NewSQL: Skaliranje porazdeljenih transakcij ACID za globalne aplikacije

V današnjem, s podatki gnanem svetu, aplikacije zahtevajo tako skalabilnost kot konsistentnost podatkov. Tradicionalne relacijske podatkovne baze, čeprav zagotavljajo močna jamstva ACID (atomarnost, konsistentnost, izolacija, trajnost), se pogosto spopadajo s horizontalnim skaliranjem. Po drugi strani podatkovne baze NoSQL ponujajo skalabilnost, vendar običajno žrtvujejo lastnosti ACID v korist zmogljivosti. Podatkovne baze NewSQL se pojavljajo kot vmesna pot, ki si prizadeva združiti najboljše iz obeh svetov: skalabilnost in zmogljivost NoSQL z jamstvi ACID tradicionalnih RDBMS.

Kaj je NewSQL?

NewSQL ni ena sama tehnologija podatkovnih baz, temveč razred sodobnih relacijskih sistemov za upravljanje podatkovnih baz (RDBMS), ki si prizadevajo zagotoviti enaka jamstva ACID kot tradicionalni sistemi podatkovnih baz, hkrati pa dosegati skalabilnost sistemov NoSQL. Zasnovani so za obdelavo velikega obsega transakcij in velikih količin podatkov, zaradi česar so primerni za sodobne, porazdeljene aplikacije.

V bistvu so sistemi NewSQL zasnovani tako, da odpravljajo omejitve tradicionalnih RDBMS pri delovanju v velikem obsegu. Podatke in obdelavo porazdelijo med več vozlišč, kar omogoča horizontalno skaliranje, hkrati pa zagotavlja, da se transakcije obdelujejo na zanesljiv in konsistenten način.

Ključne značilnosti podatkovnih baz NewSQL

• Skladnost z ACID: Podatkovne baze NewSQL dajejo prednost lastnostim ACID za zagotavljanje integritete in konsistentnosti podatkov. To je ključna zahteva za aplikacije, ki obdelujejo občutljive podatke ali zahtevajo stroga transakcijska jamstva, kot so finančni sistemi ali platforme za e-trgovino.
• Skalabilnost: Zasnovane so za horizontalno skaliranje s porazdelitvijo podatkov in obdelave med več vozlišč. To jim omogoča obvladovanje naraščajočih delovnih obremenitev in količin podatkov brez žrtvovanja zmogljivosti.
• Vmesnik SQL: Večina podatkovnih baz NewSQL ponuja vmesnik, združljiv s SQL, kar razvijalcem olajša selitev obstoječih aplikacij ali uporabo obstoječih znanj SQL.
• Porazdeljena arhitektura: Podatkovne baze NewSQL so običajno zgrajene na porazdeljeni arhitekturi, kar jim omogoča doseganje visoke razpoložljivosti in odpornosti na napake.
• Zmogljivost: Optimizirane so za visoko zmogljivo obdelavo transakcij, pogosto z uporabo tehnik, kot so shranjevanje podatkov v pomnilniku, porazdeljena obdelava poizvedb in nadzor sočasnosti brez zaklepanja.

Arhitekturni pristopi v NewSQL

Pri implementacijah podatkovnih baz NewSQL se uporablja več arhitekturnih pristopov. Ti pristopi se razlikujejo po načinu doseganja skalabilnosti in jamstev ACID.

1. Arhitektura brez skupne rabe (Shared-Nothing)

V arhitekturi brez skupne rabe ima vsako vozlišče v gruči svoje neodvisne vire (CPE, pomnilnik, shramba). Podatki so particionirani in porazdeljeni med ta vozlišča. Ta arhitektura zagotavlja odlično skalabilnost, saj dodajanje novih vozlišč linearno povečuje zmogljivost sistema. Primera podatkovnih baz NewSQL, ki uporabljata arhitekturo brez skupne rabe, sta Google Spanner in CockroachDB.

Primer: Predstavljajte si globalno platformo za e-trgovino z uporabniki po vsem svetu. Z uporabo podatkovne baze NewSQL z arhitekturo brez skupne rabe lahko platforma porazdeli svoje podatke med več geografsko porazdeljenih podatkovnih centrov. To zagotavlja nizko zakasnitev za uporabnike v različnih regijah in visoko razpoložljivost v primeru regionalnih izpadov.

2. Arhitektura s skupnim pomnilnikom (Shared-Memory)

V arhitekturi s skupnim pomnilnikom si vsa vozlišča v gruči delijo isti pomnilniški prostor. To omogoča hiter dostop do podatkov in komunikacijo med vozlišči. Vendar je ta arhitektura običajno omejena v skalabilnosti, saj skupni pomnilnik postane ozko grlo, ko se število vozlišč povečuje. Primeri podatkovnih baz (čeprav ne strogo NewSQL v najčistejšem smislu, vendar kažejo podobne pristope k transakcijskemu skaliranju), ki izkoriščajo to arhitekturo, vključujejo določene gruče podatkovnih baz v pomnilniku.

3. Arhitektura s skupnim diskom (Shared-Disk)

V arhitekturi s skupnim diskom si vsa vozlišča v gruči delijo iste naprave za shranjevanje. To poenostavlja upravljanje podatkov in zagotavlja visoko razpoložljivost. Vendar je lahko tudi ta arhitektura ozko grlo, saj morajo vsa vozlišča dostopati do iste shrambe. Nekatere tradicionalne sisteme RDBMS, kadar so v gruči, lahko štejemo v širši kontekst porazdeljene transakcijske obdelave, čeprav morda niso označeni kot NewSQL.

Transakcije ACID v porazdeljenem okolju

Ohranjanje lastnosti ACID v porazdeljenem okolju je kompleksen izziv. Podatkovne baze NewSQL uporabljajo različne tehnike za zagotavljanje konsistentnosti in zanesljivosti podatkov.

1. Dvofazna potrditev (2PC)

2PC je široko uporabljen protokol za zagotavljanje atomarnosti med več vozlišči. Pri 2PC koordinator usklajuje transakcijo med vsemi sodelujočimi vozlišči. Transakcija poteka v dveh fazah: fazi priprave in fazi potrditve. Med fazo priprave se vsako vozlišče pripravi na potrditev transakcije in o tem obvesti koordinatorja. Če so vsa vozlišča pripravljena, jim koordinator naroči, naj potrdijo. Če se katero koli vozlišče ne uspe pripraviti, koordinator vsem vozliščem naroči, naj prekinejo.

Izziv: 2PC je lahko počasen in uvaja eno samo točko odpovedi (koordinatorja). Zato sodobni sistemi NewSQL pogosto dajejo prednost alternativnim protokolom.

2. Konsenzna algoritma Paxos in Raft

Paxos in Raft sta konsenzna algoritma, ki porazdeljenemu sistemu omogočata, da se dogovori o eni sami vrednosti, tudi v prisotnosti napak. Ta algoritma se pogosto uporabljata v podatkovnih bazah NewSQL za zagotavljanje konsistentnosti podatkov in odpornosti na napake. Predstavljata bolj robustno in učinkovito alternativo 2PC.

Primer: CockroachDB uporablja Raft za replikacijo podatkov med več vozlišči in zagotavlja, da so vse replike konsistentne. To pomeni, da tudi če eno vozlišče odpove, lahko sistem še naprej deluje brez izgube podatkov ali nekonsistentnosti.

3. Spannerjev TrueTime API

Google Spanner uporablja globalno porazdeljen, zunanje konsistenten sistem za časovno označevanje, imenovan TrueTime. TrueTime zagotavlja zajamčeno zgornjo mejo negotovosti ure, kar Spannerju omogoča doseganje močne konsistentnosti med geografsko porazdeljenimi podatkovnimi centri. To Spannerju omogoča izvajanje globalno porazdeljenih transakcij z nizko zakasnitvijo in visoko prepustnostjo.

Pomen: TrueTime je ključna komponenta arhitekture Spannerja, saj podatkovni bazi omogoča ohranjanje serializabilnosti, najmočnejše stopnje izolacije, tudi v porazdeljenem okolju.

Prednosti uporabe podatkovnih baz NewSQL

• Skalabilnost: Podatkovne baze NewSQL se lahko horizontalno skalirajo za obvladovanje naraščajočih delovnih obremenitev in količin podatkov.
• Skladnost z ACID: Zagotavljajo močna jamstva ACID, kar zagotavlja integriteto in konsistentnost podatkov.
• Zmogljivost: Optimizirane so za visoko zmogljivo obdelavo transakcij.
• Odpornost na napake: Zasnovane so tako, da so odporne na napake, kar pomeni, da lahko delujejo tudi v primeru odpovedi nekaterih vozlišč.
• Združljivost s SQL: Večina podatkovnih baz NewSQL ponuja vmesnik, združljiv s SQL, kar olajša selitev obstoječih aplikacij.

Primeri uporabe podatkovnih baz NewSQL

Podatkovne baze NewSQL so primerne za širok spekter aplikacij, ki zahtevajo tako skalabilnost kot konsistentnost podatkov. Nekateri pogosti primeri uporabe vključujejo:

1. Finančne aplikacije

Finančne aplikacije, kot so bančni sistemi in plačilni procesorji, zahtevajo stroga jamstva ACID za zagotavljanje točnosti in zanesljivosti finančnih transakcij. Podatkovne baze NewSQL lahko zagotovijo skalabilnost in zmogljivost, potrebno za obdelavo velikega obsega transakcij, hkrati pa ohranjajo integriteto podatkov.

Primer: Globalni plačilni prehod, ki obdela milijone transakcij na dan, potrebuje podatkovno bazo, ki lahko prenese velik obseg prometa in zagotovi, da so vse transakcije pravilno obdelane. Podatkovna baza NewSQL lahko zagotovi skalabilnost in jamstva ACID, potrebna za izpolnitev teh zahtev.

2. Platforme za e-trgovino

Platforme za e-trgovino morajo obvladovati veliko število sočasnih uporabnikov in transakcij. Podatkovne baze NewSQL lahko zagotovijo skalabilnost in zmogljivost, potrebno za obvladovanje te delovne obremenitve, hkrati pa zagotavljajo, da so naročila pravilno obdelana in zaloge natančno posodobljene.

Primer: Velik spletni trgovec potrebuje podatkovno bazo, ki lahko prenese vrhunske obremenitve med prazničnimi nakupovalnimi sezonami. Podatkovna baza NewSQL se lahko skalira, da zadosti povečanemu povpraševanju in zagotovi, da so vsa naročila obdelana brez napak.

3. Igralne aplikacije

Množične večigralske spletne igre (MMO) morajo obvladovati veliko število sočasnih igralcev in zapleteno logiko igre. Podatkovne baze NewSQL lahko zagotovijo skalabilnost in zmogljivost, potrebno za obvladovanje te delovne obremenitve, hkrati pa zagotavljajo, da je stanje igre konsistentno in da igralci ne morejo goljufati.

Primer: Priljubljena igra MMO potrebuje podatkovno bazo, ki lahko obvlada milijone sočasnih igralcev in zagotovi, da so vsi podatki o igralcih konsistentni. Podatkovna baza NewSQL lahko zagotovi skalabilnost in jamstva ACID, potrebna za izpolnitev teh zahtev.

4. Upravljanje dobavne verige

Sodobne dobavne verige so globalno porazdeljene in zahtevajo vpogled v realnem času v stanje zalog, status naročil in sledenje pošiljk. Podatkovne baze NewSQL lahko zagotovijo skalabilnost in zmogljivost, potrebno za obvladovanje velikega obsega podatkov, ki jih generirajo sistemi dobavnih verig, hkrati pa zagotavljajo, da so podatki točni in konsistentni.

5. Platforme IoT (internet stvari)

Platforme IoT generirajo ogromne količine podatkov iz povezanih naprav. Podatkovne baze NewSQL se lahko uporabljajo za shranjevanje in analizo teh podatkov, kar omogoča vpogled v delovanje naprav, vzorce uporabe in potencialne težave. Prav tako zagotavljajo, da so kritični podatki IoT, kot so odčitki senzorjev in krmilni ukazi, zanesljivo shranjeni in obdelani.

Primeri podatkovnih baz NewSQL

Tukaj je nekaj pomembnih primerov podatkovnih baz NewSQL:

• Google Spanner: Globalno porazdeljena, skalabilna in močno konsistentna podatkovna storitev.
• CockroachDB: Porazdeljena podatkovna baza SQL, zgrajena na transakcijskem in močno konsistentnem shrambi ključ-vrednost.
• TiDB: Odprtokodna porazdeljena podatkovna baza SQL, ki podpira tako obdelavo spletnih transakcij (OLTP) kot spletno analitično obdelavo (OLAP).
• VoltDB: Podatkovna baza SQL v pomnilniku z možnostjo horizontalnega skaliranja, zasnovana za podatke z visoko hitrostjo in hitre odločitve.
• NuoDB: Porazdeljena podatkovna baza SQL, zasnovana za okolja v oblaku.

Izbira prave podatkovne baze NewSQL

Izbira prave podatkovne baze NewSQL za vašo aplikacijo je odvisna od več dejavnikov, vključno z:

• Zahteve glede skalabilnosti: Koliko podatkov in prometa morate obvladati?
• Zahteve glede ACID: Kako pomembna so jamstva ACID za vašo aplikacijo?
• Zahteve glede zmogljivosti: Kako hitro morate obdelovati transakcije?
• Okolje za namestitev: Kje boste namestili podatkovno bazo (npr. na lokaciji, v oblaku)?
• Združljivost s SQL: Kako pomembna je združljivost s SQL za vaše obstoječe aplikacije in razvojno ekipo?
• Cena: Kakšen je vaš proračun za podatkovno bazo?

Pomembno je, da skrbno ocenite svoje zahteve in primerjate funkcije ter zmogljivost različnih podatkovnih baz NewSQL, preden sprejmete odločitev. Razmislite o izvajanju primerjalnih testov (benchmarkov) za preizkušanje zmogljivosti različnih podatkovnih baz z vašo specifično delovno obremenitvijo.

Prihodnost NewSQL

Podatkovne baze NewSQL so tehnologija, ki se hitro razvija. Ker se obseg podatkov in kompleksnost aplikacij še naprej povečujeta, bo povpraševanje po skalabilnih in konsistentnih podatkovnih bazah le še naraščalo. V prihodnjih letih lahko pričakujemo nadaljnje inovacije v arhitekturah, algoritmih in orodjih NewSQL.

Nekateri potencialni prihodnji trendi v NewSQL vključujejo:

• Več podatkovnih baz, izvornih za oblak: Podatkovne baze NewSQL bodo vse bolj zasnovane za okolja v oblaku, pri čemer bodo izkoriščale tehnologije, izvorne za oblak, kot sta Kubernetes in brezstrežniško računalništvo.
• Izboljšana geografska porazdelitev: Podatkovne baze NewSQL bodo še boljše pri obvladovanju geografsko porazdeljenih podatkov in zagotavljanju nizke zakasnitve dostopa do podatkov od koder koli na svetu.
• Integracija s strojnim učenjem: Podatkovne baze NewSQL bodo vse bolj integrirane s platformami za strojno učenje, kar bo omogočilo analitiko v realnem času in odločanje na podlagi podatkov.
• Izboljšana varnost: Podatkovne baze NewSQL bodo vključevale naprednejše varnostne funkcije za zaščito občutljivih podatkov pred nepooblaščenim dostopom.

Zaključek

Podatkovne baze NewSQL ponujajo prepričljivo rešitev za aplikacije, ki zahtevajo tako skalabilnost kot konsistentnost podatkov. Z združevanjem najboljšega iz tradicionalnih RDBMS in NoSQL podatkovnih baz, podatkovne baze NewSQL zagotavljajo močno platformo za gradnjo sodobnih, porazdeljenih aplikacij. Ker povpraševanje po skalabilnih in konsistentnih podatkovnih bazah še naprej raste, je NewSQL pripravljen igrati vse pomembnejšo vlogo v prihodnosti upravljanja podatkov.

Ne glede na to, ali gradite finančni sistem, platformo za e-trgovino, igralno aplikacijo ali platformo IoT, vam lahko podatkovne baze NewSQL pomagajo pri obvladovanju izzivov obsega in kompleksnosti, hkrati pa zagotavljajo integriteto in zanesljivost vaših podatkov. Razmislite o raziskovanju sveta NewSQL, da vidite, kako lahko koristi vaši organizaciji.