NewSQL: توسيع نطاق معاملات ACID الموزعة للتطبيقات العالمية

في عالم اليوم القائم على البيانات، تتطلب التطبيقات قابلية التوسع واتساق البيانات على حد سواء. قواعد البيانات العلائقية التقليدية، على الرغم من توفيرها لضمانات ACID (الذرية، الاتساق، العزل، الديمومة) القوية، غالبًا ما تواجه صعوبة في التوسع أفقيًا. من ناحية أخرى، توفر قواعد بيانات NoSQL قابلية التوسع ولكنها عادةً ما تضحي بخصائص ACID لصالح الأداء. تظهر قواعد بيانات NewSQL كحل وسط، تهدف إلى الجمع بين أفضل ما في العالمين: قابلية التوسع وأداء NoSQL مع ضمانات ACID لأنظمة إدارة قواعد البيانات العلائقية (RDBMS) التقليدية.

ما هي NewSQL؟

ليست NewSQL تقنية قاعدة بيانات واحدة بل هي فئة من أنظمة إدارة قواعد البيانات العلائقية الحديثة (RDBMS) التي تسعى إلى توفير نفس ضمانات ACID التي توفرها أنظمة قواعد البيانات التقليدية مع تحقيق قابلية التوسع لأنظمة NoSQL. وهي مصممة للتعامل مع معالجة المعاملات ذات الحجم الكبير وأحجام البيانات الضخمة، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات الحديثة والموزعة.

بشكل أساسي، تم تصميم أنظمة NewSQL لمعالجة قيود أنظمة إدارة قواعد البيانات العلائقية التقليدية عند العمل على نطاق واسع. تقوم بتوزيع البيانات والمعالجة عبر عدة عقد، مما يسمح بالتوسع الأفقي، مع ضمان معالجة المعاملات بطريقة موثوقة ومتسقة.

الخصائص الرئيسية لقواعد بيانات NewSQL

• الامتثال لـ ACID: تعطي قواعد بيانات NewSQL الأولوية لخصائص ACID لضمان سلامة واتساق البيانات. وهذا مطلب حاسم للتطبيقات التي تتعامل مع بيانات حساسة أو تتطلب ضمانات معاملات صارمة، مثل الأنظمة المالية أو منصات التجارة الإلكترونية.
• قابلية التوسع: هي مصممة للتوسع أفقيًا عن طريق توزيع البيانات والمعالجة عبر عدة عقد. وهذا يسمح لها بالتعامل مع أعباء العمل وأحجام البيانات المتزايدة دون التضحية بالأداء.
• واجهة SQL: توفر معظم قواعد بيانات NewSQL واجهة متوافقة مع SQL، مما يسهل على المطورين ترحيل التطبيقات الحالية أو الاستفادة من مهاراتهم الحالية في SQL.
• البنية الموزعة: عادةً ما تُبنى قواعد بيانات NewSQL على بنية موزعة، مما يسمح لها بتحقيق التوافر العالي والتسامح مع الأخطاء.
• الأداء: تم تحسينها لمعالجة المعاملات عالية الأداء، وغالبًا ما تستخدم تقنيات مثل تخزين البيانات في الذاكرة، ومعالجة الاستعلامات الموزعة، والتحكم في التزامن بدون أقفال.

النهج المعمارية في NewSQL

تُستخدم عدة نهج معمارية في تطبيقات قواعد بيانات NewSQL. تختلف هذه النهج في كيفية تحقيقها لقابلية التوسع وضمانات ACID.

1. بنية عدم المشاركة (Shared-Nothing)

في بنية عدم المشاركة، كل عقدة في المجموعة لها مواردها المستقلة (وحدة المعالجة المركزية، الذاكرة، التخزين). يتم تقسيم البيانات وتوزيعها عبر هذه العقد. توفر هذه البنية قابلية توسع ممتازة لأن إضافة المزيد من العقد يزيد بشكل خطي من سعة النظام. من أمثلة قواعد بيانات NewSQL التي تستخدم بنية عدم المشاركة Google Spanner و CockroachDB.

مثال: تخيل منصة تجارة إلكترونية عالمية لديها مستخدمون في جميع أنحاء العالم. باستخدام قاعدة بيانات NewSQL ذات بنية عدم المشاركة، يمكن للمنصة توزيع بياناتها عبر عدة مراكز بيانات موزعة جغرافيًا. وهذا يضمن زمن استجابة منخفض للمستخدمين في مناطق مختلفة ويوفر توافرًا عاليًا في حالة انقطاع الخدمة في منطقة ما.

2. بنية الذاكرة المشتركة (Shared-Memory)

في بنية الذاكرة المشتركة، تشترك جميع العقد في المجموعة في نفس مساحة الذاكرة. وهذا يسمح بالوصول السريع إلى البيانات والتواصل بين العقد. ومع ذلك، فإن هذه البنية محدودة عادةً في قابلية التوسع لأن الذاكرة المشتركة تصبح عنق زجاجة مع زيادة عدد العقد. من أمثلة قواعد البيانات التي تستفيد من هذه البنية (على الرغم من أنها ليست NewSQL بالمعنى الدقيق للكلمة، ولكنها تظهر نهجًا مشابهًا في توسيع نطاق المعاملات) بعض مجموعات قواعد البيانات في الذاكرة.

3. بنية القرص المشترك (Shared-Disk)

في بنية القرص المشترك، تشترك جميع العقد في المجموعة في نفس أجهزة التخزين. وهذا يبسط إدارة البيانات ويوفر توافرًا عاليًا. ومع ذلك، يمكن أن تكون هذه البنية أيضًا عنق زجاجة حيث يجب على جميع العقد الوصول إلى نفس التخزين. يمكن اعتبار بعض أنظمة RDBMS التقليدية، عند تجميعها، ضمن السياق الأوسع لمعالجة المعاملات القابلة للتوسع، على الرغم من أنها قد لا توصف بأنها NewSQL.

معاملات ACID في بيئة موزعة

يعد الحفاظ على خصائص ACID في بيئة موزعة تحديًا معقدًا. تستخدم قواعد بيانات NewSQL تقنيات مختلفة لضمان اتساق البيانات وموثوقيتها.

1. بروتوكول الالتزام على مرحلتين (2PC)

2PC هو بروتوكول مستخدم على نطاق واسع لضمان الذرية عبر عدة عقد. في 2PC، تقوم عقدة منسقة بتنسيق المعاملة عبر جميع العقد المشاركة. تتم المعاملة على مرحلتين: مرحلة التحضير ومرحلة الالتزام. خلال مرحلة التحضير، تستعد كل عقدة للالتزام بالمعاملة وتبلغ المنسق. إذا كانت جميع العقد جاهزة، يوجهها المنسق للالتزام. إذا فشلت أي عقدة في التحضير، يوجه المنسق جميع العقد للإلغاء.

التحدي: يمكن أن يكون 2PC بطيئًا ويقدم نقطة فشل واحدة (المنسق). لذلك، غالبًا ما تفضل أنظمة NewSQL الحديثة بروتوكولات بديلة.

2. خوارزميات الإجماع Paxos و Raft

Paxos و Raft هما خوارزميتا إجماع تسمحان لنظام موزع بالاتفاق على قيمة واحدة، حتى في وجود أعطال. غالبًا ما تُستخدم هذه الخوارزميات في قواعد بيانات NewSQL لضمان اتساق البيانات والتسامح مع الأخطاء. إنها توفر بديلاً أكثر قوة وكفاءة لـ 2PC.

مثال: تستخدم CockroachDB خوارزمية Raft لتكرار البيانات عبر عدة عقد وضمان اتساق جميع النسخ المتماثلة. هذا يعني أنه حتى لو فشلت عقدة واحدة، يمكن للنظام الاستمرار في العمل دون فقدان البيانات أو عدم الاتساق.

3. واجهة برمجة تطبيقات TrueTime من Spanner

تستخدم Google Spanner نظامًا موزعًا عالميًا لتوقيت الطوابع الزمنية ومتسقًا خارجيًا يسمى TrueTime. يوفر TrueTime حدًا أعلى مضمونًا لعدم اليقين في الساعة، مما يسمح لـ Spanner بتحقيق اتساق قوي عبر مراكز البيانات الموزعة جغرافيًا. وهذا يمكّن Spanner من إجراء معاملات موزعة عالميًا بزمن استجابة منخفض وإنتاجية عالية.

الأهمية: يعد TrueTime مكونًا حاسمًا في بنية Spanner، حيث يسمح لقاعدة البيانات بالحفاظ على قابلية التسلسل (serializability)، وهو أقوى مستوى من العزل، حتى في بيئة موزعة.

فوائد استخدام قواعد بيانات NewSQL

• قابلية التوسع: يمكن لقواعد بيانات NewSQL التوسع أفقيًا للتعامل مع أعباء العمل وأحجام البيانات المتزايدة.
• الامتثال لـ ACID: توفر ضمانات ACID قوية، مما يضمن سلامة واتساق البيانات.
• الأداء: تم تحسينها لمعالجة المعاملات عالية الأداء.
• التسامح مع الأخطاء: هي مصممة لتكون متسامحة مع الأخطاء، مما يعني أنها يمكن أن تستمر في العمل حتى لو فشلت بعض العقد.
• التوافق مع SQL: توفر معظم قواعد بيانات NewSQL واجهة متوافقة مع SQL، مما يسهل ترحيل التطبيقات الحالية.

حالات استخدام قواعد بيانات NewSQL

تعتبر قواعد بيانات NewSQL مناسبة لمجموعة واسعة من التطبيقات التي تتطلب قابلية التوسع واتساق البيانات. تشمل بعض حالات الاستخدام الشائعة ما يلي:

1. التطبيقات المالية

تتطلب التطبيقات المالية، مثل الأنظمة المصرفية ومعالجات الدفع، ضمانات ACID صارمة لضمان دقة وموثوقية المعاملات المالية. يمكن لقواعد بيانات NewSQL توفير قابلية التوسع والأداء اللازمين للتعامل مع معالجة المعاملات ذات الحجم الكبير مع الحفاظ على سلامة البيانات.

مثال: تحتاج بوابة دفع عالمية تعالج ملايين المعاملات يوميًا إلى قاعدة بيانات يمكنها التعامل مع حجم الحركة المرتفع وضمان معالجة جميع المعاملات بشكل صحيح. يمكن لقاعدة بيانات NewSQL توفير قابلية التوسع وضمانات ACID اللازمة لتلبية هذه المتطلبات.

2. منصات التجارة الإلكترونية

تحتاج منصات التجارة الإلكترونية إلى التعامل مع عدد كبير من المستخدمين والمعاملات المتزامنة. يمكن لقواعد بيانات NewSQL توفير قابلية التوسع والأداء اللازمين للتعامل مع هذا العبء مع ضمان معالجة الطلبات بشكل صحيح وتحديث المخزون بدقة.

مثال: يحتاج بائع تجزئة كبير عبر الإنترنت إلى قاعدة بيانات يمكنها التعامل مع الأحمال القصوى خلال مواسم التسوق في العطلات. يمكن لقاعدة بيانات NewSQL التوسع لتلبية الطلب المتزايد وضمان معالجة جميع الطلبات دون أخطاء.

3. تطبيقات الألعاب

تحتاج الألعاب متعددة اللاعبين عبر الإنترنت (MMOs) إلى التعامل مع عدد كبير من اللاعبين المتزامنين ومنطق اللعبة المعقد. يمكن لقواعد بيانات NewSQL توفير قابلية التوسع والأداء اللازمين للتعامل مع هذا العبء مع ضمان اتساق حالة اللعبة وعدم قدرة اللاعبين على الغش.

مثال: تحتاج لعبة MMO شهيرة إلى قاعدة بيانات يمكنها التعامل مع ملايين اللاعبين المتزامنين وضمان اتساق جميع بيانات اللاعبين. يمكن لقاعدة بيانات NewSQL توفير قابلية التوسع وضمانات ACID اللازمة لتلبية هذه المتطلبات.

4. إدارة سلسلة التوريد

سلاسل التوريد الحديثة موزعة عالميًا وتتطلب رؤية في الوقت الفعلي لمستويات المخزون وحالة الطلب وتتبع الشحنات. يمكن لقواعد بيانات NewSQL توفير قابلية التوسع والأداء اللازمين للتعامل مع حجم البيانات الكبير الذي تولده أنظمة سلسلة التوريد مع ضمان دقة واتساق البيانات.

5. منصات إنترنت الأشياء (IoT)

تولد منصات إنترنت الأشياء كميات هائلة من البيانات من الأجهزة المتصلة. يمكن استخدام قواعد بيانات NewSQL لتخزين وتحليل هذه البيانات، وتوفير رؤى حول أداء الأجهزة وأنماط الاستخدام والمشكلات المحتملة. كما أنها تضمن تخزين ومعالجة بيانات إنترنت الأشياء الحرجة، مثل قراءات أجهزة الاستشعار وأوامر التحكم، بشكل موثوق.

أمثلة على قواعد بيانات NewSQL

فيما يلي بعض الأمثلة البارزة لقواعد بيانات NewSQL:

• Google Spanner: خدمة قاعدة بيانات موزعة عالميًا وقابلة للتوسع ومتسقة بقوة.
• CockroachDB: قاعدة بيانات SQL موزعة مبنية على مخزن قيمة-مفتاح تعاملي ومتسق بقوة.
• TiDB: قاعدة بيانات SQL موزعة مفتوحة المصدر تدعم كلاً من أعباء عمل معالجة المعاملات عبر الإنترنت (OLTP) والمعالجة التحليلية عبر الإنترنت (OLAP).
• VoltDB: قاعدة بيانات SQL في الذاكرة وقابلة للتوسع مصممة للبيانات عالية السرعة والقرارات السريعة.
• NuoDB: قاعدة بيانات SQL موزعة مصممة للبيئات السحابية.

اختيار قاعدة بيانات NewSQL المناسبة

يعتمد اختيار قاعدة بيانات NewSQL المناسبة لتطبيقك على عدة عوامل، منها:

• متطلبات قابلية التوسع: ما حجم البيانات وحركة المرور التي تحتاج إلى التعامل معها؟
• متطلبات ACID: ما مدى أهمية ضمانات ACID لتطبيقك؟
• متطلبات الأداء: ما مدى السرعة التي تحتاجها لمعالجة المعاملات؟
• بيئة النشر: أين ستنشر قاعدة البيانات (على سبيل المثال، محليًا، في السحابة)؟
• التوافق مع SQL: ما مدى أهمية التوافق مع SQL لتطبيقاتك الحالية وفريق التطوير لديك؟
• التكلفة: ما هي ميزانيتك لقاعدة البيانات؟

من المهم تقييم متطلباتك بعناية ومقارنة ميزات وأداء قواعد بيانات NewSQL المختلفة قبل اتخاذ قرار. فكر في إجراء اختبارات أداء لاختبار أداء قواعد البيانات المختلفة مع عبء العمل الخاص بك.

مستقبل NewSQL

تعتبر قواعد بيانات NewSQL تقنية سريعة التطور. مع استمرار نمو أحجام البيانات وتعقيد التطبيقات، سيزداد الطلب على قواعد البيانات القابلة للتوسع والمتسقة. يمكننا أن نتوقع رؤية المزيد من الابتكارات في بنى وخوارزميات وأدوات NewSQL في السنوات القادمة.

تشمل بعض الاتجاهات المستقبلية المحتملة في NewSQL ما يلي:

• المزيد من قواعد البيانات السحابية الأصلية: سيتم تصميم قواعد بيانات NewSQL بشكل متزايد للبيئات السحابية، مع الاستفادة من التقنيات السحابية الأصلية مثل Kubernetes والحوسبة بدون خادم.
• تحسين التوزيع الجغرافي: ستصبح قواعد بيانات NewSQL أفضل في التعامل مع البيانات الموزعة جغرافيًا وتوفير وصول بزمن استجابة منخفض إلى البيانات من أي مكان في العالم.
• التكامل مع تعلم الآلة: سيتم دمج قواعد بيانات NewSQL بشكل متزايد مع منصات تعلم الآلة، مما يسمح بالتحليلات في الوقت الفعلي واتخاذ القرارات القائمة على البيانات.
• الأمان المعزز: ستتضمن قواعد بيانات NewSQL ميزات أمان أكثر تقدمًا لحماية البيانات الحساسة من الوصول غير المصرح به.

الخاتمة

تقدم قواعد بيانات NewSQL حلاً مقنعًا للتطبيقات التي تتطلب قابلية التوسع واتساق البيانات. من خلال الجمع بين أفضل ما في قواعد البيانات العلائقية التقليدية (RDBMS) وقواعد بيانات NoSQL، توفر قواعد بيانات NewSQL منصة قوية لبناء تطبيقات حديثة وموزعة. مع استمرار نمو الطلب على قواعد البيانات القابلة للتوسع والمتسقة، من المتوقع أن تلعب NewSQL دورًا متزايد الأهمية في مستقبل إدارة البيانات.

سواء كنت تقوم ببناء نظام مالي، أو منصة تجارة إلكترونية، أو تطبيق ألعاب، أو منصة إنترنت الأشياء، يمكن لقواعد بيانات NewSQL مساعدتك على مواجهة تحديات الحجم والتعقيد مع ضمان سلامة وموثوقية بياناتك. فكر في استكشاف عالم NewSQL لترى كيف يمكن أن يفيد مؤسستك.