Масштабирование улучшает производительность и повышает надежность систем хранения данных путем оптимизации использования ресурсов и распределения нагрузки. Применение подходящей техники помогает:
- Ускорить обработку запросов и увеличить пропускную способность базы данных, что критически важно для высоконагруженных приложений.
- Улучшить отказоустойчивость и производительность за счет распределения нагрузки между несколькими узлами (горизонтальное масштабирование).
- Повысить производительность за счет увеличения мощности обработки данных на одном узле (вертикальное масштабирование).
- Уменьшить время отклика за счет сокращения количества обращений к диску за данными (кэширование).
- Оптимизировать использование ресурсов базы данных за счет улучшения эффективности запросов и снижения необходимости в сложных операциях соединения таблиц (индексация и денормализация).
Рассмотрим самые популярные техники масштабирования подробнее.
Индексация
Индексация в базах данных действует по аналогии с разделом «содержание» в книге – позволяет быстро находить и извлекать конкретную информацию без сканирования всей базы в поисках каждой отдельной записи.
Преимущества
- Ускорение запросов.
- Снижение использования ресурсов.
- Повышение уровня конкурентности.
Недостатки
- Нужно дополнительное место на диске для каждого индексированного столбца.
- Повышение нагрузки при записи для обновления индекса.
Материализованные представления
Материализованное представление — снимок результата запроса, хранящийся отдельно от исходных данных и поддерживаемый независимо. Это своего рода саммари, краткое содержание.
Преимущества
- Снятие необходимости выполнять сложные и затратные по времени запросы в потоке пользовательских запросов.
- Снижение нагрузки.
Недостатки
- Нужно дополнительное место для хранения представлений.
- Более длительное время обновления и возможная несогласованность данных в представлении.
Денормализация
Денормализация заключается в дублировании данных по нескольким таблицам для оптимизации производительности запросов. Предположим, у нас есть две таблицы: одна для клиентов (Customers) и другая для заказов (Orders). В обычной ситуации, когда мы следуем правилам нормализации данных (то есть стараемся избежать дублирования информации), в таблице Orders будет только ссылка на соответствующего клиента из таблицы Customers. Это значит, что для получения информации о заказе вместе с деталями клиента, нам придется «соединить» эти две таблицы с помощью специального SQL-запроса(join).
Однако по мере роста количества заказов, операция соединения может стать «узким местом» в производительности, потому что она требует дополнительных вычислений и времени на обработку. Здесь на помощь приходит денормализация: мы умышленно дублируем данные в разных таблицах для улучшения производительности запросов. В нашем примере, можно добавить поле CustomerName непосредственно в таблицу Orders. Таким образом, когда нам нужны детали заказа вместе с именем клиента, можно получить всю необходимую информацию из одной таблицы, без необходимости выполнять операцию соединения. Это значительно ускоряет выполнение запросов.
Преимущества
- Быстрые запросы.
- Снижение накладных расходов.
- Ускорение операций чтения.
Недостатки
- Избыточность данных.
- Сложные обновления из-за необходимости синхронизации избыточных данных по нескольким таблицам.
- Потенциальная несогласованность.
Вертикальное масштабирование
Вертикальное масштабирование заключается в увеличении аппаратных ресурсов сервера – установке более мощных CPU, большего объема ОЗУ, замена устаревших HDD на SSD.
Преимущества
- Лучшая производительность.
- Упрощенное управление.
- Снижение задержек.
Недостатки
- Есть пределы вертикального масштабирования сервера до достижения некоторых ограничений, в том числе по стоимости.
- Сбой сервера может привести к отказу в работе базы данных.
Кэширование
Кэширование состоит в хранении часто запрашиваемых данных в высокоскоростном слое хранения, отдельно от основной базы данных:
- Когда приложение получает запрос на данные, оно сначала проверяет кэш. Если данные находятся в кэше, они быстро извлекаются без обращения к базе данных.
- Если данные отсутствуют в кэше, приложение извлекает их из базы данных и сохраняет копию в кэше для будущих запросов.
Кэширование особенно полезно для данных, которые редко изменяются, но часто запрашиваются, поскольку позволяет избежать частых и ресурсоемких обращений к базе данных.
Преимущества
- Снижение нагрузки на базу данных.
- Улучшенная производительность чтения.
Недостатки
- Дополнительные сложности с реализацией стратегии кэширования.
- Риск выдачи клиенту устаревших данных.
Репликация
Репликация заключается в создании и поддержании нескольких копий данных на разных серверах или узлах. Эта техника обеспечивает высокую доступность и отказоустойчивость базы данных. В типичной модели репликации «лидер-последователь» один узел назначается лидером, а остальные становятся последователями:
- Лидер обрабатывает все операции записи, обеспечивая их согласованность и целостность – когда данные изменяются или добавляются в базу данных лидера, эти изменения автоматически распространяются на узлы-последователи.
- Лидер также может обрабатывать критические операции чтения, где требуется высокая степень согласованности. Последователи обычно используются для обработки запросов на чтение, чтобы распределить нагрузку и улучшить производительность системы.
Преимущества
- Улучшенная производительность чтения.
- Высокая доступность, даже в случае сбоя нескольких узлов-последователей.
- Горизонтальное распределение нагрузки.
Недостатки
- Вводит некоторую задержку в синхронизации данных.
- Сложность реализации.
Шардинг
Шардинг – это техника, которая разделяет одну большую базу данных на меньшие, более управляемые единицы, называемые шардами. Основные стратегии разделения базы:
- Шардинг на основе диапазона значений ключа шардинга.
- Хеш-шардинг – для определения целевого шарда к ключу шардинга применяется хеш-функция.
- Директорный шардинг –для сопоставления соответствия ключа шардинга с соответствующим шардом поддерживается отдельная таблица.
Преимущества
- Позволяет горизонтально масштабировать базу данных.
- Запросы и операции записи обрабатываются параллельно.
- Снижение затрат на оборудование по сравнению с вертикальным масштабированием.
Недостатки
- Вносит дополнительную сложность.
- Перебалансировка данных между шардами может быть сложной и времязатратной процедурой.
- Объединение данных между шардами может стать нетривиальной задачей.
Есть ли у вас собственные проверенные методы оптимизации базы данных, которые не были упомянуты в статье? Поделитесь своим опытом в комментариях!
Комментарии