آشنایی با CAP و ذخیره سازی اطلاعات در NoSQL

انسجام (Consistency) به معنای هماهنگی و تطابق داده‌ها در سیستم است. در یک سیستم منسجم، همهٔ کاربران همزمان به داده‌های یکسان دسترسی دارند.

دسترسی پذیری (Availability) به معنای قابلیت استفاده از سیستم در هر زمان و مکانی است. یک سیستم در دسترس، این امکان را دارد تا کاربران همیشه به آن متصل شده و پاسخ درستی از سیستم دریافت کنند.

توزیع پذیری (Partition tolerance) به معنای توانایی سیستم در حفظ عملکرد صحیح در صورت بروز قطعی در شبکه است. در یک سیستم توزیع پذیر، حتی در صورت قطعی و از کار افتادن عضوی از سیستم، همچنان سایر بخش ها بتواند به درستی فعالیت سیستم را ادامه دهند.

این سه عنصر در مدل "CAP" مهم بوده و در طراحی سیستم‌های توزیع‌شده باید توازنی میان آن‌ها در نظر گرفته شود. بر اساس مدل "CAP"، نمی‌توان همزمان به نهایت ظرفیت این سه خاصیت دست یافت، پس باید توازنی متناسب با نیازهای سیستم برقرار کرد.

در اینجا سیستم‌های توزیع‌شده (Distributed Systems) به سیستم‌هایی اطلاق می‌شود که از مجموعه‌ای از عناصر پردازشی مستقل تشکیل شده‌اند که در شبکه‌ای تعریف شده و به‌طور همزمان برای ارائه یک سرویس مشترک همکاری می‌کنند.

در این سیستم‌ها، وظایف پردازشی و ذخیره‌سازی اطلاعات بین عناصر مختلف توزیع می‌شود و هماهنگی و همکاری بین این عناصر از طریق ارتباط شبکه انجام می‌شود.

سیستم‌های توزیع‌شده معمولاً برای مدیریت داده‌های حجیم، پردازش موازی، بهبود دسترسی پذیری و افزایش کارایی طراحی می‌شوند. این سیستم‌ها بر مبنای اصولی مانند توزیع بار، پیکربندی خودکار، تحمل خطا، تحمل بار و قابلیت مقیاس‌پذیری توسعه داده می‌شوند.

این سیستم ها می‌توانند در حوزه‌های مختلفی مانند رایانش ابری، شبکه‌های اجتماعی، سیستم‌های توزیع‌شده بانکی، اینترنت اشیا و غیره مورد استفاده قرار گیرند. در واقع به دلیل قابلیت هماهنگی بین عناصر مختلف و امکان ارائه سرویس در مقیاس بزرگ، برای حل مسائل پیچیده و ارائه خدمات پویا و مقیاس‌پذیر از این سیستم ها به طور گسترده بهره برداری می شود.

بگذارید مبحث را با یک مثال ادامه دهیم...

نمونه ای از خاصیت CAP که توسط یک گره (Node) در محیط رایانش ابری فعال شده باشد، میتواند یک پایگاه داده توزیع شده در نظر گرفته شود. در این حالت، هر گره از پایگاه داده وظیفه ای را برعهده داشته و به طور مستقل از سایر گره‌ها، می تواند عملیات خواندن و نوشتن را بر روی داده‌های خود انجام دهد.

بنابراین در صورت تقسیم شدن وظایف این شبکه و قطع شدن ناگهانی ارتباط بین گره‌ها، هر گره توانایی ادامه عملیات خواندن و نوشتن بر روی داده‌های خود را حفظ کند (Partition Tolerance)، تا زمانی که اتصال بین گره‌ها مجدداً برقرار شود؛

به این ترتیب دسترسی به داده‌های موجود در سایر گره‌ها نیز حاصل شده (Availability) و تمام گره‌ها به صورت یکپارچه و هماهنگ عمل خواهند کرد (Consistency).

این مثال نشان می‌دهد که در یک محیط توزیع شده، با استفاده از خاصیت CAP می توان سیستمی پایدار و قابل اطمینان را به ارمغان آورد.

آشنایی با پایگاه داده NoSQL

پایگاه داده NoSQL (معروف به غیر رابطه‌ای یا بدون ساختار) نوعی پایگاه داده است که بر خلاف پایگاه داده‌های سنتی، از مدل‌ غیر وابسته برای ذخیره‌سازی و دسترسی به داده‌ها استفاده می‌کند. در این نوع پایگاه داده، از ساختارهایی مانند مستندات (Documents)، کلید-مقدار (Key-Value)، ستونی (Columnar) یا گرافی (Graph) برای نمایش داده‌ها استفاده می شود.

پایگاه داده NoSQL مزایایی مثل مقیاس‌پذیری عمودی و افقی، عملکرد بالا، انعطاف‌پذیری در طراحی داده‌ها و توانایی هندل بار زیاد را داراست. همچنین، به دلیل عدم نیاز به ترجمه‌ی ساختار بین داده‌ها، در برخی موارد سرعت بالاتری در عملیات خواندن و نوشتن (Read-Write) رقم خواهد خورد.

علاوه بر این، برخی از پایگاه داده‌های NoSQL توان تحلیل داده‌های بزرگ (Big Data)، ذخیره‌سازی مستندات و رشته‌های JSON، حفظ و نگهداری داده های وب‌سرویس‌ها و نمایش داده‌ها در قالب گراف را دارند.

اما بر خلاف این نوع پایگاه ها، پایگاه داده‌های رابطه‌ محور متعارف بر اساس ساختارهای جدولی و روابط بین جداول عمل کرده و از زبان SQL (Structured Query Language) برای استعلام و دریافت داده‌ها استفاده می‌کنند.

اما NoSQL چه ارتباطی به مدل CAP دارد؟

موضوع جالب همینجاست! پایگاه داده‌های NoSQL از معیارهای انسجام (Consistency)، دسترسی پذیری (Availability) و توزیع پذیری (Partition Tolerance) را به عنوان مبانی اصلی خود در نظر می‌گیرند.

این سه عامل مهم در سیستم‌های توزیع‌شده برای مدیریت داده‌ها و تضمین عملکرد صحیح سیستم نقش بسزایی ایفا می کنند. با توجه به نیازمندی‌ها و خصوصیات موجود در پروژه‌ها، پایگاه داده‌های NoSQL از مولفه‌های CAP متناسب با پروژه استفاده می کنند.

در حالت کلی، NoSQL برای افزایش مقیاس‌پذیری و توانایی مدیریت داده‌های بزرگ، همبستگی محدودتر، دسترسی بیشتر، و تحمل خطا و اختلال شبکه طراحی شده است.

طراحی پایگاه داده بر مبنای CAP

• مدل CA

طراحی پایگاه داده بر اساس معیار CA رویکردی در طراحی سیستم‌های توزیع‌شده است که بر انسجام (Consistency) و دسترس پذیری (Availability) تمرکز بیشتری می کند.

در این حالت، داده‌ها باید همواره بروز باشند، به این معنی که هر داده‌ای که در یک نقطه در پایگاه داده تغییر کند، باید بلافاصله در سایر نقاط نیز تغییر کند. همچنین، سیستم باید همواره در دسترس بوده و بتواند درخواست‌ها را با دقت کامل پاسخ دهد.

در طراحی پایگاه داده بر اساس CP، انسجام داده ها از اولویت بالاتری نسبت به در دسترس بودن سیستم برخوردار است. به عبارت دیگر، در صورت بروز خطا یا اختلال در سیستم، ممکن است Availability تحت تأثیر قرار گیرد، ولی همبستگی داده‌ها حفظ خواهد شد.

طراحی پایگاه داده بر این اساس در برنامه‌ها و سیستم‌هایی که همبستگی داده‌ها برایشان بسیار حساس است، مانند برنامه‌های بانکی، سیستم‌های مالی، شبکه های اجتماعی و سیستم‌های مدیریت داده، کاربرد دارد.

• مدل AP

AP یا در دسترسی پذیری بالاتر (Availability and Partition tolerance) نیز یکی از سه مفهوم اصلی در طراحی سیستم‌های توزیع‌شده است. با این تفاوت که در این مفهوم، دسترسی به داده و عملکرد سیستم حتی در صورت بروز خطا یا قطعی در شبکه تضمین می‌شود (حتی اگر بخشی از شبکه متوقف یا جدا شود).

به عبارتی، با بروز قطعی یا خطا، سیستم همچنان در شبکه قادر به ارائه خدمات به کاربران خود خواهد بود.

در مدل AP، داده‌ها برای برقراری تعادل بار در سیستم، بین سرورها توزیع می‌شوند. بنابراین، در صورت بروز قطعی در بخشی از شبکه و جدا شدن یک یا چند سرور از شبکه، داده‌ها همچنان در سایر سرورها در دسترس بوده و کاربران قادرند به آنها دست یابند.

• مدل CP

در مدل CP، توزیع پذیری یکی از ویژگی‌های کلیدی است که مطمئن می شود هرگاه تغییری در سیستم اعمال شود، تمام نودهای سیستم به صورت یکسان به داده ها دسترسی خواهند داشت. به این ترتیب، کوچکترین تغییر اعمال شده در داده ها به صورت همزمان بر روی همه نودها انعکاس یافته و سیستم در حالت قطعیت قرار می‌گیرد.

علاوه بر توزیع پذیری، دسترسی پذیری نیز یکی از ویژگی‌های مهم در این مدل است. دسترسی پذیری بالا به این معناست که در صورتی که درخواستی برای دسترسی به داده‌ها ارسال شود، سیستم توانایی پاسخگویی سریع و موثر را داراست.

بنابراین در این مدل، این دو معیار از اولویت بالاتری برخوردار هستند.

ویژگی NoSQL در ابزار Cassandra

Cassandra یک پایگاه داده NoSQL است که برای عملکرد فوق العاده سریع طراحی شده است. ویژگی‌های مهمی که در Cassandra وجود دارند عبارتند از:

• مقیاس پذیری افقی: Cassandra قابلیت مقیاس پذیری افقی دارد، به این معنی که می‌توان آن را روی چندین سرور و کلاستر اجرا کرد. این قابلیت اجازه می‌دهد که داده های حجیم و تراکنش‌های بی شمار یک اپلیکیشن با سرعت بیشتری فراخوانی شده و سیستم به راحتی بتواند ترافیک را مدیریت کنند.
• انسجام ضعیف: Cassandra از مدل "Weak consistency" پیروی می‌کند که به آن اجازه می‌دهد تا عملیات خواندن و نوشتن را بدون نیاز به همگامی با سایر گره ها انجام دهد.
• توزیع داده: Cassandra داده‌ها را در سرورهای مختلف توزیع می‌کند. به معنی این که هر داده در چندین سرور ذخیره شده و در صورت خرابی یکی از سرورها، داده‌ها از سرور دیگری فراخوانی می‌شوند.
• ساختار داده انعطاف‌پذیر: Cassandra از مدل ستون خانوادگی (Column Family) برای ذخیره سازی داده ها استفاده می‌کند که امکان ذخیره سازی با یک ساختار متفاوت و انعطاف‌پذیر را فراهم می‌کند. این ویژگی برای برنامه‌هایی که با داده‌های متغیر و متنوع سروکار دارند، بسیار مناسب است.

ابزارهایی برای استفاده از مدل CAP

برای پیاده‌سازی مدل CAP، می‌توان از ابزارها و فنون مختلفی استفاده کرد. در زیر برخی از ابزارها و فنون معروف را برای هریک از سه ویژگی CAP ذکر می‌کنم:

• انسجام (Consistency):

  • استفاده از پایگاه داده‌های تراکنشی ACID مانند MySQL، PostgreSQL و Oracle.
  • استفاده از روش‌های دسته‌بندی داده‌ها مانند Eventual Consistency و Strong Consistency.

• دسترسی پذیری (Availability):

  • استفاده از سامانه‌های توزیع شده مانند Apache Cassandra و Apache HBase که دسترسی بالا و قابلیت تحمل خطا را فراهم می‌کنند.
  • استفاده از روش‌های توزیع بار مانند Load Balancer و Reverse Proxy.

• توزیع پذیری (Partition Tolerance):

  • استفاده از سامانه‌های توزیع شده مانند Apache Kafka و Apache ZooKeeper که توزیع داده ها را بهبود می‌بخشند.
  • استفاده از تکنیک های توزیع و ذخیره‌سازی داده مانند تقسیم و همگام‌سازی داده‌ها (Data Partitioning and Replication).

به‌طور کلی، انتخاب ابزار و فنون مناسب برای هریک از سه ویژگی CAP بستگی به نیازها و محدودیت‌های پروژه دارد. همچنین، معماری و تکنولوژی‌های مورد استفاده در پروژه نیز می‌توانند تاثیرگذار باشند.

جمع بندی

مدل CAP یک مفهوم مهم در زمینه پایگاه‌داده‌ها و سامانه‌های توزیع یافته است. این مدل سه ویژگی کلیدی را برای این سیستم ها تعریف می‌کند: انسجام (Consistency)، دسترسی پذیری (Availability) و توزیع پذیری (Partition Tolerance).

انسجام (Consistency) به معنای اطمینان از این است که هرگاه یک تغییر در داده‌ها انجام شود، تمامی سرویس‌های وابسته به این داده به صورت یکسان از تغییر آگاه شوند.

دسترسی (Availability) به معنای اطمینان از این است که سرویس‌ها همیشه برای کاربران در دسترس باشند و بتوانند به درخواست‌ها پاسخ دهند، حتی در صورت بروز خطا یا از کار افتادن بخشی از سامانه.

و در نهایت، توزیع پذیری (Partition Tolerance) به معنای توانایی سیستم در ادامه عملکرد نرمال خود در صورت بروز قطعی یا از دست رفتن بخشی از شبکه است.

طبق مدل CAP، یک سیستم توزیع شده تنها می‌تواند دو ویژگی از این سه ویژگی را همزمان داشته باشد. به عبارت دیگر، در صورتی که سامانه به صورت کامل منسجم و در دسترس باشد، گزینه توزیع پذیری را به خطر می‌اندازد و در صورتی که توزیع پذیری بهتری داشته باشد، ممکن است انسجام یا دسترسی آن کاهش یابد.

در مجموع، انتخاب مدل CAP به نیازها و الزامات پروژه بستگی دارد و معماری سیستم و انتخاب فناوری‌های مناسب نیز در تعیین مشخصه های این مدل موثر هستند.