NewSQL: مقیاس‌پذیری تراکنش‌های توزیع‌شده ACID برای برنامه‌های جهانی

در دنیای داده‌محور امروز، برنامه‌ها هم به مقیاس‌پذیری و هم به سازگاری داده‌ها نیاز دارند. پایگاه‌های داده رابطه‌ای سنتی، با وجود ارائه تضمین‌های قوی ACID (اتمی بودن، سازگاری، جداسازی، دوام)، اغلب برای مقیاس‌پذیری افقی با چالش مواجه می‌شوند. از سوی دیگر، پایگاه‌های داده NoSQL مقیاس‌پذیری را ارائه می‌دهند اما معمولاً ویژگی‌های ACID را فدای عملکرد می‌کنند. پایگاه‌های داده NewSQL به عنوان یک راه حل میانی ظهور کرده‌اند که هدفشان ترکیب بهترین‌های هر دو جهان است: مقیاس‌پذیری و عملکرد NoSQL با تضمین‌های ACID پایگاه‌های داده رابطه‌ای سنتی (RDBMS).

NewSQL چیست؟

NewSQL یک فناوری پایگاه داده واحد نیست، بلکه کلاسی از سیستم‌های مدیریت پایگاه داده رابطه‌ای (RDBMS) مدرن است که به دنبال ارائه همان تضمین‌های ACID سیستم‌های پایگاه داده سنتی هستند، در حالی که به مقیاس‌پذیری سیستم‌های NoSQL دست می‌یابند. آن‌ها برای مدیریت پردازش تراکنش‌های با حجم بالا و حجم زیاد داده طراحی شده‌اند که آن‌ها را برای برنامه‌های مدرن و توزیع‌شده مناسب می‌سازد.

در اصل، سیستم‌های NewSQL برای رفع محدودیت‌های RDBMS سنتی هنگام کار در مقیاس بزرگ طراحی شده‌اند. آن‌ها داده‌ها و پردازش را در چندین گره توزیع می‌کنند که امکان مقیاس‌پذیری افقی را فراهم می‌کند، در حالی که همچنان تضمین می‌کنند که تراکنش‌ها به شیوه‌ای قابل اعتماد و سازگار پردازش می‌شوند.

ویژگی‌های کلیدی پایگاه‌های داده NewSQL

• پایبندی به ACID: پایگاه‌های داده NewSQL ویژگی‌های ACID را برای تضمین یکپارچگی و سازگاری داده‌ها در اولویت قرار می‌دهند. این یک نیاز حیاتی برای برنامه‌هایی است که با داده‌های حساس سروکار دارند یا به تضمین‌های تراکنشی دقیق نیاز دارند، مانند سیستم‌های مالی یا پلتفرم‌های تجارت الکترونیک.
• مقیاس‌پذیری: آن‌ها برای مقیاس‌پذیری افقی با توزیع داده‌ها و پردازش در چندین گره طراحی شده‌اند. این به آن‌ها اجازه می‌دهد تا با افزایش حجم کار و داده‌ها، بدون فدا کردن عملکرد، مقابله کنند.
• رابط SQL: اکثر پایگاه‌های داده NewSQL یک رابط سازگار با SQL ارائه می‌دهند، که مهاجرت برنامه‌های موجود یا استفاده از مهارت‌های SQL موجود توسعه‌دهندگان را آسان‌تر می‌کند.
• معماری توزیع‌شده: پایگاه‌های داده NewSQL معمولاً بر روی یک معماری توزیع‌شده ساخته شده‌اند، که به آن‌ها اجازه می‌دهد به دسترس‌پذیری بالا و تحمل خطا دست یابند.
• عملکرد: آن‌ها برای پردازش تراکنش‌های با عملکرد بالا بهینه شده‌اند و اغلب از تکنیک‌هایی مانند ذخیره‌سازی داده در حافظه، پردازش پرس‌وجوی توزیع‌شده و کنترل همروندی بدون قفل استفاده می‌کنند.

رویکردهای معماری در NewSQL

چندین رویکرد معماری در پیاده‌سازی‌های پایگاه داده NewSQL استفاده می‌شود. این رویکردها در نحوه دستیابی به مقیاس‌پذیری و تضمین‌های ACID متفاوت هستند.

۱. معماری بدون اشتراک (Shared-Nothing)

در معماری بدون اشتراک، هر گره در کلاستر منابع مستقل خود (CPU، حافظه، ذخیره‌سازی) را دارد. داده‌ها بین این گره‌ها پارتیشن‌بندی و توزیع می‌شوند. این معماری مقیاس‌پذیری عالی را فراهم می‌کند زیرا افزودن گره‌های بیشتر به طور خطی ظرفیت سیستم را افزایش می‌دهد. نمونه‌هایی از پایگاه‌های داده NewSQL که از معماری بدون اشتراک استفاده می‌کنند شامل Google Spanner و CockroachDB هستند.

مثال: یک پلتفرم تجارت الکترونیک جهانی با کاربرانی در سراسر جهان را تصور کنید. با استفاده از یک پایگاه داده NewSQL با معماری بدون اشتراک، این پلتفرم می‌تواند داده‌های خود را در چندین مرکز داده توزیع‌شده جغرافیایی پخش کند. این کار تأخیر کم را برای کاربران در مناطق مختلف تضمین می‌کند و در صورت قطعی‌های منطقه‌ای، دسترس‌پذیری بالا را فراهم می‌آورد.

۲. معماری با حافظه مشترک (Shared-Memory)

در معماری با حافظه مشترک، تمام گره‌ها در کلاستر فضای حافظه یکسانی را به اشتراک می‌گذارند. این امر امکان دسترسی سریع به داده‌ها و ارتباط بین گره‌ها را فراهم می‌کند. با این حال، این معماری معمولاً از نظر مقیاس‌پذیری محدود است زیرا با افزایش تعداد گره‌ها، حافظه مشترک به یک گلوگاه تبدیل می‌شود. نمونه‌هایی از پایگاه‌های داده (اگرچه به معنای خالص NewSQL نیستند، اما رویکردهای مقیاس‌پذیری تراکنشی مشابهی را نشان می‌دهند) که از این معماری بهره می‌برند، شامل برخی از کلاسترهای پایگاه داده در-حافظه (in-memory) هستند.

۳. معماری با دیسک مشترک (Shared-Disk)

در معماری با دیسک مشترک، تمام گره‌ها در کلاستر دستگاه‌های ذخیره‌سازی یکسانی را به اشتراک می‌گذارند. این امر مدیریت داده‌ها را ساده کرده و دسترس‌پذیری بالا را فراهم می‌کند. با این حال، این معماری نیز می‌تواند یک گلوگاه باشد زیرا همه گره‌ها باید به یک حافظه ذخیره‌سازی دسترسی داشته باشند. برخی از سیستم‌های RDBMS سنتی، هنگامی که کلاستر می‌شوند، می‌توانند در زمینه گسترده‌تر پردازش تراکنش‌های مقیاس‌پذیر در نظر گرفته شوند، حتی اگر به عنوان NewSQL برچسب نخورده باشند.

تراکنش‌های ACID در یک محیط توزیع‌شده

حفظ ویژگی‌های ACID در یک محیط توزیع‌شده یک چالش پیچیده است. پایگاه‌های داده NewSQL از تکنیک‌های مختلفی برای تضمین سازگاری و قابلیت اطمینان داده‌ها استفاده می‌کنند.

۱. پروتکل تعهد دو مرحله‌ای (2PC)

2PC یک پروتکل پرکاربرد برای تضمین اتمی بودن در چندین گره است. در 2PC، یک گره هماهنگ‌کننده تراکنش را در تمام گره‌های شرکت‌کننده هماهنگ می‌کند. تراکنش در دو مرحله پیش می‌رود: مرحله آماده‌سازی و مرحله تعهد. در مرحله آماده‌سازی، هر گره برای تعهد تراکنش آماده می‌شود و به هماهنگ‌کننده اطلاع می‌دهد. اگر همه گره‌ها آماده باشند، هماهنگ‌کننده به آنها دستور تعهد می‌دهد. اگر هر گره‌ای در آماده‌سازی شکست بخورد، هماهنگ‌کننده به همه گره‌ها دستور لغو می‌دهد.

چالش: 2PC می‌تواند کند باشد و یک نقطه شکست واحد (هماهنگ‌کننده) را ایجاد کند. بنابراین، سیستم‌های مدرن NewSQL اغلب پروتکل‌های جایگزین را ترجیح می‌دهند.

۲. الگوریتم‌های اجماع Paxos و Raft

Paxos و Raft الگوریتم‌های اجماعی هستند که به یک سیستم توزیع‌شده اجازه می‌دهند حتی در حضور خطاها بر روی یک مقدار واحد توافق کنند. این الگوریتم‌ها اغلب در پایگاه‌های داده NewSQL برای تضمین سازگاری داده‌ها و تحمل خطا استفاده می‌شوند. آنها جایگزین قوی‌تر و کارآمدتری برای 2PC ارائه می‌دهند.

مثال: CockroachDB از Raft برای تکثیر داده‌ها در چندین گره و تضمین سازگاری همه نسخه‌ها استفاده می‌کند. این بدان معناست که حتی اگر یک گره از کار بیفتد، سیستم می‌تواند بدون از دست دادن داده یا ناسازگاری به کار خود ادامه دهد.

۳. API TrueTime در Spanner

Google Spanner از یک سیستم زمان‌بندی توزیع‌شده جهانی و سازگار خارجی به نام TrueTime استفاده می‌کند. TrueTime یک کران بالای تضمین‌شده برای عدم قطعیت ساعت فراهم می‌کند، که به Spanner اجازه می‌دهد به سازگاری قوی در مراکز داده توزیع‌شده جغرافیایی دست یابد. این امر Spanner را قادر می‌سازد تا تراکنش‌های توزیع‌شده جهانی را با تأخیر کم و توان عملیاتی بالا انجام دهد.

اهمیت: TrueTime یک جزء حیاتی از معماری Spanner است، زیرا به پایگاه داده اجازه می‌دهد تا سریال‌پذیری (serializability)، قوی‌ترین سطح جداسازی، را حتی در یک محیط توزیع‌شده حفظ کند.

مزایای استفاده از پایگاه‌های داده NewSQL

• مقیاس‌پذیری: پایگاه‌های داده NewSQL می‌توانند به صورت افقی برای مدیریت حجم کار و داده‌های رو به افزایش مقیاس‌پذیر باشند.
• پایبندی به ACID: آنها تضمین‌های قوی ACID را ارائه می‌دهند و یکپارچگی و سازگاری داده‌ها را تضمین می‌کنند.
• عملکرد: آنها برای پردازش تراکنش‌های با عملکرد بالا بهینه شده‌اند.
• تحمل خطا: آنها طوری طراحی شده‌اند که تحمل خطا داشته باشند، به این معنی که حتی در صورت خرابی برخی گره‌ها می‌توانند به کار خود ادامه دهند.
• سازگاری با SQL: اکثر پایگاه‌های داده NewSQL یک رابط سازگار با SQL ارائه می‌دهند که مهاجرت برنامه‌های موجود را آسان‌تر می‌کند.

موارد استفاده از پایگاه‌های داده NewSQL

پایگاه‌های داده NewSQL برای طیف گسترده‌ای از برنامه‌هایی که هم به مقیاس‌پذیری و هم به سازگاری داده‌ها نیاز دارند، مناسب هستند. برخی از موارد استفاده رایج عبارتند از:

۱. برنامه‌های کاربردی مالی

برنامه‌های مالی، مانند سیستم‌های بانکی و پردازشگرهای پرداخت، برای تضمین صحت و قابلیت اطمینان تراکنش‌های مالی به تضمین‌های دقیق ACID نیاز دارند. پایگاه‌های داده NewSQL می‌توانند مقیاس‌پذیری و عملکرد مورد نیاز برای مدیریت پردازش تراکنش‌های با حجم بالا را در عین حفظ یکپارچگی داده‌ها فراهم کنند.

مثال: یک درگاه پرداخت جهانی که روزانه میلیون‌ها تراکنش را پردازش می‌کند به پایگاه داده‌ای نیاز دارد که بتواند حجم بالای ترافیک را مدیریت کرده و تضمین کند که همه تراکنش‌ها به درستی پردازش می‌شوند. یک پایگاه داده NewSQL می‌تواند مقیاس‌پذیری و تضمین‌های ACID مورد نیاز برای برآورده کردن این الزامات را فراهم کند.

۲. پلتفرم‌های تجارت الکترونیک

پلتفرم‌های تجارت الکترونیک باید تعداد زیادی از کاربران و تراکنش‌های همزمان را مدیریت کنند. پایگاه‌های داده NewSQL می‌توانند مقیاس‌پذیری و عملکرد مورد نیاز برای مدیریت این حجم کار را فراهم کنند و در عین حال اطمینان حاصل کنند که سفارش‌ها به درستی پردازش شده و موجودی کالاها به طور دقیق به‌روز می‌شود.

مثال: یک خرده‌فروش آنلاین بزرگ به پایگاه داده‌ای نیاز دارد که بتواند بارهای اوج را در فصل‌های خرید تعطیلات مدیریت کند. یک پایگاه داده NewSQL می‌تواند برای پاسخگویی به تقاضای افزایش یافته مقیاس‌پذیر باشد و تضمین کند که همه سفارش‌ها بدون خطا پردازش می‌شوند.

۳. برنامه‌های کاربردی بازی

بازی‌های آنلاین چندنفره انبوه (MMOs) باید تعداد زیادی از بازیکنان همزمان و منطق پیچیده بازی را مدیریت کنند. پایگاه‌های داده NewSQL می‌توانند مقیاس‌پذیری و عملکرد مورد نیاز برای مدیریت این حجم کار را فراهم کنند و در عین حال اطمینان حاصل کنند که وضعیت بازی سازگار است و بازیکنان نمی‌توانند تقلب کنند.

مثال: یک بازی MMO محبوب به پایگاه داده‌ای نیاز دارد که بتواند میلیون‌ها بازیکن همزمان را مدیریت کرده و تضمین کند که تمام داده‌های بازیکنان سازگار است. یک پایگاه داده NewSQL می‌تواند مقیاس‌پذیری و تضمین‌های ACID مورد نیاز برای برآورده کردن این الزامات را فراهم کند.

۴. مدیریت زنجیره تأمین

زنجیره‌های تأمین مدرن به صورت جهانی توزیع شده‌اند و به دید بی‌درنگ از سطح موجودی، وضعیت سفارش و ردیابی حمل و نقل نیاز دارند. پایگاه‌های داده NewSQL می‌توانند مقیاس‌پذیری و عملکرد مورد نیاز برای مدیریت حجم بالای داده‌های تولید شده توسط سیستم‌های زنجیره تأمین را فراهم کنند و در عین حال اطمینان حاصل کنند که داده‌ها دقیق و سازگار هستند.

۵. پلتفرم‌های اینترنت اشیاء (IoT)

پلتفرم‌های اینترنت اشیاء (IoT) مقادیر عظیمی از داده‌ها را از دستگاه‌های متصل تولید می‌کنند. پایگاه‌های داده NewSQL می‌توانند برای ذخیره و تجزیه و تحلیل این داده‌ها استفاده شوند و بینش‌هایی در مورد عملکرد دستگاه، الگوهای استفاده و مشکلات بالقوه ارائه دهند. آنها همچنین تضمین می‌کنند که داده‌های حیاتی IoT، مانند خوانش‌های حسگر و دستورات کنترلی، به طور قابل اعتماد ذخیره و پردازش می‌شوند.

نمونه‌هایی از پایگاه‌های داده NewSQL

در اینجا چند نمونه قابل توجه از پایگاه‌های داده NewSQL آورده شده است:

• Google Spanner: یک سرویس پایگاه داده توزیع‌شده جهانی، مقیاس‌پذیر و با سازگاری قوی.
• CockroachDB: یک پایگاه داده SQL توزیع‌شده که بر روی یک ذخیره‌ساز کلید-مقدار تراکنشی و با سازگاری قوی ساخته شده است.
• TiDB: یک پایگاه داده SQL توزیع‌شده متن‌باز که هم از پردازش تراکنش‌های آنلاین (OLTP) و هم از پردازش تحلیلی آنلاین (OLAP) پشتیبانی می‌کند.
• VoltDB: یک پایگاه داده SQL در-حافظه و مقیاس‌پذیر که برای داده‌های با سرعت بالا و تصمیم‌گیری‌های سریع طراحی شده است.
• NuoDB: یک پایگاه داده SQL توزیع‌شده که برای محیط‌های ابری طراحی شده است.

انتخاب پایگاه داده NewSQL مناسب

انتخاب پایگاه داده NewSQL مناسب برای برنامه شما به عوامل مختلفی بستگی دارد، از جمله:

• نیازمندی‌های مقیاس‌پذیری: چه مقدار داده و ترافیک را باید مدیریت کنید؟
• نیازمندی‌های ACID: تضمین‌های ACID چقدر برای برنامه شما مهم هستند؟
• نیازمندی‌های عملکرد: با چه سرعتی نیاز به پردازش تراکنش‌ها دارید؟
• محیط استقرار: پایگاه داده را کجا مستقر خواهید کرد (مثلاً، داخلی، ابری)؟
• سازگاری با SQL: سازگاری با SQL چقدر برای برنامه‌های موجود و تیم توسعه شما مهم است؟
• هزینه: بودجه شما برای پایگاه داده چقدر است؟

مهم است که نیازمندی‌های خود را به دقت ارزیابی کرده و ویژگی‌ها و عملکرد پایگاه‌های داده مختلف NewSQL را قبل از تصمیم‌گیری مقایسه کنید. اجرای بنچمارک‌ها را برای آزمایش عملکرد پایگاه‌های داده مختلف با حجم کار خاص خود در نظر بگیرید.

آینده NewSQL

پایگاه‌های داده NewSQL یک فناوری به سرعت در حال تکامل هستند. با ادامه رشد حجم داده‌ها و پیچیدگی برنامه‌ها، تقاضا برای پایگاه‌های داده مقیاس‌پذیر و سازگار تنها افزایش خواهد یافت. می‌توانیم انتظار داشته باشیم که در سال‌های آینده شاهد نوآوری‌های بیشتری در معماری‌ها، الگوریتم‌ها و ابزارهای NewSQL باشیم.

برخی از روندهای بالقوه آینده در NewSQL عبارتند از:

• پایگاه‌های داده بیشتر بومی ابر (Cloud-Native): پایگاه‌های داده NewSQL به طور فزاینده‌ای برای محیط‌های ابری طراحی خواهند شد و از فناوری‌های بومی ابر مانند کوبرنتیز و محاسبات بدون سرور بهره خواهند برد.
• توزیع جغرافیایی بهبود یافته: پایگاه‌های داده NewSQL در مدیریت داده‌های توزیع‌شده جغرافیایی و ارائه دسترسی با تأخیر کم به داده‌ها از هر نقطه جهان حتی بهتر خواهند شد.
• ادغام با یادگیری ماشین: پایگاه‌های داده NewSQL به طور فزاینده‌ای با پلتفرم‌های یادگیری ماشین ادغام خواهند شد که امکان تجزیه و تحلیل بی‌درنگ و تصمیم‌گیری مبتنی بر داده را فراهم می‌کند.
• امنیت تقویت‌شده: پایگاه‌های داده NewSQL ویژگی‌های امنیتی پیشرفته‌تری را برای محافظت از داده‌های حساس در برابر دسترسی غیرمجاز در بر خواهند گرفت.

نتیجه‌گیری

پایگاه‌های داده NewSQL یک راه حل قانع‌کننده برای برنامه‌هایی ارائه می‌دهند که هم به مقیاس‌پذیری و هم به سازگاری داده‌ها نیاز دارند. با ترکیب بهترین‌های پایگاه‌های داده RDBMS سنتی و NoSQL، پایگاه‌های داده NewSQL یک پلتفرم قدرتمند برای ساخت برنامه‌های مدرن و توزیع‌شده فراهم می‌کنند. با ادامه رشد تقاضا برای پایگاه‌های داده مقیاس‌پذیر و سازگار، NewSQL آماده است تا نقش فزاینده‌ای در آینده مدیریت داده‌ها ایفا کند.

چه در حال ساخت یک سیستم مالی، یک پلتفرم تجارت الکترونیک، یک برنامه بازی یا یک پلتفرم IoT باشید، پایگاه‌های داده NewSQL می‌توانند به شما در مقابله با چالش‌های مقیاس و پیچیدگی کمک کنند و در عین حال یکپارچگی و قابلیت اطمینان داده‌های شما را تضمین کنند. کاوش در دنیای NewSQL را در نظر بگیرید تا ببینید چگونه می‌تواند برای سازمان شما مفید باشد.