قضیه CAP یک نظریه در علوم کامپیوتر است که به بدهبستانها (trade-offs) در طراحی پایگاههای داده توزیعشده میپردازد.
CAP Theorem
زمانی که خرابی شبکه رخ میدهد، قضیه CAP که با نام قضیه بروئر (Brewer’s theorem) نیز شناخته میشود، یک بدهبستان میان سه مؤلفه در یک پایگاه داده توزیعشده را توصیف میکند. این سیستمها تنها میتوانند دو مورد از سه مؤلفه مطلوب زیر را داشته باشند: سازگاری (Consistency)، دسترسپذیری (Availability) و تحمل پارتیشن (Partition Tolerance).
قضیه CAP که توسط اریک بروئر مطرح شد، نشان میدهد که پایگاههای داده توزیعشده یک جزء کلیدی در عملکرد سیستمها هستند. بهطور مشخصتر، بروئر متوجه شد که واحد پایه داده ساختیافته — یعنی یک گره (node) — زمانی که از مکانهای مختلف جمعآوری میشود، میتواند متفاوت باشد. این تفاوت یک مسئله مهم در سیستمهای توزیعشده است. بروئر این موضوع را بهعنوان یک خرابی شبکه مرتبط با نبود سازگاری (C)، دسترسپذیری (A) و تحمل پارتیشن (P) شناسایی کرد. این سه مورد، اجزای اساسی قضیه CAP هستند.
سازگاری (Consistency – C)
در سیستمها ضروری است، زیرا بسیار مهم است که گرههای اصلی و گرههای ثانویه، داده یکسانی را مشاهده کنند. بنابراین، کاربران باید مشخص کنند که سازگاری در یک سیستم چه معنایی دارد. به بیان ساده، سازگاری زمانی است که ارتباط درون سیستم به یک شکل آغاز شود و به همان شکل نیز پایان یابد. اگر با این حال، تغییری در این ارتباط رخ دهد، سازگاری دیگر وجود نخواهد داشت و ممکن است منجر به خطا شود. برای اینکه سیستمها بهطور مؤثر کار کنند، سازگاری نهایی (eventual consistency) باید همواره برقرار باشد.
دسترسپذیری (Availability – A)
در سیستمها به نرخ پاسخگویی اشاره دارد. اساساً، زمانی که هر کلاینت در ۱۰۰٪ مواقع پاسخ دریافت کند، سیستم دارای دسترسپذیری است. این پاسخ نباید به دلیل وجود گرهها از بین برود، حتی زمانی که چندین گره در حال استفاده هستند. ایده این است که دستورات نوشته شده و اجرا شوند. زمانی که این اتفاق رخ ندهد، سیستم فاقد دسترسپذیری در نظر گرفته میشود. لازم به ذکر است که سازگاری (C) و دسترسپذیری (A)، یا همان CA، میتوانند بهطور همزمان در پایگاههای داده رابطهای وجود داشته باشند، زیرا این سیستمها قادرند ضمن حفظ سازگاری بین گرهها، همچنان برای سرویسدهی به پایگاههای داده کلاینت در دسترس باشند.
تحمل پارتیشن (Partition Tolerance – P)
توانایی یک سیستم برای ادامه کار حتی در صورت وجود خطا است. سیستمی که تنها روی یک گره کار میکند، در صورت بروز خطا دچار شکست کامل خواهد شد. اما سیستمی که از پارتیشنهای شبکه تشکیل شده باشد، میتواند علیرغم وقوع خطا به کار خود ادامه دهد. یک پارتیشن شبکه، زیرشبکهها را بهینه میکند تا بتوانند بهصورت مستقل یا در زمان بروز خطای شبکه عمل کنند. البته این موضوع تنها زمانی امکانپذیر است که نرمافزار عملیاتی توزیعشده، دارای تحمل پارتیشن (P) باشد. به بیان ساده، اگر یک اختلال ارتباطی بین دو گره رخ دهد، سیستم میتواند به کار خود ادامه دهد، حتی اگر این دو گره قادر به برقراری ارتباط با یکدیگر نباشند.
در اصل، قضیه CAP توضیح میدهد که یک سیستم تنها میتواند دو مورد از سه ویژگی ذکرشده را به دست آورد و دستیابی به هر سه ویژگی در یک سیستم واحد امکانپذیر نیست. برای درک واقعی قضیه CAP، باید پایگاههای داده غیررابطهای (NoSQL) را نیز بررسی کرد. پایگاههای داده غیررابطهای مجموعهای از گرهها هستند که بهسرعت در شبکههای در حال رشد گسترش مییابند. پایگاههای داده NoSQL اهمیت دارند، زیرا بر اساس ویژگیهای CAP که پوشش میدهند تعریف میشوند: پایگاههای داده CP، پایگاههای داده AP و پایگاههای داده CA.
انواع پایگاههای داده در قضیه CAP
پایگاههای داده CP
سازگار و دارای تحمل پارتیشن هستند، اما دسترسپذیری ندارند. زمانی که ارتباط بین گرهها برقرار است، در صورت وقوع خطا، سیستم میتواند یک گره را خاموش کند و در عین حال، سازگاری ارتباط میان سایر گرههای سیستم را حفظ کند. در نتیجه این خاموشی، دسترسپذیری از بین میرود، زیرا خطا باعث میشود پاسخدهی ممکن نباشد.
پایگاههای داده AP
دسترسپذیر و دارای تحمل پارتیشن هستند، اما سازگاری ندارند. در این مدل، همه گرهها برای ارتباط بین سیستمها در دسترس باقی میمانند، اما سازگاری تحت تأثیر قرار میگیرد. اطلاعات ممکن است قابل اعتماد نباشند، یا یک پارتیشن باعث شود پایگاه داده به یک نسخه قدیمیتر یا قبلی بازگردد. این مدل باعث میشود همه سیستمها عملیاتی و در دسترس باشند، اما سازگاری را تضمین نمیکند.
پایگاههای داده CA
سازگار و در دسترس هستند، اما تحمل پارتیشن ندارند. در این حالت، ارتباط میان همه گرهها وجود دارد. تا زمانی که هیچ پارتیشنی بین هیچ دو گرهای در سیستم ایجاد نشود، سازگاری و دسترسپذیری حفظ خواهد شد. با این حال، گزینه پایگاه داده CA کمطرفدارترین حالت است، زیرا توانایی مدیریت و خاموش کردن خطاها را در نظر نمیگیرد. در اصل، بدون تحمل پارتیشن در شبکه، کل سیستم در صورت وقوع خطا غیرقابلعمل خواهد شد.
ذکر این نکته مهم است که پایگاههای داده NoSQL به یک چارچوب مشخص نیاز ندارند. آنها به کاربرپسند بودن، دسترسپذیری گسترده و مقیاسپذیری بالا شناخته میشوند.
سخن پایانی درباره قضیه CAP
قضیه CAP مفهومی برگرفته از حوزه علوم کامپیوتر است. این قضیه توضیح میدهد که در صورت وقوع خرابی شبکه در سیستمهای ارتباطی توزیعشده، امکان فراهم کردن همزمان سازگاری، دسترسپذیری و تحمل پارتیشن وجود ندارد. در هنگام بروز خرابی شبکه، باید میان دو مورد از این سه ویژگی انتخاب کرد و درک کرد که تحمل پارتیشن — یعنی توانایی یک شبکه برای ادامه کار علیرغم وجود خطا — عامل بسیار مهمی در تصمیمگیری بین پایگاههای داده CP یا AP است.
پرسشهای متداول (FAQ)
قضیه CAP در NoSQL چیست؟
قضیه CAP توضیح میدهد که پایگاههای داده NoSQL نمیتوانند بهطور همزمان سازگاری و دسترسپذیری بالا را فراهم کنند. این نظریه توسط دانشمند علوم کامپیوتر، اریک بروئر، کشف شد.
