A Novel Model of Transaction's Consistency in NoSQL Databases

Abstract

Abstract NoSQL databases have recently experienced a surge in popularity, primarily driven by their capacity to effectively manage and process substantial amounts of data and their exceptional scalability capabilities. Nonetheless, it is important to acknowledge that these databases also bring about a set of trade-offs, particularly in relation to transaction consistency and overall performance. Consequently, it becomes imperative to have a comprehensive understanding of these trade-offs, as they play a pivotal role in making well-informed decisions when selecting a NoSQL database that aligns with the specific requirements of a given application. One of the primary challenges of NoSQL databases in supporting transaction consistency is the lack of full ACID support. While some NoSQL databases provide ACID guarantees for single operations, they may not offer the same level of consistency for multi-operation transactions. This can lead to inconsistencies when multiple operations are performed concurrently, impacting data integrity. The main objective of this study is to propose a novel model to provide strong consistency guarantees and offer the best performance for NoSQL databases. Therefore, this study proposed a transaction consistency model (PMC) for achieving the objectives. The proposed model uses existing techniques such as Two-Phase locking for isolation of single and multiple transactions and snapshot isolation for comparing versioning data on the replication node. The proposed model for transaction consistency (PMC) exhibited superior performance, scalability, and consistency when compared to alternative models. In terms of performance, the PMC model excelled by achieving higher throughput and lower latency than its counterparts. Moreover, the PMC model demonstrated exceptional scalability, being capable of accommodating a larger number of nodes than the other model. This ability to scale effectively is of utmost importance in modern distributed systems, where handling a larger number of nodes is crucial. Lastly, the PMC model distinguished itself by successfully upholding a high level of consistency, even under conditions of high load, which further solidifies its merit. The achievement of such a consistently high level of consistency can be attributed to the well-thought-out design and implementation of the PMC model. It is undeniable that the PMC model's superior performance, scalability, and consistency make it ready to apply in the realm of transaction processing systems. Keywords: NoSQL, Transactions, Consistency, NoSQL Transaction Consistency

المستخلص شهدت قواعد البيانات الغير علائقية مؤخرًا ارتفاعًا في شعبيتها، ويرجع ذلك في المقام الأول إلى قدرتها على إدارة ومعالجة كميات كبيرة من البيانات بشكل فعال وإمكاناتها الاستثنائية في قابلية التوسع. ومع ذلك، من المهم الاعتراف بأن قواعد البيانات هذه تؤدي أيضًا إلى مجموعة من المقايضات، خاصة فيما يتعلق باتساق المعاملات والأداء العام. وبالتالي، يصبح من الضروري أن يكون لديك فهم شامل لهذه المقايضات، لأنها تلعب دورًا محوريًا في اتخاذ قرارات مستنيرة عند اختيار قاعدة بيانات الغير علائقية التي تتوافق مع المتطلبات المحددة لتطبيق معين. أحد التحديات الأساسية لقواعد البيانات الغير علائقية في دعم اتساق المعاملات هو الافتقار إلى دعم الاتساق الكامل. في حين أن بعض قواعد البيانات الغير علائقية توفر ضمانات اتساق للعمليات الفردية، إلا أنها قد لا تقدم نفس المستوى من الاتساق للمعاملات متعددة العمليات. يمكن أن يؤدي هذا إلى حالات عدم اتساق عند تنفيذ عمليات متعددة بشكل متزامن، مما يؤثر على سلامة البيانات. الهدف الرئيسي من هذه الدراسة هو اقتراح نموذج جديد لتوفير ضمانات اتساق قوية وتقديم أفضل أداء لقواعد بيانات الغير علائقية ولذلك اقترحت هذه الدراسة نموذج اتساق المعاملات (PMC) لتحقيق الأهداف. النموذج المقترح المستخدم قد يحتوي على تقنية موجودة مثل القفل على مرحلتين لعزل المعاملات الفردية والمتعددة وعزل اللقطة لمقارنة بيانات الإصدار على عقدة النسخ المتماثل. أظهر النموذج المقترح لاتساق المعاملات أداءً فائقًا وقابلية للتوسعة والاتساق عند مقارنته بالنماذج البديلة. من حيث الأداء، تفوق نموذج من خلال تحقيق إنتاجية أعلى وزمن وصول أقل من نظرائه. علاوة على ذلك، أظهر نموذج المقترح قابلية توسع استثنائية، حيث كان قادرًا على استيعاب عدد أكبر من العقد مقارنة بالنموذج الآخر. تعد هذه القدرة على التوسع بفعالية ذات أهمية قصوى في الأنظمة الموزعة الحديثة حيث يعد التعامل مع عدد أكبر من العقد أمرًا بالغ الأهمية. وأخيرًا، من المميزات للنموذج المقترح الحفاظ بنجاح على مستوى عالٍ من الاتساق، حتى في ظل ظروف الأحمال العالية، مما يعزز من تحقيق اهدافه.