NewSQL: Skalowanie rozproszonych transakcji ACID dla globalnych aplikacji

W dzisiejszym świecie napędzanym danymi aplikacje wymagają zarówno skalowalności, jak i spójności danych. Tradycyjne relacyjne bazy danych, zapewniając silne gwarancje ACID (Atomicity, Consistency, Isolation, Durability), często mają problemy ze skalowaniem horyzontalnym. Z drugiej strony, bazy danych NoSQL oferują skalowalność, ale zazwyczaj poświęcają właściwości ACID na rzecz wydajności. Bazy danych NewSQL pojawiają się jako rozwiązanie pośrednie, mające na celu połączenie tego, co najlepsze z obu światów: skalowalności i wydajności NoSQL z gwarancjami ACID tradycyjnych systemów RDBMS.

Czym jest NewSQL?

NewSQL to nie pojedyncza technologia bazodanowa, ale klasa nowoczesnych relacyjnych systemów zarządzania bazami danych (RDBMS), które dążą do zapewnienia tych samych gwarancji ACID co tradycyjne systemy bazodanowe, jednocześnie osiągając skalowalność systemów NoSQL. Są one zaprojektowane do obsługi przetwarzania transakcji o dużej objętości i dużych wolumenów danych, co czyni je odpowiednimi dla nowoczesnych, rozproszonych aplikacji.

W istocie, systemy NewSQL są zaprojektowane tak, aby sprostać ograniczeniom tradycyjnych RDBMS podczas działania na dużą skalę. Rozpraszają dane i przetwarzanie na wiele węzłów, umożliwiając skalowalność horyzontalną, jednocześnie zapewniając, że transakcje są przetwarzane w sposób niezawodny i spójny.

Kluczowe cechy baz danych NewSQL

• Zgodność z ACID: Bazy danych NewSQL priorytetowo traktują właściwości ACID, aby zapewnić integralność i spójność danych. Jest to kluczowy wymóg dla aplikacji obsługujących wrażliwe dane lub wymagających ścisłych gwarancji transakcyjnych, takich jak systemy finansowe czy platformy e-commerce.
• Skalowalność: Są zaprojektowane do skalowania horyzontalnego poprzez rozpraszanie danych i przetwarzania na wiele węzłów. Pozwala to na obsługę rosnących obciążeń i wolumenów danych bez poświęcania wydajności.
• Interfejs SQL: Większość baz danych NewSQL zapewnia interfejs kompatybilny z SQL, co ułatwia programistom migrację istniejących aplikacji lub wykorzystanie ich dotychczasowych umiejętności w zakresie SQL.
• Architektura rozproszona: Bazy danych NewSQL są zazwyczaj zbudowane na architekturze rozproszonej, co pozwala im osiągnąć wysoką dostępność i odporność na awarie.
• Wydajność: Są zoptymalizowane pod kątem wysokowydajnego przetwarzania transakcji, często wykorzystując techniki takie jak przechowywanie danych w pamięci, rozproszone przetwarzanie zapytań i kontrola współbieżności bez blokad.

Podejścia architektoniczne w NewSQL

W implementacjach baz danych NewSQL stosuje się kilka podejść architektonicznych. Różnią się one sposobem, w jaki osiągają skalowalność i gwarancje ACID.

1. Architektura "shared-nothing" (bez współdzielenia zasobów)

W architekturze "shared-nothing" każdy węzeł w klastrze ma własne, niezależne zasoby (CPU, pamięć, dysk). Dane są partycjonowane i rozproszone pomiędzy tymi węzłami. Ta architektura zapewnia doskonałą skalowalność, ponieważ dodawanie kolejnych węzłów liniowo zwiększa pojemność systemu. Przykładami baz danych NewSQL wykorzystujących architekturę "shared-nothing" są Google Spanner i CockroachDB.

Przykład: Wyobraź sobie globalną platformę e-commerce z użytkownikami na całym świecie. Używając bazy danych NewSQL typu "shared-nothing", platforma może rozproszyć swoje dane w wielu geograficznie rozproszonych centrach danych. Zapewnia to niskie opóźnienia dla użytkowników w różnych regionach oraz wysoką dostępność w przypadku awarii regionalnych.

2. Architektura ze współdzieloną pamięcią

W architekturze ze współdzieloną pamięcią wszystkie węzły w klastrze dzielą tę samą przestrzeń pamięci. Pozwala to na szybki dostęp do danych i komunikację między węzłami. Jednakże, ta architektura jest zazwyczaj ograniczona pod względem skalowalności, ponieważ współdzielona pamięć staje się wąskim gardłem w miarę wzrostu liczby węzłów. Przykładami baz danych (choć niekoniecznie NewSQL w najczystszej formie, ale wykazujących podobne podejścia do skalowania transakcyjnego) wykorzystujących tę architekturę są niektóre klastry baz danych w pamięci.

3. Architektura ze współdzielonym dyskiem

W architekturze ze współdzielonym dyskiem wszystkie węzły w klastrze dzielą te same urządzenia pamięci masowej. Upraszcza to zarządzanie danymi i zapewnia wysoką dostępność. Jednakże, ta architektura również może stanowić wąskie gardło, ponieważ wszystkie węzły muszą mieć dostęp do tej samej pamięci masowej. Niektóre tradycyjne systemy RDBMS, gdy działają w klastrze, można rozważać w szerszym kontekście skalowalnego przetwarzania transakcyjnego, nawet jeśli nie są określane jako NewSQL.

Transakcje ACID w środowisku rozproszonym

Utrzymanie właściwości ACID w środowisku rozproszonym jest złożonym wyzwaniem. Bazy danych NewSQL wykorzystują różne techniki, aby zapewnić spójność i niezawodność danych.

1. Protokół zatwierdzania dwufazowego (2PC)

2PC to powszechnie stosowany protokół zapewniający atomowość na wielu węzłach. W 2PC węzeł koordynujący koordynuje transakcję we wszystkich uczestniczących węzłach. Transakcja przebiega w dwóch fazach: fazie przygotowania i fazie zatwierdzenia. W fazie przygotowania każdy węzeł przygotowuje się do zatwierdzenia transakcji i informuje o tym koordynatora. Jeśli wszystkie węzły są gotowe, koordynator instruuje je, aby zatwierdziły transakcję. Jeśli którykolwiek węzeł nie zdoła się przygotować, koordynator instruuje wszystkie węzły, aby przerwały transakcję.

Wyzwanie: Protokół 2PC może być powolny i wprowadzać pojedynczy punkt awarii (koordynatora). Dlatego nowoczesne systemy NewSQL często preferują alternatywne protokoły.

2. Algorytmy konsensusu Paxos i Raft

Paxos i Raft to algorytmy konsensusu, które pozwalają systemowi rozproszonemu na uzgodnienie pojedynczej wartości, nawet w obecności awarii. Algorytmy te są często używane w bazach danych NewSQL do zapewnienia spójności danych i odporności na awarie. Stanowią one bardziej solidną i wydajną alternatywę dla 2PC.

Przykład: CockroachDB używa algorytmu Raft do replikacji danych na wielu węzłach i zapewnienia, że wszystkie repliki są spójne. Oznacza to, że nawet jeśli jeden węzeł ulegnie awarii, system może kontynuować działanie bez utraty danych lub niespójności.

3. API TrueTime w Spannerze

Google Spanner używa globalnie rozproszonego, zewnętrznie spójnego systemu sygnatur czasowych o nazwie TrueTime. TrueTime zapewnia gwarantowaną górną granicę niepewności zegara, co pozwala Spannerowi osiągnąć silną spójność w geograficznie rozproszonych centrach danych. Umożliwia to Spannerowi wykonywanie globalnie rozproszonych transakcji z niskimi opóźnieniami i wysoką przepustowością.

Znaczenie: TrueTime jest kluczowym komponentem architektury Spannera, ponieważ pozwala bazie danych na utrzymanie serializowalności, najsilniejszego poziomu izolacji, nawet w środowisku rozproszonym.

Korzyści z używania baz danych NewSQL

• Skalowalność: Bazy danych NewSQL mogą skalować się horyzontalnie, aby obsługiwać rosnące obciążenia i wolumeny danych.
• Zgodność z ACID: Zapewniają silne gwarancje ACID, gwarantując integralność i spójność danych.
• Wydajność: Są zoptymalizowane pod kątem wysokowydajnego przetwarzania transakcji.
• Odporność na awarie: Są zaprojektowane tak, aby były odporne na awarie, co oznacza, że mogą kontynuować działanie nawet w przypadku awarii niektórych węzłów.
• Kompatybilność z SQL: Większość baz danych NewSQL zapewnia interfejs kompatybilny z SQL, co ułatwia migrację istniejących aplikacji.

Przypadki użycia baz danych NewSQL

Bazy danych NewSQL są odpowiednie dla szerokiej gamy aplikacji, które wymagają zarówno skalowalności, jak i spójności danych. Niektóre typowe przypadki użycia obejmują:

1. Aplikacje finansowe

Aplikacje finansowe, takie jak systemy bankowe i procesory płatności, wymagają ścisłych gwarancji ACID, aby zapewnić dokładność i niezawodność transakcji finansowych. Bazy danych NewSQL mogą zapewnić skalowalność i wydajność potrzebną do obsługi przetwarzania transakcji o dużej objętości, jednocześnie utrzymując integralność danych.

Przykład: Globalna bramka płatnicza, która przetwarza miliony transakcji dziennie, potrzebuje bazy danych, która poradzi sobie z dużym natężeniem ruchu i zapewni, że wszystkie transakcje są przetwarzane poprawnie. Baza danych NewSQL może zapewnić skalowalność i gwarancje ACID niezbędne do spełnienia tych wymagań.

2. Platformy e-commerce

Platformy e-commerce muszą obsługiwać dużą liczbę jednoczesnych użytkowników i transakcji. Bazy danych NewSQL mogą zapewnić skalowalność i wydajność potrzebną do obsłużenia tego obciążenia, jednocześnie gwarantując, że zamówienia są przetwarzane poprawnie, a stany magazynowe są dokładnie aktualizowane.

Przykład: Duży sklep internetowy potrzebuje bazy danych, która poradzi sobie ze szczytowym obciążeniem podczas świątecznych sezonów zakupowych. Baza danych NewSQL może skalować się, aby sprostać zwiększonemu zapotrzebowaniu i zapewnić, że wszystkie zamówienia są przetwarzane bez błędów.

3. Aplikacje gamingowe

Gry online dla masowej liczby graczy (MMO) muszą obsługiwać dużą liczbę jednoczesnych graczy i złożoną logikę gry. Bazy danych NewSQL mogą zapewnić skalowalność i wydajność potrzebną do obsłużenia tego obciążenia, jednocześnie gwarantując, że stan gry jest spójny, a gracze nie mogą oszukiwać.

Przykład: Popularna gra MMO potrzebuje bazy danych, która może obsłużyć miliony jednoczesnych graczy i zapewnić spójność wszystkich danych graczy. Baza danych NewSQL może zapewnić skalowalność i gwarancje ACID niezbędne do spełnienia tych wymagań.

4. Zarządzanie łańcuchem dostaw

Nowoczesne łańcuchy dostaw są globalnie rozproszone i wymagają wglądu w czasie rzeczywistym w poziomy zapasów, status zamówień i śledzenie przesyłek. Bazy danych NewSQL mogą zapewnić skalowalność i wydajność potrzebną do obsługi dużej ilości danych generowanych przez systemy łańcucha dostaw, jednocześnie zapewniając, że dane są dokładne i spójne.

5. Platformy IoT (Internet Rzeczy)

Platformy IoT generują ogromne ilości danych z podłączonych urządzeń. Bazy danych NewSQL mogą być używane do przechowywania i analizowania tych danych, dostarczając wglądu w wydajność urządzeń, wzorce użytkowania i potencjalne problemy. Zapewniają również, że krytyczne dane IoT, takie jak odczyty czujników i polecenia sterujące, są niezawodnie przechowywane i przetwarzane.

Przykłady baz danych NewSQL

Oto kilka znaczących przykładów baz danych NewSQL:

• Google Spanner: Globalnie rozproszona, skalowalna i silnie spójna usługa bazy danych.
• CockroachDB: Rozproszona baza danych SQL zbudowana na transakcyjnym i silnie spójnym magazynie klucz-wartość.
• TiDB: Otwartoźródłowa, rozproszona baza danych SQL, która obsługuje zarówno obciążenia OLTP (przetwarzanie transakcji online), jak i OLAP (przetwarzanie analityczne online).
• VoltDB: Działająca w pamięci, skalowalna horyzontalnie baza danych SQL zaprojektowana dla danych o dużej szybkości i szybkich decyzji.
• NuoDB: Rozproszona baza danych SQL zaprojektowana dla środowisk chmurowych.

Wybór odpowiedniej bazy danych NewSQL

Wybór odpowiedniej bazy danych NewSQL dla Twojej aplikacji zależy od kilku czynników, w tym:

• Wymagania dotyczące skalowalności: Jaką ilość danych i ruchu musisz obsłużyć?
• Wymagania ACID: Jak ważne są gwarancje ACID dla Twojej aplikacji?
• Wymagania dotyczące wydajności: Jak szybko musisz przetwarzać transakcje?
• Środowisko wdrożenia: Gdzie będziesz wdrażać bazę danych (np. lokalnie, w chmurze)?
• Kompatybilność z SQL: Jak ważna jest kompatybilność z SQL dla istniejących aplikacji i zespołu deweloperskiego?
• Koszt: Jaki jest Twój budżet na bazę danych?

Ważne jest, aby dokładnie ocenić swoje wymagania i porównać funkcje oraz wydajność różnych baz danych NewSQL przed podjęciem decyzji. Rozważ przeprowadzenie testów porównawczych (benchmarków), aby sprawdzić wydajność różnych baz danych przy Twoim specyficznym obciążeniu.

Przyszłość NewSQL

Bazy danych NewSQL to szybko rozwijająca się technologia. W miarę jak wolumeny danych i złożoność aplikacji wciąż rosną, zapotrzebowanie na skalowalne i spójne bazy danych będzie tylko wzrastać. W nadchodzących latach możemy spodziewać się dalszych innowacji w architekturach, algorytmach i narzędziach NewSQL.

Niektóre potencjalne przyszłe trendy w NewSQL obejmują:

• Więcej baz danych natywnych dla chmury: Bazy danych NewSQL będą coraz częściej projektowane dla środowisk chmurowych, wykorzystując technologie natywne dla chmury, takie jak Kubernetes i przetwarzanie bezserwerowe.
• Ulepszona geodystrybucja: Bazy danych NewSQL staną się jeszcze lepsze w obsłudze danych rozproszonych geograficznie i zapewnianiu niskich opóźnień w dostępie do danych z dowolnego miejsca na świecie.
• Integracja z uczeniem maszynowym: Bazy danych NewSQL będą coraz częściej integrowane z platformami uczenia maszynowego, umożliwiając analizę w czasie rzeczywistym i podejmowanie decyzji opartych na danych.
• Zwiększone bezpieczeństwo: Bazy danych NewSQL będą zawierać bardziej zaawansowane funkcje bezpieczeństwa w celu ochrony wrażliwych danych przed nieautoryzowanym dostępem.

Podsumowanie

Bazy danych NewSQL oferują przekonujące rozwiązanie dla aplikacji, które wymagają zarówno skalowalności, jak i spójności danych. Łącząc to, co najlepsze z tradycyjnych RDBMS i baz danych NoSQL, bazy danych NewSQL stanowią potężną platformę do budowania nowoczesnych, rozproszonych aplikacji. W miarę jak zapotrzebowanie na skalowalne i spójne bazy danych wciąż rośnie, NewSQL jest na dobrej drodze, aby odgrywać coraz ważniejszą rolę w przyszłości zarządzania danymi.

Niezależnie od tego, czy budujesz system finansowy, platformę e-commerce, aplikację do gier czy platformę IoT, bazy danych NewSQL mogą pomóc Ci sprostać wyzwaniom związanym ze skalą i złożonością, jednocześnie zapewniając integralność i niezawodność Twoich danych. Rozważ zbadanie świata NewSQL, aby zobaczyć, jakie korzyści może przynieść Twojej organizacji.