NewSQL: Мащабиране на разпределени ACID трансакции за глобални приложения

В днешния свят, управляван от данни, приложенията изискват както мащабируемост, така и консистентност на данните. Традиционните релационни бази данни, макар и да предоставят силни ACID (Атомарност, Консистентност, Изолация, Дълготрайност) гаранции, често изпитват затруднения с хоризонталното мащабиране. NoSQL базите данни, от друга страна, предлагат мащабируемост, но обикновено жертват ACID свойствата в полза на производителността. NewSQL базите данни се появяват като междинно решение, целящо да комбинира най-доброто от двата свята: мащабируемостта и производителността на NoSQL с ACID гаранциите на традиционните RDBMS.

Какво е NewSQL?

NewSQL не е една-единствена технология за бази данни, а по-скоро клас от модерни системи за управление на релационни бази данни (RDBMS), които се стремят да предоставят същите ACID гаранции като традиционните системи за бази данни, като същевременно постигат мащабируемостта на NoSQL системите. Те са проектирани да обработват голям обем трансакции и големи обеми от данни, което ги прави подходящи за съвременни, разпределени приложения.

По същество, NewSQL системите са проектирани така, че да адресират ограниченията на традиционните RDBMS, когато работят в голям мащаб. Те разпределят данните и обработката между множество възли, позволявайки хоризонтално мащабиране, като същевременно гарантират, че трансакциите се обработват по надежден и консистентен начин.

Ключови характеристики на NewSQL базите данни

ACID съответствие: NewSQL базите данни дават приоритет на ACID свойствата, за да осигурят целостта и консистентността на данните. Това е ключово изискване за приложения, които обработват чувствителни данни или изискват строги трансакционни гаранции, като финансови системи или платформи за електронна търговия.
Мащабируемост: Те са проектирани да се мащабират хоризонтално чрез разпределяне на данни и обработка между множество възли. Това им позволява да се справят с нарастващи натоварвания и обеми от данни, без да жертват производителността.
SQL интерфейс: Повечето NewSQL бази данни предоставят SQL-съвместим интерфейс, което улеснява разработчиците да мигрират съществуващи приложения или да използват съществуващите си SQL умения.
Разпределена архитектура: NewSQL базите данни обикновено са изградени върху разпределена архитектура, която им позволява да постигнат висока наличност и отказоустойчивост.
Производителност: Те са оптимизирани за високопроизводителна обработка на трансакции, като често използват техники като съхранение на данни в паметта, разпределена обработка на заявки и контрол на паралелността без заключване.

Архитектурни подходи в NewSQL

В реализациите на NewSQL бази данни се използват няколко архитектурни подхода. Тези подходи се различават по начина, по който постигат мащабируемост и ACID гаранции.

1. Архитектура без споделяне (Shared-Nothing)

В архитектурата без споделяне (shared-nothing), всеки възел в клъстера има свои собствени независими ресурси (CPU, памет, съхранение). Данните се партиционират и разпределят между тези възли. Тази архитектура осигурява отлична мащабируемост, защото добавянето на повече възли линейно увеличава капацитета на системата. Примери за NewSQL бази данни, които използват архитектура без споделяне, включват Google Spanner и CockroachDB.

Пример: Представете си глобална платформа за електронна търговия с потребители по целия свят. Използвайки NewSQL база данни без споделяне, платформата може да разпредели данните си в множество географски разпределени центрове за данни. Това осигурява ниска латентност за потребителите в различни региони и висока наличност в случай на регионални прекъсвания.

2. Архитектура със споделена памет (Shared-Memory)

В архитектурата със споделена памет (shared-memory) всички възли в клъстера споделят едно и също пространство в паметта. Това позволява бърз достъп до данни и комуникация между възлите. Тази архитектура обаче обикновено е ограничена в мащабируемостта, тъй като споделената памет се превръща в „тясно място“ с увеличаването на броя на възлите. Примери за бази данни (макар и не строго NewSQL в най-чистия смисъл, но проявяващи подобни подходи за мащабиране на трансакции), които използват тази архитектура, включват някои клъстери от бази данни в паметта.

3. Архитектура със споделен диск (Shared-Disk)

В архитектурата със споделен диск (shared-disk) всички възли в клъстера споделят едни и същи устройства за съхранение. Това опростява управлението на данните и осигурява висока наличност. Тази архитектура обаче също може да бъде „тясно място“, тъй като всички възли трябва да имат достъп до едно и също хранилище. Някои традиционни RDBMS системи, когато са клъстерирани, могат да се разглеждат в по-широкия контекст на мащабируемата обработка на трансакции, въпреки че може да не са етикетирани като NewSQL.

ACID трансакции в разпределена среда

Поддържането на ACID свойствата в разпределена среда е сложно предизвикателство. NewSQL базите данни използват различни техники за осигуряване на консистентност и надеждност на данните.

1. Двуфазно потвърждение (2PC)

2PC е широко използван протокол за осигуряване на атомарност между множество възли. В 2PC, координаторски възел координира трансакцията между всички участващи възли. Трансакцията протича в две фази: фаза на подготовка и фаза на потвърждение. По време на фазата на подготовка всеки възел се подготвя да потвърди трансакцията и информира координатора. Ако всички възли са готови, координаторът им нарежда да потвърдят. Ако някой възел не успее да се подготви, координаторът нарежда на всички възли да прекратят.

Предизвикателство: 2PC може да бъде бавен и да въведе единична точка на отказ (координатора). Поради това съвременните NewSQL системи често предпочитат алтернативни протоколи.

2. Консенсусни алгоритми Paxos и Raft

Paxos и Raft са консенсусни алгоритми, които позволяват на разпределена система да се споразумее за една-единствена стойност, дори при наличие на откази. Тези алгоритми често се използват в NewSQL бази данни, за да се гарантира консистентност на данните и отказоустойчивост. Те предоставят по-здрава и ефективна алтернатива на 2PC.

Пример: CockroachDB използва Raft за репликиране на данни между множество възли и гарантира, че всички реплики са консистентни. Това означава, че дори ако един възел се провали, системата може да продължи да работи без загуба на данни или неконсистентност.

3. TrueTime API на Spanner

Google Spanner използва глобално разпределена, външно консистентна система за времеви маркери, наречена TrueTime. TrueTime осигурява гарантирана горна граница на несигурността на часовника, което позволява на Spanner да постигне силна консистентност в географски разпределени центрове за данни. Това дава възможност на Spanner да извършва глобално разпределени трансакции с ниска латентност и висока производителност.

Значение: TrueTime е решаващ компонент от архитектурата на Spanner, тъй като позволява на базата данни да поддържа сериализация, най-силното ниво на изолация, дори в разпределена среда.

Предимства на използването на NewSQL бази данни

Мащабируемост: NewSQL базите данни могат да се мащабират хоризонтално, за да се справят с нарастващи натоварвания и обеми от данни.
ACID съответствие: Те предоставят силни ACID гаранции, осигурявайки целостта и консистентността на данните.
Производителност: Оптимизирани са за високопроизводителна обработка на трансакции.
Отказоустойчивост: Те са проектирани да бъдат отказоустойчиви, което означава, че могат да продължат да работят дори ако някои възли се провалят.
SQL съвместимост: Повечето NewSQL бази данни предоставят SQL-съвместим интерфейс, което улеснява миграцията на съществуващи приложения.

Случаи на употреба за NewSQL бази данни

NewSQL базите данни са подходящи за широк спектър от приложения, които изискват както мащабируемост, така и консистентност на данните. Някои често срещани случаи на употреба включват:

1. Финансови приложения

Финансовите приложения, като банкови системи и платежни процесори, изискват строги ACID гаранции, за да се гарантира точността и надеждността на финансовите трансакции. NewSQL базите данни могат да осигурят мащабируемостта и производителността, необходими за обработка на голям обем трансакции, като същевременно поддържат целостта на данните.

Пример: Глобален платежен портал, който обработва милиони трансакции на ден, се нуждае от база данни, която може да се справи с големия обем трафик и да гарантира, че всички трансакции се обработват правилно. NewSQL база данни може да осигури мащабируемостта и ACID гаранциите, необходими за да отговори на тези изисквания.

2. Платформи за електронна търговия

Платформите за електронна търговия трябва да обработват голям брой едновременни потребители и трансакции. NewSQL базите данни могат да осигурят мащабируемостта и производителността, необходими за справяне с това натоварване, като същевременно гарантират, че поръчките се обработват правилно и инвентарът се актуализира точно.

Пример: Голям онлайн търговец на дребно се нуждае от база данни, която може да се справи с пиковите натоварвания по време на празничните сезони за пазаруване. NewSQL база данни може да се мащабира, за да отговори на увеличеното търсене и да гарантира, че всички поръчки се обработват без грешки.

3. Гейминг приложения

Масовите мултиплейър онлайн игри (MMO) трябва да се справят с голям брой едновременни играчи и сложна игрова логика. NewSQL базите данни могат да осигурят мащабируемостта и производителността, необходими за справяне с това натоварване, като същевременно гарантират, че състоянието на играта е консистентно и играчите не могат да мамят.

Пример: Популярна MMO игра се нуждае от база данни, която може да обработва милиони едновременни играчи и да гарантира, че всички данни на играчите са консистентни. NewSQL база данни може да осигури мащабируемостта и ACID гаранциите, необходими за да отговори на тези изисквания.

4. Управление на веригата за доставки

Съвременните вериги за доставки са глобално разпределени и изискват видимост в реално време на нивата на запасите, състоянието на поръчките и проследяването на пратките. NewSQL базите данни могат да осигурят мащабируемостта и производителността, необходими за обработка на големия обем данни, генерирани от системите на веригата за доставки, като същевременно гарантират, че данните са точни и консистентни.

5. IoT (Интернет на нещата) платформи

IoT платформите генерират огромни количества данни от свързани устройства. NewSQL базите данни могат да се използват за съхраняване и анализ на тези данни, предоставяйки информация за производителността на устройствата, моделите на използване и потенциалните проблеми. Те също така гарантират, че критичните IoT данни, като показания на сензори и команди за управление, се съхраняват и обработват надеждно.

Примери за NewSQL бази данни

Ето някои забележителни примери за NewSQL бази данни:

Google Spanner: Глобално разпределена, мащабируема и силно консистентна услуга за бази данни.
CockroachDB: Разпределена SQL база данни, изградена върху трансакционно и силно консистентно хранилище тип ключ-стойност.
TiDB: Разпределена SQL база данни с отворен код, която поддържа както онлайн трансакционна обработка (OLTP), така и онлайн аналитична обработка (OLAP).
VoltDB: SQL база данни в паметта, която се мащабира, предназначена за високоскоростни данни и бързи решения.
NuoDB: Разпределена SQL база данни, предназначена за облачни среди.

Избор на правилната NewSQL база данни

Изборът на правилната NewSQL база данни за вашето приложение зависи от няколко фактора, включително:

Изисквания за мащабируемост: Колко данни и трафик трябва да обработвате?
ACID изисквания: Колко важни са ACID гаранциите за вашето приложение?
Изисквания за производителност: Колко бързо трябва да обработвате трансакции?
Среда на внедряване: Къде ще внедрявате базата данни (напр. локално, в облака)?
SQL съвместимост: Колко важна е SQL съвместимостта за вашите съществуващи приложения и екип за разработка?
Цена: Какъв е вашият бюджет за базата данни?

Важно е внимателно да оцените вашите изисквания и да сравните характеристиките и производителността на различните NewSQL бази данни, преди да вземете решение. Обмислете провеждането на бенчмаркове, за да тествате производителността на различни бази данни с вашата конкретна работна натовареност.

Бъдещето на NewSQL

NewSQL базите данни са бързо развиваща се технология. Тъй като обемите от данни и сложността на приложенията продължават да нарастват, търсенето на мащабируеми и консистентни бази данни само ще се увеличава. Можем да очакваме да видим по-нататъшни иновации в NewSQL архитектурите, алгоритмите и инструментите през следващите години.

Някои потенциални бъдещи тенденции в NewSQL включват:

Повече Cloud-Native бази данни: NewSQL базите данни все повече ще бъдат проектирани за облачни среди, възползвайки се от облачни технологии като Kubernetes и serverless computing.
Подобрено гео-разпределение: NewSQL базите данни ще станат още по-добри в обработката на географски разпределени данни и осигуряването на достъп с ниска латентност до данни от всяка точка на света.
Интеграция с машинно обучение: NewSQL базите данни ще бъдат все по-интегрирани с платформи за машинно обучение, което ще позволи анализи в реално време и вземане на решения, базирани на данни.
Подобрена сигурност: NewSQL базите данни ще включват по-усъвършенствани функции за сигурност, за да предпазят чувствителните данни от неоторизиран достъп.

Заключение

NewSQL базите данни предлагат завладяващо решение за приложения, които изискват както мащабируемост, така и консистентност на данните. Като комбинират най-доброто от традиционните RDBMS и NoSQL бази данни, NewSQL базите данни предоставят мощна платформа за изграждане на съвременни, разпределени приложения. Тъй като търсенето на мащабируеми и консистентни бази данни продължава да расте, NewSQL е напът да играе все по-важна роля в бъдещето на управлението на данни.

Независимо дали изграждате финансова система, платформа за електронна търговия, гейминг приложение или IoT платформа, NewSQL базите данни могат да ви помогнат да се справите с предизвикателствата на мащаба и сложността, като същевременно гарантирате целостта и надеждността на вашите данни. Обмислете да изследвате света на NewSQL, за да видите как той може да бъде от полза за вашата организация.