Osnove podatkovnih baz

Podatkovne baze NoSQL

NoSQL - angl. not only SQL.
Relacijske podatkovne baze temeljijo na tabelah (relacijah).
Lahko pa bi izbrali tudi kak drug podatkovni model, npr.:
- slovar
- graf
- vrsta
- …
Alternativni modeli imajo ponavadi drugačne (specifične) jezike za opis podatkovnih modelov in uporavljanje s podatki (različen od SQL).

Pri relacijskih podatkovnih bazah smo navajeni na sočasnostni model ACID.
Če relaksiramo ta model, lahko, ob sprejetju določenih kompromisov, delovanje baz pohitrimo, poenostavimo, …
Velike količine podatkov (angl. Big data) zahtevajo shranjevanje na več strežnikih.
Polno usklajevanje (npr. zaradi ACID) med njimi je lahko nesprejemljivo zahtevno in počasno.

Tipične operacije, ki jih izvajamo na kakršnih koli podatkovnih bazah, so: vstavljanje (INSERT), spreminjanje (UPDATE), brisanje (DELETE) in branje oz. poizvedovanje (SELECT).
Porazdeljen sistem je sestavljen iz vozlišč, ki hranijo podatke.
- Vozlišča imenujemo tudi particije.
Uporabnik tipično kontaktira neko vozlišče in na njem izvede operacijo.
Ko operacijo izvedemo na vozlišču in če je ta uspešno izvedena, dobimo potrditev (prejema operacije, transakcije).
Npr. pri ACID podatkovnih bazah, ko dobimo potrditev (trans)akcije, točno vemo, kaj je zadnje stanje baze.

Consistency (konsistentnost za branje) - vsako branje na katerem koli vozlišču sistema vrne zadnjo v sistem shranjeno/sprejeto vrednost.
Availability (razpoložljivost) - vsako branje podatkov na nekem vozlišču vrne odgovor, a ne nujno čisto zadnjega stanja podatkov v sistemu (npr. podatki so zapisani v neko vozlišče, uporabnik je dobil potrditev, a do konkretnega vozlišča še niso prišli).
Partition tolerance (odpornost na odpoved posameznih particij) - sistem lahko še vedno deluje, tudi če v komunikaciji med vozlišči izgubimo poljubno število sporočil za operacije.

Podal ga je Eric Brower v 90-ih letih.
V osnovi pravi, da za realne podatkovne baze z vsaj dvema vozliščema ne moremo hkrati doseči vseh treh lastnosti CAP.
Če želimo C in A, lahko to izvedemo samo, če imamo le eno vozlišče (nimamo P).
Če želimo C in P in zapišemo nek podatek v nekem vozlišču, morajo biti vsa ostala vozlišča začasno nerazpoložljiva, dokler niso podatki sinhronizirani (izgubimo A).
Če želimo A in P, potem podatki na vseh vozliščih morda še niso sinhronizirani (izgubimo C).

Če opustimo lastnost C (konsistenca), lahko za NoSQL podatkovne baz obravnavamo naslednje lastnoti.

BA (Basically Available) - sistem zagotavlja lastnost A.
S (Soft state) - podatki v sistemu na nekem vozlišču se lahko spremenijo tudi, če ne vstavljamo v sistem na tem vozlišču (npr. pridejo z zakasnitvijo iz drugih vozlišč).
E (Eventual consistency) - če ne vstavljamo podatkov v sistem, se sčasoma vsa vozlišča sinhronizirajo in postane sistem konsistenten.
Pri NoSQL bazah, kjer nimamo ACID, tipično stremimo vsaj k BASE.

NoSQL podatkovne baze so postale popularne predvsem zaradi velikih podatkovij, ki jih je treba deliti čez več strežnikov.
Baze ključ-vrednost (slovar)
Dokumentne baze (JSON, gnezdeni slovarji in seznami)
Tabelarične (slovar)
Grafovske baze (graf)
Objektne baze (graf)
Sporočilne vrste (vrsta)
Bločne verige (vrsta)

Osnovna struktura je slovar.
Ključe brez težav delimo na več strežnikov in hitro dostopamo do njih.
Ključi so lahko iz linearno urejene množice, kar nam omogoča intervalne poizvedbe.
Redis, Riak, CouchDB, Couchbase, …
Lahko so zgolj v spominu ali pa se hranijo na diske.
Različni modeli glede CAP (AP, CP, CA).

Dokumente si lahko predstavljamo kot strukture JSON, XML ali YAML.
Dokumentne baze hranijo dokumente z različnimi oblikami organizacije nad njimi (zbirke, značke, mape, …).
Nekakšne nadgradnje baz ključ-vrednost.
MongoDB, Elasticsearch, Couchbase, CouchDB, …
Različni CAP modeli.

Hranijo grafe objektov, kot so pri objektno orientiranem programiranju grafi objektov v spominu.
ObjectivityDB, ZopeDB, …
Podobno kot grafovske baze ne prenašajo najbolje delitve na več strežnikov.

Posebne baze za hranjenje zgodovine dejstev.
Kar se shrani, se ne da več spreminjati.
Osnovna enota je transakcija, transakcije se pakirajo v bloke, ki so v nespremenljivem zaporedju (zagotovljenem s pomočjo kriptografskih metod).
Shranjevanje poteka s pomočjo konsenza več vozlišč.
Tipično se kopija replicira preko vseh vozlišč, a se kot konsistentno verzijo smatra dovolj staro stanje.
Javna baza ali privatna (z določitvijo pravic dostopa)
Javne verige: Bitcoin, Ethereum, …,
Privatne verige: Hyperledger Fabric, Quorum, …

Če delamo nek (poslovni) sistem in rabimo ACID, je vedno varno vzeti relacijsko podatkovno bazo (SQLite, PostgreSQL, MySQL, …)
NoSQL podatkovno bazo uporabimo le v primeru, če točno vemo, zakaj jo rabimo!
Delo z velikimi podatkovji zahteva veliko strežnikov in je tipično “drag šport”.

Socialna omrežja - ogromno sporočil, dokumentov; nujna hitra dosegljivost, replikacija na več strežnikov
Spletne in mobilne aplikacije z zelo veliko uporabniki
Podatkovna skladišča

Računanje agregatov (GROUP BY) je časovno preveč zahtevno ($O(n)$) za izvajanje analiz v realnem času.
Analitika in podatkovno-gnana podjetja
Agregate se tipično preračunava periodično ali pretočno (sproti)
Periodično: npr. ponoči, potem so na voljo rezultatske tabele (kar vrne GROUP BY).
- Včasih se uporablja t.i. OLAP kocke, ki omogočajo hitro intervalsko filtriranje po agregatih.
- Uporaba metode Map-Reduce

Pretočno: agregate lahko računamo tudi sproti, če so združevalne funkcije “aditivne” (t.j., ko pride nov podatek, lahko pravilno popravimo agregat)
- Gradimo t.i. materializirane poglede (Materialized View)
- Kafka + KSQL, Pogledi (VIEW) na dokumentnih bazah (CouchDB), …

Ta stran je odprtokodna. Izboljšaj to stran.