خانه / NoSQL / مفاهیم پایه / مقدمه ای بر بانک های اطلاعاتی NoSQL
پیشگامان عصر NOSQL

مقدمه ای بر بانک های اطلاعاتی NoSQL

بخش اصلی اين مطلب از يكي از مقالات ویژه نامه جنبش NoSQL نشريه ماهنامه شبكه در شماره ۱۳۳ (البته در حال حاضر به دلیل مشکل فنی از دسترس خارج شده است) با عنوان پیشگامان عصر جدید پایگاه‌های داده اقتباس شده است که با توجه به تغییرات چند سال اخیر در این حوزه، مطالب آن کمی به روزتر شده است .
در چند سال اخیر، دنیای پایگاه‌هاي داده NoSQL با پروژه‌هاي جذاب و هیجان‌انگیز جدیدی به همراه ادعاهای بلندپروازانه و مشاجره‌هاي مختلف پر‌شده است. مبلغان این فناوري‌ها ادعا مي‌کنند که بسته‌هاي نرم‌افزاری NoSQL جدید، با حذف ساختار و مشکلات کنترل ‌سه‌گانه داده‌ها در پایگاه‌هاي داده‌ای سنتی، به سرعت‌هاي خیره‌کننده‌ای دست پیدا‌کرده‌اند. آن‌ها در مقابل ادعای مشکلات ذاتی چنین پایگاه‌هاي داده‌ای در زمینه قابلیت اعتماد، معتقدند که در این بحث بسیار مبالغه شده است و واقعیت چیز دیگری است. برنامه‌نویسان بسیاری هستند که هدف آن‌ها توسعه برنامه‌هایی است که کاربردهای تجاری و صنعتی بزرگی (مانند برنامه‌هاي بانکداری) ندارند و داده‌هایی نظیر اطلاعات قابل فراموش شدن در زندگی انسان‌ها هدف آن‌ها است. پاسخ چنین افرادی در زمینه چرایی عدم استفاده از ساختار جدولی برای داده‌ها نیز چنین است که این ساختار جدولی سنتی بسیار کوته‌نظرانه و محدود‌کننده است. آن‌ها مي‌گویند‌: «اگر تمام این تغییرات رادیکال ساختاری را در نظر بگیرید، مي‌توانید پایگاه‌هاي داده‌ای آزاد‌تر و به شدت سریع‌تر به دست آورید!»
نتیجه این تفکرات و فعالیت‌هاي پایان‌ناپذیر توسط بسیاری از شرکت‌ها و توسعه‌دهندگان، معرفی راهکارهای شایسته‌اي است که یا هم‌اکنون به‌صورت عملی استفاده مي‌شوند یا به زودی شاهد معرفی یک نمونه موفق استفاده عملی از آن‌ها خواهیم بود. نکته جالب توجه درباره پیدایش بيشتر این پایگاه‌هاي داده‌ای، وجود یک نیاز بزرگ و تولد آن‌ها در شرکت‌هايي است که هم اکنون با حجم عظیمی از کاربران و داده‌هاي مرتبط با آن‌ها سروکار دارند. در این مقاله به بحث و بررسی انواع راهکارهای معروف و مهم NoSQL و ارائه توضیحاتی درباره هر کدام پرداخته‌ایم. بدیهی است، راهکارهای دیگری نیز در این مجموعه وجود دارند که به دلیل اهمیت کمتر، از پرداختن به آن‌ها صرف‌نظر شده و تنها به ارائه نام آن‌ها بسنده کرده‌ایم.

فناوری جدید برای چالش های نوین

در دنیای امروز، حرکت به سمت فناوري‌هاي جدید در کاربردهای سازمانی یا Enterprise و تحولات عمیق و کلی به‌سرعت اتفاق نمی‌افتند. مجموعه‌هاي بزرگ و سیستم‌هاي عظیم نرم‌افزاری تنها زمانی آماده پذیرش تحولات بنیادین مي‌شوند که چالش‌هاي جدید و مهمی در برابر آن‌ها وجود داشته باشد. اتفاقی که امروزه در حال بروز است نیز از این دسته اتفاق‌ها به شمار مي‌آيد. توسعه‌دهندگان و مجموعه‌هاي بزرگ نرم‌افزاری، برای مدت مدیدی است که برای ذخیره‌سازی داده از پایگاه‌هاي داده رابطه‌ای استفاده‌مي‌کردند که معماری اولیه آن‌ها به دهه ۱۹۵۰ میلادی بازمی‌گردد. اما با توسعه اینترنت و پیشرفت نیازهای کاربران و به وجود‌آمدن چالش‌هاي جدید، راه‌حل‌هاي مهمی در دنیای پایگاه‌هاي داده معرفی‌شدند که زمینه ساز تحولی بنیادین در این شاخه از صنعت محاسبات خواهد‌بود.

در زمانی خاص، شرکت‌هايي نظیر آمازون و گوگل، برای پاسخ به نیازهایشان مجبور بودند که چنین فناوري‌هايي را با هزینه سنگین توسعه دهند اما امروزه، با ارائه رایگان کدهای اين فناوري‌ها به مجموعه‌هاي اپن‌سورسی مانند آپاچی ، این امکان فراهم شده تا همه بتوانند با کمترین هزینه ممکن، پیچیده‌ترین کدها را در اختیار داشته باشند.
این تحول، همان معرفی و رشد پایگاه‌هاي داده غیر‌رابطه‌ای است که با نام NoSQL شناخته مي‌شود. با بررسی دقیق‌تر موضوع، مي‌توان گفت که سه اصل کلیدی مهم در پس رشد پایگاه‌هاي داده‌ای NoSQL وجود دارد : اصل اول، پیدایش نوع جدیدی از ترافیک در سطح اینترنت است که با معرفی برنامه‌هاي وب ۲، گسترش شبکه‌هاي اجتماعی، تغییر فعالیت کاربران، پیشرفت ذاتی اینترنت و دسترسی تعداد بسیار بیشتری از افراد به این شبکه عظیم به وجود آمده است. این ترافیک جدید و در اغلب موارد سنگین که ناشی از مراجعه تعداد زیادی از کاربران و همچنین تولید محتوا از سوی آنان است، سایت‌هاي پر بازدید را با چالش‌هاي جدید مواجه کرد و نیاز به مقیاس‌پذیری در این مجموعه‌ها، آن‌ها را به سمت استفاده از نوع جدیدی از برنامه‌هاي کاربردی و پایگاه‌هاي داده که با فناوري‌هاي روز تطابق بیشتری دارند، سوق داد.
اصل دوم ، تغییرات داده‌ها در طول زمان‌بود که این روزها، خیلی سریع‌تر از گذشته اتفاق می‌افتد. مجموعه‌هاي تجاری دنیا، اکنون برای حفظ سرعت رشد و رقابت‌پذیری خود مجبورند حجم عظیمی از داده‌هاي متنوع را ذخیره، پردازش و به روز‌رسانی کنند و همزمان، تاریخچه آن‌ها را نیز دراختیار داشته باشند. پایگاه‌هاي داده سنتی رابطه‌ای اگرچه از پس انجام این امور بر‌مي‌آمدند، اما با افزایش تراکنش‌ها، حجم داده‌ها و نیاز به سرعت بیشتر، راه‌حل‌هاي جایگزین مناسب‌تر و بهینه‌ای نظیر پایگاه‌هاي داده NoSQL مورد توجه قرار گرفتند و به سرعت، جای خود را در شرکت‌هاي تجاری بزرگ باز‌کردند. لازم به توضیح است که استفاده از چنین پایگاه‌هاي داده، برای دسته‌اي خاص از تجارت‌هاي بزرگ مناسب بوده و ممکن است بسیاری از کسب‌وکارهای متوسط و کوچک، با استفاده از آن‌ها به نتیجه دلخواه نرسند و گزینه بهینه برای آن‌ها، همچنان استفاده از پایگاه‌هاي داده رابطه‌اي باشد.

برای مطالعه :   معرفی سایت : PredictiveAnalyticsToday مرجع نرم افزارها و خدمات حوزه پردازش و تحلیل داده

اصل آخر، این‌که فناوري NoSQL در حال تبدیل شدن به یک کالای تجاری است. در زمانی خاص، شرکت‌هايي نظیر آمازون و گوگل، برای پاسخ به نیازهایشان مجبور بودند که چنین فناوري‌هايي را با هزینه سنگین توسعه دهند و به همین دلیل، بسیاری از شرکت‌هاي بزرگ به دلیل هزینه‌هاي زیاد، از انجام چنین کاری امتناع مي‌کردند. اما امروزه، با ارائه رایگان کدهای چنین فناوري‌هايي به مجموعه‌هاي اپن‌سورسی مانند آپاچی و دیگران، این امکان فراهم شده تا همه بتوانند با کمترین هزینه ممکن، پیچیده‌ترین کدها را در اختیار داشته باشند و همین امر، فناوری NoSQL را به خوبی در دسترس شرکت‌هاي کوچک‌تر قرار‌مي‌دهد و نتیجه آن، سرعت بیشتر در رشد و توسعه چنین پایگاه‌هاي داده‌اي است.با توجه به آنچه ذکر شد، قصد داریم تا راه‌حل‌های NoSQL را که در سال‌های اخیر توسعه داده شده‌اند و اکنون یک راهکار عملی برای مقابله با چالش‌هاي جدید هستند، معرفی کنیم.

مزیت این پایگاه‌هاي داده در مقابل رقبای رابطه‌اي خود، تأخیر کم، توزیع پذیری و جایگزیني‌پذیری بالا است که با استفاده از یک API ساده قابل دسترسی است. همه اين پایگاه‌هاي داده، علاوه بر امکان ذخیره‌سازی کلید/مقدار، قابلیت‌ها و کاربردهای پیشرفته‌تر و بيشتري نیز دارند.

همان‌طور که قبلاً نیز ذکر شد، عبارت NoSQL برای اشاره به مجموعه وسیعی از پایگاه‌هاي داده با کاربردهای‌متنوع استفاده‌مي‌شود که از قوانین و اصول حاکم بر پایگاه‌هاي داده‌اي سنتی و رابطه‌اي تبعیت نمی‌کنند، اما این مجموعه خود متشکل از راه‌حل‌هاي متنوعی است که هر کدام برای انجام اموری خاص و به بهترین نحو ممکن، طراحی شده‌اند. این امر، باعث مي‌شود طراحی این پایگاه‌هاي‌داده نیز بر‌اساس معماری‌هاي خاصی انجام شود تا بهترین جواب ممکن از کاربرد آن‌ها به دست آید. به همین منظور، در ادامه مقاله تلاش مي‌کنیم که این سیستم‌هاي مبتنی بر NoSQL را به تفکیک نوع معماری (که به تبع نوع عملکرد و کاربرد آن‌ها را نیز تفکیک مي‌کنند) مورد بحث و بررسی قرار دهیم.

جهت مطالعه بیشتر : آشنایی با الگوهای معماری NoSQL

بانکهای اطلاعاتی کلید/مقدار

نمونه‌ها : Aerospike, Redis, Amazon DynamoDB, Riak , Oracle NoSQL Database,Voldemort, FoundationDB

کاربردهای معمول : کش‌کردن محتوا ودسترسی سریع به داده ها

نقاط قوت : مراجعه سریع

نقاط ضعف : نداشتن ساختار برای محتوای ذخیره شده

در مدل‌های ذخیره‌‌سازی این پایگاه‌های‌داده‌ جفت‌هاي داده‌اي کلید/مقدار در اصل به‌صورت Distributed Hash Table ذخیره مي‌شوند به گونه ای که سرویس بازیابی مشابه Hash Table را فراهم مي‌سازند یعنی کافیست کلید مورد نظر را درخواست کنید تا با سرعت بالا،‌ داده های ذخیره شده برای آن، به شما برگشت داده شود. در پایگاه‌هاي داده‌ کلید/مقدار جدید، هر node (یک ماشین عضو کلاستر پایگاه داده) موجود در سیستم مي‌تواند مقدار مرتبط با یک کلید را به‌صورت بهینه بازیابی كند. مسئولیت نگه‌داری نگاشت کلیدها و مقدارها در میان نودهای موجود توزیع شده است به‌طوری که هر گونه تغییر در مجموعه نودها، کمترین میزان قطع شدن خدمات سیستم را به بار خواهد آورد. این سرویس که هم اکنون در خدمات اشتراک فایل به‌صورت peer-to-peer همچون BitTorrent مورد استفاده قرار مي‌گیرد، وسیله‌ای برای توسعه نوعی از پایگاه‌هاي داده شده که راهی بهینه برای ذخیره داده‌هاي ساده، اما در مقیاسی بسیار وسیع را ارائه مي‌كنند. داده‌هايي که تنها با کلیدهای اولیه و بدون ارتباطات پیچیده نگه‌داری مي‌شوند و توسعه‌دهندگان برنامه کاربردی که از آن‌ها استفاده مي‌کنند، از بسیاری از پیچیدگی‌ها و کندی عملکرد پایگاه‌هاي داده‌اي رابطه‌اي در محیط مربوط فراری هستند.

جدول ۱، فهرستي از پایگاه‌هاي داده را که قابلیت عملکرد به‌صورت پایگاه داده کلید/مقدار را دارند، ارائه می‌کند.

توجه کنید که در اینجا، مزیت این پایگاه‌هاي داده در مقابل رقبای رابطه‌اي خود، تأخیر کم، توزیع پذیری و جایگزیني‌پذیری بالا است که با استفاده از یک API ساده قابل دسترسی است. توجه کنید که همه پایگاه‌هاي داده جدول ۱، علاوه بر امکان ذخیره‌سازی کلید/مقدار، قابلیت‌ها و کاربردهای پیشرفته‌تر و بيشتري نیز دارند.

pic1-shabakehMag

جدول ۱- نمونه‌اي از پایگاه‌هاي داده‌ های کلید/مقدار و مشخصات آن‌ها

کاربرد نمونه: فرض کنید برنامه‌اي برای راه‌اندازی یک انجمن اینترنتی (forum) طراحی شده است. در صفحه پروفایل کاربران، باید آماری از فعالیت گذشته (پست‌هاي ذخیره شده و…) و همچنین ده پیام آخر برای کاربران نمایش داده شود. کافیست این اطلاعات را به صورت متن با قالب جی سان در آورده و در کلیدی با شناسه آن کاربر، ذخیره کنید . با این توضیح، هنگام ورود به پروفایل یک کاربر، کلیدی را که با شناسه آن کاربر خاص ذخیره شده است، درخواست شده و رشته‌اي (String) از اطلاعات مرتبط بر‌اساس پروتکل JSON دریافت خواهید كرد که آنها را در جای مناسب نمایش می دهید. به این ترتیب برای نمایش صفحه پروفایل کاربر، نیاز به نوشتن پرس و جو در سایر بانک های اطلاعاتی نیست و با یک درخواست ساده و با سرعت بالا، داده های مورد نیاز در دسترس خواهند بود . البته این امر زمانی امکان پذیر خواهد بود که یک فرآيند پس زمینه، این اطلاعات را هر پانزده دقیقه محاسبه کرده (می تواند از سایر بانکهای اصلی پروژه استفاده کند) و در پایگاه داده کلید/مقدار آنها را به‌روز رسانی كند.

برای مطالعه :   آیا واقعاً به این همه الگوریتم دسته بندی نیاز داریم؟

اجرای چنین عملیاتی با پایگاه‌هاي داده‌ سنتی رابطه‌اي در مقیاس بسیار بزرگ، با تعداد بسیاری از سرورها، امری بسیار دشوار و غیر بهینه است. استفاده از پایگاه‌هاي داده‌ key/value در این مورد، یکی از بهترین و بهینه‌ترین راهکارهای ممکن است.

پایگاه‌هاي داده سندگرا

نمونه‌ها : Couchbase, MongoDB, Elastic Search,CouchDB ,RavenDB , RethinkDB

کاربردها : برنامه‌هاي وب، ارائه محتوا در شبکه‌هاي اختصاصی

نقاط قوت : مقاوم در برابر محتوای ناقص

نقاط ضعف : سرعت کند عملکرد کوئری‌ها، نداشتن یک دستور زبان پرس‌و‌‌جوی استاندارد

توضیح: در این پایگاه‌ها که بهترین نماینده آن‌ها CouchDB است (به عنوان یک پایگاه داده متن باز و رایگان) و در اصل، نوعی از پایگاه‌هاي داده‌ کلید/مقدار به شمار مي‌آیند، داده‌ها در قالب اسناد ذخیره مي‌شوند. هر سند در این پایگاه‌هاي داده‌ حاوی مقادیر دلخواهی فیلد و الحاقاتی است که مي‌توانند حاوی یک فرا داده یا متادیتای دلخواه نیز باشند.

در این مجموعه‌ها، فیلدها در اسناد به‌صورت یکتا نام‌گذاری مي‌شوند و نوع داده‌اي مقدارهای آن‌ها مي‌تواند متغیر باشد. همچنين، هیچ محدودیتی در اندازه متن و تعداد المان‌ها در این پایگاه‌هاي داده وجود ندارد. در CouchDB به عنوان نمونه، مدل به‌روز‌رسانی داده‌ها مثبت‌نگرانه و بدون قفل است و تغییرات روي اسناد، توسط کلاینت‌هايي انجام مي‌شود که آن‌ها را دریافت،‌ ویرایش كرده و دوباره به سرور ارسال مي‌کنند. اینجا عملیات به‌روز رسانی یا کاملاً موفقیت‌آمیز است یا کاملاً با شکست مواجه مي‌شود. این پایگاه داده به خوبی از خصوصیات ACID پشتیبانی‌مي‌کند و داده‌هاي روی دیسک، برای حفظ پایداری سیستم هیچ‌گاه رونویسی نمی‌شوند. همچنین به‌روزرسانی‌ها به‌صورت سریالی انجام مي‌شود، اما به روزرسانی‌هاي باینری، به‌صورت همزمان نوشته مي‌شوند.
عملیات خواندن در این پایگاه‌هاي داده، زیر نظر یک سیستم کنترل ورژن انجام مي‌شود که باعث مي‌شود هر کلاینتی، یک نمونه یکتای کامل از یک سند را در کل عملیات خواندن در اختیار بگیرد.

یکپارچگی‌داده‌ها به‌صورت اسناد در پایگاه‌داده در مقابل داده‌هايي که در میان تعداد بسیار زیادی از جدول‌ها گسترده مي‌شوند، مزایای بسیاری دارد. در این حالت وقتی اسناد روی دیسک نوشته مي‌شوند، فیلدها و متادیتاهای آن‌ها یکی پس از دیگری در بافرها گنجانده ‌مي‌شوند. به این ترتیب امکان ایجاد view‌ها به روشی کارا فراهم می‌شود.
پایگاه داده CouchDB هم اکنون از توجه ویژه توسعه‌دهندگان برخوردار است و کتابخانه‌هاي مورد نیاز برای استفاده از آن، برای همه زبان‌هاي برنامه‌نویسی مهم تولید شده است. نکته مهم دیگر این که شرکت‌هاي بسیاری به وجود آمده‌اند که خدمات مبتنی بر CouchDB را به‌صورت تجاری ارائه مي‌دهند. در این ميان، شرکت Cloudant نیز پایگاه داده‌ CouchDB را به‌صورت یک سرویس میزبانی شده عرضه کرده و با شرکت‌هايي نظیر CloudBee برای پشتیبانی از اجرای کد در ابر Cloudant نیز همکاری دارد. استفاده از این پایگاه داده مهم به‌صورت سرویس، روز‌به‌روز ساده‌تر و کم هزینه‌تر مي‌شود و به همین دلیل، به نظر می‌رسدکه جایگاه مهمی را در آینده پایگاه‌هاي داده از آن خود خواهد ساخت.
نمونه موفق دیگری از این نوع پایگاه‌هاي داده، MongoDB است که داده‌ها را با فرمت اشیاي جاوا اسکریپت (JSON) دریافت کرده و آن‌ها را ذخیره مي‌کند. در این پایگاه داده، پرس و جو‌ها توابع معمولی جاوا اسکریپت هستند و کار با آن برای توسعه‌دهندگان وب چندان غریب نخواهد بود. اگرچه موارد ذکر شده بیان ساده‌اي از عملکرد این پایگاه داده است، اما نکته مهم اين است که MongoDB، شاخص‌هاي لازم را برای پایگاه داده کاربر به صورت خودکار خواهد ساخت و پرس‌و‌‌جو‌ها را (زمانی که شاخص‌های مناسب تولید شده باشند) بسیار سریع‌تر برخواهد‌گرداند که البته گوشه‌اي از عملیات تعیین شاخص‌ها نیز وظیفه توسعه‌دهنده پایگاه داده است. این پایگاه داده نیز از کتابخانه‌ها و درایورهای متعدد برای زبان‌هاي برنامه نویسی مهم برخوردار است و ابزارهای توسعه و نگه‌داری مناسبی نیز برای آن تولید شده‌اند.

نمونه ای از یک سند ساده در مانگو را در شکل زیر می توانید مشاهده کنید.

MongoDB-part2-crud-insert-stages
کاربرد نمونه: تصور کنید، یک برنامه برای ساماندهی به اوضاع کودکان سر راهی یا گمشده نوشته شود که هدف آن، پیدا کردن و رساندن آن‌ها به خانواده‌‌هایشان باشد. جزئیاتی که در این برنامه باید ذخیره شوند، به شدت بر‌اساس شرایط هر کودک و وضعیت محیط متفاوت است. به عنوان مثال، ممکن است یک کودک نام کوچک والدین خود را بداند و تنها تصویری از آن‌ها در اختیار داشته‌باشد. در این حالت، ممکن است در آینده فرد دیگری کودک مذکور را شناسایی‌کرده و اطلاعات بیشتری در اختیار سیستم بگذارد، اما تا زمانی که این داده‌ها تأیید شوند، باید راهی برای ذخیره و بازیابی آن‌ها وجود داشته باشد و افزون بر این، از فضای ذخیره‌سازی و سرعت عملکرد به بهترین نحو استفاده شود.

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *