NewSQL: Skalering av distribuerte ACID-transaksjoner for globale applikasjoner

I dagens datadrevne verden krever applikasjoner både skalerbarhet og datakonsistens. Tradisjonelle relasjonsdatabaser, som gir sterke ACID-garantier (Atomisitet, Konsistens, Isolasjon, Durabilitet), sliter ofte med å skalere horisontalt. NoSQL-databaser, på den annen side, tilbyr skalerbarhet, men ofrer typisk ACID-egenskaper til fordel for ytelse. NewSQL-databaser fremstår som en mellomting som tar sikte på å kombinere det beste fra begge verdener: skalerbarheten og ytelsen til NoSQL med ACID-garantiene til tradisjonelle RDBMS.

Hva er NewSQL?

NewSQL er ikke en enkelt databaseteknologi, men snarere en klasse av moderne relasjonsdatabasehåndteringssystemer (RDBMS) som søker å gi de samme ACID-garantiene som tradisjonelle databasesystemer, samtidig som de oppnår skalerbarheten til NoSQL-systemer. De er designet for å håndtere transaksjonsbehandling med høyt volum og store datamengder, noe som gjør dem egnet for moderne, distribuerte applikasjoner.

I hovedsak er NewSQL-systemer arkitekturert for å adressere begrensningene til tradisjonelle RDBMS når de opererer i stor skala. De distribuerer data og behandling på tvers av flere noder, noe som tillater horisontal skalerbarhet, samtidig som de sikrer at transaksjoner blir behandlet på en pålitelig og konsistent måte.

Nøkkelegenskaper ved NewSQL-databaser

• ACID-samsvar: NewSQL-databaser prioriterer ACID-egenskaper for å sikre dataintegritet og konsistens. Dette er et avgjørende krav for applikasjoner som håndterer sensitive data eller krever strenge transaksjonsgarantier, som finanssystemer eller e-handelsplattformer.
• Skalerbarhet: De er designet for å skalere horisontalt ved å distribuere data og behandling på tvers av flere noder. Dette gjør at de kan håndtere økende arbeidsmengder og datavolumer uten å ofre ytelsen.
• SQL-grensesnitt: De fleste NewSQL-databaser tilbyr et SQL-kompatibelt grensesnitt, noe som gjør det enklere for utviklere å migrere eksisterende applikasjoner eller utnytte sine eksisterende SQL-ferdigheter.
• Distribuert arkitektur: NewSQL-databaser er typisk bygget på en distribuert arkitektur, som gjør at de kan oppnå høy tilgjengelighet og feiltoleranse.
• Ytelse: De er optimalisert for høyytelses transaksjonsbehandling, og benytter ofte teknikker som datalagring i minnet, distribuert spørringsbehandling og låsefri samtidighetshåndtering.

Arkitektoniske tilnærminger i NewSQL

Flere arkitektoniske tilnærminger brukes i implementeringer av NewSQL-databaser. Disse tilnærmingene skiller seg i hvordan de oppnår skalerbarhet og ACID-garantier.

1. «Shared-Nothing»-arkitektur

I en «shared-nothing»-arkitektur har hver node i klyngen sine egne uavhengige ressurser (CPU, minne, lagring). Data blir partisjonert og distribuert på tvers av disse nodene. Denne arkitekturen gir utmerket skalerbarhet fordi å legge til flere noder øker systemets kapasitet lineært. Eksempler på NewSQL-databaser som bruker en «shared-nothing»-arkitektur inkluderer Google Spanner og CockroachDB.

Eksempel: Tenk deg en global e-handelsplattform med brukere over hele verden. Ved å bruke en «shared-nothing» NewSQL-database kan plattformen distribuere dataene sine over flere geografisk spredte datasentre. Dette sikrer lav latens for brukere i forskjellige regioner og gir høy tilgjengelighet i tilfelle regionale driftsstans.

2. «Shared-Memory»-arkitektur

I en «shared-memory»-arkitektur deler alle noder i klyngen det samme minneområdet. Dette gir rask datatilgang og kommunikasjon mellom noder. Imidlertid er denne arkitekturen typisk begrenset i skalerbarhet fordi det delte minnet blir en flaskehals når antall noder øker. Eksempler på databaser (selv om de ikke er strengt NewSQL i den reneste forstand, men viser lignende transaksjonelle skaleringsmetoder) som utnytter denne arkitekturen, inkluderer visse minnebaserte databaseklynger.

3. «Shared-Disk»-arkitektur

I en «shared-disk»-arkitektur deler alle noder i klyngen de samme lagringsenhetene. Dette forenkler datahåndtering og gir høy tilgjengelighet. Imidlertid kan denne arkitekturen også være en flaskehals ettersom alle noder må få tilgang til den samme lagringsplassen. Noen tradisjonelle RDBMS-systemer, når de er klynget, kan betraktes innenfor den bredere konteksten av skalerbar transaksjonsbehandling, selv om de kanskje ikke er merket som NewSQL.

ACID-transaksjoner i et distribuert miljø

Å opprettholde ACID-egenskaper i et distribuert miljø er en kompleks utfordring. NewSQL-databaser bruker ulike teknikker for å sikre datakonsistens og pålitelighet.

1. Tofase-commit (2PC)

2PC er en mye brukt protokoll for å sikre atomisitet på tvers av flere noder. I 2PC koordinerer en koordinator-node transaksjonen på tvers av alle deltakende noder. Transaksjonen fortsetter i to faser: en forberedelsesfase og en commit-fase. Under forberedelsesfasen forbereder hver node seg på å godkjenne transaksjonen og informerer koordinatoren. Hvis alle noder er klare, instruerer koordinatoren dem til å godkjenne. Hvis en node ikke klarer å forberede seg, instruerer koordinatoren alle noder om å avbryte.

Utfordring: 2PC kan være tregt og introdusere et enkelt feilpunkt (koordinatoren). Derfor foretrekker moderne NewSQL-systemer ofte alternative protokoller.

2. Paxos og Raft konsensusalgoritmer

Paxos og Raft er konsensusalgoritmer som lar et distribuert system bli enige om en enkelt verdi, selv i nærvær av feil. Disse algoritmene brukes ofte i NewSQL-databaser for å sikre datakonsistens og feiltoleranse. De gir et mer robust og effektivt alternativ til 2PC.

Eksempel: CockroachDB bruker Raft til å replikere data på tvers av flere noder og sikre at alle replikaer er konsistente. Dette betyr at selv om en node feiler, kan systemet fortsette å operere uten tap av data eller inkonsistens.

3. Spanners TrueTime API

Google Spanner bruker et globalt distribuert, eksternt konsistent tidsstemplingssystem kalt TrueTime. TrueTime gir en garantert øvre grense for klokkeusikkerheten, noe som gjør at Spanner kan oppnå sterk konsistens på tvers av geografisk distribuerte datasentre. Dette gjør at Spanner kan utføre globalt distribuerte transaksjoner med lav latens og høy gjennomstrømning.

Betydning: TrueTime er en avgjørende komponent i Spanners arkitektur, da den lar databasen opprettholde serialiserbarhet, det sterkeste isolasjonsnivået, selv i et distribuert miljø.

Fordeler med å bruke NewSQL-databaser

• Skalerbarhet: NewSQL-databaser kan skalere horisontalt for å håndtere økende arbeidsmengder og datavolumer.
• ACID-samsvar: De gir sterke ACID-garantier, noe som sikrer dataintegritet og konsistens.
• Ytelse: De er optimalisert for høyytelses transaksjonsbehandling.
• Feiltoleranse: De er designet for å være feiltolerante, noe som betyr at de kan fortsette å operere selv om noen noder feiler.
• SQL-kompatibilitet: De fleste NewSQL-databaser tilbyr et SQL-kompatibelt grensesnitt, noe som gjør det enklere å migrere eksisterende applikasjoner.

Bruksområder for NewSQL-databaser

NewSQL-databaser er egnet for et bredt spekter av applikasjoner som krever både skalerbarhet og datakonsistens. Noen vanlige bruksområder inkluderer:

1. Finansielle applikasjoner

Finansielle applikasjoner, som banksystemer og betalingsbehandlere, krever strenge ACID-garantier for å sikre nøyaktigheten og påliteligheten til finansielle transaksjoner. NewSQL-databaser kan gi skalerbarheten og ytelsen som trengs for å håndtere høyvolum transaksjonsbehandling samtidig som dataintegriteten opprettholdes.

Eksempel: En global betalingsgateway som behandler millioner av transaksjoner per dag, trenger en database som kan håndtere den høye trafikkmengden og sikre at alle transaksjoner behandles korrekt. En NewSQL-database kan gi skalerbarheten og ACID-garantiene som trengs for å oppfylle disse kravene.

2. E-handelsplattformer

E-handelsplattformer må håndtere et stort antall samtidige brukere og transaksjoner. NewSQL-databaser kan gi skalerbarheten og ytelsen som trengs for å håndtere denne arbeidsmengden, samtidig som de sikrer at bestillinger behandles korrekt og lagerbeholdningen oppdateres nøyaktig.

Eksempel: En stor nettbutikk trenger en database som kan håndtere toppbelastningene under høytidssesonger. En NewSQL-database kan skalere for å møte den økte etterspørselen og sikre at alle bestillinger behandles uten feil.

3. Spillapplikasjoner

Massive flerspiller-nettspill (MMO-er) må håndtere et stort antall samtidige spillere og kompleks spillogikk. NewSQL-databaser kan gi skalerbarheten og ytelsen som trengs for å håndtere denne arbeidsmengden, samtidig som de sikrer at spilltilstanden er konsistent og at spillere ikke kan jukse.

Eksempel: Et populært MMO-spill trenger en database som kan håndtere millioner av samtidige spillere og sikre at all spillerdata er konsistent. En NewSQL-database kan gi skalerbarheten og ACID-garantiene som trengs for å oppfylle disse kravene.

4. Forsyningskjedestyring

Moderne forsyningskjeder er globalt distribuerte og krever sanntidsinnsikt i lagernivåer, ordrestatus og forsendelsessporing. NewSQL-databaser kan gi skalerbarheten og ytelsen som trengs for å håndtere det store datavolumet generert av forsyningskjedesystemer, samtidig som de sikrer at dataene er nøyaktige og konsistente.

5. IoT (Tingenes internett)-plattformer

IoT-plattformer genererer massive mengder data fra tilkoblede enheter. NewSQL-databaser kan brukes til å lagre og analysere disse dataene, og gir innsikt i enhetsytelse, bruksmønstre og potensielle problemer. De sikrer også at kritiske IoT-data, som sensormålinger og kontrollkommandoer, lagres og behandles på en pålitelig måte.

Eksempler på NewSQL-databaser

Her er noen bemerkelsesverdige eksempler på NewSQL-databaser:

• Google Spanner: En globalt distribuert, skalerbar og sterkt konsistent databasetjeneste.
• CockroachDB: En distribuert SQL-database bygget på en transaksjonell og sterkt konsistent nøkkel-verdi-butikk.
• TiDB: En åpen kildekode distribuert SQL-database som støtter både online transaksjonsbehandling (OLTP) og online analytisk behandling (OLAP) arbeidsmengder.
• VoltDB: En minnebasert, utskalerbar SQL-database designet for høyhastighetsdata og raske beslutninger.
• NuoDB: En distribuert SQL-database designet for skymiljøer.

Å velge riktig NewSQL-database

Å velge riktig NewSQL-database for din applikasjon avhenger av flere faktorer, inkludert:

• Skalerbarhetskrav: Hvor mye data og trafikk trenger du å håndtere?
• ACID-krav: Hvor viktige er ACID-garantier for din applikasjon?
• Ytelseskrav: Hvor raskt trenger du å behandle transaksjoner?
• Driftsmiljø: Hvor skal du distribuere databasen (f.eks. on-premise, sky)?
• SQL-kompatibilitet: Hvor viktig er SQL-kompatibilitet for dine eksisterende applikasjoner og utviklingsteam?
• Kostnad: Hva er budsjettet ditt for databasen?

Det er viktig å nøye evaluere dine krav og sammenligne funksjonene og ytelsen til forskjellige NewSQL-databaser før du tar en beslutning. Vurder å kjøre ytelsestester for å teste ytelsen til forskjellige databaser med din spesifikke arbeidsmengde.

Fremtiden for NewSQL

NewSQL-databaser er en teknologi i rask utvikling. Ettersom datavolumer og applikasjonskompleksitet fortsetter å vokse, vil etterspørselen etter skalerbare og konsistente databaser bare øke. Vi kan forvente å se ytterligere innovasjoner i NewSQL-arkitekturer, algoritmer og verktøy i årene som kommer.

Noen potensielle fremtidige trender innen NewSQL inkluderer:

• Flere sky-native databaser: NewSQL-databaser vil i økende grad bli designet for skymiljøer, og dra nytte av sky-native teknologier som Kubernetes og serverløs databehandling.
• Forbedret geo-distribusjon: NewSQL-databaser vil bli enda bedre til å håndtere geografisk distribuerte data og gi lav latens tilgang til data fra hvor som helst i verden.
• Integrasjon med maskinlæring: NewSQL-databaser vil i økende grad bli integrert med maskinlæringsplattformer, noe som muliggjør sanntidsanalyse og datadrevet beslutningstaking.
• Forbedret sikkerhet: NewSQL-databaser vil innlemme mer avanserte sikkerhetsfunksjoner for å beskytte sensitive data mot uautorisert tilgang.

Konklusjon

NewSQL-databaser tilbyr en overbevisende løsning for applikasjoner som krever både skalerbarhet og datakonsistens. Ved å kombinere det beste fra både tradisjonelle RDBMS og NoSQL-databaser, gir NewSQL-databaser en kraftig plattform for å bygge moderne, distribuerte applikasjoner. Ettersom etterspørselen etter skalerbare og konsistente databaser fortsetter å vokse, er NewSQL posisjonert til å spille en stadig viktigere rolle i fremtiden for datahåndtering.

Enten du bygger et finanssystem, en e-handelsplattform, en spillapplikasjon eller en IoT-plattform, kan NewSQL-databaser hjelpe deg med å håndtere utfordringene med skala og kompleksitet, samtidig som du sikrer integriteten og påliteligheten til dataene dine. Vurder å utforske verdenen av NewSQL for å se hvordan den kan gagne din organisasjon.