Was ist eine In-Memory-Datenbank?

Eine In-Memory-Datenbank speichert alle Daten einer Organisation oder Person im Hauptspeicher eines Computers.

Die Datenanalyse in der In-Memory-Datenbank ist schnell im Vergleich zu herkömmlichen Datenbanken, die sekundäre Speichergeräte verwenden. Diese sekundären Speichergeräte sind Festplatten oder Solid-State-Geräte. Die Zentraleinheit (CPU) eines Computers hat nur direkten Zugriff auf die im Arbeitsspeicher gespeicherten Daten. Daher kann ein Computer Daten die Daten im Arbeitsspeicher viel schneller lesen/schreiben als im sekundären Speicher. Das macht die In-Memory-Datenbanken unglaublich schnell.

Unternehmen verwenden eine In-Memory-Datenbank für Anwendungen, die Datenbankoperationen mit Hochgeschwindigkeit erfordern. Wenn Gebote für Werbespots in Echtzeit abgegeben werden müssen, wird eine speicherinterne Datenbank verwendet. Die Auktionsplattform stellt einen Werbespot zur Auktion ein, während der Nutzer eine Webseite lädt. Die Echtzeit-Auktionsplattform sammelt die Gebotsdaten von mehreren Bietern, wählt das erfolgreiches Gebot anhand mehrerer Regeln aus und zeigt die Werbung des Gewinners an. All dies muss während des Ladens der Website, also in wenigen Millisekunden geschehen. Eine In-Memory-Datenbank hilft der Echtzeit-Auktionsplattform dabei, all diese Datenoperationen mit einer Latenz von wenigen Millisekunden durchzuführen.

Warum benötigen Unternehmen eine In-Memory-Datenbank?

Mit dem Aufkommen des Internet der Dinge (IoT) und der Zunahme Cloud-basierter Lösungen müssen Unternehmen Daten in Echtzeit verarbeiten. Millionen Geräte wie Gesundheits- und Sicherheitsmonitore generieren jede Sekunde Daten; ihre Analyse in Echtzeit ist entscheidend. Unternehmen benötigen leistungsstarke Datenbanklösungen zur Verarbeitung ihrer Echtzeitdaten. In-Memory-Datenbanken unterstützen Unternehmen durch die Beschleunigung des Datenbankbetriebs auch bei der Steigerung ihrer Produktivität und der optimalen Nutzung der Vorteile von Big Data. Wenn ein Unternehmen vor einer der folgenden Herausforderungen steht, sollte eine In-Memory-Datenbank in Erwägung gezogen werden:

• Das Unternehmen muss die Echtzeitvorteile von Big Data nutzen.
• Das Unternehmen erfasst regelmäßig Daten und benötigt schnellen Zugriff.
• Datenpersistenz ist kein großes Problem für das Unternehmen.

In-Memory-Datenbank im Vergleich zur festplattenbasierten Datenbank

• Eine In-Memory-Datenbank liest und schreibt die Daten schneller als eine herkömmliche, festplattenbasierte Datenbank. Bei herkömmlichen Datenbanken erfordert jede Datenbankoperation einen Schreib-/Lesevorgang auf der Festplatte. Der zugehörigen Ein-/Ausgabe-Vorgang (IO) verlangsamt festplattenbasierte Datenbanken.
• Die Daten in den herkömmlichen, festplattenbasierten Datenbanken sind im Gegensatz zu den Daten in der In-Memory-Datenbank persistent. Der für die In-Memory-Datenbank verwendete Hauptspeicher ist flüchtig. Die Daten können bei einem Systemausfall verloren gehen. In-Memory-Datenbanken verwenden verschiedene Techniken, um das Problem der Datenvolatilität zu lösen.
• Herkömmliche Datenbanken arbeiten mit komplexen Strukturen zur Sicherung der Daten, mit denen der effiziente Zugriff auf die Festplatte sichergestellt wird. In der Regel dauert der wahlfreie Zugriff auf die sekundären Speichergeräte sehr lange. Herkömmliche Datenbanken lösen dieses Problem mit verschiedenen Datenstrukturen wie B-Bäumen. Eine In-Memory-Datenbanken kommt mit einfachen Speicherstrukturen aus, da der wahlfreie Zugriff auf Daten vom Arbeitsspeicher sehr effizient ist.
• Herkömmliche festplattenbasierte Datenbanken können auf Systemen mit einem sekundären Speichergerät ausgeführt werden. Viele eingebettete Geräte unterstützen jedoch keinen Sekundärspeicher. In-Memory-Datenbanken können effizient im Hauptspeicher dieser eingebetteten Geräte ausgeführt werden. Unternehmen, die mit dem Internet der Dinge arbeiten, entscheiden sich deshalb häufig für In-Memory-Datenbanken.
• In-Memory-Datenbanken eignen sich besser für Anwendungen mit geringen Datenanforderungen. Obwohl die RAM-Größe erheblich zugenommen hat, liegt sie immer noch im Bereich mehrerer Gigabyte. Bei herkömmlichen festplattenbasierten Datenbanken gibt es keine solche Beschränkung. Sie können mit einem Datenvolumen von mehreren Terabyte arbeiten.

Wie gewährleistet eine In-Memory-Datenbank die Datenbeständigkeit?

Die Voraussetzungen zur Sicherstellung der ACID-Eigenschaften für jede Datenbank sind:

• Atomarität
• Konsistenz
• Isolation
• Dauerhaftigkeit

In-Memory-Datenbanken garantieren die ersten drei Eigenschaften, für die Dauerhaftigkeit sind jedoch zusätzliche Schritte erforderlich. Diese Eigenschaft schreibt vor, dass alle Daten auch bei System- oder Stromausfällen intakt sein müssen. In-Memory-Datenbanken basieren auf dem flüchtigen Hauptspeicher, der so konzipiert ist, dass alle Daten verloren gehen, wenn das System ausgeschaltet wird. In-Memory-Datenbanken stellen mit verschiedenen Techniken sicher, dass die Daten nach einem Ausschalten oder einem Systemausfall nicht gelöscht werden.

Snapshots

Eine In-Memory-Datenbank erstellt regelmäßige Snapshots der Datenbank und speichert sie auf den Festplattenlaufwerken (nichtflüchtig). Dieser Snapshot der Datenbank ist eine Kopie der gesamten Datenbank zu einem bestimmten Zeitpunkt. Regelmäßige Snapshots sind zwar eine Möglichkeit, die Daten zu erhalten, ihre Dauerhaftigkeit wird dagegen möglicherweise nicht gewährleistet. Sollte ein System nach dem Speichern eines Snapshots ausfallen, gehen alle Änderungen nach dem Snapshot verloren.

Transaktionsprotokolle

Bei dieser Methode zeichnet die In-Memory-Datenbank jede Änderung an der Datenbank auf. Diese Transaktionsprotokolle enthalten die Details zu jedem Einfügungs- und Änderungsvorgang. Sie werden in einer nichtflüchtigen Datei gespeichert, mit der die Datenbank im Falle eines Ausfalls wiederhergestellt werden kann. Bei Datenbanken, die Tausende von Vorgängen pro Minute ausführen, erhöht die Transaktionsprotokollierung zusätzlich die Leistung und Speicherkapazität des Systems. Die meisten In-Memory-Datenbanken speichern die Transaktionsprotokolle bis ein Snapshot erstellt wird, und verwerfen sie anschließend.

Nichtflüchtiger Arbeitsspeicher (NVRAM)

Eine weitere Möglichkeit, die Dauerhaftigkeit der Daten zu gewährleisten, ist die Verwendung des nichtflüchtigen Arbeitsspeichers. Das NVRAM behält Daten auch nach dem Ausfall der Stromversorgung. NVRAM ist eine beliebte Lösung für In-Memory-Datenbanken, wenn eine lange Dauerhaftigkeit der Daten erreicht werden soll. In-Memory-Datenbanken verwenden batteriebetriebenen statischen RAM oder elektrisch löschbaren programmierbaren Festspeicher (EEPROM).

Basisfunktionen einer In-Memory-Datenbank

Mit der Zunahme von Echtzeitanwendungen hat auch die Nachfrage nach der In-Memory-Datenbank zugenommen. Auf dem Markt sind mehrere In-Memory-Datenbanken verfügbar. Es ist nicht immer einfach, die perfekte In-Memory-Datenbanklösung zu wählen. Im Folgenden werden die wesentlichen Funktionen aufgeführt, die eine im aktuellen Marktumfeld eingesetzte In-Memory-Datenbank aufweisen sollte.

Bereit für die Migration in die Cloud

Die meisten Unternehmen gehen zur Cloud über und bevorzugen das Geschäftsmodell Software-as-a-Service (SaaS). Die In-Memory-Datenbank muss auch das Cloud-Modell unterstützen können. Das bedeutet, dass die In-Memory-Datenbank als Database-as-a-Service angeboten werden muss. Mit Database-as-a-Service können Entwickler und Benutzer auf einen gemeinsamen Pool von Datenbankressourcen auf On-Demand-Basis zugreifen. Sobald sie abgeschlossen sind, werden die Datenbankressourcen an den Ressourcenpool zurückgegeben. Die cloudfähigen In-Memory-Datenbanken sind schnell, skalierbar und flexibel.

Bereit für das Internet der Dinge

Wenn ein Unternehmen beabsichtigt, den Markt für das Internet der Dinge zu erschließen, benötigt es eine dafür entwickelte Echtzeitdatenbank. Das Internet der Dinge umfasst Hunderte Sensoren wie Gesundheits- und Sicherheitsmonitore, die kontinuierlich Echtzeitdaten senden. Die speicherinterne Datenbank muss Millionen Nachrichten verarbeiten können, die von zahlreichen Sensoren auf der ganzen Welt gesendet werden. Die In-Memory-Datenbank muss diese Daten sehr schnell speichern und abrufen, damit schnelle Entscheidungen mit Analytics möglich werden.

ACID-kompatibel

Alle Datenbanken müssen die Anforderungen an Atomarität, Konsistenz, Isolation und Dauerhaftigkeit erfüllen. Diese Funktionen sind für die Datenintegrität unerlässlich. Aus geschäftlicher Sicht hilft eine den ACID-Eigenschaften entsprechende Datenbank dem Unternehmen dabei, richtige Entscheidungen zu treffen. Die Verwendung einer proprietären Implementierung einer In-Memory-Datenbank ohne ACID-Eigenschaften kann zu ungenauen Daten und falschen Entscheidungen führen. Treffen Sie Ihre Wahl mit Bedacht.

Welche Vorteile haben In-Memory-Datenbanken?

Performance

In-Memory-Datenbanken speichern Daten im Hauptspeicher des Computers, auf den der Prozessor direkt zugreifen kann. Die Lese- und Schreibvorgänge einer In-Memory-Datenbank sind viel schneller als die herkömmlicher festplattenbasierter Datenbanken.

Einfachheit

Die Speicheranforderungen der traditionellen Datenbanken sind komplex, da sie die Lese-/Schreibvorgänge auf dem sekundären Speichergerät optimieren müssen. Dazu gehört die Logik zum Speichern von Daten auf kontinuierlichen Festplattenblöcken, die den Abruf erleichtert. Mit einer In-Memory-Datenbank ist der Direktzugriff hocheffizient. Daher sind die Datenstrukturen zum Speichern der In-Memory-Datenbanken recht einfach.

Einsatz in eingebetteten Systemen

Eine In-Memory-Datenbank benötigt kein sekundäres Speichergerät. Diese Eigenschaft ist in der modernen hoch mobilisierten Welt äußerst vorteilhaft. Eingebettete Geräte wie Spielkonsolen oder Smart-TV sind nicht für sekundäre Speichergeräte konzipiert und nutzen daher In-Memory-Datenbanken. Diese Eigenschaft ist in der heutigen Welt von großer Bedeutung, in der das Internet der Dinge sehr populär geworden ist und sekundäre Speichergeräte unmöglich sind.

Welche Nachteile bergen In-Memory-Datenbanken?

Dauerhaftigkeit der Daten

Der Arbeitsspeicher ermöglicht zwar Datenoperationen mit hoher Geschwindigkeit, In-Memory-Datenbanken sind jedoch anfällig für Datenverluste, da die Daten nur vorübergehend gespeichert werden. Im Falle eines Systemabsturzes besteht die Möglichkeit eines Datenverlusts.

Lösung: Der Abschnitt oben beschreibt, wie In-Memory-Datenbanken das Problem der Dauerhaftigkeit der Daten mit verschiedene Techniken wie Snapshot, Transaktionsprotokollen und NVRAM lösen.

Datengröße

Da die Größe des Speichers mit wahlfreiem Zugriff eines Computers begrenzt ist (typischerweise in Gigabyte), können In-Memory-Datenbanken möglicherweise keine großen Datenmengen verarbeiten.

Lösung: Für dieses Problem gibt es mehrere Lösungen. Das Verbinden mehrerer Computer über ein Grid zur Vergrößerung des Hauptspeichers ist eine Möglichkeit. Mit Multi-Core-Computern kann auch die Größe des Speichers mit wahlfreiem Zugriff erweitert werden.