NewSQL: Elosztott ACID tranzakciók skálázása globális alkalmazásokhoz

A mai adatvezérelt világban az alkalmazásoknak egyszerre van szükségük skálázhatóságra és adatkonzisztenciára. A hagyományos relációs adatbázisok, bár erős ACID (Atomicitás, Konzisztencia, Izoláció, Tartósság) garanciákat nyújtanak, gyakran nehezen skálázódnak horizontálisan. A NoSQL adatbázisok ezzel szemben skálázhatóságot kínálnak, de jellemzően feláldozzák az ACID tulajdonságokat a teljesítmény érdekében. A NewSQL adatbázisok köztes megoldásként jelennek meg, céljuk a két világ legjobb tulajdonságainak ötvözése: a NoSQL skálázhatósága és teljesítménye a hagyományos RDBMS-ek ACID garanciáival.

Mi az a NewSQL?

A NewSQL nem egyetlen adatbázis-technológia, hanem a modern relációs adatbázis-kezelő rendszerek (RDBMS) egy osztálya, amelyek ugyanazokat az ACID garanciákat igyekeznek nyújtani, mint a hagyományos adatbázisrendszerek, miközben elérik a NoSQL rendszerek skálázhatóságát. Nagy volumenű tranzakciófeldolgozásra és nagy adatmennyiségek kezelésére tervezték őket, így alkalmasak a modern, elosztott alkalmazásokhoz.

Lényegében a NewSQL rendszereket úgy alakították ki, hogy orvosolják a hagyományos RDBMS-ek korlátait, amikor nagy léptékben működnek. Az adatokat és a feldolgozást több csomópont között osztják el, lehetővé téve a horizontális skálázhatóságot, miközben továbbra is biztosítják a tranzakciók megbízható és következetes feldolgozását.

A NewSQL adatbázisok főbb jellemzői

ACID-megfelelőség: A NewSQL adatbázisok prioritásként kezelik az ACID tulajdonságokat az adatintegritás és -konzisztencia biztosítása érdekében. Ez kulcsfontosságú követelmény az olyan alkalmazásoknál, amelyek érzékeny adatokat kezelnek vagy szigorú tranzakciós garanciákat igényelnek, mint például a pénzügyi rendszerek vagy az e-kereskedelmi platformok.
Skálázhatóság: Úgy tervezték őket, hogy horizontálisan skálázódjanak az adatok és a feldolgozás több csomópontra történő elosztásával. Ez lehetővé teszi számukra a növekvő munkaterhelés és adatmennyiség kezelését a teljesítmény feláldozása nélkül.
SQL interfész: A legtöbb NewSQL adatbázis SQL-kompatibilis felületet biztosít, megkönnyítve a fejlesztők számára a meglévő alkalmazások migrálását vagy a meglévő SQL-készségeik kihasználását.
Elosztott architektúra: A NewSQL adatbázisok jellemzően elosztott architektúrára épülnek, ami lehetővé teszi számukra a magas rendelkezésre állás és hibatűrés elérését.
Teljesítmény: Nagy teljesítményű tranzakciófeldolgozásra vannak optimalizálva, gyakran olyan technikákat alkalmazva, mint a memóriában történő adattárolás, az elosztott lekérdezés-feldolgozás és a zárolásmentes párhuzamosság-kezelés.

Architekturális megközelítések a NewSQL-ben

Több architekturális megközelítést alkalmaznak a NewSQL adatbázis-implementációkban. Ezek a megközelítések abban különböznek, hogy hogyan érik el a skálázhatóságot és az ACID garanciákat.

1. Shared-Nothing (megosztás nélküli) architektúra

A shared-nothing architektúrában a fürt minden csomópontja saját, független erőforrásokkal (CPU, memória, tárhely) rendelkezik. Az adatokat particionálják és elosztják ezen csomópontok között. Ez az architektúra kiváló skálázhatóságot biztosít, mivel további csomópontok hozzáadásával lineárisan növelhető a rendszer kapacitása. Példák a shared-nothing architektúrát használó NewSQL adatbázisokra a Google Spanner és a CockroachDB.

Példa: Képzeljünk el egy globális e-kereskedelmi platformot, amelynek felhasználói a világ minden táján megtalálhatók. Egy shared-nothing NewSQL adatbázis használatával a platform több, földrajzilag elosztott adatközpontban oszthatja el adatait. Ez alacsony késleltetést biztosít a különböző régiókban lévő felhasználók számára, és magas rendelkezésre állást nyújt regionális kiesések esetén.

2. Shared-Memory (megosztott memóriájú) architektúra

A shared-memory architektúrában a fürt összes csomópontja ugyanazt a memóriaterületet használja. Ez gyors adatelérést és kommunikációt tesz lehetővé a csomópontok között. Azonban ez az architektúra általában korlátozottan skálázható, mivel a megosztott memória szűk keresztmetszetté válik a csomópontok számának növekedésével. Példák az ilyen architektúrát (bár nem a legtisztább értelemben vett NewSQL, de hasonló tranzakciós skálázási megközelítéseket mutató) adatbázisokra bizonyos memóriában működő adatbázisfürtök.

3. Shared-Disk (megosztott lemezes) architektúra

A shared-disk architektúrában a fürt összes csomópontja ugyanazokat a tárolóeszközöket használja. Ez egyszerűsíti az adatkezelést és magas rendelkezésre állást biztosít. Azonban ez az architektúra is szűk keresztmetszetet jelenthet, mivel minden csomópontnak ugyanazt a tárolót kell elérnie. Néhány hagyományos RDBMS rendszer, fürtözve, a skálázható tranzakciófeldolgozás tágabb kontextusában tekinthető, még ha nem is kapják meg a NewSQL címkét.

ACID tranzakciók elosztott környezetben

Az ACID tulajdonságok fenntartása elosztott környezetben összetett kihívás. A NewSQL adatbázisok különböző technikákat alkalmaznak az adatkonzisztencia és a megbízhatóság biztosítására.

1. Kétfázisú jóváhagyás (Two-Phase Commit, 2PC)

A 2PC egy széles körben használt protokoll az atomicitás biztosítására több csomópont között. A 2PC-ben egy koordinátor csomópont hangolja össze a tranzakciót az összes résztvevő csomópont között. A tranzakció két fázisban zajlik: egy előkészítési fázisban és egy jóváhagyási fázisban. Az előkészítési fázis során minden csomópont felkészül a tranzakció jóváhagyására, és erről tájékoztatja a koordinátort. Ha minden csomópont készen áll, a koordinátor utasítja őket a jóváhagyásra. Ha bármelyik csomópont nem tud felkészülni, a koordinátor minden csomópontot a megszakításra utasít.

Kihívás: A 2PC lassú lehet, és egyetlen meghibásodási pontot (a koordinátort) hoz létre. Ezért a modern NewSQL rendszerek gyakran előnyben részesítenek alternatív protokollokat.

2. Paxos és Raft konszenzus algoritmusok

A Paxos és a Raft olyan konszenzus algoritmusok, amelyek lehetővé teszik, hogy egy elosztott rendszer megegyezzen egyetlen értékben, még hibák jelenlétében is. Ezeket az algoritmusokat gyakran használják a NewSQL adatbázisokban az adatkonzisztencia és a hibatűrés biztosítására. Robusztusabb és hatékonyabb alternatívát kínálnak a 2PC-vel szemben.

Példa: A CockroachDB a Raft algoritmust használja az adatok több csomópont közötti replikálására és annak biztosítására, hogy minden replika konzisztens legyen. Ez azt jelenti, hogy még ha egy csomópont meghibásodik is, a rendszer adatvesztés vagy inkonzisztencia nélkül tovább tud működni.

3. A Spanner TrueTime API-ja

A Google Spanner egy TrueTime nevű, globálisan elosztott, külsőleg konzisztens időbélyegző rendszert használ. A TrueTime garantált felső határt biztosít az óra bizonytalanságára, lehetővé téve a Spanner számára, hogy erős konzisztenciát érjen el a földrajzilag elosztott adatközpontok között. Ez lehetővé teszi a Spanner számára, hogy globálisan elosztott tranzakciókat hajtson végre alacsony késleltetéssel és nagy átviteli sebességgel.

Jelentőség: A TrueTime a Spanner architektúrájának kulcsfontosságú eleme, mivel lehetővé teszi az adatbázis számára a szerializálhatóság, az izoláció legerősebb szintjének fenntartását, még elosztott környezetben is.

A NewSQL adatbázisok használatának előnyei

Skálázhatóság: A NewSQL adatbázisok horizontálisan skálázhatók a növekvő munkaterhelés és adatmennyiség kezelésére.
ACID-megfelelőség: Erős ACID garanciákat nyújtanak, biztosítva az adatintegritást és -konzisztenciát.
Teljesítmény: Nagy teljesítményű tranzakciófeldolgozásra vannak optimalizálva.
Hibatűrés: Hibatűrőnek tervezték őket, ami azt jelenti, hogy akkor is tovább tudnak működni, ha néhány csomópont meghibásodik.
SQL-kompatibilitás: A legtöbb NewSQL adatbázis SQL-kompatibilis felületet biztosít, megkönnyítve a meglévő alkalmazások migrálását.

A NewSQL adatbázisok felhasználási esetei

A NewSQL adatbázisok széles körű alkalmazásokhoz alkalmasak, amelyek egyszerre igényelnek skálázhatóságot és adatkonzisztenciát. Néhány gyakori felhasználási eset:

1. Pénzügyi alkalmazások

A pénzügyi alkalmazások, mint például a banki rendszerek és a fizetésfeldolgozók, szigorú ACID garanciákat igényelnek a pénzügyi tranzakciók pontosságának és megbízhatóságának biztosítása érdekében. A NewSQL adatbázisok biztosítani tudják a nagy volumenű tranzakciófeldolgozáshoz szükséges skálázhatóságot és teljesítményt, miközben fenntartják az adatintegritást.

Példa: Egy globális fizetési átjárónak, amely naponta több millió tranzakciót dolgoz fel, olyan adatbázisra van szüksége, amely képes kezelni a nagy forgalmat és biztosítani, hogy minden tranzakció helyesen kerüljön feldolgozásra. Egy NewSQL adatbázis biztosítani tudja az e követelményeknek megfelelő skálázhatóságot és ACID garanciákat.

2. E-kereskedelmi platformok

Az e-kereskedelmi platformoknak nagyszámú egyidejű felhasználót és tranzakciót kell kezelniük. A NewSQL adatbázisok biztosítani tudják a terhelés kezeléséhez szükséges skálázhatóságot és teljesítményt, miközben garantálják a megrendelések helyes feldolgozását és a készlet pontos frissítését.

Példa: Egy nagy online kiskereskedőnek olyan adatbázisra van szüksége, amely képes kezelni az ünnepi vásárlási szezonok csúcsterhelését. Egy NewSQL adatbázis skálázódni tud a megnövekedett kereslet kielégítésére és biztosítja, hogy minden megrendelés hiba nélkül kerüljön feldolgozásra.

3. Játékalkalmazások

A tömeges többjátékos online játékoknak (MMO) nagyszámú egyidejű játékost és komplex játéklogikát kell kezelniük. A NewSQL adatbázisok biztosítani tudják a terhelés kezeléséhez szükséges skálázhatóságot és teljesítményt, miközben garantálják a játékállapot konzisztenciáját és azt, hogy a játékosok ne csalhassanak.

Példa: Egy népszerű MMO játéknak olyan adatbázisra van szüksége, amely több millió egyidejű játékost tud kezelni és biztosítja, hogy minden játékosadat konzisztens legyen. Egy NewSQL adatbázis biztosítani tudja az e követelményeknek megfelelő skálázhatóságot és ACID garanciákat.

4. Ellátási lánc menedzsment

A modern ellátási láncok globálisan elosztottak és valós idejű rálátást igényelnek a készletszintekre, a rendelési állapotokra és a szállítmánykövetésre. A NewSQL adatbázisok biztosítani tudják az ellátási lánc rendszerei által generált nagy adatmennyiség kezeléséhez szükséges skálázhatóságot és teljesítményt, miközben garantálják az adatok pontosságát és konzisztenciáját.

5. IoT (Dolgok Internete) platformok

Az IoT platformok hatalmas mennyiségű adatot generálnak a csatlakoztatott eszközökről. A NewSQL adatbázisok használhatók ezen adatok tárolására és elemzésére, betekintést nyújtva az eszközök teljesítményébe, használati mintáiba és lehetséges problémáiba. Emellett biztosítják a kritikus IoT adatok, például az érzékelők leolvasásainak és a vezérlőparancsoknak a megbízható tárolását és feldolgozását.

Példák NewSQL adatbázisokra

Íme néhány figyelemre méltó példa a NewSQL adatbázisokra:

Google Spanner: Globálisan elosztott, skálázható és erősen konzisztens adatbázis-szolgáltatás.
CockroachDB: Elosztott SQL adatbázis, amely egy tranzakciós és erősen konzisztens kulcs-érték tárolóra épül.
TiDB: Nyílt forráskódú, elosztott SQL adatbázis, amely támogatja mind az online tranzakciófeldolgozási (OLTP), mind az online analitikai feldolgozási (OLAP) munkaterheléseket.
VoltDB: Memóriában működő, kibővíthető SQL adatbázis, amelyet nagy sebességű adatokhoz és gyors döntésekhez terveztek.
NuoDB: Felhőkörnyezetekre tervezett elosztott SQL adatbázis.

A megfelelő NewSQL adatbázis kiválasztása

A megfelelő NewSQL adatbázis kiválasztása az alkalmazás számára több tényezőtől függ, többek között:

Skálázhatósági követelmények: Mennyi adatot és forgalmat kell kezelnie?
ACID követelmények: Mennyire fontosak az ACID garanciák az alkalmazás számára?
Teljesítménykövetelmények: Milyen gyorsan kell feldolgoznia a tranzakciókat?
Telepítési környezet: Hol fogja telepíteni az adatbázist (pl. helyben, felhőben)?
SQL-kompatibilitás: Mennyire fontos az SQL-kompatibilitás a meglévő alkalmazások és a fejlesztői csapat számára?
Költség: Mekkora a költségvetése az adatbázisra?

Fontos, hogy gondosan értékelje a követelményeit, és hasonlítsa össze a különböző NewSQL adatbázisok funkcióit és teljesítményét, mielőtt döntést hozna. Fontolja meg benchmarkok futtatását, hogy tesztelje a különböző adatbázisok teljesítményét a specifikus munkaterhelésével.

A NewSQL jövője

A NewSQL adatbázisok gyorsan fejlődő technológiát képviselnek. Ahogy az adatmennyiség és az alkalmazások komplexitása tovább növekszik, a skálázható és konzisztens adatbázisok iránti igény csak fokozódni fog. A következő években további innovációkra számíthatunk a NewSQL architektúrák, algoritmusok és eszközök terén.

Néhány lehetséges jövőbeli trend a NewSQL területén:

Több felhő-natív adatbázis: A NewSQL adatbázisokat egyre inkább felhőkörnyezetekre tervezik, kihasználva az olyan felhő-natív technológiákat, mint a Kubernetes és a szervermentes számítástechnika.
Jobb földrajzi elosztás: A NewSQL adatbázisok még jobbak lesznek a földrajzilag elosztott adatok kezelésében és az adatokhoz való alacsony késleltetésű hozzáférés biztosításában a világ bármely pontjáról.
Integráció a gépi tanulással: A NewSQL adatbázisokat egyre inkább integrálják a gépi tanulási platformokkal, lehetővé téve a valós idejű analitikát és az adatvezérelt döntéshozatalt.
Fokozott biztonság: A NewSQL adatbázisok fejlettebb biztonsági funkciókat fognak tartalmazni az érzékeny adatok illetéktelen hozzáféréstől való védelme érdekében.

Konklúzió

A NewSQL adatbázisok meggyőző megoldást kínálnak azoknak az alkalmazásoknak, amelyek egyszerre igényelnek skálázhatóságot és adatkonzisztenciát. A hagyományos RDBMS és a NoSQL adatbázisok legjobb tulajdonságainak ötvözésével a NewSQL adatbázisok hatékony platformot biztosítanak a modern, elosztott alkalmazások fejlesztéséhez. Ahogy a skálázható és konzisztens adatbázisok iránti kereslet tovább növekszik, a NewSQL egyre fontosabb szerepet fog játszani az adatkezelés jövőjében.

Akár pénzügyi rendszert, e-kereskedelmi platformot, játékalkalmazást vagy IoT platformot épít, a NewSQL adatbázisok segíthetnek Önnek megbirkózni a méretezhetőség és a komplexitás kihívásaival, miközben biztosítják adatai integritását és megbízhatóságát. Fontolja meg a NewSQL világának felfedezését, hogy megtudja, milyen előnyökkel járhat a szervezete számára.