Trong thế giới công nghệ thông tin ngày nay, các hệ quản trị cơ sở dữ liệu (database) như SQL Server, MySQL, PostgreSQL và Oracle đã trở nên quá quen thuộc. Tất cả chúng đều sử dụng ngôn ngữ SQL để truy vấn dữ liệu. Tuy nhiên, có một loại database khác biệt, sở hữu những đặc tính riêng biệt, được gọi chung là NoSQL. Vậy NoSQL là gì? Tại sao nó lại phát triển mạnh mẽ và thu hút sự quan tâm lớn đến vậy?
Mục Lục
NoSQL Database Là Gì?
Thuật ngữ “NoSQL” xuất hiện lần đầu vào năm 1998, được dùng để chỉ các cơ sở dữ liệu quan hệ nguồn mở gọn nhẹ (lightweight open source relational database) nhưng không sử dụng SQL để truy vấn. Đến năm 2009, Eric Evans của Rackspace đã giới thiệu lại thuật ngữ này trong một hội thảo về cơ sở dữ liệu nguồn mở phân tán. Sự kiện này đánh dấu bước phát triển của một thế hệ database mới: distributed (phân tán) + non-relational (không ràng buộc). Đây là hai đặc tính quan trọng nhất của NoSQL.
Tại Sao Cần Đến NoSQL?
Sự ra đời của NoSQL xuất phát từ nhu cầu về các database có khả năng:
- Lưu trữ dữ liệu với dung lượng cực lớn.
- Truy vấn dữ liệu với tốc độ cao.
- Không đòi hỏi quá nhiều về năng lực phần cứng và tài nguyên hệ thống.
- Tăng cường khả năng chịu lỗi.
Đây là những vấn đề mà các relational database (RDBMS) truyền thống khó có thể giải quyết triệt để.
Ngày nay, lượng dữ liệu mà các hệ thống phải xử lý ngày càng tăng lên theo cấp số nhân. Các “ông lớn” như Google và Facebook phải lưu trữ và xử lý một lượng dữ liệu khổng lồ mỗi ngày.
Các Đặc Điểm Chung Của NoSQL
NoSQL database sở hữu nhiều đặc điểm nổi bật, bao gồm:
- Khả năng mở rộng cao (High Scalability): Gần như không có giới hạn về dung lượng dữ liệu và số lượng người dùng trên hệ thống.
- Tính sẵn sàng cao (High Availability): Nhờ vào việc chấp nhận sự trùng lặp trong lưu trữ, một node (commodity machine) bị lỗi sẽ không ảnh hưởng đến toàn bộ hệ thống.
- Tính nguyên tử (Atomicity): Đảm bảo tính độc lập của trạng thái dữ liệu trong các thao tác.
- Tính nhất quán (Consistency): Chấp nhận tính nhất quán yếu, có nghĩa là sự thay đổi dữ liệu có thể không được hiển thị ngay lập tức sau khi cập nhật.
- Tính bền vững (Durability): Dữ liệu không chỉ tồn tại trong bộ nhớ máy tính mà còn được lưu trữ trên đĩa cứng.
- Linh hoạt trong triển khai (Deployment Flexibility): Việc thêm/xóa các node được hệ thống tự động nhận biết và điều chỉnh lưu trữ mà không cần can thiệp thủ công. Hệ thống cũng không yêu cầu cấu hình phần cứng mạnh và đồng nhất.
- Linh hoạt trong mô hình hóa dữ liệu (Modeling flexibility): Hỗ trợ nhiều mô hình dữ liệu khác nhau như Key-Value pairs, Hierarchical data (dữ liệu có cấu trúc), và Graphs.
- Linh hoạt trong truy vấn (Query Flexibility): Hỗ trợ Multi-Gets, Range queries (tải một tập giá trị dựa trên một dãy các khóa).
Phân Loại NoSQL Database
Có bốn loại NoSQL database phổ biến nhất, mỗi loại có những thuộc tính và giới hạn riêng. Không có giải pháp nào là tốt nhất cho mọi trường hợp, nhưng một số loại sẽ phù hợp hơn để giải quyết các vấn đề cụ thể.
a. Key-Value Stores
Đây là loại NoSQL database đơn giản nhất, sử dụng API với các thao tác cơ bản như:
- Lấy giá trị theo khóa (get value for key).
- Đặt giá trị cho khóa (set value for key).
- Xóa khóa (delete key).
Giá trị có thể là bất kỳ dữ liệu nào (blob) mà hệ thống không cần quan tâm đến cấu trúc bên trong. Việc truy cập dữ liệu luôn thông qua khóa chính, đảm bảo hiệu năng truy cập tốt và khả năng mở rộng dễ dàng.
Một số cơ sở dữ liệu Key-Value phổ biến bao gồm Riak, Redis, memcached, Berkeley DB, HamsterDB, Amazon DynamoDB, Project Voldemort và Couchbase.
Cấu trúc Key-Value trong NoSQL
Tuy nhiên, cần lưu ý rằng không phải tất cả các cơ sở dữ liệu Key-Value đều giống nhau. Ví dụ, dữ liệu trong memcached không nhất quán, trong khi Riak thì ngược lại. Điều này rất quan trọng khi lựa chọn giải pháp phù hợp. Nếu cần cài đặt caching cho nội dung yêu thích của người dùng, sử dụng memcached có thể dẫn đến mất dữ liệu khi các node bị lỗi, và cần phải làm mới lại từ hệ thống nguồn. Ngược lại, nếu lưu trữ dữ liệu tương tự trong Riak, bạn không cần lo lắng về việc mất dữ liệu, nhưng cần xem xét việc cập nhật trạng thái của dữ liệu như thế nào.
b. Column-Oriented Databases (Column-Family)
Cơ sở dữ liệu Column-Family lưu trữ dữ liệu trong nhiều cột (column) trong mỗi hàng (row), với một key cho mỗi hàng. Các column families là một nhóm các dữ liệu liên quan được truy cập cùng nhau.
Ví dụ, với thông tin khách hàng, chúng ta thường xuyên sử dụng thông tin cá nhân của họ hơn là thông tin hóa đơn.
Cassandra là một trong những cơ sở dữ liệu Column-Family phổ biến. Ngoài ra còn có HBase, Hypertable và Amazon DynamoDB. Cassandra nổi bật với khả năng mở rộng dễ dàng và tốc độ ghi nhanh thông qua các cụm (cluster). Các cụm không có node master, do đó bất kỳ thao tác đọc/ghi nào đều có thể được xử lý bởi bất kỳ node nào trong cụm.
c. Graph Databases
Loại database này cho phép lưu trữ các thực thể (entity) và quan hệ (relationship) giữa chúng. Các thực thể được gọi là các nút (node), và có các thuộc tính (property). Mỗi nút là một thể hiện của một đối tượng trong ứng dụng. Quan hệ được gọi là các cạnh (edge), cũng có thể có các thuộc tính.
Cạnh có ý nghĩa định hướng; các nút được tổ chức bởi các mối quan hệ. Việc tổ chức đồ thị cho phép dữ liệu được lưu trữ một lần và được giải thích theo nhiều cách khác nhau dựa trên các mối quan hệ.
Thông thường, khi chúng ta lưu trữ một cấu trúc đồ thị trong RDBMS, nó chỉ là một loại quan hệ duy nhất. Việc thêm một mối quan hệ mới đòi hỏi nhiều thay đổi sơ đồ và di chuyển dữ liệu. Trong cơ sở dữ liệu đồ thị, việc băng qua các thành phần tham gia hoặc các mối quan hệ rất nhanh. Các mối quan hệ giữa các node không được tính vào thời gian truy vấn mà tồn tại như một mối quan hệ thực sự.
Có nhiều cơ sở dữ liệu đồ thị khác nhau, chẳng hạn như Neo4J, Infinite Graph, OrientDB, hoặc FlockDB (chỉ hỗ trợ các mối quan hệ duy nhất hoặc danh sách kề, nơi bạn không thể đi qua nhiều hơn một mức độ sâu sắc đối với các mối quan hệ).
d. Document-Oriented Databases
Tài liệu (document) là nguyên lý chính của loại cơ sở dữ liệu này. Dữ liệu được lưu trữ và truy xuất dưới dạng các tài liệu với định dạng như XML, JSON, BSON. Tài liệu tự mô tả chính nó, kế thừa từ cấu trúc dữ liệu cây.
Có thể nói, cơ sở dữ liệu tài liệu là một phần của Key-Value. Các cơ sở dữ liệu tài liệu như MongoDB cung cấp ngôn ngữ truy vấn đa dạng và cấu trúc như đánh index.
Một số cơ sở dữ liệu tài liệu phổ biến bao gồm MongoDB, CouchDB, Terastore, OrientDB, RavenDB.
So Sánh RDBMS và NoSQL
Để hiểu rõ hơn về sự khác biệt giữa NoSQL và các hệ quản trị cơ sở dữ liệu quan hệ (RDBMS), chúng ta có thể so sánh chúng dựa trên các tiêu chí sau:
| Tính năng | RDBMS | NoSQL |
|---|---|---|
| Cấu trúc dữ liệu | Có cấu trúc và tổ chức | Phi cấu trúc và không thể đoán trước |
| Ngôn ngữ truy vấn | SQL | Không sử dụng SQL, không khai báo ngôn ngữ truy vấn dữ liệu |
| Mô hình dữ liệu | Dữ liệu và các mối quan hệ lưu trữ trong bảng | Key-Value pair storage, Column Store, Document Store, Graph databases |
| Tính chất | Chặt chẽ | Ưu tiên hiệu năng cao, tính sẵn sàng cao và khả năng mở rộng |
Kết Luận
NoSQL database đã và đang chứng minh vai trò quan trọng trong việc giải quyết các bài toán lưu trữ và xử lý dữ liệu lớn trong kỷ nguyên số. Với khả năng mở rộng, tính linh hoạt và hiệu năng cao, NoSQL là một lựa chọn phù hợp cho các ứng dụng hiện đại đòi hỏi khả năng xử lý lượng dữ liệu khổng lồ và tốc độ truy vấn nhanh chóng.