NewSQL: Škálování distribuovaných ACID transakcí pro globální aplikace

V dnešním světě řízeném daty vyžadují aplikace jak škálovatelnost, tak konzistenci dat. Tradiční relační databáze, přestože poskytují silné záruky ACID (atomicita, konzistence, izolace, trvanlivost), mají často problémy s horizontálním škálováním. NoSQL databáze na druhé straně nabízejí škálovatelnost, ale obvykle obětují vlastnosti ACID ve prospěch výkonu. NewSQL databáze se objevují jako střední cesta, jejímž cílem je spojit to nejlepší z obou světů: škálovatelnost a výkon NoSQL se zárukami ACID tradičních RDBMS.

Co je NewSQL?

NewSQL není jediná databázová technologie, ale spíše třída moderních systémů pro správu relačních databází (RDBMS), které se snaží poskytovat stejné záruky ACID jako tradiční databázové systémy a zároveň dosáhnout škálovatelnosti systémů NoSQL. Jsou navrženy tak, aby zvládaly zpracování velkého objemu transakcí a velké objemy dat, což je činí vhodnými pro moderní distribuované aplikace.

V podstatě jsou systémy NewSQL navrženy tak, aby řešily omezení tradičních RDBMS při provozu ve velkém měřítku. Distribuují data a zpracování na více uzlů, což umožňuje horizontální škálovatelnost, a přitom stále zajišťují, že transakce jsou zpracovávány spolehlivě a konzistentně.

Klíčové vlastnosti NewSQL databází

• Soulad s ACID: NewSQL databáze upřednostňují vlastnosti ACID, aby zajistily integritu a konzistenci dat. To je klíčový požadavek pro aplikace, které pracují s citlivými daty nebo vyžadují přísné transakční záruky, jako jsou finanční systémy nebo e-commerce platformy.
• Škálovatelnost: Jsou navrženy pro horizontální škálování distribucí dat a zpracování na více uzlů. To jim umožňuje zvládat rostoucí pracovní zátěž a objemy dat bez obětování výkonu.
• Rozhraní SQL: Většina NewSQL databází poskytuje rozhraní kompatibilní s SQL, což vývojářům usnadňuje migraci stávajících aplikací nebo využití jejich stávajících znalostí SQL.
• Distribuovaná architektura: NewSQL databáze jsou obvykle postaveny na distribuované architektuře, což jim umožňuje dosáhnout vysoké dostupnosti a odolnosti proti chybám.
• Výkon: Jsou optimalizovány pro vysoce výkonné zpracování transakcí, často využívají techniky jako ukládání dat v paměti, distribuované zpracování dotazů a řízení souběžnosti bez zámků.

Architektonické přístupy v NewSQL

V implementacích NewSQL databází se používá několik architektonických přístupů. Tyto přístupy se liší v tom, jak dosahují škálovatelnosti a záruk ACID.

1. Architektura bez sdílení (Shared-Nothing)

V architektuře bez sdílení (shared-nothing) má každý uzel v clusteru své vlastní nezávislé zdroje (CPU, paměť, úložiště). Data jsou rozdělena a distribuována mezi těmito uzly. Tato architektura poskytuje vynikající škálovatelnost, protože přidávání dalších uzlů lineárně zvyšuje kapacitu systému. Mezi příklady NewSQL databází, které používají architekturu bez sdílení, patří Google Spanner a CockroachDB.

Příklad: Představte si globální e-commerce platformu s uživateli po celém světě. Pomocí NewSQL databáze s architekturou bez sdílení může platforma distribuovat svá data mezi více geograficky rozložených datových center. Tím je zajištěna nízká latence pro uživatele v různých regionech a vysoká dostupnost v případě regionálních výpadků.

2. Architektura se sdílenou pamětí (Shared-Memory)

V architektuře se sdílenou pamětí (shared-memory) sdílejí všechny uzly v clusteru stejný paměťový prostor. To umožňuje rychlý přístup k datům a komunikaci mezi uzly. Tato architektura je však obvykle omezena ve škálovatelnosti, protože sdílená paměť se stává úzkým hrdlem s rostoucím počtem uzlů. Mezi příklady databází využívajících tuto architekturu (i když ne striktně NewSQL v nejčistším smyslu, ale vykazujících podobné přístupy k transakčnímu škálování) patří některé clustery in-memory databází.

3. Architektura se sdíleným diskem (Shared-Disk)

V architektuře se sdíleným diskem (shared-disk) sdílejí všechny uzly v clusteru stejná úložná zařízení. To zjednodušuje správu dat a poskytuje vysokou dostupnost. Tato architektura však může být také úzkým hrdlem, protože všechny uzly musí přistupovat ke stejnému úložišti. Některé tradiční RDBMS systémy, pokud jsou v clusteru, mohou být považovány za systémy v širším kontextu škálovatelného transakčního zpracování, i když nemusí být označeny jako NewSQL.

ACID transakce v distribuovaném prostředí

Udržení vlastností ACID v distribuovaném prostředí je složitá výzva. NewSQL databáze používají různé techniky k zajištění konzistence a spolehlivosti dat.

1. Dvoufázový potvrzovací protokol (2PC)

2PC je široce používaný protokol pro zajištění atomicity napříč více uzly. V 2PC koordinuje transakci mezi všemi zúčastněnými uzly koordinátor. Transakce probíhá ve dvou fázích: fáze přípravy a fáze potvrzení. Během fáze přípravy se každý uzel připraví na potvrzení transakce a informuje koordinátora. Pokud jsou všechny uzly připraveny, koordinátor jim nařídí potvrdit. Pokud se některý uzel nepřipraví, koordinátor nařídí všem uzlům transakci zrušit.

Výzva: 2PC může být pomalý a představovat jediný bod selhání (koordinátor). Proto moderní systémy NewSQL často upřednostňují alternativní protokoly.

2. Konsenzuální algoritmy Paxos a Raft

Paxos a Raft jsou konsenzuální algoritmy, které umožňují distribuovanému systému dohodnout se na jedné hodnotě, a to i v přítomnosti selhání. Tyto algoritmy se často používají v NewSQL databázích k zajištění konzistence dat a odolnosti proti chybám. Poskytují robustnější a efektivnější alternativu k 2PC.

Příklad: CockroachDB používá Raft k replikaci dat napříč více uzly a zajišťuje, že všechny repliky jsou konzistentní. To znamená, že i když jeden uzel selže, systém může pokračovat v provozu bez ztráty dat nebo nekonzistence.

3. TrueTime API od Spanneru

Google Spanner používá globálně distribuovaný, externě konzistentní systém časových značek nazvaný TrueTime. TrueTime poskytuje zaručenou horní hranici nejistoty hodin, což Spanneru umožňuje dosáhnout silné konzistence napříč geograficky distribuovanými datovými centry. To umožňuje Spanneru provádět globálně distribuované transakce s nízkou latencí a vysokou propustností.

Význam: TrueTime je klíčovou součástí architektury Spanneru, protože umožňuje databázi udržovat serializovatelnost, nejsilnější úroveň izolace, a to i v distribuovaném prostředí.

Výhody používání NewSQL databází

• Škálovatelnost: NewSQL databáze se mohou horizontálně škálovat, aby zvládly rostoucí pracovní zátěž a objemy dat.
• Soulad s ACID: Poskytují silné záruky ACID, čímž zajišťují integritu a konzistenci dat.
• Výkon: Jsou optimalizovány pro vysoce výkonné zpracování transakcí.
• Odolnost proti chybám: Jsou navrženy tak, aby byly odolné proti chybám, což znamená, že mohou pokračovat v provozu i v případě selhání některých uzlů.
• Kompatibilita s SQL: Většina NewSQL databází poskytuje rozhraní kompatibilní s SQL, což usnadňuje migraci stávajících aplikací.

Případy užití pro NewSQL databáze

NewSQL databáze jsou vhodné pro širokou škálu aplikací, které vyžadují jak škálovatelnost, tak konzistenci dat. Mezi běžné případy užití patří:

1. Finanční aplikace

Finanční aplikace, jako jsou bankovní systémy a platební procesory, vyžadují přísné záruky ACID k zajištění přesnosti a spolehlivosti finančních transakcí. NewSQL databáze mohou poskytnout škálovatelnost a výkon potřebný pro zpracování velkého objemu transakcí při zachování integrity dat.

Příklad: Globální platební brána, která zpracovává miliony transakcí denně, potřebuje databázi, která zvládne vysoký objem provozu a zajistí správné zpracování všech transakcí. NewSQL databáze může poskytnout škálovatelnost a záruky ACID potřebné ke splnění těchto požadavků.

2. E-commerce platformy

E-commerce platformy musí zvládat velký počet souběžných uživatelů a transakcí. NewSQL databáze mohou poskytnout škálovatelnost a výkon potřebný ke zvládnutí této zátěže a zároveň zajistit, že objednávky jsou zpracovány správně a zásoby jsou přesně aktualizovány.

Příklad: Velký online prodejce potřebuje databázi, která zvládne špičkové zatížení během svátečních nákupních sezón. NewSQL databáze se může škálovat, aby vyhověla zvýšené poptávce a zajistila, že všechny objednávky budou zpracovány bez chyb.

3. Herní aplikace

Masivně multiplayerové online hry (MMO) musí zvládat velký počet souběžných hráčů a složitou herní logiku. NewSQL databáze mohou poskytnout škálovatelnost a výkon potřebný pro zvládnutí této zátěže a zároveň zajistit, že stav hry je konzistentní a hráči nemohou podvádět.

Příklad: Populární MMO hra potřebuje databázi, která zvládne miliony souběžných hráčů a zajistí, že všechna data hráčů jsou konzistentní. NewSQL databáze může poskytnout škálovatelnost a záruky ACID potřebné ke splnění těchto požadavků.

4. Řízení dodavatelského řetězce

Moderní dodavatelské řetězce jsou globálně distribuované a vyžadují přehled v reálném čase o stavu zásob, stavu objednávek a sledování zásilek. NewSQL databáze mohou poskytnout škálovatelnost a výkon potřebný ke zpracování velkého objemu dat generovaných systémy dodavatelského řetězce a zároveň zajistit, že data jsou přesná a konzistentní.

5. Platformy IoT (Internet věcí)

IoT platformy generují obrovské množství dat z připojených zařízení. NewSQL databáze lze použít k ukládání a analýze těchto dat, což poskytuje vhled do výkonu zařízení, vzorců používání a potenciálních problémů. Zajišťují také, že kritická data IoT, jako jsou údaje ze senzorů a řídicí příkazy, jsou spolehlivě uložena a zpracována.

Příklady NewSQL databází

Zde jsou některé významné příklady NewSQL databází:

• Google Spanner: Globálně distribuovaná, škálovatelná a silně konzistentní databázová služba.
• CockroachDB: Distribuovaná SQL databáze postavená na transakčním a silně konzistentním úložišti klíč-hodnota.
• TiDB: Open-source distribuovaná SQL databáze, která podporuje jak online transakční zpracování (OLTP), tak online analytické zpracování (OLAP).
• VoltDB: In-memory, škálovatelná SQL databáze navržená pro data s vysokou rychlostí a rychlá rozhodnutí.
• NuoDB: Distribuovaná SQL databáze navržená pro cloudová prostředí.

Výběr správné NewSQL databáze

Výběr správné NewSQL databáze pro vaši aplikaci závisí na několika faktorech, včetně:

• Požadavky na škálovatelnost: Kolik dat a provozu potřebujete zvládnout?
• Požadavky na ACID: Jak důležité jsou pro vaši aplikaci záruky ACID?
• Požadavky na výkon: Jak rychle potřebujete zpracovávat transakce?
• Prostředí nasazení: Kde budete databázi nasazovat (např. on-premises, cloud)?
• Kompatibilita s SQL: Jak důležitá je kompatibilita s SQL pro vaše stávající aplikace a vývojový tým?
• Náklady: Jaký je váš rozpočet na databázi?

Je důležité pečlivě zhodnotit vaše požadavky a porovnat vlastnosti a výkon různých NewSQL databází předtím, než se rozhodnete. Zvažte provedení benchmarků pro otestování výkonu různých databází s vaší specifickou pracovní zátěží.

Budoucnost NewSQL

NewSQL databáze jsou rychle se vyvíjející technologií. S rostoucím objemem dat a složitostí aplikací bude poptávka po škálovatelných a konzistentních databázích jen stoupat. V nadcházejících letech můžeme očekávat další inovace v architekturách, algoritmech a nástrojích NewSQL.

Některé potenciální budoucí trendy v NewSQL zahrnují:

• Více cloudově nativních databází: NewSQL databáze budou stále více navrhovány pro cloudová prostředí, přičemž budou využívat cloudově nativní technologie, jako je Kubernetes a serverless computing.
• Zlepšená geografická distribuce: NewSQL databáze budou ještě lépe zvládat geograficky distribuovaná data a poskytovat přístup k datům s nízkou latencí odkudkoli na světě.
• Integrace se strojovým učením: NewSQL databáze budou stále více integrovány s platformami pro strojové učení, což umožní analýzu v reálném čase a rozhodování založené na datech.
• Zvýšená bezpečnost: NewSQL databáze budou obsahovat pokročilejší bezpečnostní funkce pro ochranu citlivých dat před neoprávněným přístupem.

Závěr

NewSQL databáze nabízejí přesvědčivé řešení pro aplikace, které vyžadují jak škálovatelnost, tak konzistenci dat. Kombinací toho nejlepšího z tradičních RDBMS a NoSQL databází poskytují NewSQL databáze výkonnou platformu pro budování moderních, distribuovaných aplikací. S rostoucí poptávkou po škálovatelných a konzistentních databázích je NewSQL připraveno hrát stále důležitější roli v budoucnosti správy dat.

Ať už budujete finanční systém, e-commerce platformu, herní aplikaci nebo IoT platformu, NewSQL databáze vám mohou pomoci zvládnout výzvy škálovatelnosti a složitosti a zároveň zajistit integritu a spolehlivost vašich dat. Zvažte prozkoumání světa NewSQL, abyste zjistili, jak může prospět vaší organizaci.