{"id":11419,"date":"2021-03-25T12:56:58","date_gmt":"2021-03-25T11:56:58","guid":{"rendered":"https:\/\/www.nazwa.pl\/blog\/?p=11419"},"modified":"2022-06-24T12:09:50","modified_gmt":"2022-06-24T10:09:50","slug":"synergia-dzialania-mongodb-z-intel-optane","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.nazwa.pl\/blog\/synergia-dzialania-mongodb-z-intel-optane","title":{"rendered":"Synergia dzia\u0142ania nierelacyjnej bazy danych MongoDB z szybkimi dyskami Intel Optane na hostingu nazwa.pl"},"content":{"rendered":"

Hosting w Polsce i na \u015bwiecie od wielu lat bazuje na dyskach HDD i SSD, dlatego znamy ju\u017c ich wady i zalety. Kolejnym krokiem na drodze rozwoju rynku hostingowego sta\u0142y si\u0119 dyski Intel Optane, kt\u00f3re\u00a0obecnie s\u0105 dost\u0119pne w Polsce tylko na serwerach nazwa.pl. Wielokrotne zwi\u0119kszenie wydajno\u015bci serwis\u00f3w obs\u0142ugiwanych przez nazwa.pl jest niezaprzeczalne. Czy mo\u017cna jednak przyspieszy\u0107 swoj\u0105 stron\u0119 jeszcze bardziej? To mo\u017cliwe, je\u015bli zaprojektujemy j\u0105 tak, by opiera\u0142a si\u0119 na nierelacyjnych bazach MongoDB. Zapraszam do artyku\u0142u, z kt\u00f3rego dowiesz si\u0119, co mo\u017cna zyska\u0107 w przypadku po\u0142\u0105czenia Intel Optane z MongoDB.<\/p>\n

Czym si\u0119 r\u00f3\u017cni relacyjna baza danych od nierelacyjnej?<\/strong><\/h2>\n

Dla przypomnienia i utrwalenia warto zacz\u0105\u0107 od okre\u015blenia r\u00f3\u017cnic mi\u0119dzy bazami relacyjnymi a\u00a0nierelacyjnymi (NoSQL).<\/p>\n

Jak dzia\u0142aj\u0105 relacyjne bazy danych?<\/strong><\/h3>\n

Bazy relacyjne, takie jak MariaDB<\/a>, stosuj\u0105 dobrze znane podej\u015bcie do\u00a0magazynowania informacji. Jak\u00a0wida\u0107 na rysunku 1, dane s\u0105 budowane i przetrzymywane w z g\u00f3ry za\u0142o\u017conym schemacie, stanowi\u0105cym \u015bci\u015ble okre\u015blon\u0105 relacj\u0119 mi\u0119dzy obiektami. Budow\u0119\u00a0rozbudowanej relacyjnej bazy danych mo\u017cna por\u00f3wna\u0107 do drzewa, kt\u00f3rego tabele to li\u015bcie, a\u00a0relacje mi\u0119dzy nimi przypominaj\u0105 ga\u0142\u0119zie.<\/p>\n

\"Rysunek<\/p>\n

Rysunek 1. Przyk\u0142ad budowy relacyjnej bazy danych.<\/p>\n

Jak dzia\u0142aj\u0105 nierelacyjne bazy danych?<\/strong><\/h3>\n

Z drugiej strony rysunek 2 prezentuje bazy nierelacyjne, czyli np. wspomnian\u0105 ju\u017c wcze\u015bniej MongoDB. Zauwa\u017cy\u0107 mo\u017cna podstawow\u0105 zmian\u0119 w postaci braku ga\u0142\u0119zi mi\u0119dzy obiektami zawieraj\u0105cymi dane, czyli braku \u201esztywno\u201d zadeklarowanych relacji mi\u0119dzy danymi. Warto zauwa\u017cy\u0107, \u017ce gdy m\u00f3wi si\u0119\u00a0o\u00a0bazach nierelacyjnych, stosowane jest ju\u017c okre\u015blenie obiekty,<\/em> zamiast tabele<\/em> i wynika to\u00a0z\u00a0zupe\u0142nie innej charakterystyki budowy tych baz. NoSQL nie opieraj\u0105 si\u0119 o tabele czy kolumny, ale\u00a0\u2013\u00a0w\u00a0przypadku MongoDB<\/a> \u2013 o\u00a0 dokumenty. Na rysunku 2 dokument o nazwie \u201cPOSTY\u201d zawiera wszystkie obiekty.<\/p>\n

\"Rysunek<\/p>\n

Rysunek 2. Przyk\u0142ad budowy nierelacyjnej bazy danych.<\/p>\n

Bazy NoSQL mog\u0105 korzysta\u0107 z r\u00f3\u017cnych modeli (klucz-warto\u015b\u0107, dokument, graf etc.). Spo\u015br\u00f3d nich najcz\u0119\u015bciej stosowanymi s\u0105 dokumenty. Ka\u017cdy taki dokument zawiera obiekty opisane i zapisane za\u00a0pomoc\u0105 j\u0119zyka JSON, a za przeprowadzanie na nich operacji odpowiedzialny jest silnik bazy. Jest\u00a0to\u00a0mo\u017cliwe dzi\u0119ki przetrzymywaniu dokument\u00f3w w bazie, a co za tym idzie, adresowaniu ich przy u\u017cyciu unikatowego klucza.<\/p>\n

Dzi\u0119ki takiemu podej\u015bciu bazy nierelacyjne, niezale\u017cnie od swojej wielko\u015bci, doskonale si\u0119 skaluj\u0105 i\u00a0zachowuj\u0105 praktycznie taki sam czas dost\u0119pu. S\u0105 r\u00f3wnie\u017c lepiej dostosowane do przerw podczas transmisji. Przyk\u0142adowo, przy relacyjnych bazach danych, w razie przerwy w wykonywaniu zapytania, dane s\u0105 odrzucane w ca\u0142o\u015bci. W przypadku baz nierelacyjnych dane znajduj\u0105 si\u0119 w niej do\u00a0momentu przerwy. Takie podej\u015bcie oczywi\u015bcie mo\u017ce nie\u015b\u0107 ze sob\u0105 problemy, ale dobrze zaplanowane i\u00a0przewidziane procedury pozwalaj\u0105 ten fakt wykorzysta\u0107 i zminimalizowa\u0107 downtime. Je\u015bli doda\u0107 do\u00a0tego jeszcze \u0142atwo\u015b\u0107 zmiany konstrukcji bazy, wynikaj\u0105c\u0105 z budowy NoSQL, otrzymany produkt ucieszy ka\u017cdego developera.<\/p>\n

Kolejnym wa\u017cnym aspektem jest silnik u\u017cywany przez MongoDB, jednak na nim skupimy si\u0119 po\u00a0przedstawieniu dysk\u00f3w Intel Optane i om\u00f3wieniu ich pozycji w hierarchii dysk\u00f3w.<\/p>\n

Jakie dyski s\u0105 stosowane na hostingach?<\/strong><\/h2>\n

Dyski p\u00f3\u0142przewodnikowe SSD, dzi\u0119ki szybko\u015bci zapisu i odczytu, zrewolucjonizowa\u0142y spos\u00f3b przechowywania danych. Poniewa\u017c ich cena ci\u0105gle spada, sta\u0142y si\u0119 powszechnie dost\u0119pne. Obecnie\u00a0do\u015b\u0107 cz\u0119stym podej\u015bciem jest stosowanie dysk\u00f3w SSD jako systemowych lub bazodanowych, podczas gdy talerzowych HDD u\u017cywa si\u0119 jako magazyn\u00f3w backup\u00f3w, multimedi\u00f3w itp. Takie dzia\u0142anie sprawdza si\u0119, ale tylko w przypadkach zastosowa\u0144 domowych lub w ma\u0142ych biznesach.<\/p>\n

Wed\u0142ug powiedzenia \u201ekto si\u0119 nie rozwija, ten si\u0119 cofa\u201d, firmy hostingowe s\u0105 tymi, kt\u00f3re wyznaczaj\u0105 kierunki rozwoju bran\u017cy. Doskona\u0142ym przyk\u0142adem jest nazwa.pl, kt\u00f3ra niezmiennie od lat k\u0142adzie ogromny nacisk, aby stosowana przez ni\u0105 technologia wyprzedza\u0142a konkurencyjne rozwi\u0105zania<\/a>.<\/p>\n

\"Rysunek<\/p>\n

Rysunek 3. Piramida pami\u0119ci wed\u0142ug szybko\u015bci i wielko\u015bci.<\/p>\n

Rysunek 3 prezentuje piramid\u0119 rodzaj\u00f3w pami\u0119ci wed\u0142ug ich szybko\u015bci i wielko\u015bci. Najni\u017cej znajduj\u0105 si\u0119 dyski HDD i ta\u015bmy magnetyczne, kt\u00f3re charakteryzuj\u0105 si\u0119 najwi\u0119kszymi pojemno\u015bciami, ale\u00a0s\u0105\u00a0najwolniejsze. Nad nimi znajduje si\u0119 pozbawione mechanicznych talerzy SSD ze znacznie lepszymi czasami zapisu i odczytu. Problematyczne jest jednak pogorszenie wspomnianych parametr\u00f3w przy du\u017cym obci\u0105\u017ceniu. Na kolejnej pozycji s\u0105 dyski Intel Optane wykonane w technologii 3D XPoint<\/a>. Na\u00a0samej g\u00f3rze jest dynamiczna pami\u0119\u0107 DRAM, o kt\u00f3rej w skr\u00f3cie mo\u017cna powiedzie\u0107, \u017ce\u00a0jest najszybsza, ale dane s\u0105 ulotne i bez napi\u0119cia traci si\u0119 je bezpowrotnie.<\/p>\n

Intel Optane z innowacyjn\u0105 technologi\u0105 3D XPoint<\/strong><\/h2>\n

Nazwa technologii 3D XPoint wynika z budowy kom\u00f3rki pami\u0119ci, kt\u00f3ra przypomina tr\u00f3jwymiarow\u0105 szachownic\u0119 (rysunek 4). W por\u00f3wnaniu do DRAM takie podej\u015bcie pozwoli\u0142o nawet 10x zwi\u0119kszy\u0107 g\u0119sto\u015b\u0107 danych, a to z kolei oznacza mo\u017cliwo\u015b\u0107 przetrzymywania wi\u0119kszej ilo\u015bci danych i mniejszy koszt produkcji.<\/p>\n

\"Rysunek<\/p>\n

Rysunek 4. Budowa 3D XPoint (https:\/\/upload.wikimedia.org\/wikipedia\/commons\/2\/2b\/3D_XPoint.png)<\/p>\n

Warto zaznaczy\u0107, \u017ce spo\u015br\u00f3d, tak zwanych, nieulotnych pami\u0119ci, znajduje si\u0119 ona na szczycie piramidy (rysunek 3). Pami\u0119\u0107 Intel Optane w realnym zastosowaniu mo\u017ce pochwali\u0107 si\u0119 odczytem na poziomie 2,5 GB\/s i zapisem 2,2 GB\/s, podczas gdy SSD w technologii NAND notuje odczyt na poziomie 1,8 GB\/s, ale zapis ju\u017c tylko na poziomie 0,56 GB\/s. Dodaj\u0105c do tego liczb\u0119 operacji wej\u015bcia\/wyj\u015bcia na sekund\u0119 (IOPS) na poziomie 550\u00a0000 przy odczycie i 500\u00a0000 przy zapisie bloku wielko\u015bci 4K, dyski Intel Optane okazuj\u0105 si\u0119 wprost stworzone na potrzeby baz danych.<\/p>\n

Z tabeli 1 jasno wynika, \u017ce technologia 3D XPoint zastosowana w Intel Optane charakteryzuje si\u0119 takim samym rozmiarem danych jak SSD, ale z op\u00f3\u017anieniem w dost\u0119pie do nich tylko 10x wi\u0119kszym od DRAM. Z kolei SSD mo\u017ce notowa\u0107 op\u00f3\u017anienie nawet 10000x wi\u0119ksze ni\u017c ulotna pami\u0119\u0107 DRAM. Takimi warto\u015bciami dyski Intel Optane mog\u0105 si\u0119 poszczyci\u0107 dzi\u0119ki wspomnianej ju\u017c budowie (rysunek 4) i zaawansowanemu kontrolerowi do ich obs\u0142ugi.<\/p>\n

\"Tabela<\/p>\n

Tabela 1. Wielko\u015b\u0107 i op\u00f3\u017anienie pami\u0119ci w odniesieniu do DRAM.<\/p>\n

MongoDB na dyskach Intel Optane<\/strong><\/h2>\n

Problemy z przesiadk\u0105 na now\u0105 technologi\u0119 pojawiaj\u0105 si\u0119 w momencie, w kt\u00f3rym okazuje si\u0119,\u00a0\u017ce\u00a0oprogramowanie nie jest na ni\u0105 gotowe lub jego optymalizacja pozostawia wiele do \u017cyczenia. Poniewa\u017c obecnie systemy operacyjne, na kt\u00f3rych znajduj\u0105 si\u0119 bazy danych, mocno obci\u0105\u017caj\u0105 dyski, w\u00a0MongoDB zastosowano pliki mapuj\u0105ce pami\u0119\u0107 (memory-mapped files).<\/p>\n

\"Rysunek<\/p>\n

Rysunek 5. Spos\u00f3b dzia\u0142ania plik\u00f3w mapuj\u0105cych (MMAP).<\/p>\n

Na rysunku 5 zosta\u0142 zaprezentowany spos\u00f3b dzia\u0142ania plik\u00f3w MMAP. W pierwszym etapie dla pliku mapuj\u0105cego zostaje zarezerwowany obszar pami\u0119ci wirtualnej. Nast\u0119pnym krokiem jest umieszczenie w tabeli stron translacji adresu wirtualnego na fizyczny. Ostatni\u0105 czynno\u015bci\u0105 jest buforowanie t\u0142umaczenia w buforze translacji (TLB). Dzi\u0119ki zastosowaniu plik\u00f3w MMAP i dysk\u00f3w Intel Optane o\u00a0bardzo du\u017cej liczbie operacji odczytu i zapisu na sekund\u0119, udaje si\u0119 osi\u0105gn\u0105\u0107 odczyty wi\u0119ksze nawet o 63% ni\u017c w konkurencyjnych rozwi\u0105zaniach i silnikach bazodanowych. Dane te pochodz\u0105 bezpo\u015brednio od tw\u00f3rc\u00f3w MongoDB, kt\u00f3rzy przeprowadzali testy w \u015brodowisku laboratoryjnym.<\/p>\n

Ogromna przewaga dysk\u00f3w Intel Optane uwidacznia si\u0119 nie w zastosowaniach domowych, ale\u00a0w\u00a0przypadku Data Center. Po\u0142\u0105czenie tej technologii z systemem bazodanowym MongoDB dostarcza rozwi\u0105zanie charakteryzuj\u0105ce si\u0119 bardzo szybkim czasem dost\u0119pu i elastyczno\u015bci\u0105 podczas skalowania, co dla szybko\u015bci i mo\u017cliwo\u015bci swobodnego rozbudowywania naszej aplikacji, strony czy\u00a0systemu, b\u0119dzie kluczowe!<\/p>\n

\n

KONIECZNIE PRZECZYTAJ NA BLOGU:<\/span><\/p>\n