Sharding Là Gì Và Nó Hoạt Động Như Thế Nào?

Sharding là một kỹ thuật được sử dụng trong các hệ thống cơ sở dữ liệu để phân vùng dữ liệu theo chiều ngang trên nhiều máy chủ hoặc nút. Nó liên quan đến việc chia nhỏ cơ sở dữ liệu lớn thành các phần nhỏ hơn, dễ quản lý hơn được gọi là phân đoạn. Mỗi phân đoạn chứa một tập hợp con của dữ liệu và cùng với nhau, các phân đoạn tạo thành một cơ sở dữ liệu hoàn chỉnh.

Mục tiêu chính của sharding là cải thiện hiệu suất và khả năng mở rộng của hệ thống cơ sở dữ liệu. Bằng cách phân phối dữ liệu trên nhiều phân đoạn, khối lượng công việc có thể được dàn trải, cho phép xử lý song song và tăng khả năng của hệ thống để xử lý khối lượng dữ liệu lớn hơn và tốc độ giao dịch cao hơn.

Dưới đây là một số khía cạnh chính cần hiểu về sharding:

1. Phân phối dữ liệu: Sharding liên quan đến việc phân chia dữ liệu dựa trên khóa phân đoạn. Khóa phân đoạn có thể là một thuộc tính cụ thể hoặc một dải giá trị. Nó xác định cách dữ liệu được phân vùng trên các phân đoạn. Ví dụ: trong một ứng dụng truyền thông xã hội, khóa phân đoạn có thể là ID người dùng, đảm bảo rằng tất cả dữ liệu liên quan đến một người dùng cụ thể được lưu trữ trong cùng một phân đoạn.
2. Tính độc lập của phân đoạn: Mỗi phân đoạn hoạt động độc lập và có thể được đặt trên một máy chủ hoặc nút riêng biệt. Điều này cho phép thực hiện đồng thời các truy vấn và giao dịch trên các phân đoạn khác nhau. Nó cũng cung cấp khả năng cách ly lỗi, vì vậy nếu một phân đoạn bị lỗi, các phân đoạn khác có thể tiếp tục hoạt động.
3. Định tuyến truy vấn: Khi một truy vấn được tạo cho cơ sở dữ liệu, phần mềm trung gian hoặc bộ điều phối phân đoạn sẽ xác định (các) phân đoạn nào cần được truy cập dựa trên khóa phân đoạn của truy vấn. Sau đó, phần mềm trung gian sẽ định tuyến truy vấn đến (các) phân đoạn thích hợp để xử lý. Điều này đảm bảo rằng các truy vấn chỉ được hướng đến các phân đoạn có liên quan, giảm lượng dữ liệu cần xử lý.
4. Tính nhất quán của dữ liệu: Duy trì tính nhất quán giữa các phân đoạn có thể là một thách thức trong cơ sở dữ liệu phân đoạn. Các bản cập nhật ảnh hưởng đến nhiều phân đoạn, được gọi là giao dịch phân tán, cần có sự phối hợp để đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu. Các cách tiếp cận khác nhau, chẳng hạn như cam kết hai giai đoạn hoặc tính nhất quán cuối cùng, có thể được sử dụng để quản lý tính nhất quán giữa các phân đoạn.
5. Quản lý Shard: Sharding yêu cầu lập kế hoạch cẩn thận và quản lý liên tục. Số lượng phân đoạn, phân phối của chúng và lựa chọn khóa phân đoạn ảnh hưởng đến hiệu suất và khả năng mở rộng của hệ thống. Mở rộng quy mô hệ thống có thể liên quan đến việc thêm nhiều phân đoạn, phân phối lại dữ liệu hoặc xác định lại khóa phân đoạn.
6. Nhận thức về phân đoạn: Các ứng dụng tương tác với cơ sở dữ liệu được phân đoạn cần phải nhận biết về phân đoạn. Chúng phải được thiết kế để định tuyến các truy vấn một cách chính xác, xử lý các giao dịch phân tán và quản lý vị trí dữ liệu. Thực hành phát triển và thiết kế ứng dụng phù hợp là cần thiết để tận dụng lợi ích của việc phân mảnh một cách hiệu quả.

Sharding thường được sử dụng trong các hệ thống quy mô lớn, nơi các phương pháp truyền thống để mở rộng cơ sở dữ liệu, chẳng hạn như mở rộng theo chiều dọc (thêm nhiều tài nguyên vào một máy chủ), trở nên không thực tế hoặc không đủ. Nó cho phép hệ thống xử lý lượng dữ liệu khổng lồ và khối lượng công việc nặng trong khi vẫn duy trì hiệu suất và tính khả dụng.

Sharding Được Hoàn Thành Như Thế Nào?

Sharding được thực hiện thông qua sự kết hợp của kỹ thuật phân vùng dữ liệu, định tuyến truy vấn và quản lý phân đoạn. Dưới đây là tổng quan về cách sharding thường được thực hiện:

1. Phân vùng dữ liệu: Bước đầu tiên trong phân đoạn dữ liệu là chia dữ liệu thành các tập hợp con nhỏ hơn được gọi là phân đoạn. Có một số cách tiếp cận phổ biến để phân vùng dữ liệu: a. Phân vùng dựa trên phạm vi: Dữ liệu được phân chia dựa trên một phạm vi giá trị được chỉ định. Ví dụ: nếu khóa phân đoạn là dấu thời gian, thì một phân đoạn có thể chứa dữ liệu trong một khoảng thời gian cụ thể (ví dụ: ngày 1 tháng 1 đến ngày 31 tháng 1), trong khi phân đoạn khác chứa dữ liệu cho khoảng thời gian tiếp theo (ví dụ: ngày 1 tháng 2 đến ngày 28 tháng 2) .b. Phân vùng dựa trên hàm băm: Dữ liệu được phân phối trên các phân đoạn dựa trên giá trị băm của khóa phân đoạn. Hàm băm phân phối dữ liệu đồng đều, đảm bảo phân phối gần như bằng nhau trên các phân đoạn.c. Phân vùng dựa trên danh sách: Dữ liệu được phân vùng dựa trên danh sách các giá trị được xác định trước. Mỗi phân đoạn được gán một giá trị cụ thể hoặc tập hợp các giá trị cho khóa phân đoạn. Ví dụ,
2. Định tuyến truy vấn: Khi một truy vấn được thực hiện đối với cơ sở dữ liệu, phần mềm trung gian phân đoạn hoặc điều phối viên chịu trách nhiệm xác định (các) phân đoạn nào cần được truy cập. Điều này được thực hiện dựa trên khóa phân đoạn của truy vấn. Phần mềm trung gian theo dõi ánh xạ phân đoạn và định tuyến truy vấn đến (các) phân đoạn thích hợp để xử lý. Kết quả truy vấn từ nhiều phân đoạn có thể được kết hợp hoặc tổng hợp trước khi được trả lại cho người dùng.
3. Quản lý phân đoạn: Sharding yêu cầu quản lý liên tục để đảm bảo phân phối dữ liệu và cân bằng tải phù hợp. Một số nhiệm vụ phổ biến liên quan đến quản lý phân đoạn bao gồm:
   a. Tạo phân đoạn: Khi dữ liệu tăng lên, các phân đoạn mới có thể cần được tạo để đáp ứng khối lượng công việc tăng lên. Điều này liên quan đến việc phân bổ các máy chủ hoặc nút mới và phân phối lại dữ liệu trên các phân đoạn hiện có và mới.
   b. Xóa phân đoạn: Nếu kích thước dữ liệu giảm hoặc khối lượng công việc giảm, có thể cần phải xóa phân đoạn khỏi hệ thống. Dữ liệu từ phân đoạn được phân phối lại cho các phân đoạn còn lại trước khi phân đoạn ngừng hoạt động.
   c. Phân phối lại dữ liệu: Khi số lượng phân đoạn thay đổi, dữ liệu có thể cần được phân phối lại để duy trì phân phối cân bằng trên các phân đoạn. Quá trình này liên quan đến việc di chuyển dữ liệu giữa các phân đoạn đồng thời giảm thiểu thời gian chết và duy trì tính nhất quán của dữ liệu.d. Tinh chỉnh khóa phân đoạn: Việc lựa chọn khóa phân đoạn là rất quan trọng để phân đoạn hiệu quả. Theo thời gian, có thể cần phải xem xét và tinh chỉnh lựa chọn khóa phân đoạn để đảm bảo phân phối dữ liệu đồng đều và hiệu suất truy vấn tối ưu.

Sharding yêu cầu lập kế hoạch và phối hợp cẩn thận để đảm bảo tính nhất quán của dữ liệu, định tuyến truy vấn hiệu quả và quản lý hiệu quả các phân đoạn. Điều quan trọng là phải xem xét các yếu tố như phân phối dữ liệu, mẫu truy vấn, yêu cầu về khả năng mở rộng và độ phức tạp của hệ thống khi triển khai chiến lược phân mảnh.

Sharding có thể có ý nghĩa đối với bảo mật trong hệ thống cơ sở dữ liệu. Dưới đây là một số cân nhắc về bảo mật khi triển khai sharding:

1. Phân đoạn dữ liệu: Sharding liên quan đến việc chia dữ liệu thành các tập hợp con hoặc phân đoạn nhỏ hơn. Điều quan trọng là phải xem xét cẩn thận cách dữ liệu được phân đoạn để đảm bảo rằng thông tin nhạy cảm hoặc bí mật được bảo vệ thích hợp. Ví dụ: bạn có thể muốn tránh đặt dữ liệu có độ nhạy cảm cao vào cùng một phân đoạn với dữ liệu ít nhạy cảm hơn để giảm thiểu rủi ro truy cập trái phép.
2. Kiểm soát truy cập: Cơ sở dữ liệu được phân đoạn cần có cơ chế kiểm soát truy cập mạnh mẽ để đảm bảo rằng chỉ những người dùng hoặc ứng dụng được ủy quyền mới có thể truy cập vào các phân đoạn hoặc dữ liệu cụ thể. Kiểm soát truy cập dựa trên vai trò (RBAC), chính sách kiểm soát truy cập chi tiết và cơ chế xác thực mạnh nên được triển khai để thực thi các hạn chế truy cập và bảo vệ dữ liệu nhạy cảm khỏi truy cập trái phép.
3. Mã hóa: Mã hóa dữ liệu ở trạng thái nghỉ và đang truyền là điều cần thiết để bảo vệ tính bảo mật của dữ liệu. Sharding không nên ảnh hưởng đến việc sử dụng các cơ chế mã hóa. Mỗi phân đoạn phải được triển khai mã hóa để bảo vệ dữ liệu trong phân đoạn đó. Ngoài ra, khi dữ liệu được truyền giữa các phân đoạn hoặc trong quá trình định tuyến truy vấn, nên sử dụng các giao thức mã hóa thích hợp (chẳng hạn như TLS/SSL) để ngăn nghe lén hoặc giả mạo.
4. Tính toàn vẹn của dữ liệu: Duy trì tính toàn vẹn của dữ liệu trên các phân đoạn là rất quan trọng. Các giao dịch phân tán liên quan đến nhiều phân đoạn phải đảm bảo rằng tất cả các thay đổi dữ liệu đều được thực hiện thành công trên tất cả các phân đoạn có liên quan hoặc được khôi phục trong trường hợp không thành công. Điều này đảm bảo rằng tính toàn vẹn của tập dữ liệu tổng thể được duy trì và không có sửa đổi trái phép hoặc sự không nhất quán nào được đưa ra.
5. Kiểm tra và ghi nhật ký: Cơ sở dữ liệu được phân mảnh phải có cơ chế kiểm tra và ghi nhật ký toàn diện. Điều này bao gồm theo dõi và ghi nhật ký tất cả các hoạt động quan trọng, nỗ lực truy cập và sửa đổi được thực hiện đối với dữ liệu. Ghi nhật ký và giám sát tập trung có thể giúp phát hiện mọi hoạt động đáng ngờ hoặc vi phạm bảo mật trên nhiều phân đoạn.
6. An ninh mạng: Cơ sở dữ liệu được chia sẻ thường liên quan đến nhiều máy chủ hoặc nút giao tiếp với nhau. Điều cần thiết là bảo mật giao tiếp mạng giữa các phân đoạn, đảm bảo rằng nó được bảo vệ khỏi truy cập trái phép, nghe lén hoặc chặn. Các biện pháp bảo mật mạng mạnh mẽ, chẳng hạn như tường lửa, VPN và các giao thức liên lạc an toàn, nên được triển khai để bảo mật liên lạc giữa các phân đoạn.
7. Tuân thủ và quy định: Tùy thuộc vào bản chất của dữ liệu được lưu trữ, các quy định cụ thể của ngành hoặc yêu cầu tuân thủ (chẳng hạn như GDPR, HIPAA hoặc PCI DSS) có thể cần được xem xét. Các chiến lược chia sẻ phải phù hợp với các quy định này để đảm bảo quyền riêng tư, bảo vệ và tuân thủ dữ liệu.
8. Quản lý lỗ hổng bảo mật: Nên tiến hành đánh giá bảo mật thường xuyên, quét lỗ hổng và kiểm tra thâm nhập trên hệ thống cơ sở dữ liệu đã phân mảnh để xác định và giải quyết bất kỳ lỗ hổng bảo mật nào. Việc vá kịp thời các lỗ hổng phần mềm và chương trình cơ sở cũng như tuân theo các biện pháp bảo mật tốt nhất sẽ giúp giảm thiểu các rủi ro bảo mật tiềm ẩn.

Phần Kết Luận