Разпределени бази данни: Разбиране на моделите за консистентност за глобални приложения

В днешния взаимосвързан свят приложенията често трябва да обслужват потребители през географски граници. Това налага използването на разпределени бази данни – бази данни, където данните са разпръснати на множество физически местоположения. Разпределянето на данните обаче въвежда значителни предизвикателства, особено когато става въпрос за поддържане на консистентност на данните. Тази публикация в блога ще се задълбочи в ключовата концепция за моделите за консистентност в разпределените бази данни, изследвайки техните компромиси и последици за изграждането на стабилни и мащабируеми глобални приложения.

Какво представляват разпределените бази данни?

Разпределена база данни е база данни, в която устройствата за съхранение не са прикрепени към общ процесор, като например CPU. Тя може да се съхранява в множество компютри, разположени на едно и също физическо местоположение; или може да бъде разпръсната в мрежа от взаимосвързани компютри. За разлика от паралелните системи, в които обработката е тясно свързана и представлява единна система за бази данни, разпределената система за бази данни се състои от слабо свързани сайтове, които не споделят физически компонент.

Ключовите характеристики на разпределените бази данни включват:

• Разпределение на данни: Данните са разпръснати в множество възли или сайтове.
• Автономност: Всеки сайт може да работи независимо, със свои собствени локални данни и възможности за обработка.
• Прозрачност: В идеалния случай потребителите трябва да взаимодействат с разпределената база данни, сякаш е единна, централизирана база данни.
• Устойчивост на грешки: Системата трябва да бъде устойчива на повреди, като данните остават достъпни, дори ако някои възли са недостъпни.

Важността на консистентността

Консистентността се отнася до гаранцията, че всички потребители виждат една и съща гледна точка на данните по едно и също време. В централизирана база данни постигането на консистентност е относително лесно. В разпределена среда обаче осигуряването на консистентност става значително по-сложно поради латентността на мрежата, възможността за едновременни актуализации и възможността за повреди на възлите.

Представете си приложение за електронна търговия със сървъри в Европа и Северна Америка. Потребител в Европа актуализира адреса си за доставка. Ако северноамериканският сървър не получи тази актуализация бързо, той може да види стария адрес, което води до потенциална грешка при доставка и лошо потребителско изживяване. Именно тук влизат в действие моделите за консистентност.

Разбиране на моделите за консистентност

Моделът за консистентност дефинира гаранциите, предоставени от разпределена база данни по отношение на реда и видимостта на актуализациите на данни. Различните модели предлагат различни нива на консистентност, всеки със своите компромиси между консистентността, наличността и производителността. Изборът на правилния модел за консистентност е от решаващо значение за осигуряване на целостта на данните и правилността на приложението.

ACID свойства: Основата на традиционните бази данни

Традиционните релационни бази данни обикновено се придържат към ACID свойствата:

• Атомарност: Транзакцията се третира като единична, неделима единица работа. Или всички промени в рамките на транзакцията се прилагат, или нито една.
• Консистентност: Транзакцията гарантира, че базата данни преминава от едно валидно състояние в друго. Тя прилага ограничения за целостта и поддържа валидността на данните.
• Изолация: Едновременните транзакции са изолирани една от друга, предотвратявайки намеса и гарантирайки, че всяка транзакция работи така, сякаш е единствената, която осъществява достъп до базата данни.
• Устойчивост: След като транзакцията бъде потвърдена, нейните промени са постоянни и ще оцелеят дори при системни сривове.

Въпреки че ACID свойствата осигуряват силни гаранции, те могат да бъдат предизвикателство за прилагане в силно разпределени системи, често водещи до затруднения в производителността и намалена наличност. Това доведе до разработването на алтернативни модели за консистентност, които облекчават някои от тези ограничения.

Често срещани модели за консистентност

Ето преглед на някои често срещани модели за консистентност, използвани в разпределените бази данни, заедно с техните ключови характеристики и компромиси:

1. Силна консистентност (напр. Linearizability, Serializability)

Описание: Силната консистентност гарантира, че всички потребители виждат най-актуалната версия на данните по всяко време. Сякаш има само едно копие на данните, въпреки че е разпределено между множество възли.

Характеристики:

• Целост на данните: Осигурява най-силните гаранции за целостта на данните.
• Сложност: Може да бъде сложна и скъпа за прилагане в разпределени системи.
• Въздействие върху производителността: Често включва значителни разходи за производителност поради необходимостта от синхронна репликация и стриктна координация между възлите.

Пример: Представете си глобална банкова система. Когато потребител прехвърля пари, салдото трябва да бъде незабавно актуализирано във всички сървъри, за да се предотврати двойно харчене. Силната консистентност е от решаващо значение в този сценарий.

Техники за прилагане: Two-Phase Commit (2PC), Paxos, Raft.

2. Евентуална консистентност

Описание: Евентуалната консистентност гарантира, че ако не бъдат направени нови актуализации на даден елемент от данни, в крайна сметка всички достъпи до този елемент ще върнат последната актуализирана стойност. С други думи, данните в крайна сметка ще станат консистентни във всички възли.

Характеристики:

• Висока наличност: Позволява висока наличност и мащабируемост, тъй като актуализациите могат да бъдат приложени асинхронно и без да се изисква стриктна координация.
• Ниска латентност: Предлага по-ниска латентност в сравнение със силната консистентност, тъй като четенията често могат да бъдат обслужвани от локални реплики, без да се чака актуализациите да се разпространят в цялата система.
• Потенциал за конфликти: Може да доведе до временни несъответствия и потенциални конфликти, ако няколко потребители актуализират един и същ елемент от данни едновременно.

Пример: Платформите на социалните медии често използват евентуална консистентност за функции като харесвания и коментари. Харесване, публикувано на снимка, може да не е незабавно видимо за всички потребители, но в крайна сметка ще се разпространи до всички сървъри.

Техники за прилагане: Gossip Protocol, стратегии за разрешаване на конфликти (напр. Last Write Wins).

3. Причинна консистентност

Описание: Причинната консистентност гарантира, че ако един процес информира друг, че е актуализирал елемент от данни, тогава последващите достъпи на втория процес до този елемент ще отразяват актуализацията. Актуализациите, които не са причинно свързани, обаче могат да бъдат видени в различен ред от различни процеси.

Характеристики:

• Запазва причинността: Гарантира, че причинно свързаните събития се виждат в правилния ред.
• По-слаба от силната консистентност: Осигурява по-слаби гаранции от силната консистентност, позволявайки по-висока наличност и мащабируемост.

Пример: Обмислете приложение за съвместно редактиране на документи. Ако потребител A направи промяна и след това каже на потребител B за това, потребител B трябва да види промяната на потребител A. Промените, направени от други потребители, обаче може да не са незабавно видими.

4. Консистентност при четене на вашите записи

Описание: Консистентността при четене на вашите записи гарантира, че ако потребител запише стойност, последващите четения от същия потребител винаги ще връщат актуализираната стойност.

Характеристики:

• Ориентирана към потребителя: Осигурява добро потребителско изживяване, като гарантира, че потребителите винаги виждат собствените си актуализации.
• Относително лесна за прилагане: Може да бъде приложена чрез насочване на четения към същия сървър, който е обработил записа.

Пример: Онлайн количка за пазаруване. Ако потребител добави артикул в количката си, той трябва незабавно да види артикула в количката си при последващи прегледи на страницата.

5. Сесионна консистентност

Описание: Сесионната консистентност гарантира, че след като потребител е прочел определена версия на елемент от данни, последващите четения в рамките на същата сесия никога няма да върнат по-стара версия на този елемент. Това е по-силна форма на консистентност при четене на вашите записи, която разширява гаранцията до цялата сесия.

Характеристики:

• Подобрено потребителско изживяване: Осигурява по-консистентно потребителско изживяване от консистентността при четене на вашите записи.
• Изисква управление на сесиите: Изисква управление на потребителските сесии и проследяване на кои версии на данните са прочетени.

Пример: Приложение за обслужване на клиенти. Ако клиент актуализира информацията си за контакт по време на сесия, представителят за обслужване на клиенти трябва да види актуализираната информация при последващи взаимодействия в рамките на същата сесия.

6. Монотонна консистентност при четене

Описание: Монотонната консистентност при четене гарантира, че ако потребител прочете определена версия на елемент от данни, последващите четения никога няма да върнат по-стара версия на този елемент. Тя гарантира, че потребителите винаги виждат данните да напредват във времето.

Характеристики:

• Напредък на данните: Гарантира, че данните винаги напредват.
• Полезна за одит: Помага за проследяване на промените в данните и гарантиране, че няма загубени данни.

Пример: Система за финансов одит. Одиторите трябва да видят консистентна история на транзакциите, без транзакциите да изчезват или да бъдат пренареждани.

CAP теорема: Разбиране на компромисите

CAP теоремата е основен принцип в разпределените системи, който гласи, че е невъзможно за разпределена система едновременно да гарантира и трите от следните свойства:

• Консистентност (C): Всички възли виждат едни и същи данни по едно и също време.
• Наличност (A): Всяка заявка получава отговор, без гаранция, че той съдържа най-новата версия на информацията.
• Устойчивост на дялове (P): Системата продължава да работи въпреки мрежовите дялове (т.е. възлите не могат да комуникират помежду си).

CAP теоремата предполага, че когато проектирате разпределена база данни, трябва да избирате между консистентност и наличност в присъствието на мрежови дялове. Можете или да дадете приоритет на консистентността (CP система), или на наличността (AP система). Много системи избират евентуална консистентност, за да поддържат наличност по време на мрежови дялове.

BASE: Алтернатива на ACID за мащабируеми приложения

За разлика от ACID, BASE е набор от свойства, често свързвани с NoSQL бази данни и евентуална консистентност:

• Основно налична: Системата е проектирана да бъде силно налична, дори в присъствието на грешки.
• Меко състояние: Състоянието на системата може да се променя с течение на времето, дори без никакви изрични актуализации. Това се дължи на модела на евентуална консистентност, където данните може да не са незабавно консистентни във всички възли.
• Евентуално консистентна: Системата в крайна сметка ще стане консистентна, но може да има период от време, където данните са неконсистентни.

BASE често се предпочита за приложения, където високата наличност и мащабируемост са по-важни от строгата консистентност, като социални медии, електронна търговия и системи за управление на съдържание.

Избор на правилния модел за консистентност: Фактори, които трябва да се вземат предвид

Изборът на подходящия модел за консистентност за вашата разпределена база данни зависи от няколко фактора, включително:

• Изисквания към приложението: Какви са изискванията за целостта на данните на вашето приложение? Изисква ли силна консистентност или може да толерира евентуална консистентност?
• Изисквания за производителност: Какви са изискванията за латентност и пропускателна способност на вашето приложение? Силната консистентност може да въведе значителни разходи за производителност.
• Изисквания за наличност: Колко е важно приложението ви да остане налично дори в присъствието на грешки? Евентуалната консистентност осигурява по-висока наличност.
• Сложност: Колко е сложно да се внедри и поддържа определен модел за консистентност? Силните модели за консистентност могат да бъдат по-сложни за прилагане.
• Цена: Цената за прилагане и поддържане на решение за разпределена база данни.

Важно е внимателно да оцените тези фактори и да изберете модел за консистентност, който балансира консистентността, наличността и производителността, за да отговори на специфичните нужди на вашето приложение.

Практически примери за използване на модели за консистентност

Ето някои примери за това как различни модели за консистентност се използват в реални приложения:

• Google Cloud Spanner: Глобално разпределена, мащабируема, силно консистентна услуга за бази данни. Тя използва комбинация от атомни часовници и двуфазово потвърждение, за да постигне силна консистентност в географски разпределени реплики.
• Amazon DynamoDB: Напълно управлявана NoSQL услуга за бази данни, която предлага регулируема консистентност. Можете да избирате между евентуална консистентност и силна консистентност на базата на всяка операция.
• Apache Cassandra: Силно мащабируема, разпределена NoSQL база данни, проектирана за висока наличност. Тя осигурява евентуална консистентност, но предлага регулируеми нива на консистентност, които ви позволяват да увеличите вероятността да прочетете най-актуалните данни.
• MongoDB: Предлага регулируеми нива на консистентност. Тя поддържа настройки за предпочитане на четене, които ви позволяват да контролирате от кои реплики се четат данни, което влияе върху нивото на консистентност.

Най-добри практики за управление на консистентността на данните в разпределени бази данни

Ето някои най-добри практики за управление на консистентността на данните в разпределени бази данни:

• Разберете вашите данни: Познавайте моделите си за достъп до данни и изискванията за целостта на данните.
• Изберете правилния модел за консистентност: Изберете модел за консистентност, който е в съответствие с нуждите и компромисите на вашето приложение.
• Наблюдавайте и настройвайте: Непрекъснато наблюдавайте производителността на вашата база данни и настройвайте настройките си за консистентност според нуждите.
• Приложете разрешаване на конфликти: Приложете подходящи стратегии за разрешаване на конфликти, за да се справите с потенциални несъответствия.
• Използвайте версии: Използвайте версии на данни, за да проследявате промените и да разрешавате конфликти.
• Приложете повторни опити и идемпотентност: Приложете механизми за повторни опити за неуспешни операции и се уверете, че операциите са идемпотентни (т.е. могат да бъдат изпълнени няколко пъти, без да се променя резултата).
• Обмислете локалността на данните: Съхранявайте данни по-близо до потребителите, които се нуждаят от тях, за да намалите латентността и да подобрите производителността.
• Използвайте разпределени транзакции внимателно: Разпределените транзакции могат да бъдат сложни и скъпи. Използвайте ги само когато е абсолютно необходимо.

Заключение

Моделите за консистентност са основен аспект на проектирането на разпределени бази данни. Разбирането на различните модели и техните компромиси е от решаващо значение за изграждането на стабилни и мащабируеми глобални приложения. Като внимателно обмислите изискванията на вашето приложение и изберете правилния модел за консистентност, можете да осигурите целостта на данните и да предоставите консистентно потребителско изживяване, дори в разпределена среда.

Тъй като разпределените системи продължават да се развиват, постоянно се разработват нови модели и техники за консистентност. Да бъдете в крак с последните постижения в тази област е от съществено значение за всеки разработчик, работещ с разпределени бази данни. Бъдещето на разпределените бази данни включва намиране на баланс между силна консистентност, когато е наистина необходима, и използване на евентуална консистентност за подобрена мащабируемост и наличност в други контексти. Появяват се и нови хибридни подходи и адаптивни модели за консистентност, обещаващи допълнително да оптимизират производителността и устойчивостта на разпределените приложения по целия свят.