Cơ sở dữ liệu phân tán: Giải pháp quản lý dữ liệu quy mô lớn và hiệu quả

Với khả năng lưu trữ và xử lý thông tin trên nhiều nút máy chủ khác nhau, cơ sở dữ liệu phân tán mang đến giải pháp tối ưu cho việc truy xuất, đồng bộ và bảo mật dữ liệu trong các tổ chức, doanh nghiệp. Trong bài viết này, VNPT AI sẽ cùng bạn tìm hiểu tổng quan về cơ sở dữ liệu phân tán – từ khái niệm, ưu điểm nổi bật đến các ứng dụng thực tiễn, nhằm hỗ trợ doanh nghiệp vận hành hiệu quả hơn trong thời đại số.

Cơ sở dữ liệu phân tán là gì?

Cơ sở dữ liệu phân tán (Distributed Database) là một hệ thống cơ sở dữ liệu mà dữ liệu được phân bổ và lưu trữ trên nhiều máy tính hoặc các nút khác nhau nhưng vẫn được người dùng truy cập như thể là một hệ thống duy nhất. Các nút này có thể nằm ở những vị trí địa lý khác nhau và có thể giao tiếp với nhau qua mạng.

Một trong những lý do quan trọng dẫn đến sự phát triển của cơ sở dữ liệu phân tán chính là sự bùng nổ của "big data" (dữ liệu lớn). Các công ty công nghệ lớn như Google hay Facebook phải xử lý và lưu trữ một lượng dữ liệu khổng lồ. Ví dụ, vào năm 2017, Facebook đã công bố rằng họ tạo ra hơn 500 terabyte (500.000 gigabyte) dữ liệu mỗi ngày – một con số vượt quá khả năng lưu trữ của bất kỳ máy tính đơn lẻ nào.

Nguyên lý hoạt động của cơ sở dữ liệu phân tán

Có hai quy trình cơ bản giúp duy trì sự đồng bộ của dữ liệu trong hệ thống cơ sở dữ liệu phân tán:

• Sao chép (Replication): Sao chép cơ sở dữ liệu là một quá trình tốn nhiều thời gian và công sức, trong đó mọi thay đổi được thực hiện trên một cơ sở dữ liệu sẽ tự động được sao chép và cập nhật vào các bản sao của cơ sở dữ liệu đó trên các máy khác. Điều này giúp đảm bảo rằng dữ liệu luôn đồng nhất trên các máy chủ trong hệ thống.
• Nhân bản (Duplication): Nhân bản cơ sở dữ liệu tạo ra một bản sao chính xác của cơ sở dữ liệu gốc (thường là cơ sở dữ liệu "chính"). Khác với sao chép, quá trình nhân bản không diễn ra ngay lập tức mà thường được thực hiện vào một thời điểm cố định trong ngày, chẳng hạn sau giờ làm việc để tránh gây gián đoạn cho người dùng.

Bên cạnh việc sử dụng sao chép và nhân bản, hệ cơ sở dữ liệu phân tán còn có thể áp dụng hai cách thức phân phối thông tin sau đây để phân chia dữ liệu giữa các máy chủ:

• Sao chép (Replication): Với phương pháp sao chép, cơ sở dữ liệu phân tán sẽ sao chép toàn bộ cơ sở dữ liệu và tạo ra các bản sao giống hệt nhau tại các vị trí khác nhau. Nhờ vậy, dữ liệu có thể được truy cập từ nhiều vị trí khác nhau mà không gặp phải sự cố mất mát thông tin.
• Phân mảnh (Fragmentation): Phương pháp phân mảnh chia cơ sở dữ liệu thành các phần nhỏ và lưu trữ chúng trên các máy chủ khác nhau. Trong đó, phân mảnh ngang (Horizontal Fragmentation) sẽ phân chia cơ sở dữ liệu theo các bản ghi, đảm bảo mỗi bản ghi hoàn chỉnh được lưu trữ trên một máy chủ riêng biệt. Còn với phân mảnh dọc (Vertical Fragmentation) mỗi bản ghi sẽ được chia thành các phần nhỏ và lưu trữ ở các máy chủ khác nhau, có thể là các trường dữ liệu riêng biệt của bản ghi.

Các loại cơ sở dữ liệu phân tán

Cơ sở dữ liệu phân tán có thể được chia thành hai loại chính với các đặc điểm và ứng dụng khác nhau, phù hợp với nhu cầu và yêu cầu của từng hệ thống.

Cơ sở dữ liệu phân tán đồng nhất (Homogeneous databases)

Trong cơ sở dữ liệu phân tán đồng nhất, tất cả các máy chủ, nút hoặc các điểm lưu trữ dữ liệu đều sử dụng cùng một mô hình dữ liệu, cùng hệ điều hành và cùng một hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu phân tán . Các nút này cũng có thể sử dụng các loại cơ sở dữ liệu phân tán khác nhau từ cùng một nhà cung cấp phần mềm. Cơ sở dữ liệu phân tán đồng nhất có thể được chia thành hai nhóm nhỏ:

• Cơ sở dữ liệu phân tán tự chủ (Autonomous distributed databases): Trong hệ thống này, mỗi nút hoạt động độc lập với bộ dữ liệu hoàn chỉnh của riêng mình. Việc cập nhật dữ liệu trên toàn hệ thống được thực hiện thông qua các ứng dụng hỗ trợ đồng bộ hóa hoặc gửi tin nhắn giữa các nút.
• Cơ sở dữ liệu phân tán không tự chủ (Non-autonomous distributed databases): Các nút trong hệ thống này không hoạt động độc lập mà cần một hệ quản trị cơ sở dữ liệu tập trung (DBMS) để điều phối việc phân phối dữ liệu, liên lạc giữa các nút và thực hiện các cập nhật.

Cơ sở dữ liệu phân tán đồng nhất mang lại lợi ích lớn về bảo mật dữ liệu nhờ vào tính sao chép và khả năng quản lý đơn giản hơn, do tất cả các nút đều có tính đồng nhất trong cách thức hoạt động.

Cơ sở dữ liệu phân tán không đồng nhất (Heterogeneous databases)

Cơ sở dữ liệu phân tán không đồng nhất là hệ thống mà trong đó các máy chủ hoặc điểm lưu trữ có thể chứa các bộ dữ liệu khác nhau, sử dụng các hệ điều hành khác nhau, có cấu trúc dữ liệu khác nhau, cần phần mềm hỗ trợ để giao tiếp giữa các máy chủ. Trong hệ thống này, các nút không nhất thiết phải biết về sự tồn tại của các nút khác. Cơ sở dữ liệu phân tán không đồng nhất cũng được chia thành hai nhóm:

• Cơ sở dữ liệu phân tán liên kết (Federated distributed databases): Trong hệ thống này, các nút hoạt động độc lập và có thể chứa các bộ dữ liệu khác nhau, nhưng chúng vẫn có thể hợp tác với nhau như một thực thể duy nhất. Khi có yêu cầu truy vấn, hệ thống sẽ xác định nút nào có khả năng đáp ứng tốt nhất và chuyển tiếp yêu cầu tới nút đó. Quá trình này còn được gọi là "ảo hóa dữ liệu" (data virtualization).
• Cơ sở dữ liệu phân tán không liên kết (Unfederated distributed databases): Trong hệ thống này, mỗi nút hoạt động độc lập và có một ứng dụng trung tâm để quản lý việc truy cập vào cơ sở dữ liệu của từng nút. Các nút không chia sẻ thông tin trực tiếp với nhau mà thông qua ứng dụng trung tâm này.

Mặc dù khó khăn hơn trong việc quản lý, cơ sở dữ liệu phân tán không đồng nhất cung cấp tính linh hoạt cao hơn so với cơ sở dữ liệu phân tán đồng nhất. Nó cho phép sử dụng nhiều mô hình dữ liệu, lựa chọn cấu trúc dữ liệu khác nhau và lưu trữ nhiều loại dữ liệu khác nhau, giúp đáp ứng nhu cầu đa dạng của các hệ thống phức tạp.

>>> Xem thêm: Điện toán đám mây là gì? Lợi ích và ứng dụng của cloud computing

Ưu nhược điểm của cơ sở dữ liệu phân tán

Giống như bất kỳ giải pháp cơ sở dữ liệu nào, cơ sở dữ liệu phân tán cũng có những ưu điểm và nhược điểm riêng.

Ưu điểm

• Tính linh hoạt: Cơ sở dữ liệu phân tán, đặc biệt là các hệ thống phân tán không đồng nhất cho phép sử dụng các cấu trúc và mô hình dữ liệu đa dạng. Điều này rất có ích cho các tổ chức sở hữu nhiều loại dữ liệu và yêu cầu xử lý khác nhau.
• Khả năng phục hồi (Resiliency): Vì dữ liệu trong cơ sở dữ liệu phân tán được phân bổ trên nhiều nút khác nhau nên nguy cơ mất mát dữ liệu do sự cố ở một nút duy nhất được giảm thiểu đáng kể. 
• Khả năng mở rộng (Scalability): Cơ sở dữ liệu phân tán có khả năng mở rộng linh hoạt bằng cách tăng hoặc giảm số lượng nút trong hệ thống. Điều này giúp hệ thống có thể đáp ứng nhu cầu phát triển của tổ chức một cách dễ dàng và tiết kiệm chi phí.
• Hiệu suất cải thiện: Các cơ sở dữ liệu phân tán có thể tối ưu hóa hiệu suất thông qua cân bằng tải và tối ưu hóa truy vấn. Qua đó giảm thời gian chờ đợi của người dùng khi truy xuất dữ liệu.
• Tính sẵn sàng cao (High availability): Cơ sở dữ liệu phân tán có khả năng chịu lỗi tốt nhờ các cơ chế như sao chép dữ liệu và phát hiện lỗi liên tục nên hệ thống luôn sẵn sàng phục vụ người dùng, ngay cả khi có sự cố xảy ra.

Nhược điểm

• Độ phức tạp: So với các cơ sở dữ liệu tập trung, cơ sở dữ liệu phân tán có sự phức tạp hơn trong cả thiết kế và quản lý. Việc phối hợp và đồng bộ hóa dữ liệu giữa các nút khác nhau đòi hỏi kỹ thuật cao và nhiều công cụ hỗ trợ. Điều này có thể làm tăng chi phí và thời gian triển khai.
• Độ trễ (Latency): Nếu không được quản lý tốt, việc truy vấn dữ liệu từ nhiều nút khác nhau có thể gây ra độ trễ, làm giảm hiệu suất của hệ thống. 
• Tính nhất quán của dữ liệu: Vì cơ sở dữ liệu phân tán có thể sử dụng nhiều mô hình và cấu trúc dữ liệu khác nhau nên việc duy trì tính nhất quán của dữ liệu trở nên phức tạp hơn so với cơ sở dữ liệu truyền thống. Nếu xảy ra sự cố phần cứng hoặc mạng, việc phục hồi dữ liệu cũng sẽ tốn nhiều công sức và thời gian.
• Chi phí: Cơ sở dữ liệu phân tán có thể tốn kém hơn do yêu cầu về phần cứng, phần mềm và cơ sở hạ tầng mạng lớn hơn so với các hệ thống cơ sở dữ liệu tập trung. Bên cạnh đó, chi phí quản lý cũng cao hơn vì tính phức tạp và đòi hỏi các kỹ thuật viên chuyên sâu.

Các ứng dụng của cơ sở dữ liệu phân tán

Nhờ vào khả năng xử lý dữ liệu trên nhiều nút khác nhau, cơ sở dữ liệu phân tán được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: 

• Dịch vụ tài chính: Các tổ chức tài chính và ngân hàng sử dụng Cơ sở dữ liệu phân tán để xử lý một lượng lớn giao dịch cùng lúc, từ việc quản lý tài khoản đến thực hiện thanh toán trực tuyến. Việc phân tán dữ liệu giúp đảm bảo tính chính xác và bảo mật cho các giao dịch tài chính toàn cầu.
• Ngành du lịch và vận tải: Trong các hệ thống đặt vé máy bay, tàu hỏa, khách sạn, cơ sở dữ liệu phân tán giúp lưu trữ và truy xuất thông tin về lịch trình, dữ liệu khách hàng và trạng thái đặt chỗ một cách nhanh chóng và hiệu quả. 
• Quản lý tài nguyên doanh nghiệp (ERP): Cơ sở dữ liệu phân tán giúp tích hợp và đồng bộ hóa dữ liệu từ các bộ phận khác nhau trong một tổ chức, như quản lý kho bãi, chuỗi cung ứng và nhân sự. 
• Thương mại điện tử: Các sàn giao dịch trực tuyến lớn cần xử lý khối lượng đơn hàng và thông tin sản phẩm khổng lồ mỗi ngày. Cơ sở dữ liệu phân tán cho phép hệ thống quản lý dữ liệu một cách mượt mà, đồng thời hỗ trợ việc thanh toán trực tuyến và cung cấp trải nghiệm người dùng ổn định.
• Y tế: Cơ sở dữ liệu phân tán được dùng để quản lý hồ sơ bệnh án điện tử, thông tin xét nghiệm và lịch sử điều trị của bệnh nhân. Việc phân tán dữ liệu giúp các bệnh viện, cơ sở y tế có thể truy cập thông tin từ nhiều nguồn khác nhau, hỗ trợ quá trình điều trị và chăm sóc bệnh nhân tốt hơn.
• Sản xuất và công nghiệp: Các doanh nghiệp trong ngành sản xuất sử dụng Cơ sở dữ liệu phân tán để quản lý chuỗi cung ứng, theo dõi tình trạng sản phẩm và giám sát quá trình sản xuất trên toàn cầu. 

Kết luận

Mặc dù vẫn tồn tại một số thách thức liên quan đến chi phí đầu tư và độ phức tạp trong quản lý, nhưng với tính linh hoạt, khả năng mở rộng và mức độ bảo mật cao, cơ sở dữ liệu phân tán đang dần trở thành lựa chọn ưu tiên của nhiều doanh nghiệp trong các lĩnh vực khác nhau. VNPT AI hy vọng rằng những chia sẻ trong bài viết sẽ giúp doanh nghiệp hiểu rõ hơn về mô hình này, từ đó tối ưu hóa hệ thống dữ liệu, nâng cao hiệu suất vận hành và giảm thiểu rủi ro trong quá trình quản lý thông tin.