NewSQL: Skalning av distribuerade ACID-transaktioner för globala applikationer

I dagens datadrivna värld kräver applikationer både skalbarhet och datakonsistens. Traditionella relationsdatabaser, som erbjuder starka ACID-garantier (Atomicitet, Konsistens, Isolering, Durabilitet), har ofta svårt att skala horisontellt. NoSQL-databaser, å andra sidan, erbjuder skalbarhet men offrar vanligtvis ACID-egenskaper till förmån för prestanda. NewSQL-databaser framträder som en medelväg och syftar till att kombinera det bästa av två världar: skalbarheten och prestandan hos NoSQL med ACID-garantierna från traditionella RDBMS.

Vad är NewSQL?

NewSQL är inte en enskild databasteknik utan snarare en klass av moderna relationsdatabashanteringssystem (RDBMS) som strävar efter att erbjuda samma ACID-garantier som traditionella databassystem, samtidigt som de uppnår skalbarheten hos NoSQL-system. De är utformade för att hantera transaktionsbearbetning med hög volym och stora datamängder, vilket gör dem lämpliga för moderna, distribuerade applikationer.

I grunden är NewSQL-system arkitekterade för att hantera begränsningarna hos traditionella RDBMS när de opererar i stor skala. De distribuerar data och bearbetning över flera noder, vilket möjliggör horisontell skalbarhet, samtidigt som de säkerställer att transaktioner behandlas på ett tillförlitligt och konsekvent sätt.

Huvudegenskaper hos NewSQL-databaser

• ACID-kompatibilitet: NewSQL-databaser prioriterar ACID-egenskaper för att säkerställa dataintegritet och konsistens. Detta är ett avgörande krav för applikationer som hanterar känsliga data eller kräver strikta transaktionsgarantier, såsom finansiella system eller e-handelsplattformar.
• Skalbarhet: De är utformade för att skala horisontellt genom att distribuera data och bearbetning över flera noder. Detta gör det möjligt för dem att hantera ökande arbetsbelastningar och datavolymer utan att offra prestanda.
• SQL-gränssnitt: De flesta NewSQL-databaser erbjuder ett SQL-kompatibelt gränssnitt, vilket gör det enklare för utvecklare att migrera befintliga applikationer eller utnyttja sina befintliga SQL-kunskaper.
• Distribuerad arkitektur: NewSQL-databaser är vanligtvis byggda på en distribuerad arkitektur, vilket gör att de kan uppnå hög tillgänglighet och feltolerans.
• Prestanda: De är optimerade för högpresterande transaktionsbearbetning och använder ofta tekniker som minnesintern datalagring, distribuerad frågebearbetning och låsfri samtidighetshantering.

Arkitektoniska tillvägagångssätt i NewSQL

Flera arkitektoniska tillvägagångssätt används i NewSQL-databasimplementationer. Dessa tillvägagångssätt skiljer sig åt i hur de uppnår skalbarhet och ACID-garantier.

1. Delad-ingenting-arkitektur (Shared-Nothing)

I en delad-ingenting-arkitektur har varje nod i klustret sina egna oberoende resurser (CPU, minne, lagring). Data partitioneras och distribueras över dessa noder. Denna arkitektur ger utmärkt skalbarhet eftersom att lägga till fler noder linjärt ökar systemets kapacitet. Exempel på NewSQL-databaser som använder en delad-ingenting-arkitektur inkluderar Google Spanner och CockroachDB.

Exempel: Föreställ dig en global e-handelsplattform med användare över hela världen. Genom att använda en delad-ingenting NewSQL-databas kan plattformen distribuera sina data över flera geografiskt spridda datacenter. Detta säkerställer låg latens för användare i olika regioner och ger hög tillgänglighet i händelse av regionala avbrott.

2. Delat-minne-arkitektur (Shared-Memory)

I en delat-minne-arkitektur delar alla noder i klustret samma minnesutrymme. Detta möjliggör snabb dataåtkomst och kommunikation mellan noder. Denna arkitektur är dock vanligtvis begränsad i skalbarhet eftersom det delade minnet blir en flaskhals när antalet noder ökar. Exempel på databaser (även om de inte är strikt NewSQL i sin renaste form, men uppvisar liknande transaktionsskalningsmetoder) som utnyttjar denna arkitektur inkluderar vissa minnesinterna databaskluster.

3. Delad-disk-arkitektur (Shared-Disk)

I en delad-disk-arkitektur delar alla noder i klustret samma lagringsenheter. Detta förenklar datahantering och ger hög tillgänglighet. Denna arkitektur kan dock också vara en flaskhals eftersom alla noder måste komma åt samma lagring. Vissa traditionella RDBMS-system, när de är klustrade, kan betraktas inom det bredare sammanhanget av skalbar transaktionsbearbetning, även om de kanske inte kallas NewSQL.

ACID-transaktioner i en distribuerad miljö

Att upprätthålla ACID-egenskaper i en distribuerad miljö är en komplex utmaning. NewSQL-databaser använder olika tekniker för att säkerställa datakonsistens och tillförlitlighet.

1. Tvåfaskommunicering (2PC)

2PC är ett allmänt använt protokoll för att säkerställa atomicitet över flera noder. I 2PC koordinerar en koordinatornod transaktionen över alla deltagande noder. Transaktionen fortskrider i två faser: en förberedelsefas och en commit-fas. Under förberedelsefasen förbereder varje nod sig för att genomföra transaktionen och informerar koordinatorn. Om alla noder är redo, instruerar koordinatorn dem att genomföra. Om någon nod misslyckas med att förbereda, instruerar koordinatorn alla noder att avbryta.

Utmaning: 2PC kan vara långsamt och introducera en enskild felpunkt (koordinatorn). Därför föredrar moderna NewSQL-system ofta alternativa protokoll.

2. Konsensusalgoritmerna Paxos och Raft

Paxos och Raft är konsensusalgoritmer som gör det möjligt för ett distribuerat system att komma överens om ett enda värde, även i närvaro av fel. Dessa algoritmer används ofta i NewSQL-databaser för att säkerställa datakonsistens och feltolerans. De erbjuder ett mer robust och effektivt alternativ till 2PC.

Exempel: CockroachDB använder Raft för att replikera data över flera noder och säkerställa att alla repliker är konsekventa. Detta innebär att även om en nod fallerar kan systemet fortsätta att fungera utan dataförlust eller inkonsekvens.

3. Spanners TrueTime API

Google Spanner använder ett globalt distribuerat, externt konsekvent tidsstämplingssystem kallat TrueTime. TrueTime ger en garanterad övre gräns för klockosäkerheten, vilket gör det möjligt för Spanner att uppnå stark konsistens över geografiskt distribuerade datacenter. Detta gör det möjligt för Spanner att utföra globalt distribuerade transaktioner med låg latens och hög genomströmning.

Betydelse: TrueTime är en avgörande komponent i Spanners arkitektur, eftersom den tillåter databasen att upprätthålla serialiserbarhet, den starkaste isoleringsnivån, även i en distribuerad miljö.

Fördelar med att använda NewSQL-databaser

• Skalbarhet: NewSQL-databaser kan skala horisontellt för att hantera ökande arbetsbelastningar och datavolymer.
• ACID-kompatibilitet: De ger starka ACID-garantier, vilket säkerställer dataintegritet och konsistens.
• Prestanda: De är optimerade för högpresterande transaktionsbearbetning.
• Feltolerans: De är utformade för att vara feltoleranta, vilket innebär att de kan fortsätta att fungera även om vissa noder fallerar.
• SQL-kompatibilitet: De flesta NewSQL-databaser erbjuder ett SQL-kompatibelt gränssnitt, vilket gör det enklare att migrera befintliga applikationer.

Användningsfall för NewSQL-databaser

NewSQL-databaser är lämpliga för ett brett spektrum av applikationer som kräver både skalbarhet och datakonsistens. Några vanliga användningsfall inkluderar:

1. Finansiella applikationer

Finansiella applikationer, såsom banksystem och betalningsprocessorer, kräver strikta ACID-garantier för att säkerställa noggrannheten och tillförlitligheten hos finansiella transaktioner. NewSQL-databaser kan ge den skalbarhet och prestanda som behövs för att hantera transaktionsbearbetning med hög volym samtidigt som dataintegriteten bibehålls.

Exempel: En global betalningsgateway som bearbetar miljontals transaktioner per dag behöver en databas som kan hantera den höga trafikvolymen och säkerställa att alla transaktioner behandlas korrekt. En NewSQL-databas kan ge den skalbarhet och de ACID-garantier som behövs för att uppfylla dessa krav.

2. E-handelsplattformar

E-handelsplattformar måste hantera ett stort antal samtidiga användare och transaktioner. NewSQL-databaser kan ge den skalbarhet och prestanda som behövs för att hantera denna arbetsbelastning samtidigt som de säkerställer att beställningar behandlas korrekt och lagersaldot uppdateras noggrant.

Exempel: En stor online-återförsäljare behöver en databas som kan hantera toppbelastningarna under julhandeln. En NewSQL-databas kan skala för att möta den ökade efterfrågan och säkerställa att alla beställningar behandlas utan fel.

3. Spelapplikationer

Massively multiplayer online games (MMO) måste hantera ett stort antal samtidiga spelare och komplex spellogik. NewSQL-databaser kan ge den skalbarhet och prestanda som behövs för att hantera denna arbetsbelastning samtidigt som de säkerställer att speltillståndet är konsekvent och att spelare inte kan fuska.

Exempel: Ett populärt MMO-spel behöver en databas som kan hantera miljontals samtidiga spelare och säkerställa att all spelardata är konsekvent. En NewSQL-databas kan ge den skalbarhet och de ACID-garantier som behövs för att uppfylla dessa krav.

4. Supply Chain Management (Hantering av försörjningskedjan)

Moderna försörjningskedjor är globalt distribuerade och kräver realtidssynlighet i lagernivåer, orderstatus och leveransspårning. NewSQL-databaser kan ge den skalbarhet och prestanda som behövs för att hantera den stora datamängden som genereras av försörjningskedjesystem samtidigt som de säkerställer att data är korrekt och konsekvent.

5. IoT-plattformar (Internet of Things)

IoT-plattformar genererar massiva mängder data från anslutna enheter. NewSQL-databaser kan användas för att lagra och analysera dessa data, vilket ger insikter om enheters prestanda, användningsmönster och potentiella problem. De säkerställer också att kritisk IoT-data, såsom sensoravläsningar och styrkommandon, lagras och bearbetas på ett tillförlitligt sätt.

Exempel på NewSQL-databaser

Här är några anmärkningsvärda exempel på NewSQL-databaser:

• Google Spanner: En globalt distribuerad, skalbar och starkt konsekvent databastjänst.
• CockroachDB: En distribuerad SQL-databas byggd på en transaktionell och starkt konsekvent nyckel-värde-butik.
• TiDB: En öppen källkods-distribuerad SQL-databas som stöder både online-transaktionsbearbetning (OLTP) och online-analytisk bearbetning (OLAP).
• VoltDB: En minnesintern, utskalningsbar SQL-databas designad för höghastighetsdata och snabba beslut.
• NuoDB: En distribuerad SQL-databas designad för molnmiljöer.

Att välja rätt NewSQL-databas

Att välja rätt NewSQL-databas för din applikation beror på flera faktorer, inklusive:

• Skalbarhetskrav: Hur mycket data och trafik behöver du hantera?
• ACID-krav: Hur viktiga är ACID-garantier för din applikation?
• Prestandakrav: Hur snabbt behöver du bearbeta transaktioner?
• Driftsmiljö: Var kommer du att driftsätta databasen (t.ex. on-premises, moln)?
• SQL-kompatibilitet: Hur viktig är SQL-kompatibilitet för dina befintliga applikationer och utvecklingsteam?
• Kostnad: Vad är din budget för databasen?

Det är viktigt att noggrant utvärdera dina krav och jämföra funktionerna och prestandan hos olika NewSQL-databaser innan du fattar ett beslut. Överväg att köra prestandatester för att testa prestandan hos olika databaser med din specifika arbetsbelastning.

Framtiden för NewSQL

NewSQL-databaser är en snabbt utvecklande teknik. I takt med att datavolymerna och applikationernas komplexitet fortsätter att växa kommer efterfrågan på skalbara och konsekventa databaser bara att öka. Vi kan förvänta oss att se ytterligare innovationer inom NewSQL-arkitekturer, algoritmer och verktyg under de kommande åren.

Några potentiella framtida trender inom NewSQL inkluderar:

• Fler molnanpassade databaser: NewSQL-databaser kommer i allt högre grad att utformas för molnmiljöer och dra nytta av molnbaserade tekniker som Kubernetes och serverless computing.
• Förbättrad geo-distribution: NewSQL-databaser kommer att bli ännu bättre på att hantera geografiskt distribuerad data och ge låg latensåtkomst till data från var som helst i världen.
• Integration med maskininlärning: NewSQL-databaser kommer i allt högre grad att integreras med maskininlärningsplattformar, vilket möjliggör realtidsanalys och datadrivet beslutsfattande.
• Förbättrad säkerhet: NewSQL-databaser kommer att införliva mer avancerade säkerhetsfunktioner för att skydda känsliga data från obehörig åtkomst.

Slutsats

NewSQL-databaser erbjuder en övertygande lösning för applikationer som kräver både skalbarhet och datakonsistens. Genom att kombinera det bästa från både traditionella RDBMS och NoSQL-databaser erbjuder NewSQL-databaser en kraftfull plattform för att bygga moderna, distribuerade applikationer. I takt med att efterfrågan på skalbara och konsekventa databaser fortsätter att växa, är NewSQL redo att spela en allt viktigare roll i framtidens datahantering.

Oavsett om du bygger ett finansiellt system, en e-handelsplattform, en spelapplikation eller en IoT-plattform, kan NewSQL-databaser hjälpa dig att hantera utmaningarna med skala och komplexitet samtidigt som du säkerställer integriteten och tillförlitligheten hos dina data. Överväg att utforska världen av NewSQL för att se hur den kan gynna din organisation.