NewSQL: הרחבת טרנזקציות ACID מבוזרות עבור יישומים גלובליים

בעולם מונע הנתונים של היום, יישומים דורשים גם סקיילביליות וגם עקביות נתונים. מסדי נתונים יחסיים מסורתיים, בעודם מספקים הבטחות ACID חזקות (אטומיות, עקביות, בידוד, עמידות), מתקשים לעתים קרובות להתרחב אופקית. מסדי נתונים מסוג NoSQL, לעומת זאת, מציעים סקיילביליות אך בדרך כלל מוותרים על תכונות ACID לטובת ביצועים. מסדי נתונים מסוג NewSQL מופיעים כדרך ביניים, במטרה לשלב את הטוב משני העולמות: הסקיילביליות והביצועים של NoSQL עם הבטחות ה-ACID של RDBMS מסורתיים.

מהו NewSQL?

NewSQL אינו טכנולוגיית מסד נתונים אחת, אלא קטגוריה של מערכות ניהול מסדי נתונים יחסיים (RDBMS) מודרניות, השואפות לספק את אותן הבטחות ACID כמו מערכות מסדי נתונים מסורתיות, תוך השגת הסקיילביליות של מערכות NoSQL. הם מתוכננים להתמודד עם עיבוד טרנזקציות בנפח גבוה ונפחי נתונים גדולים, מה שהופך אותם למתאימים ליישומים מודרניים ומבוזרים.

בעיקרו של דבר, מערכות NewSQL מתוכננות ארכיטקטונית כדי להתמודד עם המגבלות של RDBMS מסורתיים כאשר פועלים בקנה מידה גדול. הן מפזרות נתונים ועיבוד על פני צמתים מרובים, מה שמאפשר הרחבה אופקית, תוך הבטחה שהטרנזקציות מעובדות באופן אמין ועקבי.

מאפיינים מרכזיים של מסדי נתונים מסוג NewSQL

• תאימות ל-ACID: מסדי נתונים מסוג NewSQL נותנים עדיפות לתכונות ACID כדי להבטיח שלמות ועקביות נתונים. זוהי דרישה חיונית עבור יישומים המטפלים בנתונים רגישים או דורשים הבטחות טרנזקציונליות קפדניות, כגון מערכות פיננסיות או פלטפורמות מסחר אלקטרוני.
• סקיילביליות: הם מתוכננים להתרחב אופקית על ידי פיזור נתונים ועיבוד על פני צמתים מרובים. זה מאפשר להם להתמודד עם עומסי עבודה ונפחי נתונים גדלים מבלי לוותר על ביצועים.
• ממשק SQL: רוב מסדי הנתונים מסוג NewSQL מספקים ממשק תואם SQL, מה שמקל על מפתחים להעביר יישומים קיימים או למנף את כישורי ה-SQL הקיימים שלהם.
• ארכיטקטורה מבוזרת: מסדי נתונים מסוג NewSQL בנויים בדרך כלל על ארכיטקטורה מבוזרת, המאפשרת להם להשיג זמינות גבוהה ועמידות בפני תקלות.
• ביצועים: הם ממוטבים לעיבוד טרנזקציות בביצועים גבוהים, ולעתים קרובות משתמשים בטכניקות כמו אחסון נתונים בזיכרון, עיבוד שאילתות מבוזר ובקרת מקביליות ללא נעילות.

גישות ארכיטקטוניות ב-NewSQL

מספר גישות ארכיטקטוניות משמשות במימושים של מסדי נתונים מסוג NewSQL. גישות אלו נבדלות זו מזו באופן שבו הן משיגות סקיילביליות והבטחות ACID.

1. ארכיטקטורת Shared-Nothing (ללא שיתוף)

בארכיטקטורת Shared-Nothing, לכל צומת באשכול יש משאבים עצמאיים משלו (CPU, זיכרון, אחסון). הנתונים מחולקים ומפוזרים בין צמתים אלה. ארכיטקטורה זו מספקת סקיילביליות מצוינת מכיוון שהוספת צמתים נוספים מגדילה באופן ליניארי את קיבולת המערכת. דוגמאות למסדי נתונים מסוג NewSQL המשתמשים בארכיטקטורת Shared-Nothing כוללות את Google Spanner ו-CockroachDB.

דוגמה: דמיינו פלטפורמת מסחר אלקטרוני גלובלית עם משתמשים ברחבי העולם. באמצעות מסד נתונים NewSQL בארכיטקטורת Shared-Nothing, הפלטפורמה יכולה לפזר את הנתונים שלה על פני מרכזי נתונים מבוזרים גיאוגרפית. זה מבטיח זמן השהיה נמוך למשתמשים באזורים שונים ומספק זמינות גבוהה במקרה של תקלות אזוריות.

2. ארכיטקטורת זיכרון משותף (Shared-Memory)

בארכיטקטורת זיכרון משותף, כל הצמתים באשכול חולקים את אותו מרחב זיכרון. זה מאפשר גישה מהירה לנתונים ותקשורת בין צמתים. עם זאת, ארכיטקטורה זו מוגבלת בדרך כלל בסקיילביליות שלה מכיוון שהזיכרון המשותף הופך לצוואר בקבוק ככל שמספר הצמתים גדל. דוגמאות למסדי נתונים (אף שאינם NewSQL במובן הטהור ביותר, אך מציגים גישות דומות להרחבת טרנזקציות) הממנפים ארכיטקטורה זו כוללות אשכולות מסוימים של מסדי נתונים בזיכרון.

3. ארכיטקטורת דיסק משותף (Shared-Disk)

בארכיטקטורת דיסק משותף, כל הצמתים באשכול חולקים את אותם התקני אחסון. זה מפשט את ניהול הנתונים ומספק זמינות גבוהה. עם זאת, ארכיטקטורה זו יכולה גם היא להוות צוואר בקבוק מכיוון שכל הצמתים צריכים לגשת לאותו אחסון. מערכות RDBMS מסורתיות מסוימות, כאשר הן פועלות באשכול, יכולות להיחשב בהקשר הרחב יותר של עיבוד טרנזקציות סקיילבילי, גם אם הן אינן מתויגות כ-NewSQL.

טרנזקציות ACID בסביבה מבוזרת

שמירה על תכונות ACID בסביבה מבוזרת היא אתגר מורכב. מסדי נתונים מסוג NewSQL משתמשים בטכניקות שונות כדי להבטיח עקביות ואמינות נתונים.

1. פרוטוקול התחייבות דו-שלבי (2PC)

2PC הוא פרוטוקול נפוץ להבטחת אטומיות על פני צמתים מרובים. ב-2PC, צומת רכז מתאם את הטרנזקציה בין כל הצמתים המשתתפים. הטרנזקציה מתבצעת בשני שלבים: שלב הכנה ושלב התחייבות. במהלך שלב ההכנה, כל צומת מתכונן להתחייב לטרנזקציה ומודיע לרכז. אם כל הצמתים מוכנים, הרכז מורה להם להתחייב. אם צומת כלשהו נכשל בהכנה, הרכז מורה לכל הצמתים לבטל.

אתגר: 2PC יכול להיות איטי וליצור נקודת כשל יחידה (הרכז). לכן, מערכות NewSQL מודרניות מעדיפות לעתים קרובות פרוטוקולים חלופיים.

2. אלגוריתמי קונצנזוס Paxos ו-Raft

Paxos ו-Raft הם אלגוריתמי קונצנזוס המאפשרים למערכת מבוזרת להסכים על ערך יחיד, גם בנוכחות כשלים. אלגוריתמים אלה משמשים לעתים קרובות במסדי נתונים מסוג NewSQL כדי להבטיח עקביות נתונים ועמידות בפני תקלות. הם מספקים חלופה חזקה ויעילה יותר ל-2PC.

דוגמה: CockroachDB משתמש ב-Raft כדי לשכפל נתונים על פני צמתים מרובים ולהבטיח שכל העותקים עקביים. משמעות הדבר היא שגם אם צומת אחד נכשל, המערכת יכולה להמשיך לפעול ללא אובדן נתונים או חוסר עקביות.

3. ה-TrueTime API של Spanner

Google Spanner משתמש במערכת חתימת זמן מבוזרת גלובלית ועקבית חיצונית בשם TrueTime. TrueTime מספק גבול עליון מובטח על אי-ודאות השעון, מה שמאפשר ל-Spanner להשיג עקביות חזקה על פני מרכזי נתונים מבוזרים גיאוגרפית. זה מאפשר ל-Spanner לבצע טרנזקציות מבוזרות גלובלית עם זמן השהיה נמוך ותפוקה גבוהה.

משמעות: TrueTime הוא רכיב חיוני בארכיטקטורה של Spanner, מכיוון שהוא מאפשר למסד הנתונים לשמור על סדרתיות (serializability), רמת הבידוד החזקה ביותר, גם בסביבה מבוזרת.

היתרונות של שימוש במסדי נתונים מסוג NewSQL

• סקיילביליות: מסדי נתונים מסוג NewSQL יכולים להתרחב אופקית כדי להתמודד עם עומסי עבודה ונפחי נתונים גדלים.
• תאימות ל-ACID: הם מספקים הבטחות ACID חזקות, המבטיחות שלמות ועקביות נתונים.
• ביצועים: הם ממוטבים לעיבוד טרנזקציות בביצועים גבוהים.
• עמידות בפני תקלות: הם מתוכננים להיות עמידים בפני תקלות, כלומר הם יכולים להמשיך לפעול גם אם חלק מהצמתים נכשלים.
• תאימות SQL: רוב מסדי הנתונים מסוג NewSQL מספקים ממשק תואם SQL, מה שמקל על העברת יישומים קיימים.

מקרי שימוש עבור מסדי נתונים מסוג NewSQL

מסדי נתונים מסוג NewSQL מתאימים למגוון רחב של יישומים הדורשים גם סקיילביליות וגם עקביות נתונים. כמה מקרי שימוש נפוצים כוללים:

1. יישומים פיננסיים

יישומים פיננסיים, כגון מערכות בנקאות ומעבדי תשלומים, דורשים הבטחות ACID קפדניות כדי להבטיח את הדיוק והאמינות של טרנזקציות פיננסיות. מסדי נתונים מסוג NewSQL יכולים לספק את הסקיילביליות והביצועים הדרושים להתמודדות עם עיבוד טרנזקציות בנפח גבוה תוך שמירה על שלמות הנתונים.

דוגמה: שער תשלומים גלובלי המעבד מיליוני טרנזקציות ביום זקוק למסד נתונים שיכול להתמודד עם נפח התעבורה הגבוה ולהבטיח שכל הטרנזקציות יעובדו כהלכה. מסד נתונים מסוג NewSQL יכול לספק את הסקיילביליות והבטחות ה-ACID הדרושות כדי לעמוד בדרישות אלו.

2. פלטפורמות מסחר אלקטרוני

פלטפורמות מסחר אלקטרוני צריכות להתמודד עם מספר גדול של משתמשים וטרנזקציות בו-זמנית. מסדי נתונים מסוג NewSQL יכולים לספק את הסקיילביליות והביצועים הדרושים להתמודדות עם עומס עבודה זה תוך הבטחה שההזמנות מעובדות כהלכה והמלאי מתעדכן במדויק.

דוגמה: קמעונאי מקוון גדול זקוק למסד נתונים שיכול להתמודד עם עומסי השיא בעונות הקניות של החגים. מסד נתונים מסוג NewSQL יכול להתרחב כדי לעמוד בביקוש המוגבר ולהבטיח שכל ההזמנות יעובדו ללא שגיאות.

3. יישומי גיימינג

משחקים מקוונים מרובי משתתפים (MMOs) צריכים להתמודד עם מספר גדול של שחקנים בו-זמנית ולוגיקת משחק מורכבת. מסדי נתונים מסוג NewSQL יכולים לספק את הסקיילביליות והביצועים הדרושים להתמודדות עם עומס עבודה זה תוך הבטחה שמצב המשחק עקבי ושחקנים אינם יכולים לרמות.

דוגמה: משחק MMO פופולרי זקוק למסד נתונים שיכול להתמודד עם מיליוני שחקנים בו-זמנית ולהבטיח שכל נתוני השחקנים עקביים. מסד נתונים מסוג NewSQL יכול לספק את הסקיילביליות והבטחות ה-ACID הדרושות כדי לעמוד בדרישות אלו.

4. ניהול שרשרת אספקה

שרשראות אספקה מודרניות מבוזרות גלובלית ודורשות נראות בזמן אמת של רמות מלאי, סטטוס הזמנות ומעקב משלוחים. מסדי נתונים מסוג NewSQL יכולים לספק את הסקיילביליות והביצועים הדרושים להתמודדות עם נפח הנתונים הגדול שנוצר על ידי מערכות שרשרת אספקה תוך הבטחה שהנתונים מדויקים ועקביים.

5. פלטפורמות IoT (האינטרנט של הדברים)

פלטפורמות IoT מייצרות כמויות אדירות של נתונים מהתקנים מחוברים. ניתן להשתמש במסדי נתונים מסוג NewSQL לאחסון וניתוח נתונים אלה, תוך מתן תובנות לגבי ביצועי התקנים, דפוסי שימוש ובעיות פוטנציאליות. הם גם מבטיחים שנתוני IoT קריטיים, כגון קריאות חיישנים ופקודות בקרה, מאוחסנים ומעובדים באופן אמין.

דוגמאות למסדי נתונים מסוג NewSQL

הנה כמה דוגמאות בולטות למסדי נתונים מסוג NewSQL:

• Google Spanner: שירות מסד נתונים מבוזר גלובלית, סקיילבילי ובעל עקביות חזקה.
• CockroachDB: מסד נתונים SQL מבוזר הבנוי על מאגר מפתח-ערך טרנזקציונלי ובעל עקביות חזקה.
• TiDB: מסד נתונים SQL מבוזר בקוד פתוח התומך הן בעיבוד טרנזקציות מקוון (OLTP) והן בעיבוד אנליטי מקוון (OLAP).
• VoltDB: מסד נתונים SQL בזיכרון, הניתן להרחבה אופקית, המיועד לנתונים במהירות גבוהה ולקבלת החלטות מהירות.
• NuoDB: מסד נתונים SQL מבוזר המיועד לסביבות ענן.

בחירת מסד הנתונים הנכון מסוג NewSQL

בחירת מסד הנתונים הנכון מסוג NewSQL עבור היישום שלך תלויה במספר גורמים, כולל:

• דרישות סקיילביליות: כמה נתונים ותעבורה אתה צריך לטפל?
• דרישות ACID: כמה חשובות הבטחות ACID עבור היישום שלך?
• דרישות ביצועים: באיזו מהירות אתה צריך לעבד טרנזקציות?
• סביבת פריסה: היכן תפרוס את מסד הנתונים (למשל, מקומי, ענן)?
• תאימות SQL: כמה חשובה תאימות SQL עבור היישומים הקיימים וצוות הפיתוח שלך?
• עלות: מה התקציב שלך למסד הנתונים?

חשוב להעריך בקפידה את הדרישות שלך ולהשוות את התכונות והביצועים של מסדי נתונים שונים מסוג NewSQL לפני קבלת החלטה. שקול להריץ מבחני ביצועים (benchmarks) כדי לבדוק את הביצועים של מסדי נתונים שונים עם עומס העבודה הספציפי שלך.

העתיד של NewSQL

מסדי נתונים מסוג NewSQL הם טכנולוגיה המתפתחת במהירות. ככל שנפחי הנתונים ומורכבות היישומים ממשיכים לגדול, הביקוש למסדי נתונים סקיילביליים ועקביים רק יגדל. אנו יכולים לצפות לראות חידושים נוספים בארכיטקטורות, אלגוריתמים וכלים של NewSQL בשנים הקרובות.

כמה מגמות עתידיות פוטנציאליות ב-NewSQL כוללות:

• יותר מסדי נתונים מותאמי-ענן (Cloud-Native): מסדי נתונים מסוג NewSQL יתוכננו יותר ויותר עבור סביבות ענן, תוך ניצול טכנולוגיות מותאמות-ענן כמו קוברנטיס ומחשוב ללא שרת (serverless).
• שיפור בפיזור גיאוגרפי: מסדי נתונים מסוג NewSQL יהפכו לטובים עוד יותר בטיפול בנתונים מבוזרים גיאוגרפית ובמתן גישה בlatency נמוך לנתונים מכל מקום בעולם.
• אינטגרציה עם למידת מכונה: מסדי נתונים מסוג NewSQL ישולבו יותר ויותר עם פלטפורמות למידת מכונה, מה שיאפשר ניתוחים בזמן אמת וקבלת החלטות מונעת נתונים.
• אבטחה משופרת: מסדי נתונים מסוג NewSQL ישלבו תכונות אבטחה מתקדמות יותר כדי להגן על נתונים רגישים מפני גישה בלתי מורשית.

סיכום

מסדי נתונים מסוג NewSQL מציעים פתרון משכנע ליישומים הדורשים גם סקיילביליות וגם עקביות נתונים. על ידי שילוב הטוב ביותר של מסדי נתונים RDBMS מסורתיים ו-NoSQL, מסדי נתונים מסוג NewSQL מספקים פלטפורמה חזקה לבניית יישומים מודרניים ומבוזרים. ככל שהביקוש למסדי נתונים סקיילביליים ועקביים ממשיך לגדול, NewSQL צפוי למלא תפקיד חשוב יותר ויותר בעתיד ניהול הנתונים.

בין אם אתם בונים מערכת פיננסית, פלטפורמת מסחר אלקטרוני, יישום גיימינג או פלטפורמת IoT, מסדי נתונים מסוג NewSQL יכולים לעזור לכם להתמודד עם אתגרי קנה המידה והמורכבות תוך הבטחת השלמות והאמינות של הנתונים שלכם. שקלו לחקור את עולם ה-NewSQL כדי לראות כיצד הוא יכול להועיל לארגון שלכם.