NewSQL: Skaalautuvat ja hajautetut ACID-transaktiot globaaleille sovelluksille

Nykypäivän datavetoisessa maailmassa sovellukset vaativat sekä skaalautuvuutta että datan yhtenäisyyttä. Perinteiset relaatiotietokannat, vaikka ne tarjoavatkin vahvat ACID-takuut (Atomicity, Consistency, Isolation, Durability), kamppailevat usein horisontaalisen skaalautumisen kanssa. NoSQL-tietokannat puolestaan tarjoavat skaalautuvuutta, mutta yleensä uhraavat ACID-ominaisuudet suorituskyvyn hyväksi. NewSQL-tietokannat ovat välimuoto, joka pyrkii yhdistämään molempien maailmojen parhaat puolet: NoSQL:n skaalautuvuuden ja suorituskyvyn sekä perinteisten RDBMS-järjestelmien ACID-takuut.

Mitä on NewSQL?

NewSQL ei ole yksittäinen tietokantateknologia, vaan pikemminkin luokka moderneja relaatiotietokantojen hallintajärjestelmiä (RDBMS), jotka pyrkivät tarjoamaan samat ACID-takuut kuin perinteiset tietokantajärjestelmät ja samalla saavuttamaan NoSQL-järjestelmien skaalautuvuuden. Ne on suunniteltu käsittelemään suuria transaktiomääriä ja datavolyymejä, mikä tekee niistä sopivia nykyaikaisiin, hajautettuihin sovelluksiin.

Pohjimmiltaan NewSQL-järjestelmät on suunniteltu vastaamaan perinteisten RDBMS-järjestelmien rajoituksiin suurissa mittakaavoissa. Ne jakavat datan ja prosessoinnin useiden solmujen kesken, mikä mahdollistaa horisontaalisen skaalautuvuuden, mutta varmistavat silti, että transaktiot käsitellään luotettavasti ja yhtenäisesti.

NewSQL-tietokantojen keskeiset ominaisuudet

• ACID-yhteensopivuus: NewSQL-tietokannat priorisoivat ACID-ominaisuuksia datan eheyden ja yhtenäisyyden varmistamiseksi. Tämä on elintärkeä vaatimus sovelluksille, jotka käsittelevät arkaluontoista dataa tai vaativat tiukkoja transaktiotakuita, kuten rahoitusjärjestelmät tai verkkokauppa-alustat.
• Skaalautuvuus: Ne on suunniteltu skaalautumaan horisontaalisesti jakamalla dataa ja prosessointia useiden solmujen kesken. Tämä mahdollistaa kasvavien työkuormien ja datamäärien käsittelyn suorituskyvystä tinkimättä.
• SQL-rajapinta: Useimmat NewSQL-tietokannat tarjoavat SQL-yhteensopivan rajapinnan, mikä helpottaa kehittäjien olemassa olevien sovellusten siirtämistä tai olemassa olevien SQL-taitojen hyödyntämistä.
• Hajautettu arkkitehtuuri: NewSQL-tietokannat perustuvat tyypillisesti hajautettuun arkkitehtuuriin, mikä mahdollistaa korkean saatavuuden ja vikasietoisuuden.
• Suorituskyky: Ne on optimoitu korkean suorituskyvyn transaktioiden käsittelyyn, ja ne käyttävät usein tekniikoita, kuten muistissa olevaa datan tallennusta, hajautettua kyselyjen käsittelyä ja lukotonta rinnakkaisuuden hallintaa.

NewSQL:n arkkitehtoniset lähestymistavat

NewSQL-tietokantojen toteutuksissa käytetään useita arkkitehtonisia lähestymistapoja. Nämä lähestymistavat eroavat siinä, miten ne saavuttavat skaalautuvuuden ja ACID-takuut.

1. Shared-Nothing-arkkitehtuuri

Shared-nothing-arkkitehtuurissa jokaisella klusterin solmulla on omat itsenäiset resurssinsa (CPU, muisti, tallennustila). Data ositetaan ja jaetaan näiden solmujen kesken. Tämä arkkitehtuuri tarjoaa erinomaisen skaalautuvuuden, koska uusien solmujen lisääminen kasvattaa järjestelmän kapasiteettia lineaarisesti. Esimerkkejä NewSQL-tietokannoista, jotka käyttävät shared-nothing-arkkitehtuuria, ovat Google Spanner ja CockroachDB.

Esimerkki: Kuvittele globaali verkkokauppa-alusta, jolla on käyttäjiä ympäri maailmaa. Käyttämällä shared-nothing NewSQL-tietokantaa alusta voi jakaa datansa useisiin maantieteellisesti hajautettuihin datakeskuksiin. Tämä takaa alhaisen viiveen eri alueiden käyttäjille ja tarjoaa korkean saatavuuden alueellisten katkosten sattuessa.

2. Shared-Memory-arkkitehtuuri

Shared-memory-arkkitehtuurissa kaikki klusterin solmut jakavat saman muistitilan. Tämä mahdollistaa nopean datan käytön ja viestinnän solmujen välillä. Tämä arkkitehtuuri on kuitenkin tyypillisesti rajoitettu skaalautuvuudeltaan, koska jaettu muisti muuttuu pullonkaulaksi solmujen määrän kasvaessa. Esimerkkejä tietokannoista, jotka hyödyntävät tätä arkkitehtuuria (vaikkakaan eivät puhtaasti NewSQL:ää, mutta osoittavat samanlaisia transaktioiden skaalausmenetelmiä), ovat tietyt muistissa toimivat tietokantaklusterit.

3. Shared-Disk-arkkitehtuuri

Shared-disk-arkkitehtuurissa kaikki klusterin solmut jakavat samat tallennuslaitteet. Tämä yksinkertaistaa datanhallintaa ja tarjoaa korkean saatavuuden. Tämä arkkitehtuuri voi kuitenkin myös olla pullonkaula, koska kaikkien solmujen on käytettävä samaa tallennustilaa. Jotkin perinteiset RDBMS-järjestelmät, kun ne on klusteroitu, voidaan nähdä osana laajempaa skaalautuvan transaktiokäsittelyn kontekstia, vaikka niitä ei ehkä kutsuttaisikaan NewSQL:ksi.

ACID-transaktiot hajautetussa ympäristössä

ACID-ominaisuuksien ylläpitäminen hajautetussa ympäristössä on monimutkainen haaste. NewSQL-tietokannat käyttävät erilaisia tekniikoita datan yhtenäisyyden ja luotettavuuden varmistamiseksi.

1. Kaksivaiheinen lukitus (2PC)

2PC on laajalti käytetty protokolla atomisuuden varmistamiseksi useiden solmujen välillä. 2PC:ssä koordinaattorisolmu koordinoi transaktiota kaikkien osallistuvien solmujen kesken. Transaktio etenee kahdessa vaiheessa: valmisteluvaiheessa ja vahvistusvaiheessa. Valmisteluvaiheen aikana jokainen solmu valmistautuu vahvistamaan transaktion ja ilmoittaa siitä koordinaattorille. Jos kaikki solmut ovat valmiita, koordinaattori käskee niitä vahvistamaan. Jos jokin solmu ei onnistu valmistautumaan, koordinaattori käskee kaikkia solmuja keskeyttämään.

Haaste: 2PC voi olla hidas ja luoda yhden vikaantumispisteen (koordinaattori). Siksi nykyaikaiset NewSQL-järjestelmät suosivat usein vaihtoehtoisia protokollia.

2. Paxos- ja Raft-konsensusalgoritmit

Paxos ja Raft ovat konsensusalgoritmeja, jotka mahdollistavat hajautetun järjestelmän pääsevän yhteisymmärrykseen yhdestä arvosta, jopa vikatilanteissa. Näitä algoritmeja käytetään usein NewSQL-tietokannoissa datan yhtenäisyyden ja vikasietoisuuden varmistamiseksi. Ne tarjoavat vankemman ja tehokkaamman vaihtoehdon 2PC:lle.

Esimerkki: CockroachDB käyttää Raftia datan replikointiin useiden solmujen välillä ja varmistaa, että kaikki replikat ovat yhtenäisiä. Tämä tarkoittaa, että vaikka yksi solmu vikaantuisikin, järjestelmä voi jatkaa toimintaansa ilman datan menetystä tai epäyhtenäisyyttä.

3. Spannerin TrueTime API

Google Spanner käyttää maailmanlaajuisesti hajautettua, ulkoisesti yhtenäistä aikaleimausjärjestelmää nimeltä TrueTime. TrueTime tarjoaa taatun ylärajan kellon epävarmuudelle, mikä mahdollistaa Spannerin saavuttavan vahvan yhtenäisyyden maantieteellisesti hajautetuissa datakeskuksissa. Tämä mahdollistaa Spannerin suorittavan globaalisti hajautettuja transaktioita alhaisella viiveellä ja suurella läpimenolla.

Merkitys: TrueTime on Spannerin arkkitehtuurin ratkaiseva osa, koska se mahdollistaa tietokannan ylläpitävän sarjallistettavuutta, vahvinta eristystasoa, jopa hajautetussa ympäristössä.

NewSQL-tietokantojen käytön edut

• Skaalautuvuus: NewSQL-tietokannat voivat skaalautua horisontaalisesti käsittelemään kasvavia työkuormia ja datamääriä.
• ACID-yhteensopivuus: Ne tarjoavat vahvat ACID-takuut, jotka varmistavat datan eheyden ja yhtenäisyyden.
• Suorituskyky: Ne on optimoitu korkean suorituskyvyn transaktioiden käsittelyyn.
• Vikasietoisuus: Ne on suunniteltu vikasietoisiksi, mikä tarkoittaa, että ne voivat jatkaa toimintaansa, vaikka jotkin solmut vikaantuisivat.
• SQL-yhteensopivuus: Useimmat NewSQL-tietokannat tarjoavat SQL-yhteensopivan rajapinnan, mikä helpottaa olemassa olevien sovellusten siirtämistä.

NewSQL-tietokantojen käyttötapaukset

NewSQL-tietokannat soveltuvat monenlaisiin sovelluksiin, jotka vaativat sekä skaalautuvuutta että datan yhtenäisyyttä. Yleisimpiä käyttötapauksia ovat:

1. Rahoitussovellukset

Rahoitussovellukset, kuten pankkijärjestelmät ja maksuprosessorit, vaativat tiukkoja ACID-takuita varmistaakseen rahoitustransaktioiden tarkkuuden ja luotettavuuden. NewSQL-tietokannat voivat tarjota tarvittavan skaalautuvuuden ja suorituskyvyn suurten transaktiomäärien käsittelyyn säilyttäen samalla datan eheyden.

Esimerkki: Globaali maksuyhdyskäytävä, joka käsittelee miljoonia transaktioita päivässä, tarvitsee tietokannan, joka pystyy käsittelemään suuren liikennemäärän ja varmistamaan, että kaikki transaktiot käsitellään oikein. NewSQL-tietokanta voi tarjota näiden vaatimusten täyttämiseen tarvittavan skaalautuvuuden ja ACID-takuut.

2. Verkkokauppa-alustat

Verkkokauppa-alustojen on käsiteltävä suurta määrää samanaikaisia käyttäjiä ja transaktioita. NewSQL-tietokannat voivat tarjota tarvittavan skaalautuvuuden ja suorituskyvyn tämän työkuorman käsittelyyn ja varmistaa samalla, että tilaukset käsitellään oikein ja varastosaldot päivitetään tarkasti.

Esimerkki: Suuri verkkokauppias tarvitsee tietokannan, joka pystyy käsittelemään juhlasesonkien aikaiset kuormituspiikit. NewSQL-tietokanta voi skaalautua vastaamaan kasvaneeseen kysyntään ja varmistaa, että kaikki tilaukset käsitellään virheettömästi.

3. Pelisovellukset

Massiiviset monen pelaajan verkkopelit (MMO) vaativat suuren määrän samanaikaisten pelaajien ja monimutkaisen pelilogiikan käsittelyä. NewSQL-tietokannat voivat tarjota tarvittavan skaalautuvuuden ja suorituskyvyn tämän työkuorman käsittelyyn varmistaen samalla, että pelin tila on yhtenäinen ja pelaajat eivät voi huijata.

Esimerkki: Suosittu MMO-peli tarvitsee tietokannan, joka pystyy käsittelemään miljoonia samanaikaisia pelaajia ja varmistamaan, että kaikki pelaajatiedot ovat yhtenäisiä. NewSQL-tietokanta voi tarjota näiden vaatimusten täyttämiseen tarvittavan skaalautuvuuden ja ACID-takuut.

4. Toimitusketjun hallinta

Nykyaikaiset toimitusketjut ovat globaalisti hajautettuja ja vaativat reaaliaikaista näkyvyyttä varastotasoihin, tilausten tilaan ja lähetysten seurantaan. NewSQL-tietokannat voivat tarjota tarvittavan skaalautuvuuden ja suorituskyvyn toimitusketjujärjestelmien tuottaman suuren datamäärän käsittelyyn ja varmistaa samalla, että data on tarkkaa ja yhtenäistä.

5. IoT (esineiden internet) -alustat

IoT-alustat tuottavat valtavia määriä dataa yhdistetyistä laitteista. NewSQL-tietokantoja voidaan käyttää tämän datan tallentamiseen ja analysointiin, mikä tarjoaa näkemyksiä laitteiden suorituskyvystä, käyttötavoista ja mahdollisista ongelmista. Ne myös varmistavat, että kriittinen IoT-data, kuten anturilukemat ja ohjauskäskyt, tallennetaan ja käsitellään luotettavasti.

Esimerkkejä NewSQL-tietokannoista

Tässä on joitakin merkittäviä esimerkkejä NewSQL-tietokannoista:

• Google Spanner: Globaalisti hajautettu, skaalautuva ja vahvasti yhtenäinen tietokantapalvelu.
• CockroachDB: Hajautettu SQL-tietokanta, joka perustuu transaktionaaliseen ja vahvasti yhtenäiseen avain-arvo-säilöön.
• TiDB: Avoimen lähdekoodin hajautettu SQL-tietokanta, joka tukee sekä online-transaktioprosessointia (OLTP) että online-analyyttistä prosessointia (OLAP).
• VoltDB: Muistissa toimiva, skaalautuva SQL-tietokanta, joka on suunniteltu nopeasti liikkuvalle datalle ja nopeille päätöksille.
• NuoDB: Hajautettu SQL-tietokanta, joka on suunniteltu pilviympäristöihin.

Oikean NewSQL-tietokannan valitseminen

Oikean NewSQL-tietokannan valitseminen sovelluksellesi riippuu useista tekijöistä, kuten:

• Skaalautuvuusvaatimukset: Kuinka paljon dataa ja liikennettä sinun tarvitsee käsitellä?
• ACID-vaatimukset: Kuinka tärkeitä ACID-takuut ovat sovelluksellesi?
• Suorituskykyvaatimukset: Kuinka nopeasti sinun tarvitsee käsitellä transaktioita?
• Käyttöönottoympäristö: Minne asennat tietokannan (esim. omiin tiloihin, pilveen)?
• SQL-yhteensopivuus: Kuinka tärkeää SQL-yhteensopivuus on olemassa oleville sovelluksillesi ja kehitystiimillesi?
• Kustannukset: Mikä on tietokannan budjettisi?

On tärkeää arvioida vaatimuksesi huolellisesti ja verrata eri NewSQL-tietokantojen ominaisuuksia ja suorituskykyä ennen päätöksentekoa. Harkitse vertailutestien ajamista testataksesi eri tietokantojen suorituskykyä omalla työkuormallasi.

NewSQL:n tulevaisuus

NewSQL-tietokannat ovat nopeasti kehittyvä teknologia. Datan määrän ja sovellusten monimutkaisuuden kasvaessa kysyntä skaalautuville ja yhtenäisille tietokannoille vain kasvaa. Voimme odottaa näkevämme lisää innovaatioita NewSQL-arkkitehtuureissa, algoritmeissa ja työkaluissa tulevina vuosina.

Joitakin mahdollisia tulevaisuuden trendejä NewSQL:ssä ovat:

• Enemmän pilvinatiiveja tietokantoja: NewSQL-tietokannat suunnitellaan yhä enemmän pilviympäristöihin hyödyntäen pilvinatiiveja teknologioita, kuten Kubernetesia ja palvelimetonta tietojenkäsittelyä.
• Parannettu maantieteellinen hajautus: NewSQL-tietokannoista tulee entistä parempia käsittelemään maantieteellisesti hajautettua dataa ja tarjoamaan matalan viiveen pääsyn dataan mistä päin maailmaa tahansa.
• Integraatio koneoppimiseen: NewSQL-tietokannat integroidaan yhä enemmän koneoppimisalustoihin, mikä mahdollistaa reaaliaikaisen analytiikan ja datavetoisen päätöksenteon.
• Parannettu tietoturva: NewSQL-tietokannat sisältävät yhä kehittyneempiä tietoturvaominaisuuksia arkaluontoisen datan suojaamiseksi luvattomalta käytöltä.

Yhteenveto

NewSQL-tietokannat tarjoavat houkuttelevan ratkaisun sovelluksille, jotka vaativat sekä skaalautuvuutta että datan yhtenäisyyttä. Yhdistämällä perinteisten RDBMS- ja NoSQL-tietokantojen parhaat puolet, NewSQL-tietokannat tarjoavat tehokkaan alustan nykyaikaisten, hajautettujen sovellusten rakentamiseen. Skaalautuvien ja yhtenäisten tietokantojen kysynnän kasvaessa NewSQL on valmis ottamaan yhä tärkeämmän roolin datanhallinnan tulevaisuudessa.

Olitpa rakentamassa rahoitusjärjestelmää, verkkokauppa-alustaa, pelisovellusta tai IoT-alustaa, NewSQL-tietokannat voivat auttaa sinua selviytymään mittakaavan ja monimutkaisuuden haasteista varmistaen samalla datasi eheyden ja luotettavuuden. Harkitse tutustumista NewSQL-maailmaan nähdäksesi, kuinka se voi hyödyttää organisaatiotasi.