함
3. 쿼리 패턴 일치 — 자주 함께 조회되는 데이터는 같은 샤드
4. 카디널리티 높음 — 충분히 많은 고유 값
5. 단조 증가 X — auto-increment ID는 hot spot 위험

2.2 흔한 샤드 키 후보

user_id:

• ✅ 사용자 데이터를 한 샤드에 모음 (관련 데이터 같이)
• ❌ 큰 사용자가 hot spot
• ❌ user 간 JOIN 어려움

created_at:

• ❌ 단조 증가 → 모든 새 데이터가 한 샤드에 (hot spot)
• 시계열 데이터에는 OK

hash(id):

• ✅ 균등 분포
• ❌ 범위 쿼리 불가능
• ❌ 관련 데이터가 다른 샤드

country:

• ✅ Geographic 효율
• ❌ 매우 불균등 (US가 거대, 모나코는 작음)

organization_id:

• ✅ B2B SaaS에 이상적
• ❌ 큰 조직이 hot spot

2.3 Slack의 사례

Slack의 샤드 키 = workspace_id.

이유:

• 같은 workspace의 모든 데이터를 한 샤드에 → 빠른 조회
• workspace 간 JOIN 거의 없음
• workspace 단위로 자연스러운 격리

단점: 거대 enterprise workspace가 단일 샤드 압도 → "Whale shard" 문제.

해결: 거대 workspace는 자체 전용 샤드.

3. 샤딩 전략

3.1 Range Sharding

데이터를 키의 범위로 분할.

Shard 1: id 1 ~ 1,000,000
Shard 2: id 1,000,001 ~ 2,000,000
Shard 3: id 2,000,001 ~ 3,000,000

장점:

• 범위 쿼리 효율 (WHERE id BETWEEN 500000 AND 600000)
• 단순한 라우팅
• 새 샤드 추가 쉬움

단점:

• Hot spot 위험: 단조 증가 키면 새 데이터가 모두 마지막 샤드에
• 불균등 분포 가능

사용 사례: 시계열 데이터, BigTable, HBase

3.2 Hash Sharding

샤드 키의 hash로 분할.

shard_id = hash(user_id) % num_shards

장점:

• 균등 분포 — hash가 잘 만들어졌으면
• 단조 증가 키도 안전

단점:

• 범위 쿼리 불가능 (WHERE id BETWEEN ...)
• 새 샤드 추가 시 거의 모든 데이터 재분배 (% num_shards가 변하니까)

해결: Consistent Hashing — 샤드 추가/제거 시 일부 데이터만 이동.

3.3 Consistent Hashing

[원형 해시 공간]
        Shard A
       /
  Shard D
       \
        Shard B
       /
  Shard C

각 샤드와 데이터를 같은 해시 공간에 매핑. 데이터는 시계방향으로 가장 가까운 샤드에.

샤드 추가 시: 해당 부분만 재분배 (전체의 1/N).

Virtual Nodes: 각 샤드를 여러 가상 노드로 표현 → 더 균등.

사용: Cassandra, DynamoDB, Riak, Memcached.

3.4 Directory-Based Sharding

Lookup 테이블로 어떤 데이터가 어떤 샤드에 있는지 명시적 매핑.

[Lookup]
user_1 → Shard A
user_2 → Shard B
user_3 → Shard A
...

장점:

• 유연: 임의의 매핑 가능
• 균등하지 않은 분포도 처리
• 마이그레이션 쉬움

단점:

• Lookup 자체가 병목 (캐싱 필수)
• 추가 인프라 (Redis, Consul)
• 단일 장애점

사용: Vitess (이런 방식의 변형)

3.5 Geographic Sharding

위치별 샤드:

• US 사용자 → US 샤드
• EU 사용자 → EU 샤드
• Asia 사용자 → Asia 샤드

장점:

• 사용자에 가까이 → 낮은 latency
• 규제 준수 (GDPR — EU 데이터를 EU에)
• 자연스러운 분할

단점:

• 사용자 이동 시 어려움
• 글로벌 쿼리 어려움
• 매우 불균등 (지역별 사용자 수)

3.6 비교표

4. Hot Spot 문제

4.1 Hot Spot이란?

특정 샤드에 트래픽/데이터가 집중되는 현상.

원인:

• 잘못된 샤드 키 (인기 사용자, 인기 상품)
• 단조 증가 키 (created_at)
• 불균등 분포 (몇몇 거대 조직)

4.2 영향

[Shard 1: 10% 트래픽]
[Shard 2: 5% 트래픽]
[Shard 3: 80% 트래픽] ← Hot spot! 죽음
[Shard 4: 5% 트래픽]

전체 시스템이 가장 약한 샤드에 의해 결정됩니다.

4.3 탐지

-- 샤드별 데이터 양
SELECT shard_id, COUNT(*) as row_count
FROM users
GROUP BY shard_id;

-- 샤드별 쿼리 수 (애플리케이션 메트릭)

경고 신호:

• 한 샤드가 평균보다 5배+ 큼
• 한 샤드의 CPU/IO가 100%

4.4 해결책

1. 샤드 키 변경

• 가장 좋지만 가장 어려움 (재샤딩 필요)

2. Composite Key

shard_key = hash(user_id + timestamp_bucket)

시간 기반 + 사용자 기반 결합.

3. 하위 샤딩 (Sub-sharding)

• Hot 샤드를 더 잘게 분할
• "Whale shard" 처리

4. 캐싱

• 핫 데이터를 Redis로
• DB 부하 감소

5. 읽기 복제본

• 읽기 부하 분산
• 쓰기는 여전히 hot

4.5 예시: Twitter의 Celebrity Problem

문제: 한 셀럽 사용자(예: 일론 머스크)가 트윗 → 수억 followers의 timeline 업데이트.

해결:

• Fan-out on write (일반 사용자): 트윗 시 followers의 timeline에 미리 작성
• Fan-in on read (셀럽): 트윗 시 timeline 안 만듦, 읽을 때 가져옴
• 하이브리드: 활성 followers는 fan-out, 비활성은 fan-in

5. 분산 쿼리의 어려움

5.1 단일 샤드 쿼리

SELECT * FROM users WHERE user_id = 12345;

→ user_id로 샤드 결정 → 해당 샤드만 쿼리. 매우 빠름.

5.2 Cross-Shard 쿼리

SELECT COUNT(*) FROM users WHERE country = 'KR';

→ 모든 샤드에 쿼리 → 결과 합산. 느림 + 부하.

5.3 JOIN의 어려움

SELECT u.name, o.total
FROM users u
JOIN orders o ON o.user_id = u.user_id
WHERE u.country = 'KR';

users와 orders가 다른 샤드에 있으면? 분산 JOIN 필요.

전략:

1. Co-location: 같은 user_id의 users와 orders를 같은 샤드에
2. Denormalization: orders에 user 정보 복사
3. 분산 쿼리 엔진: Vitess, Citus가 자동 처리
4. CQRS: 쿼리용 별도 DW (Snowflake) 사용

5.4 분산 트랜잭션

def transfer(from_user, to_user, amount):
    # 두 사용자가 다른 샤드에 있을 수 있음
    db.update(f"... WHERE user_id={from_user}", -amount)
    db.update(f"... WHERE user_id={to_user}", +amount)

문제: 첫 update 성공 + 두 번째 실패 → 돈 사라짐.

해결:

1. 2PC (Two-Phase Commit):

• Prepare → Commit
• 모든 샤드가 동의해야 commit
• 느림 + 단일 장애점 → 비추천

2. Saga 패턴:

• 보상 트랜잭션
• Eventually consistent
• 실전 표준

3. 같은 샤드에 보장:

• 가능하면 전송자/수신자를 같은 샤드에
• 항상 가능하지는 않음

6. 리샤딩 — 가장 무서운 작업

6.1 왜 리샤딩이 어려운가?

• 데이터 이동: 수십 TB 이동
• 무중단: 사용자 영향 X
• 롤백: 문제 시 복구
• 일관성: 이동 중 쓰기/읽기 처리

6.2 리샤딩 시나리오

1. 샤드 추가: 4 샤드 → 8 샤드 2. 샤드 분할: 거대 샤드를 둘로 3. 샤드 병합: 작은 샤드 합치기 4. 샤드 키 변경: 가장 어려움

6.3 리샤딩 패턴

1. Bulk Copy + Switchover:

1. 새 샤드에 데이터 복사
2. 짧은 maintenance window
3. 트래픽 전환
4. 옛 샤드 삭제

단점: 다운타임.

2. CDC + Dual Write:

1. CDC로 옛 → 새 샤드 동기화
2. 애플리케이션이 옛 + 새 둘 다 쓰기 (dual write)
3. 데이터 일치 확인
4. 읽기를 새로 전환
5. 옛 샤드 폐기

무중단, 복잡.

3. Online Migration:

• Vitess의 VReplication
• 자동화된 무중단 마이그레이션
• 진행률 모니터링

6.4 사례: Slack의 샤딩 진화

• 2017: 단일 MySQL → 복제본
• 2018: 첫 샤딩 (workspace_id)
• 2020: Vitess 도입
• 2022: Whale workspace 처리
• 2024: 수천 샤드, 페타바이트

교훈: 샤딩은 한 번에 끝나지 않음. 지속적 진화.

7. Vitess — MySQL 위의 분산 레이어

7.1 Vitess란?

YouTube가 만든 MySQL 샤딩 솔루션. CNCF 졸업.

[Client]
   ↓
[VTGate] (쿼리 라우터)
   ↓
[VTTablet] [VTTablet] [VTTablet]
   ↓        ↓          ↓
[MySQL]  [MySQL]    [MySQL]

장점:

• MySQL 호환 — 기존 코드 그대로
• 자동 샤딩 — 키 기반 라우팅
• 스키마 마이그레이션 — 안전한 DDL
• VReplication — 무중단 리샤딩
• 검증된 규모 — YouTube, Slack, GitHub, Square

7.2 사용 회사

• YouTube (창시자, 페타바이트)
• Slack (대규모)
• GitHub (MySQL → Vitess 전환)
• Square
• Pinterest
• JD.com (중국 최대 e-commerce)

7.3 VSchema 예시

{
  "sharded": true,
  "vindexes": {
    "hash": {
      "type": "hash"
    }
  },
  "tables": {
    "users": {
      "column_vindexes": [
        {
          "column": "user_id",
          "name": "hash"
        }
      ]
    }
  }
}

→ VTGate가 자동으로 user_id 기반 샤딩.

8. 다른 분산 DB 옵션

8.1 Citus (PostgreSQL)

PostgreSQL 확장. 분산 쿼리, 분산 트랜잭션 지원.

SELECT create_distributed_table('events', 'user_id');

장점: PostgreSQL 호환, SQL 그대로. 단점: PostgreSQL 한계 (Vitess보다 성숙도 낮음).

8.2 CockroachDB

처음부터 분산 SQL DB로 설계.

장점:

• PostgreSQL 호환
• 자동 샤딩 (range-based)
• 글로벌 분산 지원
• 분산 ACID 트랜잭션

단점:

• 일부 PG 기능 미지원
• 더 비싼 운영
• 학습 곡선

사용: DoorDash, Bose, Comcast.

8.3 YugabyteDB

CockroachDB와 비슷. PostgreSQL 호환 + Cassandra 호환 동시.

8.4 TiDB

MySQL 호환 + 자동 분산. 중국에서 인기.

8.5 비교표

9. 실전 — e-commerce 샤딩 설계

9.1 시나리오

• 1억 사용자
• 일일 1000만 주문
• 단일 PostgreSQL 한계 도달

9.2 분석

테이블:

• users (1억 행)
• orders (10억 행)
• products (100만 행)
• reviews (50억 행)

9.3 샤딩 결정

1. users:

• 샤드 키: user_id (hash)
• 16개 샤드
• 균등 분포

2. orders:

• 샤드 키: user_id (hash, users와 같은 샤드)
• 같은 사용자의 user + orders가 같은 샤드 → JOIN 빠름

3. products:

• 작음 (100만 행)
• 샤딩 X — 단일 DB + 읽기 복제본
• 또는 모든 샤드에 복제

4. reviews:

• 샤드 키: product_id (hash)
• product 기준 분석에 적합

9.4 쿼리 패턴

-- 사용자 주문 (같은 샤드)
SELECT * FROM orders WHERE user_id = 12345;
-- ✅ 빠름

-- 사용자 정보 + 주문 (같은 샤드, JOIN OK)
SELECT u.*, o.*
FROM users u JOIN orders o ON o.user_id = u.user_id
WHERE u.user_id = 12345;
-- ✅ 빠름

-- 제품 리뷰 (다른 샤드)
SELECT * FROM reviews WHERE product_id = 67890;
-- ✅ 빠름

-- 사용자가 작성한 모든 리뷰 (cross-shard)
SELECT * FROM reviews WHERE user_id = 12345;
-- ⚠️ 느림 — 모든 reviews 샤드 검색

-- 해결: 비정규화. users 샤드에도 review 요약 저장.

9.5 인프라

[Application]
    ↓
[ProxySQL / Vitess]
    ↓
[16 user shards]
[16 order shards (co-located)]
[1 products DB + 5 read replicas]
[8 reviews shards]

9.6 모니터링

• 샤드별 쿼리 수
• 샤드별 디스크 사용량
• Cross-shard 쿼리 비율
• Hot spot 탐지

10. 샤딩의 함정과 교훈

10.1 너무 일찍 샤딩

잘못된 결정: 트래픽이 1000 QPS인데 샤딩.

현실:

• 단일 PostgreSQL = 50,000 QPS+
• Read replica = 200,000 QPS+
• 적절한 인덱스 + 캐싱 = 더 많이

→ 샤딩 전에 다른 모든 최적화를 먼저 시도하세요.

10.2 잘못된 샤드 키

GitHub의 첫 샤딩 시도가 실패한 사례:

• repo_id로 샤딩 → 인기 repo가 hot spot
• Linus의 linux 저장소가 단일 샤드 압도
• 재샤딩 필요 (수개월의 작업)

교훈: 샤드 키는 변경하기 매우 어렵다. 처음에 신중히.

10.3 분산 트랜잭션 회피

분산 트랜잭션은 정말 어려움. 가능한 한 같은 샤드 안에서만 트랜잭션 보장.

설계 시: 쓰기 트랜잭션이 항상 단일 샤드 안에 들어가도록 데이터 모델 설계.

10.4 운영 복잡도

샤딩한 시스템은:

• 백업 복잡 (16개 샤드 동시)
• 모니터링 복잡
• 디버깅 어려움 (어느 샤드?)
• 마이그레이션 어려움

→ 자동화 필수. 운영 인력 충분히.

10.5 NewSQL이 답?

CockroachDB, YugabyteDB 같은 NewSQL은 자동 샤딩 + 분산 트랜잭션. 수동 샤딩의 복잡도 없음.

언제 NewSQL?:

• 새 프로젝트
• 강한 일관성 필요
• 운영 인력 부족

언제 수동 샤딩?:

• 기존 MySQL/PostgreSQL
• 극단적 성능 필요
• NewSQL 성숙도 우려

퀴즈

참고 자료

• Designing Data-Intensive Applications — Martin Kleppmann (샤딩 챕터)
• Vitess — YouTube 공식
• Citus Data
• CockroachDB Docs
• YugabyteDB
• TiDB
• Slack's Data Stores — Vitess 마이그레이션
• GitHub MySQL → Vitess
• Stripe's Sharding Approach
• Discord's Trillion Messages — Cassandra 사용
• Pinterest Sharding