Entendendo o Banco de dados NoSQL
Banco de dados NoSQL: Um novo paradigma - Revista SQL Magazine 102
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Por que eu devo ler este artigo:Bancos noSQL se referem a uma classe definida de banco de dados não-relacionais que rompem com uma longa história de banco de dados focados nas propriedades ACID. Para tornar ainda mais clara a diferença trazida por este novo paradigma, este artigo também realiza algumas análises comparativas entre bancos noSQL e relacionais.
Uma breve introdução ao NoSQL em vídeo
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O banco de dados relacional surgiu como um sucessor dos modelos hierárquicos de rede. Estas estruturas, por sua vez, foram muito utilizadas nos primeiros sistemas de mainframe. No entanto, devido ao grande número de restrições de relacionar estruturas no mundo real, este modelo foi perdendo força para dar lugar aos bancos de dados relacionais [5]. Este, por último, se tornou o grande padrão para a maioria dos Sistemas Gerenciadores de Banco de Dados (SGBDs). Outro ponto importante a salientar sobre o modelo relacional é a utilização de restrições de integridade que garantem a consistência dos dados em um banco de dados. Estas restrições, em sua grande maioria, são conhecidas como chaves primárias PRIMARY KEY e chaves estrangeiras FOREIGN KEY.
Atomicidade: As ações que compõe a ação da transação devem ser concluídas com sucesso para ser efetivada. Se esta transação falhar, será feito o rollback.
Consistência: Todas as regras/restrições descritas no banco de dados devem ser obedecidas garantindo que o banco de dados passe de uma forma consistente para outra forma consistente.
Isolamento: Neste caso, a propriedade de isolamento garante que a transição não será interferida por nenhuma outra transação concorrente.
Durabilidade: Os resultados de uma transação são permanentes, ou seja, o que foi salvo não será mais perdido.
Escalabilidade Horizontal: na medida em que o volume de dados cresce, aumenta-se a necessidade de escalabilidade e melhoria do desempenho. Dentre todas as possibilidades para esta solução, a escalabilidade horizontal se torna a mais viável, porém requer diversas threads ou que processos de um tarefa sejam criadas e distribuídas. Dessa forma, o uso de um banco de dados relacional poderia ser muito complexo. Não queremos dizer que os bancos de dados relacionais não escalam, a verdade é que eles não escalam facilmente. Isto por que no momento em que diversos processos se conectam simultaneamente em um mesmo conjunto de dados há uma geração de uma alta concorrência aumentando assim o tempo de acesso às tabelas. Neste contexto, uma grande vantagem dos bancos NoSQL é justamente a ausência de bloqueios, o que permite a escalabilidade horizontal com uma maior facilidade e eficiência (ele não é afetado pelo aumento da concorrência). Uma alternativa muito utilizada para alcançar a escalabilidade horizontal é o Sharding, que divide os dados em múltiplas tabelas a serem armazenadas ao longo de diversos nós na rede. O que esta técnica faz, na realidade, é romper a cadeia de relacionamentos, que é uma forte característica nos bancos relacionais. É possível realizar o Sharding em banco de dados relacionais de forma manual. Entretanto, esta não é uma tarefa simples e demonstra complexidade de implementação para a equipe que está desenvolvendo [12].
Ausência de esquema (Schema-free) ou esquema flexível: Outra característica notável em bancos de dados NoSQL é a ausência parcial ou total de esquema que define a estrutura de dados. É justamente essa ausência de esquema que facilita uma alta escalabilidade e alta disponibilidade, mas em contrapartida não há a garantia de integridade dos dados, fato este que não ocorre no Modelo Relacional [20].
Suporte nativo a replicação: Esta é outra forma de prover a escalabilidade, pois, no momento em que permitimos a replicação de forma nativa o tempo gasto para recuperar informações é reduzido [21].
API simples para acessar o banco de dados: Em banco de dados NoSQL, o foco não está no armazenamento dos dados e sim como recuperar estes dados de forma eficiente. Pensando nisso, é fundamental APIs desenvolvidas para facilitar o acesso às devidas informações para que se possa usar o banco de dados de forma rápida e eficiente.
Consistência eventual: Outra característica particular de bancos NoSQL é que nem sempre a consistência dos dados é mantida. Esta característica tem embasamento no teorema CAP (Consistency, Availability e Partition tolerance) que afirma que em um dado momento só é possível garantir duas destas três propriedades, que seriam Consistência, Disponibilidade e tolerância à partição [32]. No mundo real, normalmente estas duas últimas são privilegiadas. Como consequência disto, as propriedades do ACID não são respeitadas simultaneamente, ao contrário disto, temos outro conjunto de projetos denominado BASE (Basicamente disponível, Estado leve e consistente em momento indeterminado) [21]. Ou seja, é necessário haver um planejamento para que o sistema possa tolerar inconsistências temporárias com o objetivo de priorizar a disponibilidade.
Map/reduce: permite a manipulação de enormes volumes de dados ao longo de nós em uma rede [23]. Funciona da seguinte forma: na fase map, os problemas são particionados em pequenos problemas que são distribuídos em outros nós na rede. Quando chegam à fase reduce, esses pequenos problemas são resolvidos em cada nó filho e o resultado é passado para o pai, que sendo ele consequentemente filho, repassaria para o seu, até chegar à raiz do problema.
Consistent hashing: suporta mecanismos de armazenamento e recuperação, onde a quantidade de sites está em constante mudança [24]. É interessante usar essa técnica, pois ela evita que haja uma grande migração de dados entre estes sites, que podem ser alocados ou desalocados para a distribuição dos dados.
MVCC (Multiversion concurrency control): Oferece suporte a transações paralelas em banco de dados. Por não fazer uso de locks para controle de concorrência, faz com que transações de escrita e leitura sejam feitas simultaneamente [25].
Vector clocks: Ordenam eventos que ocorreram em um sistema. Como existe a possibilidade de várias operações estarem acontecendo simultaneamente, o uso de um log de operações informando suas datas se faz importante para informar qual versão de um dado é a mais atual [21].
Chave-valor (key-value): Este modelo é considerado simples e permite a sua visualização através de uma tabela de hash, no qual há uma chave única e um indicador de determinado dado, podendo ser uma String ou um binário [27]. A Figura 1 apresenta um exemplo que armazena informações com estas características. A chave representa um campo como nome e idade e o valor representam os campos preenchidos com Mara Rúbia e 43, ou seja, a instância para o campo correspondente. Este modelo é caracterizado pela sua facilidade ao ser implementado, permitindo que os dados sejam acessados rapidamente através da chave, aumentando também a disponibilidade do acesso aos dados. Para manipulá-los, utilizamos comandos simples como get() e set(), que retornam e capturam valores. Um problema enfrentado por este tipo de banco de dados é que o mesmo não permite a recuperação de objetos através de consultas mais complexas. Como exemplo, podemos citar o Dynamo que foi desenvolvido pela Amazon como solução de alta disponibilidade para suas necessidades [28].
Banco de Dados Orientado a Documento: Como o próprio nome sugere, este modelo armazena coleções e documentos. Explicando melhor, um documento, no geral, é um objeto identificador único e um conjunto de campos que podem ser strings, listas ou documentos aninhados [27]. Diferente do banco de dados chave-valor onde se cria uma única tabela hash, neste modelo temos um agrupamento de documentos sendo que em cada um destes documentos temos um conjunto de campos e o valor deste campo. Neste modelo temos ausência de esquema pré-definido (schema free). Isto significa que é possível que haja atualizações no documento, com a adição de novos campos, por exemplo, sem afetar adversamente outros documentos. Outra característica interessante é que não é necessário armazenar valores de dados vazios para campos que não possuem um valor. Na Figura 2 temos o exemplo de um determinado documento que foi definido por: Assunto, Autor, Data, Tags e Mensagens. Caso eu deseje implementar outro campo chamado "Minha opinião sobre o site:", não haverá nenhum tipo de restrição ou complexidade de inserir tal dado no banco de dados, esta flexibilidade é um ponto forte neste tipo de modelo. Como exemplo de sistema de banco de dados que utiliza este tipo de solução destacamos o CouchDB e o MongoDB. O CouchDB utiliza o formato JSON e é implementado em Java. Já o mongo é implementado em C++ e permite tanto concorrência quanto replicação.
Orientado a Coluna (column family): Demonstra maior complexidade que o de chave-valor. Este tipo de banco de dados foi criado para armazenar e processar uma grande quantidade de dados distribuídos em diversas máquinas. Aqui existem as chaves, mas neste caso, elas apontam para atributos ou colunas múltiplas. Neste caso, os dados são indexados por uma tripla (coluna, linha e timestamp), a coluna e linha são identificadas por chaves e o timestamp permite diferenciar múltiplas versões de um mesmo dado [14]. Como o próprio nome sugere, as colunas são organizadas por família da coluna. Vale destacar que as operações de escrita e leitura são atômicas, ou seja, os valores associados a uma linha são considerados em sua execução, independente das colunas que estão sendo lidas/escritas. O conceito associado a este modelo é o de família de colunas, com o objetivo de reunir colunas que armazenam o mesmo tipo de informação. Como exemplo, a Figura 3 modela o conceito de amigos, onde o primeiroNome e sobrenome são colunas pertencentes à família de colunas denominada "nome". Da mesma forma, as colunas endereço, cidade e estado pertencem à família local. É interessante observar que na linha 001 a pessoa Mara tem diversos endereços. Como a busca neste tipo de banco de dados é atômica, mesmo que o interesse seja buscar o primeiroNome da linha 001, todas as colunas serão retornadas quando esta mesma linha for consultada. Este modelo permite ainda o particionamento de dados, oferecendo forte consistência, no entanto, a alta disponibilidade é o seu ponto fraco. Este modelo de dados surgiu com o BigTable criado pelo Google [15]. Além do BigTable temos também o Cassandra que foi desenvolvido pelo Facebook [16].
Orientado a Grafos: este modelo possui três componentes básicos: nós (vértices dos grafos), os relacionamentos (arestas) e as propriedades (conhecidos também como atributos). Este modelo é visto como multigrafo rotulado e direcionado, onde cada par de nós pode ser conectado por mais de uma aresta. A utilização deste modelo é muito útil quando é necessário fazer consultas demasiadamente complexas. O modelo orientado a grafos possui uma alta performance, permitindo um bom desempenho nas aplicações [27]. Para exemplificar o que foi dito, podemos analisar a Figura 4 que representa uma aplicação que mantêm informações relativas à viagem. Uma consulta pertinente seria: "Quais cidades foram visitadas anteriormente por pessoas que foram para Nova Iorque?". No modelo de banco de dados relacional tal consulta poderia se mostrar complexa, pois não permitem que os dados sejam representados de uma forma natural.
Figura 4. Nós do grafo
É importante lembrar que é possível ser feito o escalonamento em um Modelo Relacional, no entanto, é muito complexo. Possui uma natureza estruturada, portanto, a inserção dinâmica e transparente de novos nós a tabela não é realizada naturalmente. Não possui um esquema pré-definido fazendo com que este tipo de modelo seja flexível o que favorece a inserção transparente de outros elementos.
Neste quesito, o Modelo Relacional se mostra forte. As suas regras de consistência são bastante rigorosas no que diz respeito à consistência das informações. É realizada eventualmente no modelo: tem apenas a garantia que se não houver nenhuma atualização nos dados, todos os acessos aos itens devolverão o último valor que foi atualizado.
Por não conseguir trabalhar de forma eficiente com a distribuição de dados, o Modelo Relacional acaba não suportando uma demanda muito grande de informações. Outro ponto forte neste modelo é o que diz respeito à disponibilidade, pois possui um alto nível de distribuição de dados, permitindo assim que seja possível fazer com que um enorme fluxo de solicitações aos dados seja atendido com a vantagem do sistema ficar indisponível o menor tempo possível.
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Amazon Dynamo.
Site oficial do MongoDB.
Curso de SQL: A linguagem SQL é amplamente utilizada em diversos tipos de aplicações que utilizem bancos de dados relacionais. Neste curso conheceremos os primeiros comandos da linguagem SQL (Structured Query Language), utilizada na estruturação e consulta de bancos de dados relacionais como MySQL e SQL Server.
Documentação: SQL: Cláusula Where: Nesta documentação você aprenderá a utilizar o comando WHERE para adicionar filtros às suas consultas SQL.