NewSQL: Mở rộng quy mô giao dịch ACID phân tán cho các ứng dụng toàn cầu

Trong thế giới dựa trên dữ liệu ngày nay, các ứng dụng đòi hỏi cả khả năng mở rộng và tính nhất quán của dữ liệu. Cơ sở dữ liệu quan hệ truyền thống, mặc dù cung cấp sự đảm bảo ACID (Nguyên tử, Nhất quán, Cô lập, Bền vững) mạnh mẽ, thường gặp khó khăn trong việc mở rộng theo chiều ngang. Cơ sở dữ liệu NoSQL, mặt khác, cung cấp khả năng mở rộng nhưng thường hy sinh các thuộc tính ACID để đổi lấy hiệu suất. Cơ sở dữ liệu NewSQL nổi lên như một giải pháp trung gian, nhằm mục đích kết hợp những gì tốt nhất của cả hai thế giới: khả năng mở rộng và hiệu suất của NoSQL với sự đảm bảo ACID của RDBMS truyền thống.

NewSQL là gì?

NewSQL không phải là một công nghệ cơ sở dữ liệu duy nhất mà là một lớp các hệ quản trị cơ sở dữ liệu quan hệ (RDBMS) hiện đại nhằm cung cấp sự đảm bảo ACID tương tự như các hệ thống cơ sở dữ liệu truyền thống trong khi đạt được khả năng mở rộng của các hệ thống NoSQL. Chúng được thiết kế để xử lý khối lượng giao dịch lớn và lượng dữ liệu khổng lồ, khiến chúng phù hợp với các ứng dụng phân tán hiện đại.

Về cơ bản, các hệ thống NewSQL được kiến trúc để giải quyết những hạn chế của RDBMS truyền thống khi hoạt động ở quy mô lớn. Chúng phân phối dữ liệu và xử lý trên nhiều nút, cho phép mở rộng theo chiều ngang, trong khi vẫn đảm bảo rằng các giao dịch được xử lý một cách đáng tin cậy và nhất quán.

Đặc điểm chính của cơ sở dữ liệu NewSQL

• Tuân thủ ACID: Cơ sở dữ liệu NewSQL ưu tiên các thuộc tính ACID để đảm bảo tính toàn vẹn và nhất quán của dữ liệu. Đây là một yêu cầu quan trọng đối với các ứng dụng xử lý dữ liệu nhạy cảm hoặc yêu cầu đảm bảo giao dịch nghiêm ngặt, chẳng hạn như hệ thống tài chính hoặc nền tảng thương mại điện tử.
• Khả năng mở rộng: Chúng được thiết kế để mở rộng theo chiều ngang bằng cách phân phối dữ liệu và xử lý trên nhiều nút. Điều này cho phép chúng xử lý khối lượng công việc và lượng dữ liệu ngày càng tăng mà không làm giảm hiệu suất.
• Giao diện SQL: Hầu hết các cơ sở dữ liệu NewSQL cung cấp một giao diện tương thích với SQL, giúp các nhà phát triển dễ dàng di chuyển các ứng dụng hiện có hoặc tận dụng các kỹ năng SQL hiện có của họ.
• Kiến trúc phân tán: Cơ sở dữ liệu NewSQL thường được xây dựng trên một kiến trúc phân tán, cho phép chúng đạt được tính sẵn sàng cao và khả năng chịu lỗi.
• Hiệu suất: Chúng được tối ưu hóa để xử lý giao dịch hiệu suất cao, thường sử dụng các kỹ thuật như lưu trữ dữ liệu trong bộ nhớ, xử lý truy vấn phân tán và kiểm soát đồng thời không khóa.

Các phương pháp tiếp cận kiến trúc trong NewSQL

Một số phương pháp tiếp cận kiến trúc được sử dụng trong việc triển khai cơ sở dữ liệu NewSQL. Các phương pháp này khác nhau ở cách chúng đạt được khả năng mở rộng và đảm bảo ACID.

1. Kiến trúc không chia sẻ (Shared-Nothing)

Trong kiến trúc không chia sẻ, mỗi nút trong cụm có tài nguyên độc lập của riêng mình (CPU, bộ nhớ, lưu trữ). Dữ liệu được phân vùng và phân phối trên các nút này. Kiến trúc này cung cấp khả năng mở rộng tuyệt vời vì việc thêm nhiều nút hơn sẽ làm tăng dung lượng của hệ thống một cách tuyến tính. Ví dụ về các cơ sở dữ liệu NewSQL sử dụng kiến trúc không chia sẻ bao gồm Google Spanner và CockroachDB.

Ví dụ: Hãy tưởng tượng một nền tảng thương mại điện tử toàn cầu với người dùng trên khắp thế giới. Sử dụng cơ sở dữ liệu NewSQL không chia sẻ, nền tảng này có thể phân phối dữ liệu của mình trên nhiều trung tâm dữ liệu được phân bố theo địa lý. Điều này đảm bảo độ trễ thấp cho người dùng ở các khu vực khác nhau và cung cấp tính sẵn sàng cao trong trường hợp xảy ra sự cố khu vực.

2. Kiến trúc bộ nhớ chia sẻ (Shared-Memory)

Trong kiến trúc bộ nhớ chia sẻ, tất cả các nút trong cụm chia sẻ cùng một không gian bộ nhớ. Điều này cho phép truy cập dữ liệu và giao tiếp nhanh giữa các nút. Tuy nhiên, kiến trúc này thường bị hạn chế về khả năng mở rộng vì bộ nhớ chia sẻ trở thành điểm nghẽn khi số lượng nút tăng lên. Ví dụ về các cơ sở dữ liệu (mặc dù không hoàn toàn là NewSQL theo nghĩa thuần túy nhất, nhưng thể hiện các phương pháp mở rộng giao dịch tương tự) tận dụng kiến trúc này bao gồm một số cụm cơ sở dữ liệu trong bộ nhớ.

3. Kiến trúc đĩa chia sẻ (Shared-Disk)

Trong kiến trúc đĩa chia sẻ, tất cả các nút trong cụm chia sẻ cùng một thiết bị lưu trữ. Điều này đơn giản hóa việc quản lý dữ liệu và cung cấp tính sẵn sàng cao. Tuy nhiên, kiến trúc này cũng có thể là một điểm nghẽn vì tất cả các nút phải truy cập vào cùng một bộ lưu trữ. Một số hệ thống RDBMS truyền thống, khi được phân cụm, có thể được xem xét trong bối cảnh rộng hơn của xử lý giao dịch có khả năng mở rộng, mặc dù chúng có thể không được dán nhãn là NewSQL.

Giao dịch ACID trong môi trường phân tán

Việc duy trì các thuộc tính ACID trong một môi trường phân tán là một thách thức phức tạp. Cơ sở dữ liệu NewSQL sử dụng nhiều kỹ thuật khác nhau để đảm bảo tính nhất quán và độ tin cậy của dữ liệu.

1. Cam kết hai giai đoạn (2PC)

2PC là một giao thức được sử dụng rộng rãi để đảm bảo tính nguyên tử trên nhiều nút. Trong 2PC, một nút điều phối phối hợp giao dịch trên tất cả các nút tham gia. Giao dịch tiến hành theo hai giai đoạn: giai đoạn chuẩn bị và giai đoạn cam kết. Trong giai đoạn chuẩn bị, mỗi nút chuẩn bị để cam kết giao dịch và thông báo cho điều phối viên. Nếu tất cả các nút đã sẵn sàng, điều phối viên sẽ chỉ thị cho chúng cam kết. Nếu bất kỳ nút nào không chuẩn bị được, điều phối viên sẽ chỉ thị cho tất cả các nút hủy bỏ.

Thách thức: 2PC có thể chậm và tạo ra một điểm lỗi duy nhất (điều phối viên). Do đó, các hệ thống NewSQL hiện đại thường ưa thích các giao thức thay thế.

2. Thuật toán đồng thuận Paxos và Raft

Paxos và Raft là các thuật toán đồng thuận cho phép một hệ thống phân tán đồng ý về một giá trị duy nhất, ngay cả khi có lỗi xảy ra. Các thuật toán này thường được sử dụng trong cơ sở dữ liệu NewSQL để đảm bảo tính nhất quán của dữ liệu và khả năng chịu lỗi. Chúng cung cấp một giải pháp thay thế mạnh mẽ và hiệu quả hơn cho 2PC.

Ví dụ: CockroachDB sử dụng Raft để sao chép dữ liệu trên nhiều nút và đảm bảo rằng tất cả các bản sao đều nhất quán. Điều này có nghĩa là ngay cả khi một nút bị lỗi, hệ thống vẫn có thể tiếp tục hoạt động mà không bị mất dữ liệu hoặc không nhất quán.

3. API TrueTime của Spanner

Google Spanner sử dụng một hệ thống gán nhãn thời gian nhất quán bên ngoài, phân tán toàn cầu được gọi là TrueTime. TrueTime cung cấp một giới hạn trên được đảm bảo về sự không chắc chắn của đồng hồ, cho phép Spanner đạt được sự nhất quán mạnh mẽ trên các trung tâm dữ liệu phân tán theo địa lý. Điều này cho phép Spanner thực hiện các giao dịch phân tán toàn cầu với độ trễ thấp và thông lượng cao.

Tầm quan trọng: TrueTime là một thành phần quan trọng trong kiến trúc của Spanner, vì nó cho phép cơ sở dữ liệu duy trì tính tuần tự hóa (serializability), mức độ cô lập mạnh nhất, ngay cả trong môi trường phân tán.

Lợi ích của việc sử dụng cơ sở dữ liệu NewSQL

• Khả năng mở rộng: Cơ sở dữ liệu NewSQL có thể mở rộng theo chiều ngang để xử lý khối lượng công việc và lượng dữ liệu ngày càng tăng.
• Tuân thủ ACID: Chúng cung cấp sự đảm bảo ACID mạnh mẽ, đảm bảo tính toàn vẹn và nhất quán của dữ liệu.
• Hiệu suất: Chúng được tối ưu hóa để xử lý giao dịch hiệu suất cao.
• Khả năng chịu lỗi: Chúng được thiết kế để có khả năng chịu lỗi, nghĩa là chúng có thể tiếp tục hoạt động ngay cả khi một số nút bị lỗi.
• Tương thích SQL: Hầu hết các cơ sở dữ liệu NewSQL cung cấp một giao diện tương thích với SQL, giúp dễ dàng di chuyển các ứng dụng hiện có.

Các trường hợp sử dụng cơ sở dữ liệu NewSQL

Cơ sở dữ liệu NewSQL phù hợp với nhiều loại ứng dụng đòi hỏi cả khả năng mở rộng và tính nhất quán của dữ liệu. Một số trường hợp sử dụng phổ biến bao gồm:

1. Ứng dụng tài chính

Các ứng dụng tài chính, chẳng hạn như hệ thống ngân hàng và bộ xử lý thanh toán, yêu cầu đảm bảo ACID nghiêm ngặt để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của các giao dịch tài chính. Cơ sở dữ liệu NewSQL có thể cung cấp khả năng mở rộng và hiệu suất cần thiết để xử lý khối lượng giao dịch lớn trong khi vẫn duy trì tính toàn vẹn của dữ liệu.

Ví dụ: Một cổng thanh toán toàn cầu xử lý hàng triệu giao dịch mỗi ngày cần một cơ sở dữ liệu có thể xử lý lưu lượng truy cập lớn và đảm bảo rằng tất cả các giao dịch được xử lý chính xác. Một cơ sở dữ liệu NewSQL có thể cung cấp khả năng mở rộng và đảm bảo ACID cần thiết để đáp ứng các yêu cầu này.

2. Nền tảng thương mại điện tử

Nền tảng thương mại điện tử cần xử lý một số lượng lớn người dùng và giao dịch đồng thời. Cơ sở dữ liệu NewSQL có thể cung cấp khả năng mở rộng và hiệu suất cần thiết để xử lý khối lượng công việc này trong khi đảm bảo rằng các đơn đặt hàng được xử lý chính xác và hàng tồn kho được cập nhật chính xác.

Ví dụ: Một nhà bán lẻ trực tuyến lớn cần một cơ sở dữ liệu có thể xử lý các tải cao điểm trong các mùa mua sắm nghỉ lễ. Một cơ sở dữ liệu NewSQL có thể mở rộng để đáp ứng nhu cầu gia tăng và đảm bảo rằng tất cả các đơn đặt hàng được xử lý mà không có lỗi.

3. Ứng dụng trò chơi

Các trò chơi trực tuyến nhiều người chơi (MMO) cần xử lý một số lượng lớn người chơi đồng thời và logic trò chơi phức tạp. Cơ sở dữ liệu NewSQL có thể cung cấp khả năng mở rộng và hiệu suất cần thiết để xử lý khối lượng công việc này trong khi đảm bảo rằng trạng thái trò chơi là nhất quán và người chơi không thể gian lận.

Ví dụ: Một trò chơi MMO nổi tiếng cần một cơ sở dữ liệu có thể xử lý hàng triệu người chơi đồng thời và đảm bảo rằng tất cả dữ liệu người chơi là nhất quán. Một cơ sở dữ liệu NewSQL có thể cung cấp khả năng mở rộng và đảm bảo ACID cần thiết để đáp ứng các yêu cầu này.

4. Quản lý chuỗi cung ứng

Các chuỗi cung ứng hiện đại được phân phối trên toàn cầu và yêu cầu khả năng hiển thị thời gian thực về mức tồn kho, trạng thái đơn hàng và theo dõi lô hàng. Cơ sở dữ liệu NewSQL có thể cung cấp khả năng mở rộng và hiệu suất cần thiết để xử lý khối lượng dữ liệu lớn do các hệ thống chuỗi cung ứng tạo ra trong khi đảm bảo rằng dữ liệu là chính xác và nhất quán.

5. Nền tảng IoT (Internet vạn vật)

Nền tảng IoT tạo ra một lượng dữ liệu khổng lồ từ các thiết bị được kết nối. Cơ sở dữ liệu NewSQL có thể được sử dụng để lưu trữ và phân tích dữ liệu này, cung cấp thông tin chi tiết về hiệu suất thiết bị, mô hình sử dụng và các vấn đề tiềm ẩn. Chúng cũng đảm bảo rằng dữ liệu IoT quan trọng, chẳng hạn như dữ liệu đọc từ cảm biến và lệnh điều khiển, được lưu trữ và xử lý một cách đáng tin cậy.

Ví dụ về cơ sở dữ liệu NewSQL

Dưới đây là một số ví dụ đáng chú ý về cơ sở dữ liệu NewSQL:

• Google Spanner: Một dịch vụ cơ sở dữ liệu phân tán toàn cầu, có khả năng mở rộng và nhất quán mạnh mẽ.
• CockroachDB: Một cơ sở dữ liệu SQL phân tán được xây dựng trên một kho lưu trữ khóa-giá trị giao dịch và nhất quán mạnh mẽ.
• TiDB: Một cơ sở dữ liệu SQL phân tán mã nguồn mở hỗ trợ cả khối lượng công việc xử lý giao dịch trực tuyến (OLTP) và xử lý phân tích trực tuyến (OLAP).
• VoltDB: Một cơ sở dữ liệu SQL trong bộ nhớ, có khả năng mở rộng quy mô được thiết kế cho dữ liệu tốc độ cao và quyết định nhanh chóng.
• NuoDB: Một cơ sở dữ liệu SQL phân tán được thiết kế cho môi trường đám mây.

Chọn cơ sở dữ liệu NewSQL phù hợp

Việc chọn cơ sở dữ liệu NewSQL phù hợp cho ứng dụng của bạn phụ thuộc vào một số yếu tố, bao gồm:

• Yêu cầu về khả năng mở rộng: Bạn cần xử lý bao nhiêu dữ liệu và lưu lượng truy cập?
• Yêu cầu về ACID: Sự đảm bảo ACID quan trọng như thế nào đối với ứng dụng của bạn?
• Yêu cầu về hiệu suất: Bạn cần xử lý giao dịch nhanh đến mức nào?
• Môi trường triển khai: Bạn sẽ triển khai cơ sở dữ liệu ở đâu (ví dụ: tại chỗ, đám mây)?
• Tương thích SQL: Tương thích SQL quan trọng như thế nào đối với các ứng dụng hiện có và đội ngũ phát triển của bạn?
• Chi phí: Ngân sách của bạn cho cơ sở dữ liệu là bao nhiêu?

Điều quan trọng là phải đánh giá cẩn thận các yêu cầu của bạn và so sánh các tính năng và hiệu suất của các cơ sở dữ liệu NewSQL khác nhau trước khi đưa ra quyết định. Hãy xem xét việc chạy các bài kiểm tra benchmark để kiểm tra hiệu suất của các cơ sở dữ liệu khác nhau với khối lượng công việc cụ thể của bạn.

Tương lai của NewSQL

Cơ sở dữ liệu NewSQL là một công nghệ phát triển nhanh chóng. Khi khối lượng dữ liệu và độ phức tạp của ứng dụng tiếp tục tăng, nhu cầu về cơ sở dữ liệu có khả năng mở rộng và nhất quán sẽ chỉ tăng lên. Chúng ta có thể mong đợi sẽ thấy những đổi mới hơn nữa trong kiến trúc, thuật toán và công cụ NewSQL trong những năm tới.

Một số xu hướng tiềm năng trong tương lai của NewSQL bao gồm:

• Nhiều cơ sở dữ liệu gốc đám mây hơn: Cơ sở dữ liệu NewSQL sẽ ngày càng được thiết kế cho môi trường đám mây, tận dụng các công nghệ gốc đám mây như Kubernetes và điện toán không máy chủ.
• Cải thiện phân phối địa lý: Cơ sở dữ liệu NewSQL sẽ trở nên tốt hơn nữa trong việc xử lý dữ liệu phân tán theo địa lý và cung cấp quyền truy cập dữ liệu có độ trễ thấp từ bất kỳ đâu trên thế giới.
• Tích hợp với Học máy: Cơ sở dữ liệu NewSQL sẽ ngày càng được tích hợp với các nền tảng học máy, cho phép phân tích thời gian thực và ra quyết định dựa trên dữ liệu.
• Bảo mật nâng cao: Cơ sở dữ liệu NewSQL sẽ kết hợp các tính năng bảo mật tiên tiến hơn để bảo vệ dữ liệu nhạy cảm khỏi bị truy cập trái phép.

Kết luận

Cơ sở dữ liệu NewSQL cung cấp một giải pháp hấp dẫn cho các ứng dụng đòi hỏi cả khả năng mở rộng và tính nhất quán của dữ liệu. Bằng cách kết hợp những gì tốt nhất của cả RDBMS truyền thống và cơ sở dữ liệu NoSQL, cơ sở dữ liệu NewSQL cung cấp một nền tảng mạnh mẽ để xây dựng các ứng dụng phân tán hiện đại. Khi nhu cầu về cơ sở dữ liệu có khả năng mở rộng và nhất quán tiếp tục tăng, NewSQL đã sẵn sàng đóng một vai trò ngày càng quan trọng trong tương lai của quản lý dữ liệu.

Cho dù bạn đang xây dựng một hệ thống tài chính, một nền tảng thương mại điện tử, một ứng dụng trò chơi hay một nền tảng IoT, cơ sở dữ liệu NewSQL có thể giúp bạn xử lý các thách thức về quy mô và độ phức tạp trong khi vẫn đảm bảo tính toàn vẹn và độ tin cậy của dữ liệu. Hãy cân nhắc khám phá thế giới của NewSQL để xem nó có thể mang lại lợi ích gì cho tổ chức của bạn.