Was ist der Unterschied zwischen einer ACID- und einer BASE-Datenbank?
ACID und BASE sind Datenbanktransaktionsmodelle, die bestimmen, wie eine Datenbank Daten organisiert und bearbeitet. Im Kontext von Datenbanken ist eine Transaktion jede Operation, die die Datenbank als einzelne Arbeitseinheit betrachtet. Eine Transaktion muss vollständig abgeschlossen sein, damit die Datenbank konsistent bleibt. Wenn Sie beispielsweise Geld von einem Bankkonto auf ein anderes überweisen, muss das Geld Ihr Konto verlassen und dem Konto des Drittanbieters gutgeschrieben werden. Sie können die Transaktion nicht als abgeschlossen bezeichnen, ohne dass beide Schritte ausgeführt werden.
ACID-Datenbanken priorisieren Konsistenz vor Verfügbarkeit – die gesamte Transaktion schlägt fehl, wenn in einem Schritt innerhalb der Transaktion ein Fehler auftritt. Im Gegensatz dazu priorisieren BASE-Datenbanken die Verfügbarkeit vor der Konsistenz. Anstatt die Transaktion fehlschlagen zu lassen, können Benutzer vorübergehend auf inkonsistente Daten zugreifen. Datenkonsistenz wird erreicht, aber nicht sofort.
Warum sind ACID und BASE wichtig?
Moderne Datenbanken sind verteilte Datenspeicher, die Daten über mehrere Knoten replizieren, die über ein Netzwerk miteinander verbunden sind. Sie ermöglichen es Benutzern, mehrere Datenmanipulationen wie Lese- und Schreibvorgänge in einer einzigen Transaktion durchzuführen. Benutzer erwarten, dass die Daten am Ende der Transaktion auf allen Knoten konsistent bleiben. In der theoretischen Informatik besagt der Satz von Brewer (auch CAP-Theorem genannt) jedoch, dass jeder verteilte Datenspeicher nur zwei der folgenden drei Garantien bieten kann:
- Konsistenz: Bei jedem Lesevorgang werden die zuletzt aktualisierten Daten oder ein Fehler empfangen.
- Verfügbarkeit: Jede Datenbankanforderung erhält eine erfolgreiche Antwort, ohne dass garantiert wird, dass sie die zuletzt aktualisierten Daten enthält.
- Partitionstoleranz: Das System arbeitet weiter, obwohl Nachrichten zwischen den verteilten Knoten verloren gegangen sind oder verzögert wurden.
Wenn ein Kunde beispielsweise auf einer E-Commerce-Website einen Artikel in den Warenkorb legt, sollten alle anderen Kunden sehen, dass der Lagerbestand des Produkts sinkt. Wenn der Kunde den letzten Artikel in den Warenkorb legt, sollte der Artikel für alle anderen Benutzer als nicht vorrätig angesehen werden. Falls eine Operation innerhalb einer Transaktion fehlschlägt, müssen Datenbankdesigner eine Entscheidung treffen. Die Datenbank kann eine der folgenden Aktionen ausführen:
- Stornieren Sie die Transaktion und geben Sie einen Fehler zurück, wodurch die Verfügbarkeit verringert wird, aber die Konsistenz gewährleistet wird. Der Kunde kann den Artikel nicht in seinen Warenkorb legen oder andere Kunden können die Details für alle Produkte erst laden, wenn das Hinzufügen zum Warenkorb erfolgreich ist.
- Fahren Sie mit der Operation fort und sorgen Sie so für Verfügbarkeit, riskieren Sie jedoch Inkonsistenz. Der Kunde legt einen Artikel in den Warenkorb, aber andere Kunden sehen zumindest vorübergehend falsche Lagerbestände.
In einigen Anwendungsfällen ist Konsistenz entscheidend und ACID-Datenbanken werden bevorzugt. Es gibt jedoch auch andere Anwendungsfälle, in denen dies unkritisch ist. Wenn Sie beispielsweise eine Freundschaftsanfrage in sozialen Netzwerken annehmen, spielt es keine Rolle, ob andere Benutzer vorübergehend eine falsche Anzahl von Freunden in Ihrem Social-Media-Profil sehen. Sie möchten jedoch nicht den Zugriff auf Ihren Social-Media-Feed verlieren, während die Daten sortiert werden. In solchen Szenarien wird BASE wichtig.
Schlüsselprinzipien: ACID im Vergleich zu BASE
ACID und BASE sind Akronyme für verschiedene Datenbankeigenschaften, die angeben, wie sich die Datenbank während der Online-Transaktionsverarbeitung verhält.
ACID
ACID steht für Atomarität, Konsistenz, Isolation und Haltbarkeit.
Atomarität
Atomarität stellt sicher, dass alle Schritte einer einzelnen Datenbanktransaktion entweder vollständig abgeschlossen oder in ihren ursprünglichen Zustand zurückversetzt werden. In einem Reservierungssystem müssen beispielsweise beide Aufgaben – die Buchung von Sitzplätzen und die Aktualisierung der Kundendaten – in einer einzigen Transaktion erledigt werden. Sie können keine Plätze für ein unvollständiges Kundenprofil reservieren. Wenn ein Teil der Transaktion fehlschlägt, werden keine Änderungen an den Daten vorgenommen.
Konsistenz
Konsistenz garantiert, dass Daten vordefinierten Integritätsbeschränkungen und Geschäftsregeln entsprechen. Selbst wenn mehrere Benutzer ähnliche Operationen gleichzeitig ausführen, bleiben die Daten für alle konsistent. Beispielsweise stellt Konsistenz sicher, dass bei der Überweisung von Geldern von einem Konto auf ein anderes der Gesamtbetrag vor und nach der Transaktion gleich bleibt. Wenn Konto A 200 USD und Konto B 400 USD aufweist, beträgt das Gesamtguthaben 600 USD. Nachdem A 100 USD an B überwiesen hat, weist A 100 USD und B weist 500 USD auf. Der Gesamtsaldo beträgt immer noch 600 USD.
Isolation
Die Isolation stellt sicher, dass eine neue Transaktion, die auf einen bestimmten Datensatz zugreift, wartet, bis die vorherige Transaktion abgeschlossen ist, bevor sie ihren Betrieb aufnimmt. Es stellt sicher, dass sich gleichzeitige Transaktionen nicht gegenseitig stören, wodurch die Illusion aufrechterhalten wird, dass sie seriell ausgeführt werden. Ein anderes Beispiel ist ein Inventarverwaltungssystem für mehrere Benutzer. Wenn ein Benutzer die Menge eines Produkts aktualisiert, erhält ein anderer Benutzer, der auf dieselben Produktinformationen zugreift, eine konsistente und isolierte Ansicht der Daten, die von der laufenden Aktualisierung nicht betroffen ist, bis sie abgeschlossen ist.
Zuverlässigkeit
Die Dauerhaftigkeit stellt sicher, dass die Datenbank alle übergebenen Datensätze beibehält, auch wenn das System ausfällt. Es garantiert, dass beim Festschreiben von ACID-Transaktionen alle Änderungen dauerhaft sind und nicht durch nachfolgende Systemausfälle beeinträchtigt werden. Wenn beispielsweise in einer Messaging-Anwendung ein Benutzer eine Nachricht sendet und eine Bestätigung der erfolgreichen Zustellung erhält, stellt die Haltbarkeitseigenschaft sicher, dass die Nachricht niemals verloren geht. Dies gilt auch dann, wenn die Anwendung oder der Server ausfällt.
BASE
BASE steht für „basically available, soft state, and eventually consistent“ (grundsätzlich verfügbar, weicher Zustand und schließlich konsistent). Das Akronym unterstreicht, dass BASE das Gegenteil von ACID ist, wie ihre chemischen Äquivalente.
Basically available (Grundsätzlich verfügbar)
Basically available ist die Datenbank, auf die die Benutzer jederzeit gleichzeitig zugreifen können. Ein Benutzer muss nicht warten, bis andere die Transaktion abgeschlossen haben, bevor er den Datensatz aktualisiert. Bei einem plötzlichen Anstieg des Datenverkehrs auf einer E-Commerce-Plattform kann das System beispielsweise der Bereitstellung von Produktangeboten und der Annahme von Bestellungen Priorität einräumen. Auch wenn es bei der Aktualisierung der Inventarmengen zu einer leichten Verzögerung kommt, können die Benutzer weiterhin Artikel auschecken.
Soft state (Weicher Zustand)
Soft state bezieht sich auf die Vorstellung, dass Daten vorübergehende oder temporäre Zustände haben können, die sich im Laufe der Zeit ändern können, auch ohne externe Trigger oder Eingaben. Es beschreibt den Übergangszustand des Datensatzes, wenn ihn mehrere Anwendungen gleichzeitig aktualisieren. Der Wert des Datensatzes wird schließlich erst finalisiert, wenn alle Transaktionen abgeschlossen sind. Wenn Benutzer beispielsweise einen Beitrag in sozialen Netzwerken bearbeiten, ist die Änderung möglicherweise nicht sofort für andere Benutzer sichtbar. Später wird der Beitrag jedoch von selbst aktualisiert (was die ältere Änderung widerspiegelt), obwohl kein Benutzer ihn ausgelöst hat.
Eventually consistent (schließlich konsistent)
Eventually consistent bedeutet, dass der Datensatz Konsistenz erreicht, wenn alle gleichzeitigen Aktualisierungen abgeschlossen sind. An diesem Punkt sehen Anwendungen, die den Datensatz abfragen, denselben Wert. Stellen Sie sich beispielsweise ein verteiltes Dokumentenbearbeitungssystem vor, in dem mehrere Benutzer ein Dokument gleichzeitig bearbeiten können. Wenn Benutzer A und Benutzer B denselben Abschnitt des Dokuments gleichzeitig bearbeiten, können sich ihre lokalen Kopien vorübergehend unterscheiden, bis die Änderungen übertragen und synchronisiert sind. Im Laufe der Zeit stellt das System jedoch die Konsistenz sicher, indem es die von verschiedenen Benutzern vorgenommenen Änderungen weitergibt und zusammenführt.
Hauptunterschiede: ACID im Vergleich zu BASE
Bei der Wahl zwischen ACID- und BASE-Datenbanktransaktionsmodellen gibt es Kompromisse.
Skalieren
Es ist schwieriger, ein ACID-Datenbank-Transaktionsmodell zu skalieren, da es sich auf Konsistenz konzentriert. Für jeden Datensatz ist zu jedem Zeitpunkt nur eine Transaktion zulässig, was die horizontale Skalierung schwieriger macht.
Alternativ können Sie das BASE-Datenbankmodell horizontal skalieren, da es keine strikte Konsistenz einhalten muss. Durch das Hinzufügen mehrerer Knoten im Datenbankcluster kann das BASE-Modell die Datenverfügbarkeit verbessern. Dies ist das Prinzip, das die Datenbankarchitektur bestimmt.
Flexibilität
ACID-Datenbanken sind beim Umgang mit Daten weniger flexibel. Sie müssen sofortige Konsistenz gewährleisten. Eine ACID-Datenbank kann den Zugriff auf einige Anwendungen einschränken, wenn es zu Netzwerk- oder Stromausfällen kommt. Ebenso müssen Anwendungen warten, bis sie an der Reihe sind, Daten zu aktualisieren, wenn andere Softwaremodule einen bestimmten Datensatz verarbeiten. BASE-Datenbanken sind hingegen flexibler. Anstatt strenge Einschränkungen aufzuerlegen, ermöglicht BASE Anwendungen, Datensätze zu ändern, wenn sie verfügbar sind.
Leistung
Bei einer ACID-Datenbank können Leistungsprobleme auftreten, wenn große Datenmengen verarbeitet werden oder Anfragen gleichzeitig verarbeitet werden. Da die Daten in einer strikten Reihenfolge verarbeitet werden, führt der Mehraufwand bei jeder Transaktion zu Verzögerungen, die sich auf alle Anwendungen auswirken, die auf den Datensatz zugreifen.
Im Gegensatz dazu können Anwendungen, die auf eine BASE-Datenbank zugreifen, die Datensätze jederzeit verarbeiten. Dies reduziert übermäßige Wartezeiten und verbessert den Datenbankdurchsatz.
Synchronisierung
Eine ACID-Datenbank benötigt einen Synchronisationsmechanismus, um Änderungen aus einer Transaktion festzuschreiben und sie in allen zugehörigen Datensätzen widerzuspiegeln. Gleichzeitig muss der jeweilige Datensatz für andere Parteien gesperrt werden, bis die Transaktion abgeschlossen oder verworfen wird. Eine BASE-Datenbank arbeitet dagegen ohne Sperrung der Datensätze und synchronisiert sie schließlich ohne Zeitgarantie. Bei der Arbeit mit BASE-Datenbanken wissen Entwickler, dass es bei der Verarbeitung bestimmter Datensätze zu Inkonsistenzen kommen kann, und treffen die erforderlichen Vorsichtsmaßnahmen in der Anwendung.
Einsatzbereich: ACID im Vergleich zu BASE
Trotz ihrer Unterschiede sind sowohl ACID- als auch BASE-Datenbanksysteme für unterschiedliche Anwendungen relevant. ACID ist die ideale Option für Unternehmensanwendungen, die Datenkonsistenz, Zuverlässigkeit und Vorhersagbarkeit erfordern. Beispielsweise verwenden Banken eine ACID-Datenbank, um Kundentransaktionen zu speichern, da die Datenintegrität oberste Priorität hat. BASE-Datenbanken stellen hingegen eine bessere Option für die analytische Online-Verarbeitung weniger strukturierter Daten mit hohem Datenvolumen dar. E-Commerce-Websites verwenden beispielsweise BASE-Datenbanken, um Produktpreise zu aktualisieren, die sich häufig ändern. In diesem Fall ist die Genauigkeit der Preisgestaltung weniger wichtig, als allen Kunden den Echtzeitzugriff auf den Produktpreis zu ermöglichen.
Kann eine Datenbank sowohl ACID als auch BASE sein?
Gemäß dem CAP-Theorem kann eine Datenbank zwei der drei Garantien für Konsistenz, Verfügbarkeit und Partitionstoleranz erfüllen. Sowohl das ACID- als auch das BASE-Datenbankmodell bieten Partitionstoleranz, was bedeutet, dass sie nicht gleichzeitig hochkonsistent und immer verfügbar sein können. Eine Datenbank tendiert also entweder zu ACID oder BASE, aber sie kann nicht beides sein. Beispielsweise werden SQL-Datenbanken über das ACID-Modell strukturiert, während NoSQL-Datenbanken die BASE-Architektur verwenden. Einige NoSQL-Datenbanken weisen jedoch möglicherweise bestimmte ACID-Merkmale auf, können jedoch nicht als ACID-konforme Datenbanken verwendet werden.
Zusammenfassung der Unterschiede: ACID im Vergleich zu BASE
| ACID |
BASE |
|
| Skalierbarkeit |
Vertikal skaliert. |
Horizontal skaliert. |
| Flexibilität |
Weniger flexibel. Blockiert bei der Verarbeitung bestimmte Datensätze aus anderen Anwendungen. |
Flexibler. Ermöglicht mehreren Anwendungen, denselben Datensatz gleichzeitig zu aktualisieren. |
| Leistung |
Bei der Verarbeitung großer Datenmengen sinkt die Leistung. |
Kann große, unstrukturierte Daten mit hohem Durchsatz verarbeiten. |
| Synchronisierung |
Ja. Fügt eine Verzögerung beim Synchronisieren hinzu. |
Keine Synchronisation auf Datenbankebene. |
Wie kann AWS Ihre Anforderungen an eine ACID- und BASE-Datenbank unterstützen?
AWS-Cloud-Datenbanken bieten eine Reihe von ACID- und BASE-Datenbankdiensten für jede Art von Datenanwendungsfall. Unternehmen stellen ihre Datenbanken auf AWS bereit, um Zeit bei der Bereitstellung, Skalierung und Verwaltung der Datenspeicherinfrastruktur zu sparen. Beispiel:
- Amazon DynamoDB ist ein schneller BASE-Datenbankservice, der Millisekunden-Datenverarbeitung für Cloud-Anwendungen ermöglicht.
- Amazon MemoryDB für Redis ist eine weitere BASE-Datenbank, die es Entwicklern ermöglicht, langlebige und hochverfügbare Redis-Datenbanken für Web- und Mobilanwendungen bereitzustellen.
- AWS RedShift ist ein ACID-Cloud-Data Warehouse, mit dem Sie komplexe analytische SQL-Abfragen für Business Intelligence-Anwendungsfälle ausführen können.
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