ไทย

สำรวจโลกของฐานข้อมูล NewSQL ที่ออกแบบมาเพื่อรองรับธุรกรรม ACID แบบกระจายที่สามารถขยายขนาดได้สำหรับแอปพลิเคชันระดับโลกสมัยใหม่ เรียนรู้เกี่ยวกับสถาปัตยกรรม ประโยชน์ และกรณีการใช้งานจริง

NewSQL: การขยายขนาดธุรกรรม ACID แบบกระจายสำหรับแอปพลิเคชันระดับโลก

ในโลกที่ขับเคลื่อนด้วยข้อมูลในปัจจุบัน แอปพลิเคชันต่าง ๆ ต้องการทั้งความสามารถในการขยายขนาดและความสอดคล้องของข้อมูล ฐานข้อมูลเชิงสัมพันธ์แบบดั้งเดิม แม้จะรับประกันคุณสมบัติ ACID (Atomicity, Consistency, Isolation, Durability) ที่แข็งแกร่ง แต่ก็มักจะประสบปัญหาในการขยายขนาดในแนวนอน ฐานข้อมูล NoSQL ในทางกลับกัน ให้ความสามารถในการขยายขนาด แต่โดยทั่วไปแล้วจะลดทอนคุณสมบัติ ACID เพื่อแลกกับประสิทธิภาพ ฐานข้อมูล NewSQL จึงถือกำเนิดขึ้นเพื่อเป็นทางสายกลาง โดยมีเป้าหมายที่จะรวมสิ่งที่ดีที่สุดของทั้งสองโลกระหว่าง: ความสามารถในการขยายขนาดและประสิทธิภาพของ NoSQL เข้ากับการรับประกัน ACID ของ RDBMS แบบดั้งเดิม

NewSQL คืออะไร?

NewSQL ไม่ใช่เทคโนโลยีฐานข้อมูลเดียว แต่เป็นกลุ่มของระบบจัดการฐานข้อมูลเชิงสัมพันธ์ (RDBMS) สมัยใหม่ที่มุ่งมั่นที่จะให้การรับประกัน ACID เช่นเดียวกับระบบฐานข้อมูลแบบดั้งเดิม ในขณะที่ยังคงบรรลุความสามารถในการขยายขนาดของระบบ NoSQL ได้ พวกมันถูกออกแบบมาเพื่อรองรับการประมวลผลธุรกรรมปริมาณมากและข้อมูลจำนวนมหาศาล ทำให้เหมาะสำหรับแอปพลิเคชันแบบกระจายที่ทันสมัย

โดยพื้นฐานแล้ว ระบบ NewSQL ได้รับการออกแบบทางสถาปัตยกรรมเพื่อจัดการกับข้อจำกัดของ RDBMS แบบดั้งเดิมเมื่อต้องทำงานในระดับขนาดใหญ่ ระบบเหล่านี้กระจายข้อมูลและการประมวลผลไปยังโหนดหลายโหนด ทำให้สามารถขยายขนาดในแนวนอนได้ ในขณะที่ยังคงรับประกันว่าธุรกรรมจะได้รับการประมวลผลอย่างน่าเชื่อถือและสอดคล้องกัน

ลักษณะสำคัญของฐานข้อมูล NewSQL

แนวทางทางสถาปัตยกรรมใน NewSQL

มีแนวทางทางสถาปัตยกรรมหลายแบบที่ใช้ในการสร้างฐานข้อมูล NewSQL แนวทางเหล่านี้แตกต่างกันในวิธีการบรรลุความสามารถในการขยายขนาดและการรับประกัน ACID

1. สถาปัตยกรรมแบบไม่ใช้ทรัพยากรร่วมกัน (Shared-Nothing Architecture)

ในสถาปัตยกรรมแบบ Shared-Nothing แต่ละโหนดในคลัสเตอร์จะมีทรัพยากรของตนเอง (CPU, หน่วยความจำ, ที่เก็บข้อมูล) ข้อมูลจะถูกแบ่งพาร์ติชันและกระจายไปทั่วโหนดเหล่านี้ สถาปัตยกรรมนี้ให้ความสามารถในการขยายขนาดที่ยอดเยี่ยม เพราะการเพิ่มโหนดจะเพิ่มความจุของระบบเชิงเส้นตรง ตัวอย่างของฐานข้อมูล NewSQL ที่ใช้สถาปัตยกรรมแบบ Shared-Nothing ได้แก่ Google Spanner และ CockroachDB

ตัวอย่าง: ลองจินตนาการถึงแพลตฟอร์มอีคอมเมิร์ซระดับโลกที่มีผู้ใช้ทั่วโลก การใช้ฐานข้อมูล NewSQL แบบ Shared-Nothing จะทำให้แพลตฟอร์มสามารถกระจายข้อมูลไปยังศูนย์ข้อมูลหลายแห่งที่ตั้งอยู่ตามภูมิภาคต่าง ๆ ได้ ซึ่งจะช่วยให้ผู้ใช้ในภูมิภาคต่าง ๆ มีความหน่วงต่ำและมีความพร้อมใช้งานสูงในกรณีที่เกิดเหตุขัดข้องในระดับภูมิภาค

2. สถาปัตยกรรมแบบใช้หน่วยความจำร่วมกัน (Shared-Memory Architecture)

ในสถาปัตยกรรมแบบ Shared-Memory โหนดทั้งหมดในคลัสเตอร์จะใช้พื้นที่หน่วยความจำเดียวกัน ซึ่งช่วยให้เข้าถึงข้อมูลและสื่อสารระหว่างโหนดได้อย่างรวดเร็ว อย่างไรก็ตาม สถาปัตยกรรมนี้มักมีข้อจำกัดในการขยายขนาด เนื่องจากหน่วยความจำที่ใช้ร่วมกันจะกลายเป็นคอขวดเมื่อจำนวนโหนดเพิ่มขึ้น ตัวอย่างของฐานข้อมูล (แม้ว่าจะไม่ใช่ NewSQL อย่างแท้จริง แต่แสดงแนวทางการขยายขนาดธุรกรรมที่คล้ายกัน) ที่ใช้สถาปัตยกรรมนี้รวมถึงคลัสเตอร์ฐานข้อมูลในหน่วยความจำบางประเภท

3. สถาปัตยกรรมแบบใช้ดิสก์ร่วมกัน (Shared-Disk Architecture)

ในสถาปัตยกรรมแบบ Shared-Disk โหนดทั้งหมดในคลัสเตอร์จะใช้อุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลเดียวกัน ซึ่งช่วยให้การจัดการข้อมูลง่ายขึ้นและมีความพร้อมใช้งานสูง อย่างไรก็ตาม สถาปัตยกรรมนี้อาจเป็นคอขวดได้เช่นกัน เนื่องจากโหนดทั้งหมดต้องเข้าถึงที่เก็บข้อมูลเดียวกัน ระบบ RDBMS แบบดั้งเดิมบางระบบเมื่อทำเป็นคลัสเตอร์ อาจถือได้ว่าอยู่ในบริบทที่กว้างขึ้นของการประมวลผลธุรกรรมที่ปรับขนาดได้ แม้ว่าจะไม่ได้ถูกเรียกว่า NewSQL ก็ตาม

ธุรกรรม ACID ในสภาพแวดล้อมแบบกระจาย

การรักษาคุณสมบัติ ACID ในสภาพแวดล้อมแบบกระจายเป็นความท้าทายที่ซับซ้อน ฐานข้อมูล NewSQL ใช้เทคนิคต่าง ๆ เพื่อรับประกันความสอดคล้องและความน่าเชื่อถือของข้อมูล

1. Two-Phase Commit (2PC)

2PC เป็นโปรโตคอลที่ใช้กันอย่างแพร่หลายเพื่อรับประกันความเป็น Atomicity ในโหนดหลายโหนด ใน 2PC โหนดผู้ประสานงาน (Coordinator) จะประสานงานธุรกรรมระหว่างโหนดที่เข้าร่วมทั้งหมด ธุรกรรมจะดำเนินไปในสองระยะ: ระยะเตรียมการ (Prepare Phase) และระยะคอมมิต (Commit Phase) ในระหว่างระยะเตรียมการ แต่ละโหนดจะเตรียมพร้อมที่จะคอมมิตธุรกรรมและแจ้งให้ผู้ประสานงานทราบ หากโหนดทั้งหมดพร้อม ผู้ประสานงานจะสั่งให้คอมมิต หากมีโหนดใดไม่พร้อม ผู้ประสานงานจะสั่งให้โหนดทั้งหมดยกเลิก

ความท้าทาย: 2PC อาจทำงานช้าและสร้างจุด отказаเดียว (Single Point of Failure) ซึ่งก็คือผู้ประสานงาน ดังนั้น ระบบ NewSQL สมัยใหม่จึงมักเลือกใช้โปรโตคอลทางเลือกอื่น

2. อัลกอริทึมฉันทามติ Paxos และ Raft

Paxos และ Raft เป็นอัลกอริทึมฉันทามติที่ช่วยให้ระบบแบบกระจายสามารถตกลงบนค่าเดียวได้ แม้ว่าจะมีความล้มเหลวเกิดขึ้นก็ตาม อัลกอริทึมเหล่านี้มักใช้ในฐานข้อมูล NewSQL เพื่อรับประกันความสอดคล้องของข้อมูลและความทนทานต่อความผิดพลาด ซึ่งเป็นทางเลือกที่แข็งแกร่งและมีประสิทธิภาพมากกว่า 2PC

ตัวอย่าง: CockroachDB ใช้ Raft เพื่อทำซ้ำข้อมูลไปยังโหนดหลายโหนดและรับประกันว่าข้อมูลจำลองทั้งหมดจะสอดคล้องกัน ซึ่งหมายความว่าแม้โหนดหนึ่งจะล้มเหลว ระบบก็ยังสามารถทำงานต่อไปได้โดยไม่สูญเสียข้อมูลหรือไม่เกิดความไม่สอดคล้อง

3. TrueTime API ของ Spanner

Google Spanner ใช้ระบบประทับเวลาที่สอดคล้องกันภายนอกและกระจายอยู่ทั่วโลกที่เรียกว่า TrueTime โดย TrueTime จะให้ขอบเขตบนที่รับประกันได้สำหรับความไม่แน่นอนของนาฬิกา ทำให้ Spanner สามารถบรรลุความสอดคล้องที่แข็งแกร่ง (Strong Consistency) ในศูนย์ข้อมูลที่กระจายอยู่ตามภูมิภาคต่าง ๆ ได้ ซึ่งช่วยให้ Spanner สามารถทำธุรกรรมแบบกระจายทั่วโลกด้วยความหน่วงต่ำและปริมาณงานสูง

ความสำคัญ: TrueTime เป็นองค์ประกอบสำคัญของสถาปัตยกรรมของ Spanner เนื่องจากช่วยให้ฐานข้อมูลสามารถรักษาระดับ Serializability ซึ่งเป็นระดับ Isolation ที่แข็งแกร่งที่สุดได้ แม้ในสภาพแวดล้อมแบบกระจาย

ประโยชน์ของการใช้ฐานข้อมูล NewSQL

กรณีการใช้งานสำหรับฐานข้อมูล NewSQL

ฐานข้อมูล NewSQL เหมาะสำหรับแอปพลิเคชันหลากหลายประเภทที่ต้องการทั้งความสามารถในการขยายขนาดและความสอดคล้องของข้อมูล กรณีการใช้งานทั่วไปบางส่วน ได้แก่:

1. แอปพลิเคชันทางการเงิน

แอปพลิเคชันทางการเงิน เช่น ระบบธนาคารและผู้ประมวลผลการชำระเงิน ต้องการการรับประกัน ACID ที่เข้มงวดเพื่อรับประกันความถูกต้องและความน่าเชื่อถือของธุรกรรมทางการเงิน ฐานข้อมูล NewSQL สามารถให้ความสามารถในการขยายขนาดและประสิทธิภาพที่จำเป็นในการจัดการการประมวลผลธุรกรรมปริมาณมากในขณะที่ยังคงรักษาความสมบูรณ์ของข้อมูลไว้ได้

ตัวอย่าง: เกตเวย์การชำระเงินระดับโลกที่ประมวลผลธุรกรรมหลายล้านรายการต่อวันต้องการฐานข้อมูลที่สามารถรองรับปริมาณการใช้งานที่สูงและรับประกันว่าธุรกรรมทั้งหมดจะถูกประมวลผลอย่างถูกต้อง ฐานข้อมูล NewSQL สามารถให้ความสามารถในการขยายขนาดและการรับประกัน ACID ที่จำเป็นเพื่อตอบสนองความต้องการเหล่านี้

2. แพลตฟอร์มอีคอมเมิร์ซ

แพลตฟอร์มอีคอมเมิร์ซจำเป็นต้องจัดการผู้ใช้และธุรกรรมพร้อมกันจำนวนมาก ฐานข้อมูล NewSQL สามารถให้ความสามารถในการขยายขนาดและประสิทธิภาพที่จำเป็นในการจัดการปริมาณงานนี้ ในขณะที่ยังคงรับประกันว่าคำสั่งซื้อจะถูกประมวลผลอย่างถูกต้องและสินค้าคงคลังจะได้รับการอัปเดตอย่างแม่นยำ

ตัวอย่าง: ผู้ค้าปลีกออนไลน์ขนาดใหญ่ต้องการฐานข้อมูลที่สามารถรองรับปริมาณงานสูงสุดในช่วงเทศกาลช้อปปิ้งวันหยุด ฐานข้อมูล NewSQL สามารถขยายขนาดเพื่อตอบสนองความต้องการที่เพิ่มขึ้นและรับประกันว่าคำสั่งซื้อทั้งหมดจะถูกประมวลผลโดยไม่มีข้อผิดพลาด

3. แอปพลิเคชันเกม

เกมออนไลน์แบบเล่นหลายคนจำนวนมาก (MMOs) จำเป็นต้องจัดการผู้เล่นพร้อมกันจำนวนมากและตรรกะของเกมที่ซับซ้อน ฐานข้อมูล NewSQL สามารถให้ความสามารถในการขยายขนาดและประสิทธิภาพที่จำเป็นในการจัดการปริมาณงานนี้ ในขณะที่ยังคงรับประกันว่าสถานะของเกมจะสอดคล้องกันและผู้เล่นไม่สามารถโกงได้

ตัวอย่าง: เกม MMO ยอดนิยมต้องการฐานข้อมูลที่สามารถรองรับผู้เล่นพร้อมกันหลายล้านคนและรับประกันว่าข้อมูลของผู้เล่นทั้งหมดจะสอดคล้องกัน ฐานข้อมูล NewSQL สามารถให้ความสามารถในการขยายขนาดและการรับประกัน ACID ที่จำเป็นเพื่อตอบสนองความต้องการเหล่านี้

4. การจัดการห่วงโซ่อุปทาน

ห่วงโซ่อุปทานสมัยใหม่มีการกระจายอยู่ทั่วโลกและต้องการการมองเห็นแบบเรียลไทม์เกี่ยวกับระดับสินค้าคงคลัง สถานะคำสั่งซื้อ และการติดตามการจัดส่ง ฐานข้อมูล NewSQL สามารถให้ความสามารถในการขยายขนาดและประสิทธิภาพที่จำเป็นในการจัดการข้อมูลปริมาณมากที่เกิดจากระบบห่วงโซ่อุปทาน ในขณะที่ยังคงรับประกันว่าข้อมูลจะถูกต้องและสอดคล้องกัน

5. แพลตฟอร์ม IoT (Internet of Things)

แพลตฟอร์ม IoT สร้างข้อมูลจำนวนมหาศาลจากอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อ ฐานข้อมูล NewSQL สามารถใช้เพื่อจัดเก็บและวิเคราะห์ข้อมูลนี้ โดยให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับประสิทธิภาพของอุปกรณ์ รูปแบบการใช้งาน และปัญหาที่อาจเกิดขึ้น นอกจากนี้ยังรับประกันว่าข้อมูล IoT ที่สำคัญ เช่น ค่าที่อ่านได้จากเซ็นเซอร์และคำสั่งควบคุม จะถูกจัดเก็บและประมวลผลอย่างน่าเชื่อถือ

ตัวอย่างของฐานข้อมูล NewSQL

นี่คือตัวอย่างเด่น ๆ ของฐานข้อมูล NewSQL:

การเลือกฐานข้อมูล NewSQL ที่เหมาะสม

การเลือกฐานข้อมูล NewSQL ที่เหมาะสมสำหรับแอปพลิเคชันของคุณขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการ ได้แก่:

สิ่งสำคัญคือต้องประเมินความต้องการของคุณอย่างรอบคอบและเปรียบเทียบคุณสมบัติและประสิทธิภาพของฐานข้อมูล NewSQL ต่าง ๆ ก่อนตัดสินใจ ลองพิจารณาทำการทดสอบเปรียบเทียบ (Benchmark) เพื่อทดสอบประสิทธิภาพของฐานข้อมูลต่าง ๆ กับปริมาณงานเฉพาะของคุณ

อนาคตของ NewSQL

ฐานข้อมูล NewSQL เป็นเทคโนโลยีที่พัฒนาอย่างรวดเร็ว ในขณะที่ปริมาณข้อมูลและความซับซ้อนของแอปพลิเคชันยังคงเติบโตอย่างต่อเนื่อง ความต้องการฐานข้อมูลที่สามารถขยายขนาดและมีความสอดคล้องกันก็จะเพิ่มขึ้นเท่านั้น เราคาดว่าจะได้เห็นนวัตกรรมเพิ่มเติมในสถาปัตยกรรม อัลกอริทึม และเครื่องมือของ NewSQL ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า

แนวโน้มในอนาคตที่เป็นไปได้ของ NewSQL ได้แก่:

บทสรุป

ฐานข้อมูล NewSQL นำเสนอโซลูชันที่น่าสนใจสำหรับแอปพลิเคชันที่ต้องการทั้งความสามารถในการขยายขนาดและความสอดคล้องของข้อมูล ด้วยการรวมสิ่งที่ดีที่สุดของฐานข้อมูล RDBMS แบบดั้งเดิมและ NoSQL เข้าด้วยกัน ฐานข้อมูล NewSQL จึงเป็นแพลตฟอร์มที่ทรงพลังสำหรับการสร้างแอปพลิเคชันแบบกระจายที่ทันสมัย ในขณะที่ความต้องการฐานข้อมูลที่สามารถขยายขนาดและสอดคล้องกันยังคงเติบโตอย่างต่อเนื่อง NewSQL ก็พร้อมที่จะมีบทบาทสำคัญมากขึ้นในอนาคตของการจัดการข้อมูล

ไม่ว่าคุณจะกำลังสร้างระบบการเงิน แพลตฟอร์มอีคอมเมิร์ซ แอปพลิเคชันเกม หรือแพลตฟอร์ม IoT ฐานข้อมูล NewSQL สามารถช่วยให้คุณรับมือกับความท้าทายด้านขนาดและความซับซ้อน ในขณะที่ยังคงรับประกันความสมบูรณ์และความน่าเชื่อถือของข้อมูลของคุณ ลองสำรวจโลกของ NewSQL เพื่อดูว่ามันจะเป็นประโยชน์ต่อองค์กรของคุณได้อย่างไร