Что такое NoSQL?
Высокопроизводительные нереляционные базы данных с гибкими моделями данных
Что такое базы данных NoSQL?
Базы данных NoSQL специально созданы для определенных моделей данных и обладают гибкими схемами, что позволяет разрабатывать современные приложения. Базы данных NoSQL получили широкое распространение в связи с простотой разработки, функциональностью и производительностью при любых масштабах. Ресурсы, представленные на этой странице, помогут разобраться с базами данных NoSQL и начать работу с ними.
Как работает база данных NoSQL (нереляционная БД)?
Базы данных NoSQL используют разнообразные модели данных для доступа к данным и управления ими. Базы данных таких типов оптимизированы для приложений, которые работают с большим объемом данных, нуждаются в низкой задержке и гибких моделях данных. Все это достигается путем смягчения жестких требований к непротиворечивости данных, характерных для других типов БД.
Рассмотрим пример моделирования схемы для простой базы данных книг.
- В реляционной базе данных запись о книге часто разделяется на несколько частей (или «нормализуется») и хранится в отдельных таблицах, отношения между которыми определяются ограничениями первичных и внешних ключей. В этом примере в таблице «Книги» имеются столбцы «ISBN», «Название книги» и «Номер издания», в таблице «Авторы» – столбцы «ИД автора» и «Имя автора», а в таблице «Автор–ISBN» – столбцы «Автор» и «ISBN». Реляционная модель создана таким образом, чтобы обеспечить целостность ссылочных данных между таблицами в базе данных. Данные нормализованы для снижения избыточности и в целом оптимизированы для хранения.
- В базе данных NoSQL запись о книге обычно хранится как документ JSON. Для каждой книги, или элемента, значения «ISBN», «Название книги», «Номер издания», «Имя автора и «ИД автора» хранятся в качестве атрибутов в едином документе. В такой модели данные оптимизированы для интуитивно понятной разработки и горизонтальной масштабируемости.
Для чего можно использовать базы данных NoSQL?
Базы данных NoSQL хорошо подходят для многих современных приложений, например мобильных, игровых, интернет‑приложений, когда требуются гибкие масштабируемые базы данных с высокой производительностью и широкими функциональными возможностями, способные обеспечивать максимальное удобство использования.
- Гибкость. Как правило, базы данных NoSQL предлагают гибкие схемы, что позволяет осуществлять разработку быстрее и обеспечивает возможность поэтапной реализации. Благодаря использованию гибких моделей данных БД NoSQL хорошо подходят для частично структурированных и неструктурированных данных.
- Масштабируемость. Базы данных NoSQL рассчитаны на масштабирование с использованием распределенных кластеров аппаратного обеспечения, а не путем добавления дорогих надежных серверов. Некоторые поставщики облачных услуг проводят эти операции в фоновом режиме, обеспечивая полностью управляемый сервис.
- Высокая производительность. Базы данных NoSQL оптимизированы для конкретных моделей данных и шаблонов доступа, что позволяет достичь более высокой производительности по сравнению с реляционными базами данных.
- Широкие функциональные возможности. Базы данных NoSQL предоставляют API и типы данных с широкой функциональностью, которые специально разработаны для соответствующих моделей данных.
Типы баз данных NoSQL
БД на основе пар «ключ‑значение». Базы данных с использованием пар «ключ‑значение» поддерживают высокую разделяемость и обеспечивают беспрецедентное горизонтальное масштабирование, недостижимое при использовании других типов БД. Хорошими примерами использования для баз данных типа «ключ‑значение» являются игровые, рекламные приложения и приложения IoT. Amazon DynamoDB обеспечивает стабильную работу БД с задержкой не более нескольких миллисекунд при любом масштабе. Такая устойчивая производительность послужила основной причиной переноса Snapchat Stories в сервис DynamoDB, поскольку эта возможность Snapchat связана с самой большой нагрузкой на запись в хранилище.
Документ В коде приложения данные часто представлены как объект или документ в формате, подобном JSON, поскольку для разработчиков это эффективная и интуитивная модель данных. Документные базы данных позволяют разработчикам хранить и запрашивать данные в БД с помощью той же документной модели, которую они используют в коде приложения. Гибкий, полуструктурированный, иерархический характер документов и документных баз данных позволяет им развиваться в соответствии с потребностями приложений. Документная модель хорошо работает в каталогах, пользовательских профилях и системах управления контентом, где каждый документ уникален и изменяется со временем. Amazon DocumentDB (совместимая с MongoDB) и MongoDB — распространенные документные базы данных, которые предоставляют функциональные и интуитивно понятные API для гибкой разработки.
Графовые БД. Графовые базы данных упрощают разработку и запуск приложений, работающих с наборами сложносвязанных данных. Типичные примеры использования графовых баз данных – социальные сети, сервисы рекомендаций, системы выявления мошенничества и графы знаний. Amazon Neptune – это полностью управляемый сервис графовых баз данных. Neptune поддерживает модель Property Graph и Resource Description Framework (RDF), предоставляя на выбор два графовых API: TinkerPop и RDF / SPARQL. К числу распространенных графовых БД относятся Neo4j и Giraph.
БД в памяти. Часто в игровых и рекламных приложениях используются таблицы лидеров, хранение сессий и аналитика в реальном времени. Такие возможности требуют отклика в пределах нескольких микросекунд, при этом резкое возрастание трафика возможно в любой момент. Amazon MemoryDB для Redis – это совместимый с Redis надежный сервис базы данных в памяти, который уменьшает задержку чтения до миллисекунд и обеспечивает надежность в нескольких зонах доступности. MemoryDB специально создана для обеспечения сверхвысокой производительности и надежности, поэтому ее можно использовать как основную базу данных для современных приложений на базе микросервисов. Amazon ElastiCache – это полностью управляемый сервис кэширования в памяти, совместимый с Redis и Memcached для обслуживания рабочих нагрузок с низкой задержкой и высокой пропускной способностью. Такие клиенты, как Tinder, которым требуется, чтобы их приложения давали отклик в режиме реального времени, пользуются системами хранения данных в памяти, а не на диске. Еще одним примером специально разработанного хранилища данных является Amazon DynamoDB Accelerator (DAX). DAX позволяет DynamoDB считывать данные в несколько раз быстрее.
Поисковые БД. Многие приложения формируют журналы, чтобы разработчикам было проще выявлять и устранять неполадки. Сервис Amazon OpenSearch – специально разработанный сервис для визуализации и аналитики автоматически генерируемых потоков данных в режиме, близком к реальному времени, путем индексирования, агрегации частично структурированных журналов и метрик и поиска по ним. Кроме того, сервис Amazon OpenSearch – это мощный, высокопроизводительный сервис для полнотекстового поиска. Компания Expedia задействует более 150 доменов сервиса Amazon OpenSearch, 30 ТБ данных и 30 миллиардов документов для разнообразных особо важных примеров использования – от операционного мониторинга и устранения неисправностей до отслеживания стека распределенных приложений и оптимизации затрат.
Сравнение баз данных SQL (реляционных) и NoSQL (нереляционных)
В течение десятилетий центральное место в разработке приложений занимала реляционная модель данных, которая использовалась в реляционных базах данных, таких как Oracle, DB2, SQL Server, MySQL и PostgreSQL. Но в середине – конце 2000‑х годов заметное распространение стали получать и другие модели данных. Для обозначения появившихся классов БД и моделей данных был введен термин «NoSQL». Часто «NoSQL» используется в качестве синонима к термину «нереляционный».
Существует множество типов БД NoSQL с различными особенностями, но в таблице ниже приведены основные отличия баз данных NoSQL от SQL.
| Реляционные базы данных | Базы данных NoSQL | |
|---|---|---|
Подходящие рабочие нагрузки |
Реляционные БД предназначены для транзакционных и строго непротиворечивых приложений обработки транзакций в режиме реального времени (OLTP) и хорошо подходят для аналитической обработки в режиме реального времени (OLAP). | Базы данных NoSQL предназначены для работы с целым рядом шаблонов доступа к данным, в том числе приложений с низкой задержкой. Поисковые БД NoSQL предназначены для аналитики частично структурированных данных. |
| Модель данных | Реляционная модель нормализует данные и преобразует их в таблицы, состоящие из строк и столбцов. Схема жестко задает таблицы, строки, столбцы, индексы, отношения между таблицами и прочие элементы базы данных. Такая БД обеспечивает целостность ссылочных данных в отношениях между таблицами. |
Базы данных NoSQL предоставляют разнообразные модели данных, такие как пары «ключ-значение», документы и графы, оптимизированные для высокой производительности и масштабируемости. |
| Свойства ACID | Реляционные базы данных обеспечивают набор свойств ACID: атомарность, непротиворечивость, изолированность, надежность.
|
Базы данных NoSQL зачастую предлагают компромисс, смягчая жесткие требования свойств ACID ради более гибкой модели данных, которая допускает горизонтальное масштабирование. Благодаря этому БД NoSQL – отличный выбор для примеров использования с высокой пропускной способностью и низкой задержкой, в которых требуется горизонтальное масштабирование, не ограниченное рамками одного инстанса. |
| Производительность | Производительность главным образом зависит от дисковой подсистемы. Для обеспечения максимальной производительности часто требуется оптимизация запросов, индексов и структуры таблицы. | Производительность обычно зависит от размера кластера базового аппаратного обеспечения, задержки сети и вызывающего приложения. |
| Масштабирование | Реляционные базы данных обычно масштабируются путем увеличения вычислительных возможностей аппаратного обеспечения или добавления отдельных копий для рабочих нагрузок чтения. | Базы данных NoSQL обычно поддерживают высокую разделяемость благодаря шаблонам доступа с возможностью масштабирования на основе распределенной архитектуры. Это повышает пропускную способность и обеспечивает устойчивую производительность почти в неограниченных масштабах. |
| API | Запросы на запись и извлечение данных составляются на языке SQL. Эти запросы анализирует и выполняет реляционная база данных. | Объектно‑ориентированные API позволяют разработчикам приложений без труда осуществлять запись и извлечение структур данных. Благодаря использованию ключей секций приложения могут вести поиск по парам «ключ‑значение», наборам столбцов или частично структурированным документам, содержащим серийные объекты и атрибуты приложений. |
Сравнение терминологии SQL и NoSQL
В следующей таблице приведено сравнение терминологии некоторых баз данных NoSQL с терминологией баз данных SQL.
| SQL | MongoDB | DynamoDB | Cassandra | Couchbase |
|---|---|---|---|---|
| Таблица | Коллекция | Таблица | Таблица | Корзина данных |
| Ряд | Документ | Элемент | Ряд | Документ |
| Столбец | Поле | Атрибут | Столбец | Поле |
| Первичный ключ | ObjectId | Первичный ключ |
Первичный ключ | ИД документа |
| Индекс | Индекс | Вторичный индекс | Индекс | Индекс |
| Представление | Представление | Глобальный вторичный индекс | Материализованное представление | Представление |
| Вложенная таблица или объект | Встроенный документ | Карта | Карта | Карта |
| Массив | Массив | Список | Список | Список |
| Список |
| Список |
| Первичный ключ |
Начать работу с DynamoDB
Начать работу с DynamoDB очень просто. Страница по началу работы с DynamoDB поможет создать первую таблицу за несколько щелчков мышью. Можно загрузить техническое описание AWS, чтобы изучить рекомендации по миграции рабочих нагрузок из реляционной системы управления базой данных (РСУБД) в DynamoDB.