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In-memory Data Grid vs. Distributed Cache: Which is Best?

Distributed caching has been a boon for IT professionals in the past due to its ability to make data always available even when offline. However, with the growing popularity of the Internet of Things (IoT) and the increasing amounts of data businesses need to process daily, distributed caching is slowly being overshadowed by a newer and more robust technology solution—the in-memory data grid (IMDG).

Distributed caches allow organizations to combine the amount of memory of computers within a network, boosting performance at minimum cost because there’s no need to purchase more disk storage or more high-end computers. Essentially, a data cache is distributed among all networked computers so that applications can use all available memory when needed. Memory is pooled into a single data store or data cache to provide faster access to data. Distributed caches are typically housed in a single physical server kept on site.

The main challenge of distributed caching today is that in-memory data grids can do distributed caching—and much more. What used to be complicated tasks for data analysts and IT professionals has been made simpler and more accessible to the layman. Data analytics, in particular, has become vital for businesses, especially in the areas of marketing and customer service. Nowadays, there are solutions available that present data via graphs and other visualizations to make data mining and analysis less complicated and quicker. The in-memory data grid is one such solution, and is one that’s gradually gaining popularity in the business intelligence (BI) space.

In-memory computing has almost pushed the distributed cache to a realm of obsolescence, so much so, that the remaining organizations that gold onto it as a solution are those that are afraid to embrace digital transformation or those that do not have the resources. However, this doesn’t mean that the distributed cache is less important in the history of computing. In its heyday, distributed caching helped solve a lot of IT infrastructure problems for a number of businesses and industries, and it did all of that at minimal cost.

Distributed Cache for High Availability

The main goal of the distributed cache is to make data always available, which is most useful for companies that require constant access to data, such as mobile applications that store information like user profiles or historical data. Common use cases for distributed caching include payment computations, external web service calls, and dynamic data like number of views or followers. The main draw, however, is how it allows users to access cached data whether the user is online or offline, which, in today’s always-connected world, is a major benefit. Distributed caches take note of frequently accessed data and keep them in process memory so there’s no need to repeatedly access disk storage to get to that data.

Typically, distributed caches offered simplicity through simple “put” and “get” operations through distributed key/value stores. They’re flexible enough, however, to handle more complicated processes through read-through and write-through instances that allow caches to read and write values to and from disk. Depending on the implementation, it can also handle ACID transactions, data replication, and active backups. Ultimately, distributed caching can help handle large, unpredictable amounts of data without sacrificing read consistency.

In-memory Data Grid for High Speed and Much More

The in-memory data grid (IMDG) is not just a storage solution; it’s a powerful computing solution that has the capability to do distributed caching and more. Designed to use RAM and eliminate the need for constant access to disk-based storage, an IMDG is able to process complex data for large-scale implementations at high speeds. Similar to distributed caching, it “distributes” the workload to a multitude of computers within a network, not only combining available RAM but also the computing power of all available computers.

An IMDG runs specialized software on each computer to enable this and to minimize movement of data to and from disk and within the network. Limiting physical disk access eliminates the bottlenecks usually caused by disk-based storage, since using disk in data processing means using an intermediary physical server to move data from one storage system to another. Consistent data synchronicity is also a highlight of the IMDG. This addresses challenges brought about by the complexity of data retrieval and updating, helping to speed up application development. An IMDG also allows both the application and its data to collocate in a single memory space to minimize latency.

Overall, the IMDG is a cost-effective solution because it all but eliminates the complexities and challenges involved in handling disk-based storage. It’s also highly scalable because its architecture is designed to scale horizontally. IMDG implementations can be scaled by simply adding new nodes to an existing cluster of server nodes.

In-memory Computing for Business

Businesses that have adopted in-memory solutions currently enjoy the platform’s relative simplicity and ease of use. Self-service is the ultimate goal of in-memory computing solutions, and this design philosophy is helping typical users transition into “power users” that expect high performance and more sophisticated features and capabilities.

The rise of in-memory computing may be a telltale sign of the distributed cache’s eventual exit, but it still retains its use, especially for organizations that are just looking to address current needs. It might not be an effective solution in the long run, however, as the future leans toward hybrid data and in-memory computing platforms that are more than just data management solutions.

Distributed Computing – MapReduce Algorithmus

Sollen große Datenmengen analysiert werden, ist die Hardware eines leistungsfähigen Computers schnell überfordert und die Analysezeiten werden zu lang. Die Lösung zur Bewältigung von Big Data Analytics sind Konzepte des verteilten Rechnens (Distributed Computing).

Vertikale Skalierung – Der Klassiker der leistungsstarken Datenverarbeitung

Die meisten Unternehmen setzen heute noch auf leistungsstarke und aufrüstbare Einzelserver. Sollten Datenmengen größer und Analysen rechenaufwändiger werden, werden Festplatten (Storage), Arbeitsspeicher (RAM) und Prozessoren (CPU) aufgerüstet oder der Server direkt durch einen leistungsstärkeren ersetzt.

Diese Form der sogenannten vertikalen Skalierung (Vergrößerung der Server-Komponenten) ist für viele Unternehmen heute noch gängige Praxis, auch weil sie leicht zu administrieren ist und sie mit nahezu jeder Software funktioniert. Jedoch sind der Erweiterbarkeit gewisse Grenzen gesetzt und auch der Wechsel zu noch leistungsfähigerer Hardware würde den Einsatz von neuester High-End-Hardware bedeuten, der Kostenanstieg wäre exponentiell. Ferner bedarf es einer durchdachten Backup-Strategie mit gespiegelten Festplatten oder einem ganzen Backup-Server.

Leistungsstarke Server sind teuer und können zwar große Datenmengen weitaus schneller auswerten als Consumer-Computer, jedoch sind auch sie eher nicht dazu in der Lage, Big Data zu verarbeiten, also beispielsweise 100 Terabyte Daten binnen Sekunden statistisch auszuwerten.

Horizontale Skalierung – Skalierbare Speicher-/Rechenleistung

Ein alternatives Konzept zur vertikalen Skalierung ist die horizontale Skalierung. Dabei werden mehrere Computer, die im Vergleich oftmals über nur mittelmäßige Leistungsmerkmale verfügen, über ein Computer-Netzwerk verbunden und parallel angesteuert.

Der große Vorteil der horizontalen Skalierung ist der kostengünstige Einstieg, denn praktisch könnte bereits mit einem einzelnen Computer (Node) begonnen werden und dann nach und nach mit weiteren Nodes die Leistungsfähigkeit des Clusters (Verbund von Nodes) linear gesteigert werden. Ungefähr linear wachsen auch die Kosten an, so dass diese weitaus besser planbar sind. Cluster können weitaus höhere Leistungen erreichen als es einzelne Server könnten, daher gibt die horizontale Skalierung als diejenige, die sich für Big Data Analytics eignet, denn sie ermöglicht verteiltes Rechnen (Distributed Computing). Mit einem ausreichend großen Cluster lassen sich auch 100 Terabyte und mehr in wenigen Augenblicken statistisch auswerten.

Ferner ermöglichen horizontale Lösungen integrierte Backup-Strategien, indem jeder Node des Clusters über ein Backup der Daten eines anderen Nodes verfügt. Verfügt ein Node sogar über mehrere Backups, lässt sich eine sehr hohe Ausfallsicherheit – Datenverfügbarkeit im Cluster – erzielen.

Jedoch gibt es auch Nachteile der horizontalen Skalierung: Die Administration eines Clusters ist weitaus herausfordernder als ein einzelner Server, egal wie leistungsstark dieser sein mag. Auch Bedarf es viel räumlichen Platz für einen (oder gar mehrere) Cluster. Die Kompatibilität der Nodes sollte auch für die nächsten Jahr gesichert sein und nicht zuletzt ist es eine große Hürde, dass die einzusetzende Software (Datenbank- und Analyse-Software) für den Einsatz auf Clustern geeignet sein muss. Verbreite Software-Lösungen für verteiltes Speichern und Rechnen kommen beispielsweise von der Apache Foundation als Open Source Software: Hadoop, Spark und Flink.

Map Reduce Processing

Damit verteiltes Rechnung funktioniert, bedarf es der richtigen Software, die wiederum Algorithmen einsetzt, die sich dafür eignen. Der bekannteste und immer noch am weitesten verbreitete Algorithmus ist MapReduce. MapReduce ist ein sehr einfacher Algorithmus und dürfte von der grundsätzlichen Vorgehensweise jedem Software-Entwickler oder Analyst vertraut sein. Das Prinzip entspricht dem folgenden SQL-Statement, dass die am häufigsten vorkommende Sprache aus dem Datensatz (Tabelle Customers) abfragt:

Es gibt eine Tabelle (es könnte eine Tabelle in einer relationalen Datenbank sein oder eine CSV-Datei), die durch eine SELECT-Query abgefragt (map), groupiert (combine) und sortiert (sort). Dieser Schritt kann vereinfacht als Map-Funktion betrachtet werden, die in einer Liste Paaren aus Schlüssel (Keys) und Werten (Values) resultiert. Ist diese Liste vorhanden, kann diese auf die gewünschten Ergebnisse entspechend einer Logik (z. B. max(), min(), mean(), sum()) auf wenige oder nur einen einzigen Wert reduziert werden (Reduce-Funktion). Zu beachten ist dabei, dass der Map-Prozess sehr viel speicher- und rechen-aufwändiger als der Reduce-Prozess ist. Führen wir diese Abfrage auf einer Maschine aus, fassen wir die beiden Abfragen als ein Statement aus:

Betrachten wir jedoch die einzelnen Schritte, können wir sie wieder zumindest in einen Map- und einen Reduce-Schritt unterteilen. Diese Aufteilung machen wir uns für das verteilte Rechnen zunutze: Wenn jeder Computer (Node; oft auch Client Node oder Data Node) einen Teil der Daten besitzt, kann jeder Node für sich einen Map-Prozess durchführen, die Ergebnisse dann an einen Master-Node (oder in Hadoop-Sprache: Name Node) senden, der den Reduce-Prozess durchführt. Der Großteil der Aufgabe findet somit auf dem Cluster statt, nur der simple Reduce-Schritt auf einem einzelnen Computer.

Oftmals reicht ein parallel ablaufender Map-Prozess auf dem Cluster nicht aus, um Daten effizient auswerten zu können. Die Maßgabe sollte stets sein, den Reduce-Aufwand so gering wie möglich zu halten und soviel Arbeit wie möglich auf den Cluster zu verlagern. Daher sollte jeder Node im Cluster soweit aggregieren wie möglich: Dafür gibt es den Combine-Schritt.

Die zuvor erwähnte SQL-Abfrage als MapReduce würde bedeuten, dass ein Node über den Datensatz verfügt (und andere Nodes über weitere Datensätze) und jeder Node für sich seine Daten über einen Map-Prozess herausarbeitet, über einen Combine-Prozess aggregiert und die Aggregationsergebnisse an den Master-Node (Name Node) sendet. Hat der Master-Node alle Ergebnisse erhalten, berechnet dieser daraus das Endergebnis (Reduce).

Zusammenfassung: Map Reduce

MapReduce ist der bekannteste Algorithmus zur verteilten Verarbeitung von Daten und eignet sich für die Durchführung von komplexen Datenanalysen. Liegen Datensätze auf mehreren Computern (Client Nodes) vor, läuft der Algorithmus in der Regel in drei Schritten ab:

  1. Map – Selektierung der Datensätze auf den Computern im gewünschten Format und Durchführung einer Berechnung, beispielsweise der Bildung einer Summe. Dieser Schritt ist ermöglich das Prinzip Schema on Read, das aus Hadoop ein Tool zur Verarbeitung von unstrukturierten Daten macht.
  2. Combine – Durchführung einer Aggregation, die ebenfalls auf jeden Client Node durchgeführt wird, zur Zusammenfassung von Map-Ergebnissen.
  3. Reduce – Aggregation aller Ergebnisse auf dem zentralen Rechner (Name Node)

MapReduce ist dazu geeignet, unstrukturierte Daten zu verarbeiten, denn das Format der Daten wird über einen Map-Algorithmus bestimmt, der sehr flexibel programmiert werden kann. MapReduce ist kein eng definierter Algorithmus, sondern eine Hülle, die mit Inhalt befüllt werden muss. So müssen MapReduce-Algorithmen individuell über eine Programmiersprache wie Java, Scala oder Python programmiert werden.

Ein Beispiel eines in Java programmierten Word-Count-Algorithmus nach der MapReduce-Logik in Hadoop findet sich hier:

MapReduce und Advanced Analytics

MapReduce spielt seine Vorteile auf Computer-Clustern aus und eignet sich sehr zur Analyse von Daten nach dem Schema on Read. Für kompliziertere Analysealgorithmen ist MapReduce jedoch nur bedingt geeignet, denn bereits einfache Join-Anweisungen benötigen mehrere MapReduce-Ketten.

Während statistische Auswertungen und Join-Anweisungen mit MapReduce noch gut möglich sind, werden Algorithmen des maschinellen Lernens schwierig bis kaum möglich, da diese viele Iterationen, z. B. zur Anpassung von Gewichten, benötigen.

Hyperkonvergenz: Mehr Intelligenz für das Rechenzentrum

Wer heute dafür verantwortlich ist, die IT-Infrastruktur seines Unternehmens oder einer Organisation zu steuern, der steht vor einer ganzen Reihe Herausforderungen: Skalierbar, beliebig flexibel und mit möglichst kurzer „time-to-market“ für neue Services – so sollte es sein. Die Anforderungen an Kapazität und Rechenpower können sich schnell ändern. Mit steigenden Nutzerzahlen oder neuen Anwendungen, die geliefert werden sollen. Weder Kunden noch Management haben Zeit oder Verständnis dafür, dass neue Dienste wegen neuer Hardwareanforderungen nur langsam oder mit langem Vorlauf ausgerollt werden können.

Unternehmen wollen deshalb schnell und flexibel auf neue Anforderungen und Produkterweiterungen reagieren können. Dabei kommt in der Praxis häufig sehr heterogene Infrastruktur zum Einsatz: On-Premise-Systeme vor Ort, externe Data Center und Cloud-Lösungen müssen zuverlässig, nahtlos und insbesondere auch sicher die Services bereit stellen, die Kunden oder Mitarbeiter nutzen. Wichtig dabei: die Storage- und Computing-Kapazität sollte flexibel skalierbar sein und sich auch kurzfristig geänderten Anforderungen und Prioritäten anpassen können. Zum Beispiel: Innerhalb von kurzer Zeit deutlich mehr virtuelle Desktopsysteme für User bereit stellen.

Smarte Software für Rechenzentren

Der beste Weg für den CIO und die IT-Abteilung, diese neuen Herausforderungen zu lösen, sind „Hyperkonvergenz“-Systeme. Dabei handelt es sich um kombinierte Knoten für Storage und Computing-Leistung im Rechenzentrum, die dank smarter Software beliebig erweitert oder ausgetauscht werden können. Hierbei handelt es sich um SDS-Systeme („Software defined Storage“) – die Speicherkapazität und Rechenleistung der einzelnen Systeme wird von der Software smart abstrahiert und gebündelt.

Das Unternehmen Cisco zeigt, wie die Zukunft im Rechenzentrum aussehen wird: die neue Plattform HyperFlex setzt genau hier an. Wie der Name andeutet, bietet HyperFlex eine Hyperkonvergenz-Plattform für das Rechenzentrum auf Basis von Intel® Xeon® Prozessoren*. Der Kern ist hier die Software, die auf dem eigenen Filesystem „HX Data Platform“ aufsetzt. Damit erweitern Kunden ihr bestehendes System schnell und einfach. Diese Hyperkonvergenz-Lösung ist darauf ausgelegt, nicht als Silo parallel zu bereits bestehender Infrastruktur zu stehen, sondern zu einem Teil der bestehenden Hard- und Software zu werden.

Denn die Verwaltung von HyperFlex-Knoten ist in Ciscos bestehendem UCS Management integriert. So dauert es nur wenige Minuten, bis neue Nodes zu einem System hinzugefügt sind. Nach wenigen Klicks sind die zusätzlichen Knoten installiert, konfiguriert, provisioniert und somit live in Betrieb. Besonders hilfreich für dynamische Unternehmen: HyperFlex macht es sehr einfach möglich, im Betrieb selektiv Storage-, RAM-c oder Computing-Kapazität zu erweitern – unabhängig voneinander.  Sollten Knoten ausfallen, verkraftet das System dies ohne Ausfall oder Datenverlust.

Weiterführende Informationen zu den Cisco HyperFlex Systemen finden Sie mit einem Klick hier.

Dieser Sponsored Post entstand in Zusammenarbeit mit Cisco & Intel.

*Intel, the Intel logo, Xeon, and Xeon Inside are trademarks or registered trademarks of Intel Corporation in the U.S. and/or other countries.