NewSQL: Skaliranje distribuiranih ACID transakcija za globalne aplikacije

U današnjem svijetu vođenom podacima, aplikacije zahtijevaju i skalabilnost i dosljednost podataka. Tradicionalne relacijske baze podataka, iako pružaju snažna ACID (Atomicity, Consistency, Isolation, Durability) jamstva, često se teško skaliraju horizontalno. NoSQL baze podataka, s druge strane, nude skalabilnost, ali obično žrtvuju ACID svojstva u korist performansi. NewSQL baze podataka pojavljuju se kao srednji put, s ciljem kombiniranja najboljeg iz oba svijeta: skalabilnosti i performansi NoSQL-a s ACID jamstvima tradicionalnih RDBMS-a.

Što je NewSQL?

NewSQL nije jedna tehnologija baze podataka, već klasa modernih sustava za upravljanje relacijskim bazama podataka (RDBMS) koji nastoje pružiti ista ACID jamstva kao i tradicionalni sustavi baza podataka, istovremeno postižući skalabilnost NoSQL sustava. Dizajnirani su za obradu velikog broja transakcija i velikih količina podataka, što ih čini prikladnima za moderne, distribuirane aplikacije.

U suštini, NewSQL sustavi su arhitektonski osmišljeni kako bi riješili ograničenja tradicionalnih RDBMS-a pri radu na velikoj skali. Oni distribuiraju podatke i obradu na više čvorova, omogućujući horizontalnu skalabilnost, dok i dalje osiguravaju da se transakcije obrađuju na pouzdan i dosljedan način.

Ključne karakteristike NewSQL baza podataka

• ACID usklađenost: NewSQL baze podataka daju prioritet ACID svojstvima kako bi osigurale integritet i dosljednost podataka. Ovo je ključan zahtjev za aplikacije koje rukuju osjetljivim podacima ili zahtijevaju stroga transakcijska jamstva, kao što su financijski sustavi ili platforme za e-trgovinu.
• Skalabilnost: Dizajnirane su za horizontalno skaliranje distribucijom podataka i obrade na više čvorova. To im omogućuje rukovanje rastućim opterećenjima i količinama podataka bez žrtvovanja performansi.
• SQL sučelje: Većina NewSQL baza podataka pruža sučelje kompatibilno s SQL-om, što programerima olakšava migraciju postojećih aplikacija ili korištenje njihovih postojećih SQL vještina.
• Distribuirana arhitektura: NewSQL baze podataka obično su izgrađene na distribuiranoj arhitekturi, što im omogućuje postizanje visoke dostupnosti i otpornosti na greške.
• Performanse: Optimizirane su za obradu transakcija visokih performansi, često koristeći tehnike kao što su pohrana podataka u memoriji, distribuirana obrada upita i kontrola istodobnosti bez zaključavanja.

Arhitektonski pristupi u NewSQL-u

U implementacijama NewSQL baza podataka koristi se nekoliko arhitektonskih pristupa. Ovi se pristupi razlikuju u načinu na koji postižu skalabilnost i ACID jamstva.

1. Arhitektura bez dijeljenja resursa (Shared-Nothing)

U arhitekturi bez dijeljenja resursa (shared-nothing), svaki čvor u klasteru ima vlastite neovisne resurse (CPU, memoriju, pohranu). Podaci su particionirani i distribuirani preko tih čvorova. Ova arhitektura pruža izvrsnu skalabilnost jer dodavanje više čvorova linearno povećava kapacitet sustava. Primjeri NewSQL baza podataka koje koriste arhitekturu bez dijeljenja resursa uključuju Google Spanner i CockroachDB.

Primjer: Zamislite globalnu platformu za e-trgovinu s korisnicima diljem svijeta. Koristeći NewSQL bazu podataka bez dijeljenja resursa, platforma može distribuirati svoje podatke preko više geografski raspoređenih podatkovnih centara. To osigurava nisku latenciju za korisnike u različitim regijama i pruža visoku dostupnost u slučaju regionalnih ispada.

2. Arhitektura s dijeljenom memorijom (Shared-Memory)

U arhitekturi s dijeljenom memorijom, svi čvorovi u klasteru dijele isti memorijski prostor. To omogućuje brzi pristup podacima i komunikaciju između čvorova. Međutim, ova je arhitektura obično ograničena u skalabilnosti jer dijeljena memorija postaje usko grlo kako se broj čvorova povećava. Primjeri baza podataka (iako ne strogo NewSQL u najčišćem smislu, ali koje pokazuju slične pristupe transakcijskom skaliranju) koje koriste ovu arhitekturu uključuju određene klastere baza podataka u memoriji.

3. Arhitektura s dijeljenim diskom (Shared-Disk)

U arhitekturi s dijeljenim diskom, svi čvorovi u klasteru dijele iste uređaje za pohranu. To pojednostavljuje upravljanje podacima i pruža visoku dostupnost. Međutim, ova arhitektura također može biti usko grlo jer svi čvorovi moraju pristupati istoj pohrani. Neki tradicionalni RDBMS sustavi, kada su klasterirani, mogu se smatrati unutar šireg konteksta skalabilne transakcijske obrade, iako možda nisu označeni kao NewSQL.

ACID transakcije u distribuiranom okruženju

Održavanje ACID svojstava u distribuiranom okruženju složen je izazov. NewSQL baze podataka koriste različite tehnike kako bi osigurale dosljednost i pouzdanost podataka.

1. Dvofazno potvrđivanje (2PC)

2PC je široko korišten protokol za osiguravanje atomičnosti na više čvorova. U 2PC-u, koordinator koordinira transakciju preko svih čvorova sudionika. Transakcija se odvija u dvije faze: faza pripreme i faza potvrde. Tijekom faze pripreme, svaki čvor se priprema za potvrdu transakcije i obavještava koordinatora. Ako su svi čvorovi spremni, koordinator im nalaže da potvrde. Ako se bilo koji čvor ne uspije pripremiti, koordinator nalaže svim čvorovima da prekinu.

Izazov: 2PC može biti spor i uvesti jedinstvenu točku kvara (koordinator). Stoga moderni NewSQL sustavi često preferiraju alternativne protokole.

2. Algoritmi konsenzusa Paxos i Raft

Paxos i Raft su algoritmi konsenzusa koji omogućuju distribuiranom sustavu da se složi oko jedne vrijednosti, čak i u prisutnosti kvarova. Ovi se algoritmi često koriste u NewSQL bazama podataka kako bi se osigurala dosljednost podataka i otpornost na greške. Oni pružaju robusniju i učinkovitiju alternativu 2PC-u.

Primjer: CockroachDB koristi Raft za repliciranje podataka na više čvorova i osiguravanje da su sve replike dosljedne. To znači da čak i ako jedan čvor zakaže, sustav može nastaviti s radom bez gubitka podataka ili nedosljednosti.

3. Spannerov TrueTime API

Google Spanner koristi globalno distribuirani, eksterno dosljedan sustav za vremensko označavanje pod nazivom TrueTime. TrueTime pruža zajamčenu gornju granicu nesigurnosti sata, omogućujući Spanneru postizanje snažne dosljednosti preko geografski raspoređenih podatkovnih centara. To Spanneru omogućuje izvođenje globalno distribuiranih transakcija s niskom latencijom i visokom propusnošću.

Značaj: TrueTime je ključna komponenta Spannerove arhitekture, jer omogućuje bazi podataka održavanje serijalizabilnosti, najjače razine izolacije, čak i u distribuiranom okruženju.

Prednosti korištenja NewSQL baza podataka

• Skalabilnost: NewSQL baze podataka mogu se horizontalno skalirati kako bi se nosile s rastućim opterećenjima i količinama podataka.
• ACID usklađenost: Pružaju snažna ACID jamstva, osiguravajući integritet i dosljednost podataka.
• Performanse: Optimizirane su za obradu transakcija visokih performansi.
• Otpornost na greške: Dizajnirane su da budu otporne na greške, što znači da mogu nastaviti s radom čak i ako neki čvorovi zakažu.
• SQL kompatibilnost: Većina NewSQL baza podataka pruža sučelje kompatibilno s SQL-om, što olakšava migraciju postojećih aplikacija.

Slučajevi upotrebe NewSQL baza podataka

NewSQL baze podataka prikladne su za širok raspon aplikacija koje zahtijevaju i skalabilnost i dosljednost podataka. Neki uobičajeni slučajevi upotrebe uključuju:

1. Financijske aplikacije

Financijske aplikacije, kao što su bankarski sustavi i procesori plaćanja, zahtijevaju stroga ACID jamstva kako bi se osigurala točnost i pouzdanost financijskih transakcija. NewSQL baze podataka mogu pružiti skalabilnost i performanse potrebne za obradu velikog broja transakcija uz održavanje integriteta podataka.

Primjer: Globalni gateway za plaćanje koji obrađuje milijune transakcija dnevno treba bazu podataka koja može podnijeti veliki promet i osigurati da se sve transakcije ispravno obrade. NewSQL baza podataka može pružiti skalabilnost i ACID jamstva potrebna za ispunjavanje tih zahtjeva.

2. Platforme za e-trgovinu

Platforme za e-trgovinu moraju rukovati velikim brojem istodobnih korisnika i transakcija. NewSQL baze podataka mogu pružiti skalabilnost i performanse potrebne za podnošenje ovog opterećenja, istovremeno osiguravajući da se narudžbe ispravno obrađuju i da se zalihe točno ažuriraju.

Primjer: Veliki internetski trgovac treba bazu podataka koja može podnijeti vršna opterećenja tijekom blagdanskih sezona kupovine. NewSQL baza podataka može se skalirati kako bi zadovoljila povećanu potražnju i osigurala da se sve narudžbe obrađuju bez grešaka.

3. Aplikacije za igre

Masovne multiplayer online igre (MMO) moraju rukovati velikim brojem istodobnih igrača i složenom logikom igre. NewSQL baze podataka mogu pružiti skalabilnost i performanse potrebne za podnošenje ovog opterećenja, istovremeno osiguravajući da je stanje igre dosljedno i da igrači ne mogu varati.

Primjer: Popularna MMO igra treba bazu podataka koja može podnijeti milijune istodobnih igrača i osigurati da su svi podaci o igračima dosljedni. NewSQL baza podataka može pružiti skalabilnost i ACID jamstva potrebna za ispunjavanje tih zahtjeva.

4. Upravljanje lancem opskrbe

Moderni lanci opskrbe globalno su distribuirani i zahtijevaju uvid u stvarnom vremenu u razine zaliha, status narudžbi i praćenje pošiljki. NewSQL baze podataka mogu pružiti skalabilnost i performanse potrebne za rukovanje velikom količinom podataka generiranih od strane sustava lanca opskrbe, istovremeno osiguravajući da su podaci točni i dosljedni.

5. IoT (Internet stvari) platforme

IoT platforme generiraju ogromne količine podataka s povezanih uređaja. NewSQL baze podataka mogu se koristiti za pohranu i analizu tih podataka, pružajući uvide u performanse uređaja, obrasce korištenja i potencijalne probleme. Također osiguravaju da se kritični IoT podaci, kao što su očitanja senzora i kontrolne naredbe, pouzdano pohranjuju i obrađuju.

Primjeri NewSQL baza podataka

Ovdje su neki značajni primjeri NewSQL baza podataka:

• Google Spanner: Globalno distribuirana, skalabilna i strogo dosljedna usluga baze podataka.
• CockroachDB: Distribuirana SQL baza podataka izgrađena na transakcijskoj i strogo dosljednoj trgovini ključ-vrijednost.
• TiDB: Distribuirana SQL baza podataka otvorenog koda koja podržava i online obradu transakcija (OLTP) i online analitičku obradu (OLAP).
• VoltDB: SQL baza podataka u memoriji, s mogućnošću skaliranja, dizajnirana za podatke velike brzine i brze odluke.
• NuoDB: Distribuirana SQL baza podataka dizajnirana za okruženja u oblaku.

Odabir prave NewSQL baze podataka

Odabir prave NewSQL baze podataka za vašu aplikaciju ovisi o nekoliko čimbenika, uključujući:

• Zahtjevi za skalabilnost: Koliko podataka i prometa trebate obraditi?
• ACID zahtjevi: Koliko su važna ACID jamstva za vašu aplikaciju?
• Zahtjevi za performanse: Koliko brzo trebate obrađivati transakcije?
• Okruženje za implementaciju: Gdje ćete implementirati bazu podataka (npr. lokalno, u oblaku)?
• SQL kompatibilnost: Koliko je važna SQL kompatibilnost za vaše postojeće aplikacije i razvojni tim?
• Cijena: Kakav je vaš proračun za bazu podataka?

Važno je pažljivo procijeniti svoje zahtjeve i usporediti značajke i performanse različitih NewSQL baza podataka prije donošenja odluke. Razmislite o pokretanju benchmark testova kako biste testirali performanse različitih baza podataka s vašim specifičnim radnim opterećenjem.

Budućnost NewSQL-a

NewSQL baze podataka su tehnologija koja se brzo razvija. Kako količine podataka i složenost aplikacija nastavljaju rasti, potražnja za skalabilnim i dosljednim bazama podataka samo će se povećavati. Možemo očekivati daljnje inovacije u NewSQL arhitekturama, algoritmima i alatima u nadolazećim godinama.

Neki potencijalni budući trendovi u NewSQL-u uključuju:

• Više Cloud-Native baza podataka: NewSQL baze podataka sve će više biti dizajnirane za okruženja u oblaku, koristeći prednosti cloud-native tehnologija kao što su Kubernetes i serverless računalstvo.
• Poboljšana geo-distribucija: NewSQL baze podataka postat će još bolje u rukovanju geografski distribuiranim podacima i pružanju pristupa podacima s niskom latencijom s bilo kojeg mjesta na svijetu.
• Integracija sa strojnim učenjem: NewSQL baze podataka bit će sve više integrirane s platformama za strojno učenje, omogućujući analitiku u stvarnom vremenu i donošenje odluka temeljenih na podacima.
• Poboljšana sigurnost: NewSQL baze podataka uključivat će naprednije sigurnosne značajke za zaštitu osjetljivih podataka od neovlaštenog pristupa.

Zaključak

NewSQL baze podataka nude uvjerljivo rješenje za aplikacije koje zahtijevaju i skalabilnost i dosljednost podataka. Kombinirajući najbolje od tradicionalnih RDBMS i NoSQL baza podataka, NewSQL baze podataka pružaju moćnu platformu za izgradnju modernih, distribuiranih aplikacija. Kako potražnja za skalabilnim i dosljednim bazama podataka nastavlja rasti, NewSQL je spreman igrati sve važniju ulogu u budućnosti upravljanja podacima.

Bilo da gradite financijski sustav, platformu za e-trgovinu, aplikaciju za igre ili IoT platformu, NewSQL baze podataka mogu vam pomoći u suočavanju s izazovima razmjera i složenosti, istovremeno osiguravajući integritet i pouzdanost vaših podataka. Razmislite o istraživanju svijeta NewSQL-a kako biste vidjeli kako može koristiti vašoj organizaciji.