NewSQL: Skalierung verteilter ACID-Transaktionen für globale Anwendungen

In der heutigen datengesteuerten Welt benötigen Anwendungen sowohl Skalierbarkeit als auch Datenkonsistenz. Traditionelle relationale Datenbanken, die starke ACID-Garantien (Atomarität, Konsistenz, Isolation, Dauerhaftigkeit) bieten, haben oft Schwierigkeiten, horizontal zu skalieren. NoSQL-Datenbanken hingegen bieten Skalierbarkeit, opfern jedoch typischerweise ACID-Eigenschaften zugunsten der Leistung. NewSQL-Datenbanken treten als Mittelweg auf und zielen darauf ab, das Beste aus beiden Welten zu vereinen: die Skalierbarkeit und Leistung von NoSQL mit den ACID-Garantien traditioneller RDBMS.

Was ist NewSQL?

NewSQL ist keine einzelne Datenbanktechnologie, sondern eine Klasse moderner relationaler Datenbankmanagementsysteme (RDBMS), die darauf abzielen, die gleichen ACID-Garantien wie traditionelle Datenbanksysteme zu bieten und gleichzeitig die Skalierbarkeit von NoSQL-Systemen zu erreichen. Sie sind für die Verarbeitung von Transaktionen mit hohem Volumen und großen Datenmengen konzipiert, was sie für moderne, verteilte Anwendungen geeignet macht.

Im Wesentlichen sind NewSQL-Systeme so konzipiert, dass sie die Einschränkungen traditioneller RDBMS beim Betrieb im großen Maßstab überwinden. Sie verteilen Daten und Verarbeitung auf mehrere Knoten, was eine horizontale Skalierbarkeit ermöglicht, während gleichzeitig sichergestellt wird, dass Transaktionen zuverlässig und konsistent verarbeitet werden.

Hauptmerkmale von NewSQL-Datenbanken

ACID-Konformität: NewSQL-Datenbanken priorisieren ACID-Eigenschaften, um Datenintegrität und -konsistenz zu gewährleisten. Dies ist eine entscheidende Anforderung für Anwendungen, die sensible Daten verarbeiten oder strenge Transaktionsgarantien erfordern, wie z. B. Finanzsysteme oder E-Commerce-Plattformen.
Skalierbarkeit: Sie sind so konzipiert, dass sie durch die Verteilung von Daten und Verarbeitung auf mehrere Knoten horizontal skalieren können. Dies ermöglicht es ihnen, steigende Arbeitslasten und Datenvolumen ohne Leistungseinbußen zu bewältigen.
SQL-Schnittstelle: Die meisten NewSQL-Datenbanken bieten eine SQL-kompatible Schnittstelle, die es Entwicklern erleichtert, bestehende Anwendungen zu migrieren oder ihre vorhandenen SQL-Kenntnisse zu nutzen.
Verteilte Architektur: NewSQL-Datenbanken basieren typischerweise auf einer verteilten Architektur, die es ihnen ermöglicht, hohe Verfügbarkeit und Fehlertoleranz zu erreichen.
Leistung: Sie sind für die hochleistungsfähige Transaktionsverarbeitung optimiert und verwenden häufig Techniken wie In-Memory-Datenspeicherung, verteilte Abfrageverarbeitung und sperrfreie Parallelitätskontrolle.

Architekturansätze bei NewSQL

Bei der Implementierung von NewSQL-Datenbanken werden verschiedene Architekturansätze verwendet. Diese Ansätze unterscheiden sich darin, wie sie Skalierbarkeit und ACID-Garantien erreichen.

1. Shared-Nothing-Architektur

In einer Shared-Nothing-Architektur hat jeder Knoten im Cluster seine eigenen unabhängigen Ressourcen (CPU, Speicher, Festplatte). Die Daten werden partitioniert und auf diese Knoten verteilt. Diese Architektur bietet eine ausgezeichnete Skalierbarkeit, da das Hinzufügen weiterer Knoten die Kapazität des Systems linear erhöht. Beispiele für NewSQL-Datenbanken, die eine Shared-Nothing-Architektur verwenden, sind Google Spanner und CockroachDB.

Beispiel: Stellen Sie sich eine globale E-Commerce-Plattform mit Nutzern auf der ganzen Welt vor. Mit einer Shared-Nothing-NewSQL-Datenbank kann die Plattform ihre Daten auf mehrere geografisch verteilte Rechenzentren verteilen. Dies gewährleistet eine geringe Latenz für Benutzer in verschiedenen Regionen und bietet eine hohe Verfügbarkeit bei regionalen Ausfällen.

2. Shared-Memory-Architektur

In einer Shared-Memory-Architektur teilen sich alle Knoten im Cluster denselben Speicherplatz. Dies ermöglicht einen schnellen Datenzugriff und eine schnelle Kommunikation zwischen den Knoten. Diese Architektur ist jedoch in der Regel in ihrer Skalierbarkeit begrenzt, da der gemeinsame Speicher mit zunehmender Anzahl von Knoten zu einem Engpass wird. Beispiele für Datenbanken, die diese Architektur nutzen (obwohl nicht streng NewSQL im reinsten Sinne, aber ähnliche transaktionale Skalierungsansätze aufweisen), sind bestimmte In-Memory-Datenbankcluster.

3. Shared-Disk-Architektur

In einer Shared-Disk-Architektur teilen sich alle Knoten im Cluster dieselben Speichergeräte. Dies vereinfacht die Datenverwaltung und bietet eine hohe Verfügbarkeit. Diese Architektur kann jedoch auch ein Engpass sein, da alle Knoten auf denselben Speicher zugreifen müssen. Einige traditionelle RDBMS-Systeme können, wenn sie geclustert sind, im breiteren Kontext der skalierbaren Transaktionsverarbeitung betrachtet werden, auch wenn sie möglicherweise nicht als NewSQL bezeichnet werden.

ACID-Transaktionen in einer verteilten Umgebung

Die Aufrechterhaltung der ACID-Eigenschaften in einer verteilten Umgebung ist eine komplexe Herausforderung. NewSQL-Datenbanken verwenden verschiedene Techniken, um Datenkonsistenz und Zuverlässigkeit zu gewährleisten.

1. Zwei-Phasen-Commit (2PC)

2PC ist ein weit verbreitetes Protokoll zur Gewährleistung der Atomarität über mehrere Knoten hinweg. Bei 2PC koordiniert ein Koordinator-Knoten die Transaktion über alle teilnehmenden Knoten. Die Transaktion verläuft in zwei Phasen: einer Vorbereitungsphase und einer Commit-Phase. Während der Vorbereitungsphase bereitet jeder Knoten das Committen der Transaktion vor und informiert den Koordinator. Wenn alle Knoten bereit sind, weist der Koordinator sie an, zu committen. Wenn ein Knoten die Vorbereitung nicht schafft, weist der Koordinator alle Knoten an, abzubrechen.

Herausforderung: 2PC kann langsam sein und einen Single Point of Failure (den Koordinator) einführen. Daher bevorzugen moderne NewSQL-Systeme oft alternative Protokolle.

2. Paxos- und Raft-Konsensalgorithmen

Paxos und Raft sind Konsensalgorithmen, die es einem verteilten System ermöglichen, sich auf einen einzigen Wert zu einigen, selbst bei Ausfällen. Diese Algorithmen werden häufig in NewSQL-Datenbanken verwendet, um Datenkonsistenz und Fehlertoleranz zu gewährleisten. Sie bieten eine robustere und effizientere Alternative zu 2PC.

Beispiel: CockroachDB verwendet Raft, um Daten über mehrere Knoten zu replizieren und sicherzustellen, dass alle Replikate konsistent sind. Dies bedeutet, dass das System auch bei Ausfall eines Knotens ohne Datenverlust oder Inkonsistenz weiterarbeiten kann.

3. Spanners TrueTime-API

Google Spanner verwendet ein global verteiltes, extern konsistentes Zeitstempelsystem namens TrueTime. TrueTime bietet eine garantierte Obergrenze für die Taktunsicherheit, was es Spanner ermöglicht, eine starke Konsistenz über geografisch verteilte Rechenzentren hinweg zu erreichen. Dies ermöglicht es Spanner, global verteilte Transaktionen mit geringer Latenz und hohem Durchsatz durchzuführen.

Bedeutung: TrueTime ist eine entscheidende Komponente der Architektur von Spanner, da es der Datenbank ermöglicht, die Serialisierbarkeit, die stärkste Isolationsstufe, auch in einer verteilten Umgebung aufrechtzuerhalten.

Vorteile der Verwendung von NewSQL-Datenbanken

Skalierbarkeit: NewSQL-Datenbanken können horizontal skaliert werden, um steigende Arbeitslasten und Datenvolumen zu bewältigen.
ACID-Konformität: Sie bieten starke ACID-Garantien, die Datenintegrität und -konsistenz gewährleisten.
Leistung: Sie sind für die hochleistungsfähige Transaktionsverarbeitung optimiert.
Fehlertoleranz: Sie sind fehlertolerant konzipiert, was bedeutet, dass sie auch bei Ausfall einiger Knoten weiterarbeiten können.
SQL-Kompatibilität: Die meisten NewSQL-Datenbanken bieten eine SQL-kompatible Schnittstelle, was die Migration bestehender Anwendungen erleichtert.

Anwendungsfälle für NewSQL-Datenbanken

NewSQL-Datenbanken eignen sich für eine Vielzahl von Anwendungen, die sowohl Skalierbarkeit als auch Datenkonsistenz erfordern. Einige häufige Anwendungsfälle sind:

1. Finanzanwendungen

Finanzanwendungen wie Bankensysteme und Zahlungsabwickler erfordern strenge ACID-Garantien, um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit von Finanztransaktionen zu gewährleisten. NewSQL-Datenbanken können die Skalierbarkeit und Leistung bieten, die für die Verarbeitung von Transaktionen mit hohem Volumen erforderlich sind, während die Datenintegrität gewahrt bleibt.

Beispiel: Ein globales Zahlungsgateway, das täglich Millionen von Transaktionen verarbeitet, benötigt eine Datenbank, die das hohe Verkehrsaufkommen bewältigen und sicherstellen kann, dass alle Transaktionen korrekt verarbeitet werden. Eine NewSQL-Datenbank kann die Skalierbarkeit und die ACID-Garantien bieten, die zur Erfüllung dieser Anforderungen erforderlich sind.

2. E-Commerce-Plattformen

E-Commerce-Plattformen müssen eine große Anzahl von gleichzeitigen Benutzern und Transaktionen bewältigen. NewSQL-Datenbanken können die Skalierbarkeit und Leistung bieten, die zur Bewältigung dieser Arbeitslast erforderlich sind, und gleichzeitig sicherstellen, dass Bestellungen korrekt verarbeitet und der Lagerbestand genau aktualisiert wird.

Beispiel: Ein großer Online-Händler benötigt eine Datenbank, die die Spitzenlasten während der Feiertagssaison bewältigen kann. Eine NewSQL-Datenbank kann skaliert werden, um der gestiegenen Nachfrage gerecht zu werden und sicherzustellen, dass alle Bestellungen fehlerfrei bearbeitet werden.

3. Gaming-Anwendungen

Massively Multiplayer Online Games (MMOs) müssen eine große Anzahl von gleichzeitigen Spielern und eine komplexe Spiellogik bewältigen. NewSQL-Datenbanken können die Skalierbarkeit und Leistung bieten, die zur Bewältigung dieser Arbeitslast erforderlich sind, und gleichzeitig sicherstellen, dass der Spielzustand konsistent ist und Spieler nicht betrügen können.

Beispiel: Ein beliebtes MMO-Spiel benötigt eine Datenbank, die Millionen von gleichzeitigen Spielern verwalten und sicherstellen kann, dass alle Spielerdaten konsistent sind. Eine NewSQL-Datenbank kann die Skalierbarkeit und die ACID-Garantien bieten, die zur Erfüllung dieser Anforderungen erforderlich sind.

4. Lieferkettenmanagement

Moderne Lieferketten sind global verteilt und erfordern Echtzeit-Einblicke in Lagerbestände, Bestellstatus und Sendungsverfolgung. NewSQL-Datenbanken können die Skalierbarkeit und Leistung bieten, die zur Verarbeitung des großen Datenvolumens von Lieferkettensystemen erforderlich sind, und gleichzeitig sicherstellen, dass die Daten korrekt und konsistent sind.

5. IoT (Internet der Dinge)-Plattformen

IoT-Plattformen erzeugen riesige Datenmengen von vernetzten Geräten. NewSQL-Datenbanken können verwendet werden, um diese Daten zu speichern und zu analysieren und Einblicke in die Geräteleistung, Nutzungsmuster und potenzielle Probleme zu liefern. Sie stellen auch sicher, dass kritische IoT-Daten wie Sensormesswerte und Steuerungsbefehle zuverlässig gespeichert und verarbeitet werden.

Beispiele für NewSQL-Datenbanken

Hier sind einige bemerkenswerte Beispiele für NewSQL-Datenbanken:

Google Spanner: Ein global verteilter, skalierbarer und stark konsistenter Datenbankdienst.
CockroachDB: Eine verteilte SQL-Datenbank, die auf einem transaktionalen und stark konsistenten Key-Value-Store aufbaut.
TiDB: Eine quelloffene, verteilte SQL-Datenbank, die sowohl OLTP- (Online Transaction Processing) als auch OLAP- (Online Analytical Processing) Arbeitslasten unterstützt.
VoltDB: Eine In-Memory-, Scale-Out-SQL-Datenbank, die für Hochgeschwindigkeitsdaten und schnelle Entscheidungen konzipiert ist.
NuoDB: Eine verteilte SQL-Datenbank, die für Cloud-Umgebungen entwickelt wurde.

Die richtige NewSQL-Datenbank auswählen

Die Wahl der richtigen NewSQL-Datenbank für Ihre Anwendung hängt von mehreren Faktoren ab, darunter:

Skalierbarkeitsanforderungen: Wie viele Daten und wie viel Verkehr müssen Sie bewältigen?
ACID-Anforderungen: Wie wichtig sind ACID-Garantien für Ihre Anwendung?
Leistungsanforderungen: Wie schnell müssen Sie Transaktionen verarbeiten?
Bereitstellungsumgebung: Wo werden Sie die Datenbank bereitstellen (z. B. vor Ort, in der Cloud)?
SQL-Kompatibilität: Wie wichtig ist die SQL-Kompatibilität für Ihre bestehenden Anwendungen und Ihr Entwicklungsteam?
Kosten: Was ist Ihr Budget für die Datenbank?

Es ist wichtig, Ihre Anforderungen sorgfältig zu bewerten und die Funktionen und die Leistung verschiedener NewSQL-Datenbanken zu vergleichen, bevor Sie eine Entscheidung treffen. Erwägen Sie die Durchführung von Benchmarks, um die Leistung verschiedener Datenbanken mit Ihrer spezifischen Arbeitslast zu testen.

Die Zukunft von NewSQL

NewSQL-Datenbanken sind eine sich schnell entwickelnde Technologie. Da Datenvolumen und Anwendungskomplexität weiter zunehmen, wird die Nachfrage nach skalierbaren und konsistenten Datenbanken nur steigen. Wir können in den kommenden Jahren weitere Innovationen bei NewSQL-Architekturen, -Algorithmen und -Tools erwarten.

Einige potenzielle zukünftige Trends bei NewSQL sind:

Mehr Cloud-native Datenbanken: NewSQL-Datenbanken werden zunehmend für Cloud-Umgebungen konzipiert und nutzen Cloud-native Technologien wie Kubernetes und Serverless Computing.
Verbesserte Geo-Verteilung: NewSQL-Datenbanken werden noch besser darin, geografisch verteilte Daten zu verwalten und einen latenzarmen Zugriff auf Daten von überall auf der Welt zu ermöglichen.
Integration mit maschinellem Lernen: NewSQL-Datenbanken werden zunehmend in Plattformen für maschinelles Lernen integriert, was Echtzeitanalysen und datengesteuerte Entscheidungsfindung ermöglicht.
Erhöhte Sicherheit: NewSQL-Datenbanken werden fortschrittlichere Sicherheitsfunktionen enthalten, um sensible Daten vor unbefugtem Zugriff zu schützen.

Fazit

NewSQL-Datenbanken bieten eine überzeugende Lösung für Anwendungen, die sowohl Skalierbarkeit als auch Datenkonsistenz erfordern. Durch die Kombination des Besten aus traditionellen RDBMS und NoSQL-Datenbanken bieten NewSQL-Datenbanken eine leistungsstarke Plattform für die Erstellung moderner, verteilter Anwendungen. Da die Nachfrage nach skalierbaren und konsistenten Datenbanken weiter wächst, wird NewSQL eine immer wichtigere Rolle in der Zukunft des Datenmanagements spielen.

Egal, ob Sie ein Finanzsystem, eine E-Commerce-Plattform, eine Gaming-Anwendung oder eine IoT-Plattform entwickeln, NewSQL-Datenbanken können Ihnen helfen, die Herausforderungen von Skalierung und Komplexität zu bewältigen und gleichzeitig die Integrität und Zuverlässigkeit Ihrer Daten zu gewährleisten. Erwägen Sie, die Welt von NewSQL zu erkunden, um zu sehen, wie Ihr Unternehmen davon profitieren kann.