NewSQL: Skalering af distribuerede ACID-transaktioner til globale applikationer

I nutidens datadrevne verden kræver applikationer både skalerbarhed og datakonsistens. Traditionelle relationelle databaser, selvom de giver stærke ACID-garantier (Atomicitet, Konsistens, Isolation, Holdbarhed), har ofte svært ved at skalere horisontalt. NoSQL-databaser, derimod, tilbyder skalerbarhed, men ofrer typisk ACID-egenskaber til fordel for ydeevne. NewSQL-databaser opstår som en mellemvej, der sigter mod at kombinere det bedste fra begge verdener: skalerbarheden og ydeevnen fra NoSQL med ACID-garantierne fra traditionelle RDBMS.

Hvad er NewSQL?

NewSQL er ikke en enkelt databaseteknologi, men snarere en klasse af moderne relationelle databasestyringssystemer (RDBMS), der søger at give de samme ACID-garantier som traditionelle databasesystemer, samtidig med at de opnår skalerbarheden fra NoSQL-systemer. De er designet til at håndtere transaktionsbehandling med høj volumen og store datamængder, hvilket gør dem velegnede til moderne, distribuerede applikationer.

Grundlæggende er NewSQL-systemer designet til at imødegå begrænsningerne ved traditionelle RDBMS, når de opererer i stor skala. De distribuerer data og behandling på tværs af flere noder, hvilket tillader horisontal skalering, samtidig med at de sikrer, at transaktioner behandles på en pålidelig og konsistent måde.

Nøglekarakteristika for NewSQL-databaser

• ACID-overholdelse: NewSQL-databaser prioriterer ACID-egenskaber for at sikre dataintegritet og -konsistens. Dette er et afgørende krav for applikationer, der håndterer følsomme data eller kræver strenge transaktionsgarantier, såsom finansielle systemer eller e-handelsplatforme.
• Skalerbarhed: De er designet til at skalere horisontalt ved at distribuere data og behandling på tværs af flere noder. Dette giver dem mulighed for at håndtere stigende arbejdsbelastninger og datamængder uden at ofre ydeevne.
• SQL-interface: De fleste NewSQL-databaser tilbyder et SQL-kompatibelt interface, hvilket gør det lettere for udviklere at migrere eksisterende applikationer eller udnytte deres eksisterende SQL-kompetencer.
• Distribueret arkitektur: NewSQL-databaser er typisk bygget på en distribueret arkitektur, hvilket giver dem mulighed for at opnå høj tilgængelighed og fejltolerance.
• Ydeevne: De er optimeret til højtydende transaktionsbehandling og anvender ofte teknikker som in-memory datalagring, distribueret forespørgselsbehandling og låsefri samtidighedskontrol.

Arkitektoniske tilgange i NewSQL

Der anvendes flere arkitektoniske tilgange i NewSQL-databaseimplementeringer. Disse tilgange adskiller sig i, hvordan de opnår skalerbarhed og ACID-garantier.

1. Shared-Nothing-arkitektur

I en shared-nothing-arkitektur har hver node i klyngen sine egne uafhængige ressourcer (CPU, hukommelse, lager). Data partitioneres og distribueres på tværs af disse noder. Denne arkitektur giver fremragende skalerbarhed, fordi tilføjelse af flere noder lineært øger systemets kapacitet. Eksempler på NewSQL-databaser, der bruger en shared-nothing-arkitektur, inkluderer Google Spanner og CockroachDB.

Eksempel: Forestil dig en global e-handelsplatform med brugere over hele verden. Ved hjælp af en shared-nothing NewSQL-database kan platformen distribuere sine data på tværs af flere geografisk distribuerede datacentre. Dette sikrer lav latenstid for brugere i forskellige regioner og giver høj tilgængelighed i tilfælde af regionale nedbrud.

2. Shared-Memory-arkitektur

I en shared-memory-arkitektur deler alle noder i klyngen det samme hukommelsesrum. Dette giver mulighed for hurtig dataadgang og kommunikation mellem noder. Denne arkitektur er dog typisk begrænset i skalerbarhed, fordi den delte hukommelse bliver en flaskehals, når antallet af noder stiger. Eksempler på databaser (selvom de ikke strengt taget er NewSQL i den reneste forstand, men udviser lignende transaktionsskaleringstilgange), der udnytter denne arkitektur, inkluderer visse in-memory databaseklynger.

3. Shared-Disk-arkitektur

I en shared-disk-arkitektur deler alle noder i klyngen de samme lagerenheder. Dette forenkler datahåndtering og giver høj tilgængelighed. Denne arkitektur kan dog også være en flaskehals, da alle noder skal have adgang til det samme lager. Nogle traditionelle RDBMS-systemer, når de er klynget, kan betragtes inden for den bredere kontekst af skalerbar transaktionsbehandling, selvom de måske ikke betegnes som NewSQL.

ACID-transaktioner i et distribueret miljø

At opretholde ACID-egenskaber i et distribueret miljø er en kompleks udfordring. NewSQL-databaser anvender forskellige teknikker for at sikre datakonsistens og pålidelighed.

1. To-fase commit (2PC)

2PC er en udbredt protokol til at sikre atomicitet på tværs af flere noder. I 2PC koordinerer en koordinator-node transaktionen på tværs af alle deltagende noder. Transaktionen forløber i to faser: en forberedelsesfase og en commit-fase. Under forberedelsesfasen forbereder hver node sig på at committe transaktionen og informerer koordinatoren. Hvis alle noder er klar, instruerer koordinatoren dem i at committe. Hvis en node ikke kan forberede sig, instruerer koordinatoren alle noder i at afbryde.

Udfordring: 2PC kan være langsom og introducere et enkelt fejlpunkt (koordinatoren). Derfor foretrækker moderne NewSQL-systemer ofte alternative protokoller.

2. Paxos og Raft konsensusalgoritmer

Paxos og Raft er konsensusalgoritmer, der tillader et distribueret system at blive enige om en enkelt værdi, selv i nærvær af fejl. Disse algoritmer bruges ofte i NewSQL-databaser til at sikre datakonsistens og fejltolerance. De udgør et mere robust og effektivt alternativ til 2PC.

Eksempel: CockroachDB bruger Raft til at replikere data på tværs af flere noder og sikre, at alle replikaer er konsistente. Dette betyder, at selvom en node fejler, kan systemet fortsætte med at fungere uden datatab eller inkonsistens.

3. Spanners TrueTime API

Google Spanner bruger et globalt distribueret, eksternt konsistent tidsstemplingssystem kaldet TrueTime. TrueTime giver en garanteret øvre grænse for ur-usikkerheden, hvilket gør det muligt for Spanner at opnå stærk konsistens på tværs af geografisk distribuerede datacentre. Dette gør det muligt for Spanner at udføre globalt distribuerede transaktioner med lav latenstid og høj gennemstrømning.

Betydning: TrueTime er en afgørende komponent i Spanners arkitektur, da det giver databasen mulighed for at opretholde serialiserbarhed, det stærkeste isolationsniveau, selv i et distribueret miljø.

Fordele ved at bruge NewSQL-databaser

• Skalerbarhed: NewSQL-databaser kan skalere horisontalt for at håndtere stigende arbejdsbelastninger og datamængder.
• ACID-overholdelse: De giver stærke ACID-garantier, hvilket sikrer dataintegritet og -konsistens.
• Ydeevne: De er optimeret til højtydende transaktionsbehandling.
• Fejltolerance: De er designet til at være fejltolerante, hvilket betyder, at de kan fortsætte med at fungere, selvom nogle noder fejler.
• SQL-kompatibilitet: De fleste NewSQL-databaser tilbyder et SQL-kompatibelt interface, hvilket gør det lettere at migrere eksisterende applikationer.

Anvendelsesscenarier for NewSQL-databaser

NewSQL-databaser er velegnede til en bred vifte af applikationer, der kræver både skalerbarhed og datakonsistens. Nogle almindelige anvendelsesscenarier inkluderer:

1. Finansielle applikationer

Finansielle applikationer, såsom banksystemer og betalingsprocessorer, kræver strenge ACID-garantier for at sikre nøjagtigheden og pålideligheden af finansielle transaktioner. NewSQL-databaser kan levere den skalerbarhed og ydeevne, der er nødvendig for at håndtere transaktionsbehandling med høj volumen, samtidig med at dataintegriteten opretholdes.

Eksempel: En global betalingsgateway, der behandler millioner af transaktioner om dagen, har brug for en database, der kan håndtere den store trafikmængde og sikre, at alle transaktioner behandles korrekt. En NewSQL-database kan levere den skalerbarhed og de ACID-garantier, der er nødvendige for at opfylde disse krav.

2. E-handelsplatforme

E-handelsplatforme skal håndtere et stort antal samtidige brugere og transaktioner. NewSQL-databaser kan levere den skalerbarhed og ydeevne, der er nødvendig for at håndtere denne arbejdsbyrde, samtidig med at det sikres, at ordrer behandles korrekt, og lagerbeholdningen opdateres nøjagtigt.

Eksempel: En stor online forhandler har brug for en database, der kan håndtere spidsbelastninger i feriesæsonerne. En NewSQL-database kan skalere for at imødekomme den øgede efterspørgsel og sikre, at alle ordrer behandles uden fejl.

3. Spilapplikationer

Massively multiplayer online games (MMO'er) skal håndtere et stort antal samtidige spillere og kompleks spillogik. NewSQL-databaser kan levere den skalerbarhed og ydeevne, der er nødvendig for at håndtere denne arbejdsbyrde, samtidig med at det sikres, at spillets tilstand er konsistent, og at spillere ikke kan snyde.

Eksempel: Et populært MMO-spil har brug for en database, der kan håndtere millioner af samtidige spillere og sikre, at alle spillerdata er konsistente. En NewSQL-database kan levere den skalerbarhed og de ACID-garantier, der er nødvendige for at opfylde disse krav.

4. Forsyningskædestyring

Moderne forsyningskæder er globalt distribuerede og kræver realtidsindsigt i lagerniveauer, ordrestatus og forsendelsessporing. NewSQL-databaser kan levere den skalerbarhed og ydeevne, der er nødvendig for at håndtere den store datamængde, der genereres af forsyningskædesystemer, samtidig med at det sikres, at data er nøjagtige og konsistente.

5. IoT (Internet of Things) platforme

IoT-platforme genererer massive mængder data fra tilsluttede enheder. NewSQL-databaser kan bruges til at lagre og analysere disse data, hvilket giver indsigt i enheders ydeevne, brugsmønstre og potentielle problemer. De sikrer også, at kritiske IoT-data, såsom sensoraflæsninger og kontrolkommandoer, lagres og behandles pålideligt.

Eksempler på NewSQL-databaser

Her er nogle bemærkelsesværdige eksempler på NewSQL-databaser:

• Google Spanner: En globalt distribueret, skalerbar og stærkt konsistent databasetjeneste.
• CockroachDB: En distribueret SQL-database bygget på et transaktionelt og stærkt konsistent key-value store.
• TiDB: En open-source distribueret SQL-database, der understøtter både online transaktionsbehandling (OLTP) og online analytisk behandling (OLAP) arbejdsbelastninger.
• VoltDB: En in-memory, scale-out SQL-database designet til data med høj hastighed og hurtige beslutninger.
• NuoDB: En distribueret SQL-database designet til cloud-miljøer.

Valg af den rette NewSQL-database

Valget af den rette NewSQL-database til din applikation afhænger af flere faktorer, herunder:

• Skalerbarhedskrav: Hvor meget data og trafik skal du håndtere?
• ACID-krav: Hvor vigtige er ACID-garantier for din applikation?
• Ydeevnekrav: Hvor hurtigt skal du behandle transaktioner?
• Implementeringsmiljø: Hvor vil du implementere databasen (f.eks. on-premise, cloud)?
• SQL-kompatibilitet: Hvor vigtig er SQL-kompatibilitet for dine eksisterende applikationer og dit udviklingsteam?
• Omkostninger: Hvad er dit budget for databasen?

Det er vigtigt at omhyggeligt evaluere dine krav og sammenligne funktionerne og ydeevnen hos forskellige NewSQL-databaser, før du træffer en beslutning. Overvej at køre benchmarks for at teste ydeevnen hos forskellige databaser med din specifikke arbejdsbelastning.

Fremtiden for NewSQL

NewSQL-databaser er en teknologi i hastig udvikling. I takt med at datamængder og applikationskompleksitet fortsætter med at vokse, vil efterspørgslen efter skalerbare og konsistente databaser kun stige. Vi kan forvente at se yderligere innovationer inden for NewSQL-arkitekturer, algoritmer og værktøjer i de kommende år.

Nogle potentielle fremtidige tendenser inden for NewSQL inkluderer:

• Flere Cloud-Native Databaser: NewSQL-databaser vil i stigende grad blive designet til cloud-miljøer og drage fordel af cloud-native teknologier som Kubernetes og serverless computing.
• Forbedret Geo-distribution: NewSQL-databaser vil blive endnu bedre til at håndtere geografisk distribuerede data og give lav latenstidsadgang til data fra hvor som helst i verden.
• Integration med Machine Learning: NewSQL-databaser vil i stigende grad blive integreret med machine learning-platforme, hvilket muliggør realtidsanalyse og datadrevet beslutningstagning.
• Forbedret sikkerhed: NewSQL-databaser vil inkorporere mere avancerede sikkerhedsfunktioner for at beskytte følsomme data mod uautoriseret adgang.

Konklusion

NewSQL-databaser tilbyder en overbevisende løsning for applikationer, der kræver både skalerbarhed og datakonsistens. Ved at kombinere det bedste fra både traditionelle RDBMS og NoSQL-databaser, leverer NewSQL-databaser en stærk platform til at bygge moderne, distribuerede applikationer. Da efterspørgslen efter skalerbare og konsistente databaser fortsætter med at vokse, er NewSQL klar til at spille en stadig vigtigere rolle i fremtiden for datahåndtering.

Uanset om du bygger et finansielt system, en e-handelsplatform, en spilapplikation eller en IoT-platform, kan NewSQL-databaser hjælpe dig med at håndtere udfordringerne med skalering og kompleksitet, samtidig med at du sikrer integriteten og pålideligheden af dine data. Overvej at udforske verdenen af NewSQL for at se, hvordan den kan gavne din organisation.