Социальные сети, онлайн-игры, сервисы потокового видео и умные устройства генерируют гигабайты разнородной информации каждую секунду. Традиционные реляционные базы данных с их строгими таблицами и связями не всегда справляются с таким объемом и скоростью.
Здесь на помощь приходят NoSQL-базы — системы, которые умеют хранить и обрабатывать большие объемы неструктурированных данных, масштабироваться без боли и не требуют жесткой схемы. В статье рассказываем, что такое NoSQL и как он работает, рассмотрим примеры и особенности NoSQL, а также дадим практические советы.
Введение в NoSQL базы данных
NoSQL (от англ. Not Only SQL — «не только SQL») — это нереляционные базы данных, созданные для эффективной обработки больших неструктурированных объемов информации. Они обладают гибкой схемой и высокой масштабируемостью, что делает их удобными для разработки современных приложений и сервисов.
Причина создания NoSQL баз данных связана с тем, что традиционные SQL-базы плохо справлялись с новыми задачами: потоками данных из социальных сетей, IoT-устройств, внешних сервисов. Жесткая структура таблиц приводит к дублированию данных и снижению эффективности при росте нагрузки.
NoSQL хранит данные в нереляционных моделях с гибкими схемами. Это позволяет создавать приложения, которые одновременно просты в разработке, функциональны и масштабируемы.
Сравнение SQL и NoSQL
Обе технологии решают схожие задачи — хранят данные и запросы, позволяют их обновлять, извлекать и удалять. Но принципы работы сильно отличаются.
Основные различия между БД SQL и NoSQL
1. Структура данных
SQL использует таблицы с жестко заданными связями. NoSQL хранит данные в виде документов, пар «ключ-значение», графов или колоночных структур.
Если вы хотите лучше разбираться в данных и понимать, как работают базы, советуем пройти курс «Профессия: Аналитик данных» от онлайн-школы ProductStar. В рамках обучения студенты подробно изучают SQL — от базовых запросов до сложных конструкций с подзапросами, агрегацией и оконными функциями. Освоив SQL, вы сможете на практике видеть разницу между SQL и NoSQL и уверенно работать с данными в разных системах.
2. Способность к масштабируемости
SQL масштабируется на одном сервере вертикально — нужно увеличивать мощность оборудования и объем хранилища. Это дорого для компаний, которые работают с большими объемами данных.
NoSQL масштабируется горизонтально — для наращивания мощностей достаточно добавить больше серверов. Поэтому базы данных NoSQL больше подходят для современных облачных инфраструктур с распределенными ресурсами.
3. Язык
Классические базы данных применяют язык структурированных запросов (SQL). NoSQL используют JSON — нотацию объектов JavaScript, XML, YAML или двоичную схему. Это упрощает работу с неструктурированными данными.
4. Поддержка
Для баз данных SQL доступно больше поддержки, чем для NoSQL. И связано это с тем, что SQL более зрелая технология. У нее намного больше сообществ, документации и решений. NoSQL развивается активнее в последние годы, но по уровню поддержки пока уступает.
Принципы работы NoSQL баз данных
Во многих базах данных NoSQL используется текстовый формат обмена данными, основанный на языке Javascript (JSON) — это открытый формат, представляющий данные в виде набора пар «имя-значение».
NoSQL-базы адаптированы к своим рабочим средам, поэтому имеют разные стили и рабочие процессы. Однако у них есть и общие черты: они масштабируются горизонтально, чего гораздо сложнее добиться в реляционных базах. NoSQL особенно полезны для работы с операционными и транзакционными данными, поскольку разработаны для оптимизации рабочих процессов и повышения удобства использования.
Виды и типы NoSQL баз данных
Базы данных «ключ‑значение»
Хранилища NoSQL типа «ключ-значение» — самые простые с точки зрения API. Клиент может получить значение по ключу, записать его или удалить. Значение хранится как двоичный объект независимо от содержания.
Поскольку хранилища типа «ключ-значение» всегда используют доступ по первичному ключу, они, как правило, обладают высокой производительностью и легко масштабируются.
Некоторые из популярных баз данных «ключ-значение» — это Riak, Редис, Memcached, Berkeley DB, Amazon DynamoDB, Project Voldemort и Couchbase.
Документоориентированные NoSQL
В таких базах данные хранятся в виде документов в форматах XML, JSON, BSON и т. д. Документы представляют собой самоописываемые иерархические древовидные структуры данных, которые могут состоять из карт, коллекций и скалярных значений.
Некоторые из популярных баз данных документов — MongoDB, CouchDB, Террастор, OrientDB, RavenDB и Lotus Notes.
Колоночные базы данных
Базы данных семейств столбцов хранят данные в строках, каждая из которых содержит группу столбцов, связанных с ключом строки. Такое распределение данных позволяет обращаться к целому семейству столбцов одновременно, а не к одному отдельно взятому столбцу. Это оптимизирует поиск и увеличивает скорость выполнения запросов.
Структуру каждого семейства столбцов можно представить как контейнер для строк, похожий на колонку в традиционной БД, при условии, что строка обязательно имеет ключ, а значения каждой строки инкапсулированы массивом столбцов. Если столбец содержит коллекцию столбцов, он образует «суперстолбец», который в свою очередь представляет собой карту столбцов.
Колоночные базы данных с поддержкой журнальной записи транзакций, такие как HBase, Amazon DynamoDB, Cassandra, набирают все большую популярность, демонстрируя, что реализация транзакций не станет преградой на пути к масштабируемости этого класса баз данных.
Графовые базы данных
Графовые базы хранят сущности и связи между ними, что позволяет анализировать данные с разных сторон и строить сложные взаимосвязи.
Самые популярные графовые базы данных — Neo4J, OrientDB и FlockDB.
Примеры популярных СУБД NoSQL
Если вы ищете ответ на вопрос, какие базы данных относятся к NoSQL, то среди наиболее известных можно выделить следующие:
Couchbase — работает как хранилище пар «ключ-значение» и как документоориентированная БД. Основная задача Couchbase — персонализировать опыт клиентов и сотрудников.
Aerospike — платформа реального времени, поддерживающая большое количество транзакций, снижающая нагрузку на сервер и обеспечивающая высокую производительность приложений.
Redis — база данных с открытым исходным кодом типа «ключ-значение». Redis известен как сервер структур данных NoSQL, так как ключи могут хранить списки, хеши, строки и множества.
Amazon DynamoDB — это полностью управляемая бессерверная база данных со встроенными функциями резервного копирования и безопасности. DynamoDB выдерживает высокие нагрузки и обрабатывает множество запросов ежедневно.
DataStax Astra DB — база данных в формате «ключ-значение», основанная на открытом проекте Apache Cassandra. Поддерживает технологии ИИ, включая приложения для генеративного искусственного интеллекта.
Преимущества и недостатки NoSQL-решений
Одним из главных преимуществ NoSQL является отсутствие необходимости заранее определять схему данных. Это дает возможность быстро вводить новые поля без сложных изменений в больших таблицах с уже существующими записями.
В то же время технология NoSQL менее совершенна по сравнению с классическим SQL. Рассмотрим основные ее плюсы и минусы.
Преимущества NoSQL:
гибкая структура данных;
эффективная работа с распределенной инфраструктурой;
недорогая технология;
высокая пропускная способность.
Недостатки NoSQL:
технология требует более внимательного управления;
ограниченный функционал для сложных запросов;
проблемы с согласованием данных;
в сложных сценариях — низкая производительность.
Практическое применения NoSQL-баз
Такие базы данных часто используют для хранения временной информации, такой как токены авторизации, блокировка API-вызовов, сессии пользователей и данные в режиме реального времени.
СУБД NoSQL идеально подходят для гибкого хранения документов — например, JSON-вложений с набором уникальных полей. Это удобно при создании карточек товаров, управлении контентом в CMS, ведении справочников или профилей.
Базы данных NoSQL демонстрируют хорошую устойчивость к большим потокам информации и возможность быстро справляться со сбоями. Графовые базы данных, в частности, эффективны при обработке связей и отношений, что важно для соцсетей, антифрод-систем и систем рекомендаций.
Кроме того, NoSQL-системы работают в разных регионах и могут выносить внезапные пиковые нагрузки — например, во время распродаж, акций и онлайн-игр.
Коротко о главном
NoSQL представляет собой набор нереляционных моделей хранения данных, созданных для удобной работы с массивными объемами информации. В отличие от традиционного SQL, NoSQL предлагает четыре основных типа баз данных — «ключ-значение», документные базы, колоночные и графовые хранилища. Это позволяет выбирать подходящее решение под определенные задачи.
Основные преимущества NoSQL — это гибкость схемы, простота масштабирования, высокая производительность и устойчивость к нагрузкам. NoSQL-хранилища подходят для размещения сессионных данных, JSON-документов, профилей пользователей, а также для построения сложных связей в соцсетях.
При этом стоит помнить, что NoSQL пока уступает SQL по зрелости: возможности для сложных запросов ограничены, а управление данными требует более внимательного подхода.
