NewSQL: Schaalbare Gedistribueerde ACID-transacties voor Wereldwijde Applicaties

In de datagestuurde wereld van vandaag vereisen applicaties zowel schaalbaarheid als dataconsistentie. Traditionele relationele databases, hoewel ze sterke ACID-garanties (Atomiciteit, Consistentie, Isolatie, Duurzaamheid) bieden, hebben vaak moeite om horizontaal te schalen. NoSQL-databases daarentegen bieden schaalbaarheid, maar offeren doorgaans ACID-eigenschappen op voor betere prestaties. NewSQL-databases komen naar voren als een middenweg, met als doel het beste van twee werelden te combineren: de schaalbaarheid en prestaties van NoSQL met de ACID-garanties van traditionele RDBMS.

Wat is NewSQL?

NewSQL is geen enkele databasetechnologie, maar eerder een klasse van moderne relationele databasebeheersystemen (RDBMS) die ernaar streven dezelfde ACID-garanties te bieden als traditionele databasesystemen, terwijl ze de schaalbaarheid van NoSQL-systemen bereiken. Ze zijn ontworpen om transactieverwerking met hoog volume en grote datahoeveelheden aan te kunnen, waardoor ze geschikt zijn voor moderne, gedistribueerde applicaties.

In essentie zijn NewSQL-systemen ontworpen om de beperkingen van traditionele RDBMS aan te pakken wanneer deze op grote schaal opereren. Ze verdelen data en verwerking over meerdere nodes, wat horizontale schaalbaarheid mogelijk maakt, terwijl ze er toch voor zorgen dat transacties op een betrouwbare en consistente manier worden verwerkt.

Belangrijkste Kenmerken van NewSQL-databases

• ACID-conformiteit: NewSQL-databases geven prioriteit aan ACID-eigenschappen om data-integriteit en -consistentie te waarborgen. Dit is een cruciale vereiste voor applicaties die gevoelige data verwerken of strikte transactionele garanties vereisen, zoals financiële systemen of e-commerceplatforms.
• Schaalbaarheid: Ze zijn ontworpen om horizontaal te schalen door data en verwerking over meerdere nodes te verdelen. Hierdoor kunnen ze toenemende workloads en datahoeveelheden aan zonder in te boeten aan prestaties.
• SQL-interface: De meeste NewSQL-databases bieden een SQL-compatibele interface, wat het voor ontwikkelaars eenvoudiger maakt om bestaande applicaties te migreren of hun bestaande SQL-vaardigheden te benutten.
• Gedistribueerde Architectuur: NewSQL-databases zijn doorgaans gebouwd op een gedistribueerde architectuur, waardoor ze hoge beschikbaarheid en fouttolerantie kunnen bereiken.
• Prestaties: Ze zijn geoptimaliseerd voor hoogpresterende transactieverwerking, waarbij vaak technieken worden gebruikt zoals in-memory dataopslag, gedistribueerde queryverwerking en lock-vrije concurrency control.

Architecturale Benaderingen in NewSQL

Er worden verschillende architecturale benaderingen gebruikt in NewSQL-database-implementaties. Deze benaderingen verschillen in hoe ze schaalbaarheid en ACID-garanties bereiken.

1. Shared-Nothing Architectuur

In een shared-nothing architectuur heeft elke node in het cluster zijn eigen onafhankelijke bronnen (CPU, geheugen, opslag). Data wordt gepartitioneerd en verdeeld over deze nodes. Deze architectuur biedt uitstekende schaalbaarheid omdat het toevoegen van meer nodes de capaciteit van het systeem lineair verhoogt. Voorbeelden van NewSQL-databases die een shared-nothing architectuur gebruiken zijn Google Spanner en CockroachDB.

Voorbeeld: Stel u een wereldwijd e-commerceplatform voor met gebruikers over de hele wereld. Met behulp van een shared-nothing NewSQL-database kan het platform zijn data verdelen over meerdere geografisch verspreide datacenters. Dit zorgt voor lage latentie voor gebruikers in verschillende regio's en biedt hoge beschikbaarheid in geval van regionale storingen.

2. Shared-Memory Architectuur

In een shared-memory architectuur delen alle nodes in het cluster dezelfde geheugenruimte. Dit maakt snelle gegevenstoegang en communicatie tussen nodes mogelijk. Deze architectuur is echter doorgaans beperkt in schaalbaarheid omdat het gedeelde geheugen een knelpunt wordt naarmate het aantal nodes toeneemt. Voorbeelden van databases (hoewel niet strikt NewSQL in de puurste zin, maar met vergelijkbare transactionele schaalbenaderingen) die deze architectuur benutten, omvatten bepaalde in-memory databaseclusters.

3. Shared-Disk Architectuur

In een shared-disk architectuur delen alle nodes in het cluster dezelfde opslagapparaten. Dit vereenvoudigt het databeheer en biedt hoge beschikbaarheid. Deze architectuur kan echter ook een knelpunt vormen, omdat alle nodes toegang moeten hebben tot dezelfde opslag. Sommige traditionele RDBMS-systemen, wanneer geclusterd, kunnen worden beschouwd binnen de bredere context van schaalbare transactionele verwerking, ook al worden ze misschien niet als NewSQL bestempeld.

ACID-transacties in een Gedistribueerde Omgeving

Het handhaven van ACID-eigenschappen in een gedistribueerde omgeving is een complexe uitdaging. NewSQL-databases gebruiken verschillende technieken om dataconsistentie en betrouwbaarheid te waarborgen.

1. Two-Phase Commit (2PC)

2PC is een veelgebruikt protocol om atomiciteit over meerdere nodes te garanderen. In 2PC coördineert een coördinator-node de transactie over alle deelnemende nodes. De transactie verloopt in twee fasen: een voorbereidingsfase en een commit-fase. Tijdens de voorbereidingsfase bereidt elke node zich voor om de transactie te committeren en informeert de coördinator. Als alle nodes gereed zijn, instrueert de coördinator hen om te committeren. Als een node er niet in slaagt zich voor te bereiden, instrueert de coördinator alle nodes om af te breken.

Uitdaging: 2PC kan traag zijn en een single point of failure (de coördinator) introduceren. Daarom geven moderne NewSQL-systemen vaak de voorkeur aan alternatieve protocollen.

2. Paxos en Raft Consensusalgoritmen

Paxos en Raft zijn consensusalgoritmen die een gedistribueerd systeem in staat stellen om het eens te worden over een enkele waarde, zelfs in de aanwezigheid van storingen. Deze algoritmen worden vaak gebruikt in NewSQL-databases om dataconsistentie en fouttolerantie te waarborgen. Ze bieden een robuuster en efficiënter alternatief voor 2PC.

Voorbeeld: CockroachDB gebruikt Raft om data over meerdere nodes te repliceren en ervoor te zorgen dat alle replica's consistent zijn. Dit betekent dat zelfs als één node uitvalt, het systeem kan blijven werken zonder dataverlies of inconsistentie.

3. Spanner's TrueTime API

Google Spanner gebruikt een wereldwijd gedistribueerd, extern consistent tijdstempelsysteem genaamd TrueTime. TrueTime biedt een gegarandeerde bovengrens voor de klokonzekerheid, waardoor Spanner sterke consistentie kan bereiken over geografisch verspreide datacenters. Dit stelt Spanner in staat om wereldwijd gedistribueerde transacties uit te voeren met lage latentie en hoge doorvoer.

Betekenis: TrueTime is een cruciaal onderdeel van de architectuur van Spanner, omdat het de database in staat stelt serialiseerbaarheid, het sterkste isolatieniveau, te handhaven, zelfs in een gedistribueerde omgeving.

Voordelen van het Gebruik van NewSQL-databases

• Schaalbaarheid: NewSQL-databases kunnen horizontaal schalen om toenemende workloads en datahoeveelheden aan te kunnen.
• ACID-conformiteit: Ze bieden sterke ACID-garanties, wat data-integriteit en -consistentie waarborgt.
• Prestaties: Ze zijn geoptimaliseerd voor hoogpresterende transactieverwerking.
• Fouttolerantie: Ze zijn ontworpen om fouttolerant te zijn, wat betekent dat ze kunnen blijven werken, zelfs als sommige nodes uitvallen.
• SQL-compatibiliteit: De meeste NewSQL-databases bieden een SQL-compatibele interface, wat het gemakkelijker maakt om bestaande applicaties te migreren.

Toepassingsgevallen voor NewSQL-databases

NewSQL-databases zijn geschikt voor een breed scala aan applicaties die zowel schaalbaarheid als dataconsistentie vereisen. Enkele veelvoorkomende toepassingsgevallen zijn:

1. Financiële Applicaties

Financiële applicaties, zoals banksystemen en betalingsverwerkers, vereisen strikte ACID-garanties om de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van financiële transacties te waarborgen. NewSQL-databases kunnen de schaalbaarheid en prestaties bieden die nodig zijn om transactieverwerking met hoog volume aan te kunnen, terwijl de data-integriteit behouden blijft.

Voorbeeld: Een wereldwijde betalingsgateway die miljoenen transacties per dag verwerkt, heeft een database nodig die het hoge verkeersvolume aankan en ervoor zorgt dat alle transacties correct worden verwerkt. Een NewSQL-database kan de schaalbaarheid en ACID-garanties bieden die nodig zijn om aan deze eisen te voldoen.

2. E-commerceplatforms

E-commerceplatforms moeten een groot aantal gelijktijdige gebruikers en transacties verwerken. NewSQL-databases kunnen de schaalbaarheid en prestaties bieden die nodig zijn om deze workload aan te kunnen, terwijl ze ervoor zorgen dat bestellingen correct worden verwerkt en de voorraad nauwkeurig wordt bijgewerkt.

Voorbeeld: Een grote online retailer heeft een database nodig die de piekbelasting tijdens de feestdagen aankan. Een NewSQL-database kan opschalen om aan de toegenomen vraag te voldoen en ervoor te zorgen dat alle bestellingen foutloos worden verwerkt.

3. Gamingapplicaties

Massively multiplayer online games (MMO's) moeten een groot aantal gelijktijdige spelers en complexe spellogica verwerken. NewSQL-databases kunnen de schaalbaarheid en prestaties bieden die nodig zijn om deze workload aan te kunnen, terwijl ze ervoor zorgen dat de spelstatus consistent is en spelers niet kunnen valsspelen.

Voorbeeld: Een populair MMO-spel heeft een database nodig die miljoenen gelijktijdige spelers aankan en ervoor zorgt dat alle spelerdata consistent is. Een NewSQL-database kan de schaalbaarheid en ACID-garanties bieden die nodig zijn om aan deze eisen te voldoen.

4. Supply Chain Management

Moderne toeleveringsketens zijn wereldwijd verspreid en vereisen real-time inzicht in voorraadniveaus, orderstatussen en zendingen. NewSQL-databases kunnen de schaalbaarheid en prestaties bieden die nodig zijn om de grote hoeveelheid data van supply chain-systemen te verwerken, terwijl ze ervoor zorgen dat de data nauwkeurig en consistent is.

5. IoT (Internet of Things) Platforms

IoT-platforms genereren enorme hoeveelheden data van verbonden apparaten. NewSQL-databases kunnen worden gebruikt om deze data op te slaan en te analyseren, waardoor inzichten worden verkregen in de prestaties van apparaten, gebruikspatronen en mogelijke problemen. Ze zorgen er ook voor dat kritieke IoT-data, zoals sensormetingen en besturingscommando's, betrouwbaar worden opgeslagen en verwerkt.

Voorbeelden van NewSQL-databases

Hier zijn enkele opmerkelijke voorbeelden van NewSQL-databases:

• Google Spanner: Een wereldwijd gedistribueerde, schaalbare en sterk consistente databaseservice.
• CockroachDB: Een gedistribueerde SQL-database gebouwd op een transactionele en sterk consistente key-value store.
• TiDB: Een open-source gedistribueerde SQL-database die zowel online transactieverwerking (OLTP) als online analytische verwerking (OLAP) workloads ondersteunt.
• VoltDB: Een in-memory, scale-out SQL-database ontworpen voor data met hoge snelheid en snelle beslissingen.
• NuoDB: Een gedistribueerde SQL-database ontworpen voor cloudomgevingen.

De Juiste NewSQL-database Kiezen

Het kiezen van de juiste NewSQL-database voor uw applicatie hangt af van verschillende factoren, waaronder:

• Schaalbaarheidsvereisten: Hoeveel data en verkeer moet u verwerken?
• ACID-vereisten: Hoe belangrijk zijn ACID-garanties voor uw applicatie?
• Prestatievereisten: Hoe snel moet u transacties verwerken?
• Implementatieomgeving: Waar gaat u de database implementeren (bijv. on-premises, cloud)?
• SQL-compatibiliteit: Hoe belangrijk is SQL-compatibiliteit voor uw bestaande applicaties en ontwikkelingsteam?
• Kosten: Wat is uw budget voor de database?

Het is belangrijk om uw vereisten zorgvuldig te evalueren en de functies en prestaties van verschillende NewSQL-databases te vergelijken voordat u een beslissing neemt. Overweeg benchmarks uit te voeren om de prestaties van verschillende databases met uw specifieke workload te testen.

De Toekomst van NewSQL

NewSQL-databases zijn een snel evoluerende technologie. Naarmate datahoeveelheden en de complexiteit van applicaties blijven groeien, zal de vraag naar schaalbare en consistente databases alleen maar toenemen. We kunnen de komende jaren verdere innovaties verwachten in NewSQL-architecturen, -algoritmen en -tools.

Enkele mogelijke toekomstige trends in NewSQL zijn:

• Meer Cloud-Native Databases: NewSQL-databases zullen steeds vaker worden ontworpen voor cloudomgevingen, waarbij gebruik wordt gemaakt van cloud-native technologieën zoals Kubernetes en serverless computing.
• Verbeterde Geo-Distributie: NewSQL-databases zullen nog beter worden in het omgaan met geografisch verspreide data en het bieden van lage latentietoegang tot data van overal ter wereld.
• Integratie met Machine Learning: NewSQL-databases zullen steeds meer worden geïntegreerd met machine learning-platforms, wat real-time analyses en datagestuurde besluitvorming mogelijk maakt.
• Verbeterde Beveiliging: NewSQL-databases zullen meer geavanceerde beveiligingsfuncties bevatten om gevoelige data te beschermen tegen ongeautoriseerde toegang.

Conclusie

NewSQL-databases bieden een overtuigende oplossing voor applicaties die zowel schaalbaarheid als dataconsistentie vereisen. Door het beste van zowel traditionele RDBMS als NoSQL-databases te combineren, bieden NewSQL-databases een krachtig platform voor het bouwen van moderne, gedistribueerde applicaties. Naarmate de vraag naar schaalbare en consistente databases blijft groeien, staat NewSQL op het punt een steeds belangrijkere rol te spelen in de toekomst van databeheer.

Of u nu een financieel systeem, een e-commerceplatform, een gamingapplicatie of een IoT-platform bouwt, NewSQL-databases kunnen u helpen de uitdagingen van schaal en complexiteit aan te gaan, terwijl de integriteit en betrouwbaarheid van uw data wordt gewaarborgd. Overweeg de wereld van NewSQL te verkennen om te zien hoe het uw organisatie ten goede kan komen.