آشنایی با دیتابیس غیر رابطه‌ای Cassandra
آپاچی کاساندرا یک دیتابیس NoSQL با ویژگی‌های قدرتمند، قابل اعتماد و با معماری توزیع شده برای مدیریت داده‌ها در حجم بالا است. قابلیت‌های منحصربه‌فرد این سیستم باعث شده تا شرکت‌های بزرگی در دنیا از آن برای انتقال داده‌ها با سرعت بالا استفاده کنند. فیسبوک، توییتر، ردیت و حتی پلتفرم‌های چندرسانه‌ای مانند نتفلیکس، همگی به کساندرا متکی هستند. Cassandra همچنین به‌طور مرتب به‌روزرسانی شده و برای کاربردهای متنوع، مناسب است. در ادامه بیشتر درباره این که Cassandra چیست و چه قابلیت‌هایی دارد، توضیح می‌دهیم.
دیتابیس Cassandra چیست؟
قبل از بررسی جزئیات مختلف درباره این دیتابیس، بیایید ببینیم که Cassandra چیست و به چه منظوری طراحی شده است. دیتابیس کَساندرا که در ایران تحت عنوان کاساندرا شناخته می‌شود، یک سیستم منبع‌باز ذخیره‌سازی داده NoSQL است. این پایگاه داده از یک معماری توزیع‌شده با قابلیت مقیاس‌پذیری پیشرفته و اطمینان بالا برخوردار بوده و سازمان آپاچی مدیریت آن را برعهده دارد.
در دنیای امروزه داده‌ها نقش مهمی دارند و در حجم بسیار بالایی ثبت و ردوبدل می‌شوند. همواره داده‌های جدیدی برای پردازش وجود دارد و از طریق برنامه‌های مختلف باید به آنها دسترسی پیدا کرد، اما قبل از هر چیز، باید این داده‌ها در جایی ذخیره شوند. دیتابیس، جایی است که این داده‌ها در آن ذخیره می‌شود. علاوه بر ذخیره‌سازی، برخی دیتابیس‌ها امکان اجرای برخی تغییرات و دست‌کاری‌ها روی داده‌ها را فراهم می‌کنند. آپاچی کاساندرا نیز یک دیتابیس NoSQL محسوب می‌شود که میتواند حجم زیادی از داده‌ها را در سرورهایی از جمله سرور ابری مدیریت کند.
دیتابیس کاساندرا همچنین مشکل تنها نقطه شکست سرویس یا Single Point of Failiure را از طریق امکان ثبت داده‌ها در چندین نود، رفع می‌کند. به این ترتیب حتی با از دست رفتن یکی از نودها، سیستم دیتابیس بدون از درست رفتن اطلاعات و وقفه در عملکرد، به سرویس‌دهی ادامه می‌دهد.
بیشتر بخوانید: دیتابیس NoSQL چیست؟
نگاهی به تاریخچه دیتابیس کاساندرا
برای درک روند پیشرفت این سیستم دیتابیس، لازم است ببینیم که تاریخچه Cassandra چیست و این سیستم چه مسیری را تا امروز طی کرده است. در ابتدا، آپاچی کاساندرا به‌صورت منبع‌باز و برای فیسبوک طراحی و در سال ۲۰۰۸ منتشر شد. پس از آن، از سال ۲۰۱۰ به بعد این سیستم اهمیت بیشتری پیدا کرد و حالا یکی از بهترین دیتابیس‌های NoSQL به شمار می‌رود. سهولت توسعه و کاربری ساده با قابلیت‌های متعدد، باعث شد تا هزاران شرکت و سازمان در جهان برای مدیریت داده‌های خود از cassandra استفاده کنند.
هر نسخه منتشر شده آپاچی کاساندرا، با به‌روزرسانی‌ها و قابلیت‌های کلیدی جدید مرتباط با Memtableهای خودتنظیم، زبان کوئری CQL (مخفف Cassandra Query Language)، قابلیت‌های فشرده‌سازی بهبود یافته و نیز بهبود عملکرد خواندن از دیتابیس همراه است.
نحوه عملکرد آپاچی کاساندرا
آپاچی کاساندرا میتواند حجم بسیار عظیمی از دیتا را که روی دیتاسنتر ابری ذخیره شده، مدیریت نماید. برای درک این که روش کار Cassandra چیست و چطور کار می‌کند، باید سه فرایند اساسی این سیستم، شامل ساختار معماری، سیستم پارتیشن‌بندی و قابلیت تکرار یا replicability آن را بررسی کنیم.
معماری کاساندرا
معماری اولیه کاساندرا شامل یک کلاستر از نودها است. این دیتابیس به‌صورت سیستم peer-to-peer ساخته شده و بر اساس آن، هر نود، میزان اهمیت کاملا یکسان با سایر نودها دارد. هر نود مسئول ذخیره داده‌ها است و یک گروه از نودها، «دیتاسنتر» نامیده می‌شوند. دیتاسنترها، ترکیبی از یک «کلاستر» را تشکیل می‌دهند و کلاسترها وظیفه پردازش داده را به عهده دارند.
یکی از نکات قابل توجه درباره معماری آپاچی کاساندرا آن است که می‌توان برای مدیریت حجم بیشتری از داده‌ها، آن را گسترش داد. زمانی که نودها را افزایش می‌دهید، می‌توانید بدون ایجاد فشار اضافی بر سیستم، حجم داده‌های قابل ذخیره‌سازی را افزایش دهید. همچنین این قابلیت به‌صورت معکوس نیز امکان‌پذیر است. به این معنی که توسعه‌دهندگان با کاهش تعداد نودها، می‌توانند در صورت لزوم یک سیستم دیتابیس کوچک‌تر داشته باشند و به این ترتیب در منابع سرورها صرفه‌جویی کنند. نکته مهم‌تر این است که در فرایند تغییر مقیاس، سرویس‌دهی دیتابیس بدون وقفه ادامه پیدا می‌کند.
زمانی که این سیستم را با دیتابیس‌های SQL که افزایش ظرفیت آنها پیچیدگی زیادی دارد مقایسه می‌کنیم، می‌توانیم به‌سادگی متوجه شویم که دلیل مزیت Cassandra چیست و چرا نسبت به پایگاه داده SQL برتری دارد. در مقابل باید اشاره کرد که در دیتابیس‌های مبتنی بر SQL در صورتی که قصد تغییر مقیاس داشته باشید، باید با توقف عملکرد دیتابیس برای مدتی مشخص، کنار بیایید.
سیستم پارتیشن بندی
در کاساندرا، سیستم پاریشن‌بندی (Partitioning) است که ذخیره‌سازی، بازیابی و مکان ذخیره کپی از داده‌ها را مشخص می‌کند. تمامی این فرایند از طریق کلید پارتیشن انجام می‌شود. هر نود در پایگاه داده، یک توکن مبتنی بر کلید پارتیشن را نگه می‌دارد. این توکن به سیستم کمک می‌کند مکان داده‌ها را مشخص نماید. هنگامی که یک کلاینت به دیتابیس متصل می‌شود، نود هماهنگ کننده اطمینان پیدا می‌کند که داده از نود صحیح دریافت می‌شود. این عملیات با کمک توکن‌های نودها و یک تابع هش کلید پارتیشن انجام می‌شود.
تکرارپذیری (replicability) کاساندرا
فرایند عملکرد دیگر در آپاچی کاساندرا مربوط به تکرار داده‌ها در نودهای تکرار شده یا به عبارتی رپلیکا است. دیتابیس آپاچی کاساندرا از ضریب تکرار (مخفف replication factor یا به طور خلاصه RF) برای مشخص کردن تعداد رپلیکایی که باید ایجاد شود استفاده می‌کند. برای مثال، ضریب تکرار ۳ به این معنی است که ۳ نود، محدوده یکسانی از توکن‌ها را پوشش می‌دهند و داده‌های مشابهی را ذخیره می‌کنند. قابلیت رپلیکا دلیل اصلی قابلیت اطمینان بالای کاساندرا است.
زمانی که یک نود به طور موقت یا دائمی از کار بیفتد، سایر نودها روند کار خود را ادامه می‌دهند و در نتیجه، نگرانی بابت از دست دادن داده‌ها وجود نخواهد داشت. چنانچه یک نود به شکل موقت دچار مشکل شود، دوباره به مسیر خود باز می‌گردد، با تغییراتی که هنگام عدم حضورش اتفاق افتاده، آپدیت می‌شود و به سرعت به عملکرد عادی خود باز می‌گردد. این روند، به‌خوبی نشان می‌دهد که دلیل قابل اطمینان بودن Cassandra چیست و چرا با استفاده از آن دیگر نیازی نیست نگران داده‌های خود باشید.
۶ کاربرد اساسی دیتابیس کاساندرا
تا اینجا دیدیم که ویژگی‌ها و مزایای Cassandra چیست و چرا این دیتابیس تا این اندازه محبوب شده است، در ادامه کاربردهای اساسی این دیتابیس را بررسی می‌کنیم. شرکت‌های بزرگ و کوچک متعددی در دنیا از کاساندرا استفاده می‌کنند. برخی از حوزه‌های کاربرد اساسی کساندرا عبارت‌اند از:
کاربردهای مرتبط با مشاغل فروش آنلاین و تجارت الکترونیک
یکی از حساس‌ترین حوزه‌های کاربرد کاساندرا مربوط به مشاغل آنلاین و تجارت الکترونیک (e-Commerce) است. فعالیت در این حوزه، نیازمند اطلاع از زمان‌های اوج کاری یا دان تایم احتمالی است. طبیعتاً هیچ مشتری و یا فروشنده‌ای در این حوزه، نمی‌خواهد به دلیل مشکلات سیستم داده، اطلاعات مالی مهم را از دست بدهد. به همین دلیل، کاساندرا با قابلیت اطمینان در سطح بالا و تضمین حفظ داده‌ها، وارد عمل می‌شود. همچنین به لطف مقیاس‌پذیری بالای آپاچی کافکا می‌توان از آن در کاربردهای کوچک و محدود تا تجارت الکترونیک در مقیاس بسیار بالا، استفاده کرد. علاوه بر این به دلیل قابلیت ثبت و ذخیره اطلاعات و فعالیت‌های بازدیدکنندگان، وب‌سایت‌های فروش آنلاین از کساندرا استفاده می‌کنند.
وب‌سایت‌های سرگرمی
وب‌سایت‌های ارائه فیلم، بازی و موسیقی می‌توانند رفتارها و ترجیحات خاص مشتریان خود از جمله کلیک‌ها، موارد دانلود شده، زمان صرف شده در سایت و… را پیگیری کنند. این روند به ارائه محتواهای پربازدیدتر و محبوب‌تر به کاربران کمک می‌کند.
اینترنت اشیا (IoT)
در دنیای امروزه، شاهد ظهور و گسترش استفاده از تکنولوژی اینترنت اشیا یا همان IoT هستیم. ما به طور پیوسته در حال تبادل اطلاعات داده‌های متعدد مرتبط با گجت‌های پوشیدنی، سنسورها، حسگرهای ترافیک، گوشی‌های موبایل، سنسورهای آب‌وهوا، دستگاه‌های شناسایی مصرف انرژی و … هستیم. این حجم از داده‌ها به سادگی می‌توانند از دست بروند. اما دیتابیس کاساندرا با قابلیت نگهداری حجم عظیمی از داده‌ها و فراهم کردن امکان تحلیل داده به صورت در لحظه و بلادرنگ، راهکاری برای ذخیره‌سازی داده‌های مربوط به تجهیزات اینترنت اشیا است.
سیستم‌های احراز هویت
بسیاری از شرکت‌ها، بانک‌ها، بیمه‌ها و سایر مؤسسات مالی، برای جلوگیری از تقلب در روند احراز هویت مشتریان خود به یک سیستم امن برای ذخیره داده‌ها نیاز دارند. کاساندرا به لطف تجزیه‌وتحلیل مداوم داده‌ها به کمک یادگیری ماشین و هوش مصنوعی، توانایی مدیریت حجم بالایی از اطلاعات و بهره‌مندی از اسکما انعطاف‌پذیر برای پردازش انواع مختلف داده‌ها، میتواند طیف گسترده‌ای از فعالیت‌های اینترنتی را کنترل کرده و به محض شناسایی الگوها و بی‌نظمی‌های امنیتی، هشدار می‌دهد.
پلتفرم‌های پیام رسان
در حال حاضر، پلتفرم‌های پیام‌‌رسان متعددی استفاده می‌شوند که داده‌های تبادل شده از طریق آنها، به حفظ و نگهداری امن نیاز دارد. cassandra به دلیل ظرفیت بالای ذخیره‌سازی امن داده‌ها و نیز پایداری بالا، میتواند توسط این پلتفرم‌ها استفاده شود.
استفاده در لجستیک و مدیریت دارایی
برای ردیابی اطلاعات مربوط به تبادل کالا در تدارکات و مدیریت دارایی، می‌توان از آپاچی کاساندرا استفاده کرد. از خرید تا تحویل نهایی می‌توانید به برنامه‌هایی که از کاساندرا استفاده می‌کنند، اعتماد کنید. این قابلیت به‌ویژه برای شرکت‌های لجستیکی بزرگ که به‌صورت مداوم مقدار زیادی داده را پردازش می‌کنند، اهمیت زیادی دارد.
هریک از این موارد، کاربردهایی هستند که نشان می‌دهد اهمیت Cassandra چیست و به چه دلیل به سرعت توانست در سراسر دنیا توسط افراد یا سازمان‌های مختلف مورداستفاده قرار گیرد.
مزایای آپاچی Cassandra چیست؟
حالا که می‌دانیم Cassandra چیست، می‌توانیم ویژگی‌ها و قابلیت‌های آن را بررسی کنیم. مهم‌ترین ویژگی‌های این سیستم دیتابیس عبارت‌اند از:
دسترسی به‌صورت منبع‌باز
طبیعتاً امکان استفاده رایگان از یک پلتفرم، یک ویژگی عالی به شمار می‌رود. یکی از دلایل اصلی محبوبیت آپاچی کاساندرا نیز، همین موضوع است.
طراحی توزیع شده
یکی دیگر از مهم‌ترین ویژگی‌های cassandra، طراحی توزیع شده آن است که به جای داشتن یک سیستم مرکزی، روی چندین نود اجرا می‌شود. همه نودها از اهمیت یکسانی برخوردار است. توزیع یکسان و گسترده داده‌ها در بین نودها، به معنای عدم تأثیر از دست دادن یک نود روی عملکرد کلی سیستم است. این قابلیت برای سازمان‌ها و شرکت‌های مختلف از اهمیت بالایی برخوردار است، زیرا از دست دادن بخش‌هایی از داده‌ها، برای آنها جبران‌ناپذیر است.
مقیاس‌پذیری
به دلیل مقیاس‌پذیری بالای کاساندرا، می‌توان آن را برحسب نیاز گسترش داده و یا کوچک کرد. این ویژگی نیز به لطف معماری نودهای cassandra فراهم شده و به‌عنوان یک توسعه‌دهنده یا سازمان، می‌توانید آن را مطابق با نیاز خود تغییر دهید. برای گسترش یا کوچک کردن این سیستم دیتابیس، تنها کافی است به‌راحتی نودها را اضافه یا حذف کنید. نکته جذاب درباره مقیاس‌پذیری این سیستم، آن است که با کاهش یا افزایش نودها، در طول فرایند با هیچ کندی، مکث یا مشکلی مواجه نمی‌شوید. یعنی کاربران تأثیر این کار را متوجه نشده و عملکرد روان فراهم می‌شود.
زبان کوئری کاساندرا
می‌دانیم که کاساندرا یک دیتابیس غیر رابطه‌ای یا non-relational است و به همین دلیل، از زبان کوئری SQL استفاده نمی‌کند. زبان کوئری این سیستم، CQL یا Cassandra Query Language است. اگرچه ادمین‌ها ممکن است با یادگیری یک زبان جدید مشکل داشته باشند، اما باید بدانید که CQL شباهت زیادی به SQL داشته و با داده‌های مبتنی بر سطر و ستون کار می‌کند. البته این زبان انعطاف‌پذیری SQL را نداشته و با ترکیب سیستم مدیریت دیتابیس جدولی و key-value، با استفاده از عملکردهای متنوع عمل می‌کند.
تحمل خطا
به نظر شما، دلیل مقاومت بالای Cassandra چیست و چرا خطاها روی داده‌های آن تأثیری ندارد؟! کاساندرا به دلیل قابلیت تکرار پذیری، در برابر خطاها مقاوم است. همین موضوع باعث می‌شود تا سیستم، توانایی بالایی برای ذخیره اطلاعات داشته باشد؛ زیرا داده‌های یکسان در مکان‌ها و نودهای مختلف ذخیره می‌شوند. با توجه به این‌که داده‌ها در نودهای مختلف در کلاستر نگهداری می‌شود، خرابی یک نود با دیتاسنتر منجر به توقف سیستم نمی‌شود و سطح بالایی از پشتیبان‌گیری و بازیابی فراهم شده است.
عدم وابستگی به اسکیما
دیتابیس SQL از یک اسکیما ثابت بهره میبرد که ذات سخت و ثابت آن را موجب شده است. اما دیتابیس کاساندرا یک دیتا مدل با اسکیما اختیاری است که اجازه ایجاد هر تعداد سطر و ستون را به اپراتور می‌دهد.
نوشتن سریع
یکی از معروف‌ترین ویژگی‌های کاساندرا، توان عملیاتی بالای آن است که اندازه دیتابیس نیز مانعی برای این توان عملیاتی ایجاد نمی‌کند. توانایی بالای این سیستم برای نوشتن سریع، نتیجه فرایند مدیریت داده‌های آن است.
معماری peer-to-peer
در آپاچی کاساندرا از یک مدل معماری peer-to-peer استفاده شده که همه نودها در آن برابر هستند. این روش، برخلاف برخی مدل‌های دیتابیس با رابطه slave و master است که در آنها یک واحد عملکرد واحدهای دیگر را هدایت کرده و واحد دیگر فقط با واحد مرکزی یا master ارتباط برقرار می‌کند. اما در کاساندرا، واحدهای مختلف می‌توانند به‌صورت یکسان با یکدیگر ارتباط برقرار کنند.
این موارد، از مهم‌ترین ویژگی و مزایای کاساندرا هستند که نشان می‌دهد دلیل محبوبیت و کاربردی بودن Cassandra چیست.
معایب Cassandra چیست؟
علی‌رغم تمام مزایا و ویژگی‌های مهمی که در آپاچی کاساندرا وجود دارد، این سیستم دیتابیس ممکن است با برخی محدودیت‌ها نیز همراه باشد. مهم‌ترین محدودیت‌های این سیستم عبارت است از:
- عدم داشتن هرگونه مستندات رسمی از آپاچی
- عدم پشتیبانی از ویژگی‌های یک دیتابیس ACID و نیز دیتابیس رابطه‌ای
- عملکرد نه چندان بهینه در فرایند خواندن داده برخلاف برتری قابل توجه در نوشتن
- احتمال بروز تأخیر در زمان مدیریت حجم بالایی از داده‌ها و درخواست‌ها
- عدم پشتیبانی از aggregates و subquerie
- بروز مشکلات مدل حافظه جاوا به دلیل ذخیره چندباره داده‌های یکسان
سخن پایانی
در این مطلب، بررسی کردیم که Cassandra چیست و به چه منظور استفاده می‌شود. آپاچی کافکا یک سیستم مدیریت دیتابیس قوی، غیر رابطه‌ای و با ویژگی‌های کاربردی است که به شرکت‌های کوچک و بزرگ کمک می‌کند تا داده‌های خود را در هر مقیاسی، حفظ و ثبت کنند. این دیتابیس همچنین در اینترنت اشیا، پیام‌رسان‌ها، مشاغل آنلاین و تجارت الکترونیک، سایت‌های سرگرمی و … استفاده می‌شود.
