Taqsimlangan ma'lumotlar bazalari: Global ilovalar uchun izchillik modellarini tushunish

Bugungi o'zaro bog'langan dunyoda ilovalar ko'pincha geografik chegaralardan tashqaridagi foydalanuvchilarga xizmat ko'rsatishi kerak. Bu taqsimlangan ma'lumotlar bazalaridan — ma'lumotlar bir nechta jismoniy joylashuvlar bo'ylab tarqalgan ma'lumotlar bazalaridan foydalanishni talab qiladi. Biroq, ma'lumotlarni taqsimlash, ayniqsa ma'lumotlar izchilligini saqlashda jiddiy qiyinchiliklarni keltirib chiqaradi. Ushbu blog posti taqsimlangan ma'lumotlar bazalaridagi izchillik modellari muhim konsepsiyasiga chuqur kirib boradi, ularning murosalarini va mustahkam hamda kengaytiriladigan global ilovalarni yaratish uchun oqibatlarini o'rganadi.

Taqsimlangan ma'lumotlar bazalari nima?

Taqsimlangan ma'lumotlar bazasi — bu saqlash qurilmalarining barchasi CPU kabi umumiy qayta ishlash blokiga ulanmagan ma'lumotlar bazasidir. U bir xil jismoniy joyda joylashgan bir nechta kompyuterlarda saqlanishi mumkin; yoki o'zaro bog'langan kompyuterlar tarmog'i bo'ylab tarqatilishi mumkin. Qayta ishlash jarayoni qattiq bog'langan va yagona ma'lumotlar bazasi tizimini tashkil etadigan parallel tizimlardan farqli o'laroq, taqsimlangan ma'lumotlar bazasi tizimi hech qanday jismoniy komponentni bo'lishmaydigan erkin bog'langan saytlardan iborat.

Taqsimlangan ma'lumotlar bazalarining asosiy xususiyatlari quyidagilarni o'z ichiga oladi:

• Ma'lumotlarning taqsimlanishi: Ma'lumotlar bir nechta tugunlar yoki saytlar bo'ylab tarqalgan.
• Avtonomlik: Har bir sayt o'zining mahalliy ma'lumotlari va qayta ishlash imkoniyatlari bilan mustaqil ishlay oladi.
• Shaffoflik: Foydalanuvchilar ideal holda taqsimlangan ma'lumotlar bazasi bilan go'yo u yagona, markazlashtirilgan ma'lumotlar bazasi kabi o'zaro aloqada bo'lishlari kerak.
• Ishdan chiqishga chidamlilik: Tizim ishdan chiqishlarga chidamli bo'lishi kerak, ba'zi tugunlar mavjud bo'lmasa ham ma'lumotlar ochiq qolishi kerak.

Izchillikning ahamiyati

Izchillik barcha foydalanuvchilarning bir vaqtning o'zida ma'lumotlarning bir xil ko'rinishini ko'rishini kafolatlashni anglatadi. Markazlashtirilgan ma'lumotlar bazasida izchillikka erishish nisbatan oson. Biroq, taqsimlangan muhitda izchillikni ta'minlash tarmoq kechikishlari, bir vaqtda yangilanishlar ehtimoli va tugunlarning ishdan chiqishi ehtimoli tufayli ancha murakkablashadi.

Yevropa va Shimoliy Amerikada serverlari bo'lgan elektron tijorat ilovasini tasavvur qiling. Yevropadagi foydalanuvchi o'zining yetkazib berish manzilini yangilaydi. Agar Shimoliy Amerika serveri bu yangilanishni tezda qabul qilmasa, ular eski manzilni ko'rishlari mumkin, bu esa potentsial yetkazib berish xatosiga va yomon foydalanuvchi tajribasiga olib keladi. Aynan shu yerda izchillik modellari ishga tushadi.

Izchillik modellarini tushunish

Izchillik modeli taqsimlangan ma'lumotlar bazasi tomonidan ma'lumotlar yangilanishlarining tartibi va ko'rinishi bo'yicha taqdim etiladigan kafolatlarni belgilaydi. Turli modellar har xil darajadagi izchillikni taklif qiladi, har birining izchillik, mavjudlik va unumdorlik o'rtasida o'z murosasi mavjud. To'g'ri izchillik modelini tanlash ma'lumotlar yaxlitligini va ilovaning to'g'riligini ta'minlash uchun juda muhimdir.

ACID xususiyatlari: An'anaviy ma'lumotlar bazalarining asosi

An'anaviy relyatsion ma'lumotlar bazalari odatda ACID xususiyatlariga amal qiladi:

• Atomarlik: Tranzaksiya yagona, bo'linmas ish birligi sifatida qabul qilinadi. Tranzaksiya ichidagi barcha o'zgarishlar qo'llaniladi yoki hech biri qo'llanilmaydi.
• Izchillik: Tranzaksiya ma'lumotlar bazasining bir yaroqli holatdan ikkinchisiga o'tishini ta'minlaydi. U yaxlitlik cheklovlarini qo'llaydi va ma'lumotlarning to'g'riligini saqlaydi.
• Izolyatsiya: Bir vaqtda bajarilayotgan tranzaksiyalar bir-biridan izolyatsiya qilinadi, bu aralashuvning oldini oladi va har bir tranzaksiyaning go'yo u ma'lumotlar bazasiga kirayotgan yagona tranzaksiya kabi ishlashini ta'minlaydi.
• Chidamlilik: Tranzaksiya tasdiqlangandan so'ng, uning o'zgarishlari doimiy bo'ladi va hatto tizim ishdan chiqqanda ham saqlanib qoladi.

ACID xususiyatlari kuchli kafolatlar bersa-da, ularni yuqori darajada taqsimlangan tizimlarda amalga oshirish qiyin bo'lishi mumkin, bu ko'pincha unumdorlikning pasayishiga va mavjudlikning kamayishiga olib keladi. Bu ba'zi cheklovlarni yumshatadigan muqobil izchillik modellarining ishlab chiqilishiga olib keldi.

Keng tarqalgan izchillik modellari

Bu yerda taqsimlangan ma'lumotlar bazalarida qo'llaniladigan ba'zi keng tarqalgan izchillik modellarining umumiy ko'rinishi, ularning asosiy xususiyatlari va murosasi bilan birga keltirilgan:

1. Qat'iy izchillik (masalan, Chiziqlilik, Seriyalashtirish)

Ta'rif: Qat'iy izchillik barcha foydalanuvchilarning har doim ma'lumotlarning eng so'nggi versiyasini ko'rishini kafolatlaydi. Go'yo ma'lumotlarning faqat bitta nusxasi bor, garchi u bir nechta tugunlar bo'ylab taqsimlangan bo'lsa ham.

Xususiyatlari:

• Ma'lumotlar yaxlitligi: Ma'lumotlar yaxlitligi uchun eng kuchli kafolatlarni beradi.
• Murakkablik: Taqsimlangan tizimlarda amalga oshirish murakkab va qimmat bo'lishi mumkin.
• Unumdorlikka ta'siri: Ko'pincha sinxron replikatsiya va tugunlar o'rtasida qat'iy muvofiqlashtirish zarurati tufayli unumdorlikka sezilarli yuklama keltirib chiqaradi.

Misol: Global bank tizimini tasavvur qiling. Foydalanuvchi pul o'tkazganda, ikki marta sarflashni oldini olish uchun barcha serverlarda balans darhol yangilanishi kerak. Bunday vaziyatda qat'iy izchillik juda muhim.

Amalga oshirish usullari: Ikki bosqichli tasdiqlash (2PC), Paxos, Raft.

2. Yakuniy izchillik

Ta'rif: Yakuniy izchillik, agar ma'lum bir ma'lumot elementiga yangi yangilanishlar kiritilmasa, oxir-oqibat ushbu elementga barcha murojaatlar oxirgi yangilangan qiymatni qaytarishini kafolatlaydi. Boshqacha aytganda, ma'lumotlar oxir-oqibat barcha tugunlarda izchil bo'lib qoladi.

Xususiyatlari:

• Yuqori mavjudlik: Yangilanishlar asinxron va qat'iy muvofiqlashtirishni talab qilmasdan qo'llanilishi mumkin bo'lganligi sababli yuqori mavjudlik va kengaytirilish imkonini beradi.
• Kam kechikish: Qat'iy izchillikka nisbatan kamroq kechikishni taklif qiladi, chunki o'qishlar ko'pincha yangilanishlarning butun tizim bo'ylab tarqalishini kutmasdan mahalliy nusxalardan bajarilishi mumkin.
• Ziddiyatlar ehtimoli: Bir nechta foydalanuvchi bir vaqtning o'zida bir xil ma'lumot elementini yangilasa, vaqtinchalik nomuvofiqliklar va potentsial ziddiyatlarga olib kelishi mumkin.

Misol: Ijtimoiy media platformalari ko'pincha layklar va sharhlar kabi xususiyatlar uchun yakuniy izchillikdan foydalanadi. Rasmdagi layk barcha foydalanuvchilarga darhol ko'rinmasligi mumkin, lekin u oxir-oqibat barcha serverlarga tarqaladi.

Amalga oshirish usullari: Gossip protokoli, Ziddiyatlarni hal qilish strategiyalari (masalan, Oxirgi yozuv g'olib).

3. Sababiy izchillik

Ta'rif: Sababiy izchillik, agar bir jarayon ikkinchisiga ma'lumot elementini yangilaganini ma'lum qilsa, ikkinchi jarayonning keyingi murojaatlari ushbu yangilanishni aks ettirishini kafolatlaydi. Biroq, sababiy bog'liq bo'lmagan yangilanishlar turli jarayonlar tomonidan turli tartibda ko'rinishi mumkin.

Xususiyatlari:

• Sababiylikni saqlaydi: Sababiy bog'liq hodisalarning to'g'ri tartibda ko'rinishini ta'minlaydi.
• Qat'iy izchillikdan zaifroq: Qat'iy izchillikka qaraganda zaifroq kafolatlar beradi, bu esa yuqori mavjudlik va kengaytirilish imkonini beradi.

Misol: Hamkorlikda hujjat tahrirlash ilovasini ko'rib chiqing. Agar A foydalanuvchisi o'zgarish kiritib, keyin bu haqda B foydalanuvchisiga aytsa, B foydalanuvchisi A foydalanuvchisining o'zgarishini ko'rishi kerak. Biroq, boshqa foydalanuvchilar tomonidan kiritilgan o'zgarishlar darhol ko'rinmasligi mumkin.

4. O'z yozuvlaringizni o'qish izchilligi

Ta'rif: O'z yozuvlaringizni o'qish izchilligi, agar foydalanuvchi biror qiymatni yozsa, o'sha foydalanuvchining keyingi o'qishlari har doim yangilangan qiymatni qaytarishini kafolatlaydi.

Xususiyatlari:

• Foydalanuvchiga yo'naltirilgan: Foydalanuvchilar har doim o'z yangilanishlarini ko'rishini ta'minlab, yaxshi foydalanuvchi tajribasini beradi.
• Amalga oshirish nisbatan oson: O'qishlarni yozuvni bajargan o'sha serverga yo'naltirish orqali amalga oshirilishi mumkin.

Misol: Onlayn xarid savatchasi. Agar foydalanuvchi o'z savatchasiga mahsulot qo'shsa, u keyingi sahifa ko'rishlarida o'z savatchasida mahsulotni darhol ko'rishi kerak.

5. Sessiya izchilligi

Ta'rif: Sessiya izchilligi, foydalanuvchi ma'lumot elementining ma'lum bir versiyasini o'qiganidan so'ng, o'sha sessiya ichidagi keyingi o'qishlar hech qachon o'sha elementning eski versiyasini qaytarmasligini kafolatlaydi. Bu kafolatni butun sessiyaga kengaytiradigan o'z yozuvlaringizni o'qish izchilligining kuchliroq shaklidir.

Xususiyatlari:

• Yaxshilangan foydalanuvchi tajribasi: O'z yozuvlaringizni o'qish izchilligiga qaraganda izchilroq foydalanuvchi tajribasini taqdim etadi.
• Sessiya boshqaruvini talab qiladi: Foydalanuvchi sessiyalarini boshqarishni va qaysi ma'lumotlar versiyalari o'qilganini kuzatishni talab qiladi.

Misol: Mijozlarga xizmat ko'rsatish ilovasi. Agar mijoz sessiya davomida o'zining aloqa ma'lumotlarini yangilasa, mijozlarga xizmat ko'rsatish vakili o'sha sessiya ichidagi keyingi o'zaro aloqalarda yangilangan ma'lumotlarni ko'rishi kerak.

6. Monoton o'qishlar izchilligi

Ta'rif: Monoton o'qishlar izchilligi, agar foydalanuvchi ma'lumot elementining ma'lum bir versiyasini o'qisa, keyingi o'qishlar hech qachon o'sha elementning eski versiyasini qaytarmasligini kafolatlaydi. Bu foydalanuvchilar har doim ma'lumotlarning vaqt bo'yicha oldinga siljishini ko'rishini ta'minlaydi.

Xususiyatlari:

• Ma'lumotlarning progressi: Ma'lumotlarning doimo oldinga siljishini ta'minlaydi.
• Audit uchun foydali: Ma'lumotlar o'zgarishlarini kuzatishga va hech qanday ma'lumot yo'qolmasligiga ishonch hosil qilishga yordam beradi.

Misol: Moliyaviy audit tizimi. Auditorlar tranzaksiyalarning izchil tarixini ko'rishlari kerak, hech qanday tranzaksiya yo'qolib qolmasligi yoki qayta tartiblanmasligi kerak.

CAP teoremasi: Murosalarni tushunish

CAP teoremasi taqsimlangan tizimlardagi asosiy tamoyil bo'lib, u taqsimlangan tizimning bir vaqtning o'zida quyidagi uch xususiyatning barchasini kafolatlashi mumkin emasligini aytadi:

• Izchillik (C): Barcha tugunlar bir vaqtning o'zida bir xil ma'lumotlarni ko'radi.
• Mavjudlik (A): Har bir so'rov javob oladi, ammo u eng so'nggi ma'lumot versiyasini o'z ichiga olganiga kafolat berilmaydi.
• Bo'linishga chidamlilik (P): Tizim tarmoq bo'linishlariga (ya'ni, tugunlarning bir-biri bilan aloqa qila olmasligiga) qaramay ishlashda davom etadi.

CAP teoremasi shuni anglatadiki, taqsimlangan ma'lumotlar bazasini loyihalashtirishda siz tarmoq bo'linishlari mavjud bo'lganda izchillik va mavjudlik o'rtasida tanlov qilishingiz kerak. Siz yo izchillikni (CP tizimi) yoki mavjudlikni (AP tizimi) ustuvor qo'yishingiz mumkin. Ko'pgina tizimlar tarmoq bo'linishlari paytida mavjudlikni saqlab qolish uchun yakuniy izchillikni tanlaydi.

BASE: Masshtablanuvchi ilovalar uchun ACIDga alternativa

ACIDdan farqli o'laroq, BASE — bu ko'pincha NoSQL ma'lumotlar bazalari va yakuniy izchillik bilan bog'liq bo'lgan xususiyatlar to'plami:

• Asosan mavjud (Basically Available): Tizim, hatto ishdan chiqishlar mavjud bo'lganda ham yuqori darajada mavjud bo'lish uchun mo'ljallangan.
• Yumshoq holat (Soft State): Tizimning holati vaqt o'tishi bilan, hatto hech qanday aniq yangilanishlarsiz ham o'zgarishi mumkin. Bu yakuniy izchillik modeli tufayli bo'ladi, bunda ma'lumotlar barcha tugunlarda darhol izchil bo'lmasligi mumkin.
• Yakuniy izchillik (Eventually Consistent): Tizim oxir-oqibat izchil bo'ladi, lekin ma'lumotlar nomuvofiq bo'lgan vaqt davri bo'lishi mumkin.

BASE ko'pincha ijtimoiy media, elektron tijorat va kontentni boshqarish tizimlari kabi yuqori mavjudlik va kengaytirilish qat'iy izchillikdan muhimroq bo'lgan ilovalar uchun afzal ko'riladi.

To'g'ri izchillik modelini tanlash: E'tiborga olinadigan omillar

Taqsimlangan ma'lumotlar bazangiz uchun mos izchillik modelini tanlash bir nechta omillarga bog'liq, jumladan:

• Ilova talablari: Ilovangizning ma'lumotlar yaxlitligi talablari qanday? U qat'iy izchillikni talab qiladimi yoki yakuniy izchillikka toqat qila oladimi?
• Unumdorlik talablari: Ilovangizning kechikish va o'tkazuvchanlik talablari qanday? Qat'iy izchillik unumdorlikka sezilarli yuklama keltirishi mumkin.
• Mavjudlik talablari: Ilovangizning hatto ishdan chiqishlar mavjud bo'lganda ham mavjud bo'lib qolishi qanchalik muhim? Yakuniy izchillik yuqori mavjudlikni ta'minlaydi.
• Murakkablik: Ma'lum bir izchillik modelini amalga oshirish va qo'llab-quvvatlash qanchalik murakkab? Qat'iy izchillik modellarini amalga oshirish murakkabroq bo'lishi mumkin.
• Xarajat: Taqsimlangan ma'lumotlar bazasi yechimini amalga oshirish va qo'llab-quvvatlash xarajati.

Ushbu omillarni diqqat bilan baholash va ilovangizning o'ziga xos ehtiyojlarini qondirish uchun izchillik, mavjudlik va unumdorlikni muvozanatlashtiradigan izchillik modelini tanlash muhimdir.

Amalda qo'llaniladigan izchillik modellarining amaliy misollari

Bu yerda turli xil izchillik modellari haqiqiy hayotdagi ilovalarda qanday ishlatilishiga oid ba'zi misollar:

• Google Cloud Spanner: Global miqyosda taqsimlangan, kengaytiriladigan, qat'iy izchil ma'lumotlar bazasi xizmati. U geografik jihatdan taqsimlangan nusxalar bo'ylab qat'iy izchillikka erishish uchun atom soatlari va ikki bosqichli tasdiqlash kombinatsiyasidan foydalanadi.
• Amazon DynamoDB: Sozlanishi mumkin bo'lgan izchillikni taklif qiluvchi to'liq boshqariladigan NoSQL ma'lumotlar bazasi xizmati. Siz har bir operatsiya uchun yakuniy izchillik va qat'iy izchillik o'rtasida tanlov qilishingiz mumkin.
• Apache Cassandra: Yuqori mavjudlik uchun mo'ljallangan yuqori darajada kengaytiriladigan, taqsimlangan NoSQL ma'lumotlar bazasi. U yakuniy izchillikni ta'minlaydi, lekin eng so'nggi ma'lumotlarni o'qish ehtimolini oshirishga imkon beradigan sozlanishi izchillik darajalarini taklif qiladi.
• MongoDB: Sozlanishi mumkin bo'lgan izchillik darajalarini taklif qiladi. U o'qish afzalliklari sozlamalarini qo'llab-quvvatlaydi, bu sizga ma'lumotlar qaysi nusxalardan o'qilishini nazorat qilish imkonini beradi va izchillik darajasiga ta'sir qiladi.

Taqsimlangan ma'lumotlar bazalarida ma'lumotlar izchilligini boshqarishning eng yaxshi amaliyotlari

Bu yerda taqsimlangan ma'lumotlar bazalarida ma'lumotlar izchilligini boshqarish bo'yicha ba'zi eng yaxshi amaliyotlar:

• Ma'lumotlaringizni tushuning: Ma'lumotlarga kirish naqshlaringizni va ma'lumotlar yaxlitligi talablarini biling.
• To'g'ri izchillik modelini tanlang: Ilovangizning ehtiyojlari va murosalariga mos keladigan izchillik modelini tanlang.
• Monitoring va sozlash: Ma'lumotlar bazangizning unumdorligini doimiy ravishda kuzatib boring va kerak bo'lganda izchillik sozlamalarini sozlang.
• Ziddiyatlarni hal qilishni amalga oshiring: Potentsial nomuvofiqliklarni bartaraf etish uchun tegishli ziddiyatlarni hal qilish strategiyalarini amalga oshiring.
• Versiyalashdan foydalaning: O'zgarishlarni kuzatish va ziddiyatlarni hal qilish uchun ma'lumotlarni versiyalashdan foydalaning.
• Qayta urinishlar va Idempotentlikni amalga oshiring: Muvaffaqiyatsiz operatsiyalar uchun qayta urinish mexanizmlarini amalga oshiring va operatsiyalarning idempotent (ya'ni, natijani o'zgartirmasdan bir necha marta bajarilishi mumkin) ekanligiga ishonch hosil qiling.
• Ma'lumotlarning joylashuvini hisobga oling: Kechikishni kamaytirish va unumdorlikni oshirish uchun ma'lumotlarni unga muhtoj bo'lgan foydalanuvchilarga yaqinroq saqlang.
• Taqsimlangan tranzaksiyalardan ehtiyotkorlik bilan foydalaning: Taqsimlangan tranzaksiyalar murakkab va qimmat bo'lishi mumkin. Ulardan faqat mutlaqo zarur bo'lganda foydalaning.

Xulosa

Izchillik modellari taqsimlangan ma'lumotlar bazasi dizaynining asosiy jihatidir. Turli modellar va ularning murosalarini tushunish mustahkam va kengaytiriladigan global ilovalarni yaratish uchun juda muhimdir. Ilovangizning talablarini diqqat bilan ko'rib chiqib va to'g'ri izchillik modelini tanlab, siz hatto taqsimlangan muhitda ham ma'lumotlar yaxlitligini ta'minlashingiz va izchil foydalanuvchi tajribasini taqdim etishingiz mumkin.

Taqsimlangan tizimlar rivojlanishda davom etar ekan, doimiy ravishda yangi izchillik modellari va texnikalari ishlab chiqilmoqda. Ushbu sohadagi so'nggi yutuqlardan xabardor bo'lish taqsimlangan ma'lumotlar bazalari bilan ishlaydigan har qanday ishlab chiquvchi uchun muhimdir. Taqsimlangan ma'lumotlar bazalarining kelajagi haqiqatan ham zarur bo'lgan joyda qat'iy izchillik va boshqa kontekstlarda kengaytirilgan masshtablanuvchanlik va mavjudlik uchun yakuniy izchillikdan foydalanish o'rtasidagi muvozanatni topishni o'z ichiga oladi. Yangi gibrid yondashuvlar va moslashuvchan izchillik modellari ham paydo bo'lmoqda, bu esa butun dunyo bo'ylab taqsimlangan ilovalarning unumdorligi va chidamliligini yanada optimallashtirishni va'da qilmoqda.