NewSQL: Škálovanie distribuovaných ACID transakcií pre globálne aplikácie

V dnešnom svete riadenom dátami si aplikácie vyžadujú škálovateľnosť aj konzistenciu dát. Tradičné relačné databázy, hoci poskytujú silné záruky ACID (Atómovosť, Konzistencia, Izolácia, Trvácnosť), často zápasia s horizontálnym škálovaním. Na druhej strane, NoSQL databázy ponúkajú škálovateľnosť, ale zvyčajne obetujú vlastnosti ACID v prospech výkonu. NewSQL databázy sa objavujú ako stredná cesta s cieľom spojiť to najlepšie z oboch svetov: škálovateľnosť a výkon NoSQL so zárukami ACID tradičných RDBMS.

Čo je NewSQL?

NewSQL nie je jedna databázová technológia, ale skôr trieda moderných relačných systémov na správu databáz (RDBMS), ktoré sa snažia poskytnúť rovnaké záruky ACID ako tradičné databázové systémy a zároveň dosiahnuť škálovateľnosť systémov NoSQL. Sú navrhnuté tak, aby zvládali spracovanie transakcií s vysokým objemom a veľké objemy dát, čo ich robí vhodnými pre moderné, distribuované aplikácie.

V podstate sú NewSQL systémy navrhnuté tak, aby riešili obmedzenia tradičných RDBMS pri prevádzke vo veľkom rozsahu. Distribuujú dáta a spracovanie na viacero uzlov, čo umožňuje horizontálnu škálovateľnosť, a zároveň zabezpečujú, že transakcie sú spracované spoľahlivým a konzistentným spôsobom.

Kľúčové vlastnosti NewSQL databáz

• Súlad s ACID: NewSQL databázy uprednostňujú vlastnosti ACID na zabezpečenie integrity a konzistencie dát. Je to kľúčová požiadavka pre aplikácie, ktoré spracúvajú citlivé dáta alebo vyžadujú prísne transakčné záruky, ako sú finančné systémy alebo e-commerce platformy.
• Škálovateľnosť: Sú navrhnuté na horizontálne škálovanie distribúciou dát a spracovania na viacero uzlov. To im umožňuje zvládať narastajúce pracovné zaťaženie a objemy dát bez obetovania výkonu.
• Rozhranie SQL: Väčšina NewSQL databáz poskytuje rozhranie kompatibilné s SQL, čo vývojárom uľahčuje migráciu existujúcich aplikácií alebo využitie ich existujúcich zručností v SQL.
• Distribuovaná architektúra: NewSQL databázy sú zvyčajne postavené na distribuovanej architektúre, ktorá im umožňuje dosiahnuť vysokú dostupnosť a odolnosť voči chybám.
• Výkon: Sú optimalizované na vysokovýkonné spracovanie transakcií, často využívajú techniky ako ukladanie dát v pamäti, distribuované spracovanie dopytov a riadenie súbežnosti bez zámkov.

Architektonické prístupy v NewSQL

Pri implementáciách NewSQL databáz sa používa niekoľko architektonických prístupov. Tieto prístupy sa líšia v tom, ako dosahujú škálovateľnosť a záruky ACID.

1. Architektúra bez zdieľania (Shared-Nothing)

V architektúre bez zdieľania má každý uzol v klastri vlastné nezávislé zdroje (CPU, pamäť, úložisko). Dáta sú rozdelené a distribuované medzi tieto uzly. Táto architektúra poskytuje vynikajúcu škálovateľnosť, pretože pridávanie ďalších uzlov lineárne zvyšuje kapacitu systému. Príklady NewSQL databáz, ktoré používajú architektúru bez zdieľania, zahŕňajú Google Spanner a CockroachDB.

Príklad: Predstavte si globálnu e-commerce platformu s používateľmi po celom svete. Použitím NewSQL databázy s architektúrou bez zdieľania môže platforma distribuovať svoje dáta medzi viaceré geograficky rozložené dátové centrá. To zaručuje nízku latenciu pre používateľov v rôznych regiónoch a poskytuje vysokú dostupnosť v prípade regionálnych výpadkov.

2. Architektúra so zdieľanou pamäťou (Shared-Memory)

V architektúre so zdieľanou pamäťou všetky uzly v klastri zdieľajú rovnaký pamäťový priestor. To umožňuje rýchly prístup k dátam a komunikáciu medzi uzlami. Táto architektúra je však zvyčajne obmedzená v škálovateľnosti, pretože zdieľaná pamäť sa stáva úzkym hrdlom pri zvyšovaní počtu uzlov. Príklady databáz (hoci nie striktne NewSQL v najčistejšom zmysle, ale vykazujúce podobné prístupy k transakčnému škálovaniu), ktoré využívajú túto architektúru, zahŕňajú niektoré klastre in-memory databáz.

3. Architektúra so zdieľaným diskom (Shared-Disk)

V architektúre so zdieľaným diskom všetky uzly v klastri zdieľajú rovnaké úložné zariadenia. To zjednodušuje správu dát a poskytuje vysokú dostupnosť. Táto architektúra však môže byť tiež úzkym hrdlom, keďže všetky uzly musia pristupovať k rovnakému úložisku. Niektoré tradičné systémy RDBMS, keď sú v klastri, môžu byť považované za súčasť širšieho kontextu škálovateľného transakčného spracovania, aj keď nemusia byť označené ako NewSQL.

ACID transakcie v distribuovanom prostredí

Udržiavanie vlastností ACID v distribuovanom prostredí je zložitá výzva. NewSQL databázy používajú rôzne techniky na zabezpečenie konzistencie a spoľahlivosti dát.

1. Dvojfázové potvrdenie (2PC)

2PC je široko používaný protokol na zabezpečenie atómovosti naprieč viacerými uzlami. Pri 2PC koordinátor koordinuje transakciu medzi všetkými zúčastnenými uzlami. Transakcia prebieha v dvoch fázach: fáza prípravy a fáza potvrdenia. Počas fázy prípravy sa každý uzol pripraví na potvrdenie transakcie a informuje o tom koordinátora. Ak sú všetky uzly pripravené, koordinátor im prikáže potvrdiť. Ak sa niektorý uzol nepodarí pripraviť, koordinátor prikáže všetkým uzlom transakciu prerušiť.

Výzva: 2PC môže byť pomalý a zavádza jediný bod zlyhania (koordinátor). Preto moderné NewSQL systémy často uprednostňujú alternatívne protokoly.

2. Konsenzuálne algoritmy Paxos a Raft

Paxos a Raft sú konsenzuálne algoritmy, ktoré umožňujú distribuovanému systému dohodnúť sa na jedinej hodnote, a to aj v prítomnosti zlyhaní. Tieto algoritmy sa často používajú v NewSQL databázach na zabezpečenie konzistencie dát a odolnosti voči chybám. Poskytujú robustnejšiu a efektívnejšiu alternatívu k 2PC.

Príklad: CockroachDB používa Raft na replikáciu dát medzi viacerými uzlami a zabezpečenie konzistencie všetkých replík. To znamená, že aj keď jeden uzol zlyhá, systém môže pokračovať v prevádzke bez straty dát alebo nekonzistencie.

3. TrueTime API od Spanner

Google Spanner používa globálne distribuovaný, externe konzistentný systém časových pečiatok nazývaný TrueTime. TrueTime poskytuje zaručenú hornú hranicu neistoty hodín, čo umožňuje Spanneru dosiahnuť silnú konzistenciu naprieč geograficky rozloženými dátovými centrami. To umožňuje Spanneru vykonávať globálne distribuované transakcie s nízkou latenciou a vysokou priepustnosťou.

Význam: TrueTime je kľúčovou súčasťou architektúry Spanner, pretože umožňuje databáze udržiavať serializovateľnosť, najsilnejšiu úroveň izolácie, a to aj v distribuovanom prostredí.

Výhody používania NewSQL databáz

• Škálovateľnosť: NewSQL databázy sa môžu horizontálne škálovať, aby zvládli narastajúce pracovné zaťaženie a objemy dát.
• Súlad s ACID: Poskytujú silné záruky ACID, čím zaisťujú integritu a konzistenciu dát.
• Výkon: Sú optimalizované na vysokovýkonné spracovanie transakcií.
• Odolnosť voči chybám: Sú navrhnuté tak, aby boli odolné voči chybám, čo znamená, že môžu pokračovať v prevádzke aj v prípade zlyhania niektorých uzlov.
• Kompatibilita s SQL: Väčšina NewSQL databáz poskytuje rozhranie kompatibilné s SQL, čo uľahčuje migráciu existujúcich aplikácií.

Prípady použitia NewSQL databáz

NewSQL databázy sú vhodné pre širokú škálu aplikácií, ktoré vyžadujú škálovateľnosť aj konzistenciu dát. Medzi bežné prípady použitia patria:

1. Finančné aplikácie

Finančné aplikácie, ako sú bankové systémy a spracovatelia platieb, vyžadujú prísne záruky ACID na zabezpečenie presnosti a spoľahlivosti finančných transakcií. NewSQL databázy môžu poskytnúť škálovateľnosť a výkon potrebný na zvládnutie vysokého objemu transakcií pri zachovaní integrity dát.

Príklad: Globálna platobná brána, ktorá spracováva milióny transakcií denne, potrebuje databázu, ktorá zvládne vysoký objem prevádzky a zabezpečí správne spracovanie všetkých transakcií. NewSQL databáza môže poskytnúť škálovateľnosť a záruky ACID potrebné na splnenie týchto požiadaviek.

2. E-commerce platformy

E-commerce platformy musia zvládať veľký počet súbežných používateľov a transakcií. NewSQL databázy môžu poskytnúť škálovateľnosť a výkon potrebný na zvládnutie tohto zaťaženia a zároveň zabezpečiť správne spracovanie objednávok a presnú aktualizáciu zásob.

Príklad: Veľký online predajca potrebuje databázu, ktorá zvládne špičkové zaťaženie počas sviatočných nákupných sezón. NewSQL databáza sa môže škálovať, aby vyhovela zvýšenému dopytu a zabezpečila, že všetky objednávky budú spracované bez chýb.

3. Herné aplikácie

Hromadne multiplayerové online hry (MMO) musia zvládať veľký počet súbežných hráčov a zložitú hernú logiku. NewSQL databázy môžu poskytnúť škálovateľnosť a výkon potrebný na zvládnutie tohto zaťaženia a zároveň zabezpečiť konzistenciu stavu hry a zabrániť podvádzaniu hráčov.

Príklad: Populárna MMO hra potrebuje databázu, ktorá zvládne milióny súbežných hráčov a zabezpečí konzistenciu všetkých hráčskych dát. NewSQL databáza môže poskytnúť škálovateľnosť a záruky ACID potrebné na splnenie týchto požiadaviek.

4. Riadenie dodávateľského reťazca

Moderné dodávateľské reťazce sú globálne distribuované a vyžadujú si prehľad v reálnom čase o úrovniach zásob, stave objednávok a sledovaní zásielok. NewSQL databázy môžu poskytnúť škálovateľnosť a výkon potrebný na spracovanie veľkého objemu dát generovaných systémami dodávateľského reťazca a zároveň zabezpečiť, že dáta sú presné a konzistentné.

5. Platformy IoT (Internet vecí)

Platformy IoT generujú obrovské množstvo dát z pripojených zariadení. NewSQL databázy sa môžu použiť na ukladanie a analýzu týchto dát, poskytujúc prehľady o výkone zariadení, vzorcoch používania a potenciálnych problémoch. Zabezpečujú tiež, že kritické dáta IoT, ako sú údaje zo senzorov a riadiace príkazy, sú spoľahlivo uložené a spracované.

Príklady NewSQL databáz

Tu sú niektoré významné príklady NewSQL databáz:

• Google Spanner: Globálne distribuovaná, škálovateľná a silne konzistentná databázová služba.
• CockroachDB: Distribuovaná SQL databáza postavená na transakčnom a silne konzistentnom úložisku kľúč-hodnota.
• TiDB: Open-source distribuovaná SQL databáza, ktorá podporuje pracovné zaťaženie pre online transakčné spracovanie (OLTP) aj online analytické spracovanie (OLAP).
• VoltDB: In-memory, scale-out SQL databáza navrhnutá pre dáta s vysokou rýchlosťou a rýchle rozhodovanie.
• NuoDB: Distribuovaná SQL databáza navrhnutá pre cloudové prostredia.

Výber správnej NewSQL databázy

Výber správnej NewSQL databázy pre vašu aplikáciu závisí od niekoľkých faktorov, vrátane:

• Požiadavky na škálovateľnosť: Aké množstvo dát a prevádzky potrebujete zvládnuť?
• Požiadavky na ACID: Aké dôležité sú záruky ACID pre vašu aplikáciu?
• Požiadavky na výkon: Ako rýchlo potrebujete spracovávať transakcie?
• Prostredie nasadenia: Kde budete databázu nasadzovať (napr. on-premises, cloud)?
• Kompatibilita s SQL: Aká dôležitá je kompatibilita s SQL pre vaše existujúce aplikácie a vývojový tím?
• Cena: Aký je váš rozpočet na databázu?

Je dôležité starostlivo zhodnotiť vaše požiadavky a porovnať funkcie a výkon rôznych NewSQL databáz pred prijatím rozhodnutia. Zvážte spustenie benchmarkov na otestovanie výkonu rôznych databáz s vaším špecifickým pracovným zaťažením.

Budúcnosť NewSQL

NewSQL databázy sú rýchlo sa vyvíjajúcou technológiou. Keďže objemy dát a zložitosť aplikácií naďalej rastú, dopyt po škálovateľných a konzistentných databázach sa bude len zvyšovať. V nadchádzajúcich rokoch môžeme očakávať ďalšie inovácie v architektúrach, algoritmoch a nástrojoch NewSQL.

Niektoré potenciálne budúce trendy v NewSQL zahŕňajú:

• Viac Cloud-Native databáz: NewSQL databázy budú čoraz viac navrhované pre cloudové prostredia, využívajúc cloud-native technológie ako Kubernetes a serverless computing.
• Zlepšená geo-distribúcia: NewSQL databázy sa stanú ešte lepšími v správe geograficky distribuovaných dát a poskytovaní prístupu k dátam s nízkou latenciou odkiaľkoľvek na svete.
• Integrácia so strojovým učením: NewSQL databázy budú čoraz viac integrované s platformami strojového učenia, čo umožní analýzu v reálnom čase a rozhodovanie založené na dátach.
• Zvýšená bezpečnosť: NewSQL databázy budú zahŕňať pokročilejšie bezpečnostné funkcie na ochranu citlivých dát pred neoprávneným prístupom.

Záver

NewSQL databázy ponúkajú presvedčivé riešenie pre aplikácie, ktoré vyžadujú škálovateľnosť aj konzistenciu dát. Kombináciou toho najlepšieho z tradičných RDBMS a NoSQL databáz poskytujú NewSQL databázy výkonnú platformu na budovanie moderných, distribuovaných aplikácií. Keďže dopyt po škálovateľných a konzistentných databázach naďalej rastie, NewSQL je pripravené zohrávať čoraz dôležitejšiu úlohu v budúcnosti správy dát.

Či už budujete finančný systém, e-commerce platformu, hernú aplikáciu alebo IoT platformu, NewSQL databázy vám môžu pomôcť zvládnuť výzvy škálovateľnosti a zložitosti a zároveň zabezpečiť integritu a spoľahlivosť vašich dát. Zvážte preskúmanie sveta NewSQL, aby ste zistili, ako môže byť prínosom pre vašu organizáciu.