+5

Chạm khẽ NoSQL một chút thôi....

Mayfest2023

1. Giới thiệu về NoSQL

1.1. Định nghĩa NoSQL

NoSQL, hay "Not Only SQL", là một loại cơ sở dữ liệu được thiết kế để xử lý dữ liệu lớn, phân tán và không cấu trúc. Khác với SQL truyền thống, NoSQL không sử dụng mô hình bảng để lưu trữ dữ liệu, mà thay vào đó, nó sử dụng nhiều mô hình khác như key-value, document, column, và graph.

image.png

1.2. Lịch sử và phát triển của NoSQL

Thuật ngữ NoSQL được sử dụng lần đầu vào năm 1998 bởi Carlo Strozzi khi ông tạo ra cơ sở dữ liệu mã nguồn mở không SQL. Tuy nhiên, NoSQL như chúng ta biết ngày nay bắt đầu phát triển mạnh mẽ vào đầu thế kỷ 21, khi các công ty lớn như Google, Amazon, và Facebook bắt đầu tìm kiếm các giải pháp cơ sở dữ liệu có thể mở rộng để đáp ứng nhu cầu tăng trưởng nhanh chóng của họ.

1.3. Lý do tại sao cần NoSQL

Sự phát triển của NoSQL phần lớn là do nhu cầu xử lý lượng dữ liệu lớn và sự phức tạp ngày càng tăng của dữ liệu. NoSQL cung cấp khả năng mở rộng ngang (horizontal scaling) một cách dễ dàng, giúp xử lý lượng dữ liệu lớn mà SQL không thể đáp ứng. Ngoài ra, NoSQL cũng cho phép lưu trữ dữ liệu không cấu trúc và bán cấu trúc, điều mà SQL gặp khó khăn.

1.4. Ví dụ thực tế

Amazon DynamoDB và Google BigTable là hai ví dụ nổi bật về NoSQL. Amazon DynamoDB được thiết kế để đáp ứng nhu cầu mở rộng lớn của Amazon, trong khi Google BigTable giúp Google xử lý lượng dữ liệu lớn từ các dịch vụ như Google Search và YouTube.

image.png

Đến đây, chúng ta đã hiểu sơ qua về NoSQL. Tiếp theo, chúng ta sẽ tìm hiểu về các loại NoSQL Databases.

2. Các loại NoSQL Databases

2.1. Key-Value Stores

Loại cơ sở dữ liệu này lưu trữ dữ liệu dưới dạng cặp key-value. Key-Value Stores đơn giản và dễ sử dụng, nhanh và hiệu quả khi xử lý dữ liệu lớn. Ví dụ về Key-Value Stores là Amazon DynamoDB và Redis.

2.2. Document Stores

Document Stores lưu trữ dữ liệu dưới dạng tài liệu, thường là định dạng JSON. Loại cơ sở dữ liệu này rất linh hoạt và thích hợp cho dữ liệu không cấu trúc và bán cấu trúc. MongoDB và CouchDB là hai ví dụ nổi bật về Document Stores.

2.3. Wide-Column Stores

Wide-Column Stores lưu trữ dữ liệu dưới dạng cột thay vì hàng như SQL. Điều này giúp tăng hiệu suất truy vấn dữ liệu và làm việc hiệu quả với dữ liệu lớn. Cassandra và Google BigTable là ví dụ về Wide-Column Stores.

2.4. Graph Databases

Graph Databases lưu trữ dữ liệu dưới dạng đồ thị, thích hợp cho việc xử lý dữ liệu mạng phức tạp. Neo4j và Amazon Neptune là hai ví dụ về Graph Databases.

image.png

Sau khi đã biết về các loại cơ sở dữ liệu NoSQL, chúng ta sẽ đi vào phần so sánh giữa SQL và NoSQL.

3. So sánh giữa SQL và NoSQL

3.1. Đặc điểm của SQL

SQL, hay Structured Query Language, là một ngôn ngữ truy vấn được sử dụng rộng rãi trong việc quản lý và xử lý dữ liệu trong cơ sở dữ liệu quan hệ. SQL cung cấp khả năng truy vấn dữ liệu mạnh mẽ và đa dạng, hỗ trợ các hệ thống dữ liệu phức tạp.

SQL cho phép các truy vấn dữ liệu phức tạp, hỗ trợ các hệ thống dữ liệu phức tạp. Cơ sở dữ liệu SQL tuân thủ ACID (Atomicity, Consistency, Isolation, Durability), nghĩa là nó cung cấp tính nhất quán, độc lập và bền vững cho dữ liệu.

3.2. Đặc điểm của NoSQL

NoSQL là một loại cơ sở dữ liệu được thiết kế để xử lý dữ liệu lớn, không cấu trúc và phân tán. NoSQL không tuân thủ ACID như SQL, nhưng thay vào đó, nó tuân theo BASE (Basically Available, Soft State, Eventual Consistency), giúp tăng hiệu suất và độ mạnh mẽ của hệ thống.

NoSQL cho phép lưu trữ dữ liệu không cấu trúc và bán cấu trúc, linh hoạt trong việc thay đổi cấu trúc dữ liệu. Nó cũng hỗ trợ việc phân tán dữ liệu trên nhiều máy chủ, giúp tăng hiệu năng và độ tin cậy.

3.3. Bảng so sánh SQL và NoSQL

SQL NoSQL
Kiểu dữ liệu Cấu trúc Không cấu trúc, bán cấu trúc
Mô hình Quan hệ Key-Value, Document, Wide-Column, Graph
ACID/BASE ACID BASE
Phân tán Không tự nhiên Tự nhiên
Thích hợp với Dữ liệu phức tạp, nghiệp vụ yêu cầu tính nhất quán cao Dữ liệu lớn, phân tán, nhanh chóng thay đổi

4. Các khái niệm thiết kế hệ thống trong NoSQL

4.1. CAP Theorem

CAP Theorem (Brewer's theorem) là một nguyên tắc trong thiết kế hệ thống phân tán, bao gồm ba yếu tố: Consistency (Nhất quán), Availability (Sẵn sàng), và Partition tolerance (Chịu đựng phân mảnh). CAP Theorem nói rằng, trong bất kỳ hệ thống phân tán nào, chỉ có thể đảm bảo tối đa hai trong ba yếu tố này.

4.2. BASE Properties

BASE (Basically Available, Soft State, Eventual Consistency) là một mô hình cung cấp hiệu suất cao và khả năng mở rộng tốt hơn so với ACID. Nó chấp nhận sự nhất quán cuối cùng (eventual consistency) thay vì nhất quán ngay lập tức, điều này cho phép hệ thống tiếp tục hoạt động kể cả khi có lỗi xảy ra.

4.3. Sharding

Sharding là quá trình chia nhỏ cơ sở dữ liệu lớn thành các phần nhỏ hơn, được gọi là "shards". Mỗi shard hoạt động như một cơ sở dữ liệu độc lập, giúp cải thiện hiệu suất và khả năng mở rộng của hệ thống.

4.4. Replication

Replication (nhân bản) là việc tạo ra các bản sao của dữ liệu trên nhiều máy chủ. Điều này giúp tăng cường độ tin cậy và khả năng chịu lỗi của hệ thống, cũng như cải thiện hiệu suất đọc.

4.5. Partitioning

Partitioning (phân vùng) là việc chia cơ sở dữ liệu thành nhiều phần nhỏ, hay phân vùng, dựa trên một số tiêu chí nhất định. Mỗi phân vùng có thể được lưu trữ trên một máy chủ riêng biệt, giúp cải thiện hiệu suất và khả năng mở rộng của hệ thống.

Những khái niệm thiết kế hệ thống này không chỉ giúp bạn hiểu rõ hơn về cách hoạt động của NoSQL, mà còn là những kiến thức cần thiết khi xây dựng và quản lý hệ thống phân tán. Tiếp theo, chúng ta sẽ tìm hiểu về các ứng dụng thực tế của NoSQL.

Sau khi đã nắm vững được sự khác biệt giữa SQL và NoSQL, chúng ta sẽ đi sâu vào các khái niệm thiết kế hệ thống trong NoSQL.

image.png

5. Ứng dụng của NoSQL trong thực tế

5.1. NoSQL trong Big Data

NoSQL đã trở thành một công cụ quan trọng trong ngành Big Data. Do khả năng mở rộng và xử lý dữ liệu phi cấu trúc, NoSQL là lựa chọn hàng đầu cho việc lưu trữ và phân tích dữ liệu lớn. Ví dụ, HBase, một hệ thống NoSQL dựa trên Hadoop, được sử dụng rộng rãi trong việc xử lý dữ liệu lớn.

5.2. NoSQL trong Real-Time Applications

Ứng dụng thời gian thực đòi hỏi độ trễ thấp và khả năng xử lý dữ liệu nhanh chóng. NoSQL đáp ứng được cả hai yêu cầu này, làm cho nó trở thành một lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng như trò chơi trực tuyến, quảng cáo trực tuyến, và phân tích dữ liệu thời gian thực.

5.3. NoSQL trong IoT

Với sự gia tăng của Internet of Things (IoT), lượng dữ liệu được tạo ra ngày càng lớn và đa dạng. NoSQL là lựa chọn hoàn hảo cho IoT vì khả năng xử lý dữ liệu phi cấu trúc và thời gian thực. Nhiều hệ thống NoSQL, như MongoDB và Cassandra, đã được sử dụng thành công trong nhiều dự án IoT.

image.png

6. Những điều cần lưu ý khi sử dụng NoSQL

6.1. Khi nào nên sử dụng NoSQL

Dù NoSQL có nhiều ưu điểm nhưng không phải lúc nào cũng nên sử dụng NoSQL. Nếu dữ liệu của bạn đủ nhỏ để lưu trữ trên một máy chủ đơn và yêu cầu tính nhất quán cao, SQL có thể là lựa chọn tốt hơn. NoSQL thường được sử dụng khi có lượng dữ liệu lớn, yêu cầu khả năng mở rộng cao, hoặc cần xử lý dữ liệu phi cấu trúc.

6.2. Những rủi ro và hạn chế của NoSQL

Mặc dù NoSQL có nhiều lợi ích nhưng cũng có những rủi ro và hạn chế. Ví dụ, một số hệ thống NoSQL có thể không đảm bảo tính nhất quán ngay lập tức. Ngoài ra, việc thiết lập và quản lý hệ thống NoSQL đòi hỏi kỹ thuật cao và thường cần đội ngũ kỹ sư có kiến thức sâu rộng về hệ thống phân tán.

7. Kết luận và những câu hỏi thường gặp

Trên đây là tổng quan về NoSQL, từ định nghĩa, lịch sử, các loại cơ sở dữ liệu NoSQL, ứng dụng của nó trong thực tế và những điều cần lưu ý khi sử dụng. Có thể thấy rằng NoSQL đang trở thành một công cụ không thể thiếu trong thế giới dữ liệu ngày nay, đặc biệt là trong các ứng dụng liên quan đến Big Data và IoT.

FAQs

  1. Khi nào nên sử dụng NoSQL thay vì SQL? NoSQL nên được sử dụng khi dữ liệu phi cấu trúc hoặc bán cấu trúc, cần khả năng mở rộng cao, xử lý dữ liệu thời gian thực, và khi độ trễ thấp là một yếu tố quan trọng.

  2. Điểm khác biệt chính giữa SQL và NoSQL là gì? SQL sử dụng mô hình cấu trúc và ngôn ngữ truy vấn tiêu chuẩn, trong khi NoSQL không sử dụng mô hình cấu trúc và không có ngôn ngữ truy vấn tiêu chuẩn.

  3. Hãy giải thích CAP Theorem. CAP Theorem nói rằng trong một hệ thống phân tán, chỉ có thể đảm bảo tối đa hai trong ba yếu tố: nhất quán (Consistency), khả năng chịu lỗi (Availability), và dịch chuyển phân cắt (Partition tolerance).

  4. Hãy mô tả một ví dụ về việc sử dụng NoSQL trong thực tế. Trong dự án hay sử dụng Redis hoặc DynamoDB để lưu thông tin người dùng đã đăng nhập để có thể truy cập siêu nhanh chóng và chính xác. Ví dụ fancy hơn, Facebook sử dụng Cassandra, một hệ thống NoSQL, để lưu trữ và quản lý dữ liệu lớn từ hàng tỷ người dùng trên toàn thế giới.

  5. Hãy nêu một số rủi ro và hạn chế của NoSQL. Một số hệ thống NoSQL có thể không đảm bảo tính nhất quán ngay lập tức. Ngoài ra, việc thiết lập và quản lý hệ thống NoSQL đòi hỏi kỹ thuật cao và thường cần đội ngũ kỹ sư có kiến thức sâu rộng về hệ thống phân tán.

NoSQL đã mở ra một hướng mới trong việc lưu trữ và quản lý dữ liệu. Với khả năng xử lý dữ liệu lớn và phi cấu trúc, NoSQL đang trở thành một phần quan trọng trong hệ thống dữ liệu của nhiều công ty và tổ chức lớn. Tuy nhiên, việc chọn sử dụng NoSQL cần được cân nhắc kỹ lưỡng, dựa trên nhu cầu và mục tiêu cụ thể của từng trường hợp.


日本語バジョン

1. NoSQLの紹介

1.1. NoSQLの定義

NoSQL(Not Only SQL)は、大規模かつ分散型の非構造化データを処理するために設計されたデータベースの一種です。従来のSQLとは異なり、NoSQLはデータをテーブルモデルで保存するのではなく、キーと値、ドキュメント、カラム、グラフなどのさまざまなモデルを使用します。

image.png

1.2. NoSQLの歴史と発展

NoSQLという用語は、1998年にCarlo Strozziがオープンソースの非SQLデータベースを作成した際に初めて使用されました。しかし、現代のNoSQLは、Google、Amazon、Facebookなどの大企業が急速な成長に対応するためにスケーラブルなデータベースソリューションを探し始めた21世紀初頭に本格的な発展を遂げました。

1.3. NoSQLの必要性

NoSQLの発展は、大量のデータ処理とデータの複雑性の増加による需要のために主に引き起こされました。NoSQLは、SQLでは対応できない大量のデータを容易に処理するために水平スケーリングを提供します。また、NoSQLは構造化されていないデータや部分的に構造化されたデータの格納を可能にし、SQLでは困難な操作を可能にします。

1.4. 実際の例

Amazon DynamoDBとGoogle BigTableはNoSQLの代表的な例です。Amazon DynamoDBはAmazonの大規模なスケーラビリティ要件に対応するよう設計されており、Google BigTableはGoogleの検索やYouTubeなどのサービスから生成される大量のデータを処理するのに役立っています。

image.png

これでNoSQLについての概要を理解しました。次に、さまざまなタイプのNoSQLデータベースについて学んでいきましょう。

2. NoSQLデータベースの種類

2.1. キーバリューストア

このタイプのデータベースは、キーと値のペアとしてデータを格納

します。キーバリューストアはシンプルで使いやすく、大量のデータを高速かつ効率的に処理できます。キーバリューストアの例には、Amazon DynamoDBやRedisがあります。

2.2. ドキュメントストア

ドキュメントストアは、データをJSON形式などのドキュメントとして格納します。このタイプのデータベースは非常に柔軟で、非構造化および部分的に構造化されたデータに適しています。MongoDBやCouchDBは、ドキュメントストアの代表的な例です。

2.3. ワイドカラムストア

ワイドカラムストアは、SQLではなく列ベースでデータを格納します。これにより、データクエリのパフォーマンスが向上し、大量のデータを効率的に処理できます。CassandraやGoogle BigTableは、ワイドカラムストアの例です。

2.4. グラフデータベース

グラフデータベースはデータをグラフ形式で格納し、複雑なネットワークデータの処理に適しています。Neo4jやAmazon Neptuneは、グラフデータベースの例です。

image.png

NoSQLデータベースのさまざまなタイプについて学んだので、次にSQLとNoSQLの比較について見ていきましょう。

3. SQLとNoSQLの比較

3.1. SQLの特徴

SQL(Structured Query Language)は、関係型データベースの管理と処理に広く使用されるクエリ言語です。SQLは強力で多様なデータクエリをサポートし、複雑なデータシステムをサポートします。

SQLは複雑なデータクエリを可能にし、複雑なデータシステムをサポートします。SQLデータベースはACID(原子性、一貫性、分離性、耐久性)を遵守し、データの整合性、独立性、耐久性を提供します。

3.2. NoSQLの特徴

NoSQLは、大規模かつ非構造化のデータを処理するために設計されたデータベースです。NoSQLはSQLとは異なり、ACIDではなくBASE(基本的に利用可能、ソフトステート、最終

的な整合性)を遵守します。これにより、システムのパフォーマンスと強力さが向上します。

NoSQLは非構造化および部分的に構造化されたデータの格納を可能にし、データ構造の変更に柔軟です。また、NoSQLは複数のサーバーにデータを分散させることができ、パフォーマンスと信頼性を向上させます。

3.3. SQLとNoSQLの比較表

SQL NoSQL
データの型 構造化 非構造化、部分的に構造化
モデル リレーショナル キーバリュー、ドキュメント、ワイドカラム、グラフ
ACID/BASE ACID BASE
分散処理 自然ではない 自然
適切な用途 複雑なデータ、一貫性の要求があるビジネス 大量のデータ、分散、迅速な変更を必要とする場合

4. NoSQLシステムデザインの概念

4.1. CAP定理

CAP定理(Brewerの定理)は、分散システムの設計における原則であり、一貫性(Consistency)、可用性(Availability)、パーティション耐性(Partition tolerance)の3つの要素を含んでいます。CAP定理によれば、分散システムではこれら3つの要素のうち最大2つしか保証できないとされています。

4.2. BASE特性

BASE(Basically Available, Soft State, Eventual Consistency)は、ACIDよりも高いパフォーマンスとスケーラビリティを提供するモデルです。BASEでは、即時の整合性ではなく、最終的な整合性(eventual consistency)を受け入れることで、システムの継続的な動作を可能にします。

4.3. シャーディング

シャーディングは、大規模なデータベースをより小さな「シャード」と呼ばれる部分に分割するプロセスです。各シャードは独立したデータベースとして機能し、システムのパフォーマンスとスケーラビリティを向上させます。

4.4. レプリケーション

レプリケーションは、データの複製を複数のサーバーに行

うプロセスです。これにより、システムの信頼性とエラートレランスが向上し、読み取りのパフォーマンスも向上します。

4.5. パーティショニング

パーティショニングは、特定の基準に基づいてデータベースを複数の小さなパーティションに分割するプロセスです。各パーティションは個別のサーバー上に保存されることがあり、システムのパフォーマンスとスケーラビリティを向上させます。

これらのシステムデザインの概念は、NoSQLの動作を理解するだけでなく、分散システムの構築と管理において重要な知識です。次に、NoSQLの実際の応用について学びましょう。

NoSQLの違いを理解したら、NoSQLデータベースのシステムデザインの概念についても深く掘り下げていきます。

image.png

5. NoSQLの実際の応用

5.1. ビッグデータにおけるNoSQLの活用

NoSQLはビッグデータの領域で重要なツールとなっています。非構造化データの処理能力とスケーラビリティのため、NoSQLは大容量データの保存と分析におけるトップの選択肢となっています。例えば、HBaseというNoSQLシステムは、Hadoopに基づいて広く使用されています。

5.2. リアルタイムアプリケーションでのNoSQLの活用

リアルタイムアプリケーションでは、低遅延と高速なデータ処理能力が求められます。NoSQLはこれらの要件を満たすため、オンラインゲーム、オンライン広告、リアルタイムデータ分析などのアプリケーションに理想的な選択肢となっています。

5.3. IoTでのNoSQLの活用

インターネット・オブ・シングス(IoT)の普及に伴い、生成されるデータ量とデータの多様性が増加しています。NoSQLは非構造化データとリアルタイム処理能力のため、IoTにおいて理想的な選択

肢となっています。MongoDBやCassandraなどの多くのNoSQLシステムが、さまざまなIoTプロジェクトで成功裏に使用されています。

image.png

6. NoSQLを使用する際の注意点

6.1. NoSQLを使用するタイミング

NoSQLは多くの利点を持っていますが、常にNoSQLを使用する必要はありません。データが単一のサーバーに収まり、整合性が重要な要件である場合は、SQLの方が適している場合もあります。NoSQLは主に大量のデータ、スケーラビリティの要求がある場合、および非構造化データの処理に使用されます。

6.2. NoSQLのリスクと制約事項

NoSQLには多くの利点がありますが、リスクや制約事項も存在します。たとえば、一部のNoSQLシステムでは即時の整合性が保証されない場合があります。また、NoSQLシステムの設定と管理には高度な技術が必要であり、分散システムに関する深い知識が必要です。

7. 結論とよくある質問

以上がNoSQLについての概要でした。定義、歴史、さまざまなタイプのNoSQLデータベース、実際の応用、使用時の注意点などについて学びました。NoSQLは現代のデータワールドにおいて欠かせないツールとなりつつあり、特にビッグデータやIoTに関連するアプリケーションにおいて重要な役割を果たしています。

よくある質問

  1. いつSQLではなくNoSQLを使用すべきですか? NoSQLは非構造化データや部分的に構造化されたデータ、スケーラビリティの要件がある場合に使用するべきです。一方、データが小規模で単一のサーバーに収まり、整合性が重要な場合は、SQLの方が適している場合もあります。

  2. SQLとNoSQLの主な違いは何ですか? SQLは構造化モデルと標準的なクエリ言語を使用しますが、NoSQLは構造化モデルを使用せず、標準的なクエリ言語がありません。

3

. CAP定理を説明してください。 CAP定理は、分散システムにおいて一貫性(Consistency)、可用性(Availability)、パーティション耐性(Partition tolerance)のうち最大2つしか保証できないという原則です。

  1. NoSQLの実際の応用の例を挙げてください。 例えば、RedisやDynamoDBを使用して、ユーザーのログイン情報を高速かつ正確にアクセスするために使用するプロジェクトがあります。さらに具体的な例として、FacebookはNoSQLシステムであるCassandraを使用して、世界中の数十億人のユーザーから生成される大量のデータを保存し管理しています。

  2. NoSQLのリスクや制約事項はありますか? NoSQLには即時の整合性が保証されない場合があるなどのリスクがあります。また、NoSQLシステムの設定と管理には高度な技術が必要であり、分散システムに関する深い知識が求められます。

NoSQLはデータの保存と管理の新しいアプローチを提供しています。大量のデータと非構造化データの処理能力を備えたNoSQLは、多くの大企業や組織のデータシステムの重要な要素となっています。ただし、NoSQLを使用する際には、個々のケースのニーズと目標に基づいて慎重に検討する必要があります。

Mình hy vọng bạn thích bài viết này và học thêm được điều gì đó mới.

Donate mình một ly cafe hoặc 1 cây bút bi để mình có thêm động lực cho ra nhiều bài viết hay và chất lượng hơn trong tương lai nhé. À mà nếu bạn có bất kỳ câu hỏi nào thì đừng ngại comment hoặc liên hệ mình qua: Zalo - 0374226770 hoặc Facebook. Mình xin cảm ơn.

Momo: NGUYỄN ANH TUẤN - 0374226770

TPBank: NGUYỄN ANH TUẤN - 0374226770 (hoặc 01681423001)

image.png


All Rights Reserved

Viblo
Let's register a Viblo Account to get more interesting posts.