Cơ sở dữ liệu phi quan hệ (Non-relational databases) đã xuất hiện từ cuối thập kỷ 1960, tuy nhiên, thuật ngữ “NoSQL” được Carlo Strozzi sử dụng vào năm 1998 để đặt tên cho cơ sở dữ liệu quan hệ nguồn mở Strozzi NoSQL của ông. Để tìm hiểu sâu hơn về NoSQL, bài viết sẽ giúp bạn hiểu hơn về các loại cơ sở dữ liệu NoSQL phổ biến, ưu điểm – nhược điểm của từng loại cũng như gợi ý cách chọn cơ sở dữ liệu NoSQL phù hợp.

Đọc bài viết này để hiểu rõ hơn:

  • NoSQL là gì?
  • Khám phá các loại cơ sở dữ liệu NoSQL
  • Ưu điểm của từng loại cơ sở dữ liệu NoSQL
  • Các tiêu chí để chọn loại cơ sở dữ liệu NoSQL phù hợp

NoSQL là gì?

NoSQL, hay còn được gọi là “not only SQL” hoặc “non-SQL”, là một hệ thống quản lý dữ liệu cho phép lưu trữ và truy vấn các loại dữ liệu phi quan hệ.

Không giống với các hệ thống quản lý dữ liệu quan hệ (Relational Database Management System) lưu trữ dữ liệu một cách có tổ chức như ở dạng bảng thì NoSQL lưu trữ dữ liệu với cấu trúc tương tự như JSON mà không yêu cầu sử dụng schema. Điều này mang lại khả năng mở rộng nhanh chóng để quản lý các tập dữ liệu phi quan hệ kích thước lớn.

NoSQL cũng là một loại cơ sở dữ liệu phân tán, có nghĩa là thông tin được sao chép và lưu trữ trên nhiều máy chủ khác nhau, có thể trên cloud hoặc trên máy tính cục bộ. Điều này đảm bảo tính khả dụng và trực quan của dữ liệu. Nếu một số dữ liệu gặp sự cố thì phần còn lại của cơ sở dữ liệu vẫn có thể tiếp tục hoạt động.

Hiện nay, quản lý dữ liệu lớn với tốc độ cao và khả năng mở rộng nhanh chóng là chìa khóa quan trọng để triển khai các ứng dụng web của các doanh nghiệp. Đặc biệt, với sự bùng nổ của điện toán đám mây và dữ liệu lớn, NoSQL nổi lên như một lựa chọn phổ biến nhờ vào hiệu suất mạnh mẽ và giải pháp quản lý dữ liệu đơn giản để quản lý các loại dữ liệu mà SQL không làm được.

Đọc thêm: NoSQL là gì? Vì sao gọi NoSQL là bước tiến mới trong quản lý dữ liệu?

Các loại cơ sở dữ liệu NoSQL phổ biến

NoSQL cung cấp nhiều cách khác nhau trong tổ chức dữ liệu. Với việc hỗ trợ nhiều cấu trúc dữ liệu đa dạng, NoSQL có thể được áp dụng trong việc phân tích dữ liệu, quản lý dữ liệu lớn, mạng xã hội và phát triển ứng dụng di động. Cơ sở dữ liệu NoSQL có khả năng quản lý dữ liệu thông qua các mô hình quản lý dữ liệu sau đây.

Cơ sở dữ liệu Key-Value

Cơ sở dữ liệu Key-value thuộc loại cơ sở dữ liệu NoSQL, mà ở đó mỗi mục (item) được tổ chức và lưu trữ dưới dạng cặp key-value. Mỗi đối tượng dữ liệu được xác định bằng một khóa (key) duy nhất và giá trị (value) tương ứng chứa thông tin liên quan đến khóa đó. Trong mô hình này, key thường được hạn chế ở dạng chuỗi (string), trong khi value có thể mang nhiều định dạng khác nhau như chuỗi, JSON, XML, hoặc các kiểu dữ liệu phức tạp tùy thuộc vào khả năng hỗ trợ của hệ thống cụ thể. Sự linh hoạt này cho phép xử lý lượng dữ liệu khổng lồ.

Cơ sở dữ liệu Key-Value là hệ thống lưu trữ dữ liệu theo dạng cặp index key-value và truy vấn value bằng cách sử dụng index key. Cơ sở dữ liệu Key-value lưu trữ dữ liệu giống với một cơ sở dữ liệu quan hệ (RDMS) nhưng các bảng của cơ sở dữ liệu key-value chỉ có 2 cột. 

Một số cơ sở dữ liệu Key-Value cho phép thực hiện các phép nối (join) cơ bản, nhưng có thể không phù hợp với các phép nối phức tạp.

Có nhiều loại cơ sở dữ liệu Key-Value khác nhau, với sự khác biệt chủ yếu về cách xử lý theo định lý CAP (Consistency, Availability, Partition Tolerance) và cấu hình sử dụng bộ nhớ so với lưu trữ. Cơ sở dữ liệu này có hiệu suất truy vấn nhanh, thích hợp cho các ứng dụng yêu cầu content caching (lưu trữ dữ liệu), chẳng hạn như trang web thương mại điện tử thường xuyên cập nhật danh sách top 10 sản phẩm phổ biến. 

Các đặc điểm của cơ sở dữ liệu key-value:

  • Nhất quán (Consistency)
  • Hỗ trợ giao dịch (Transaction)
  • Tính năng truy vấn (Query Feature)
  • Cấu trúc dữ liệu (Data Structure)
  • Mở rộng (Scaling)

Một số cơ sở dữ liệu Key-Value phổ biến bao gồm Dynamo DB, Redis và BerkleyDB.

Cơ sở dữ liệu Document

Cơ sở dữ liệu Document là một sự mở rộng của cơ sở dữ liệu Key-value, nơi dữ liệu được tổ chức trong các tài liệu có cấu trúc như JSON hoặc XML. Các tài liệu này giúp dễ dàng ánh xạ các đối tượng (Object) trong phần mềm hướng đối tượng (Oriented Object software).

Đọc thêm: OOP là gì? 4 đặc tính cơ bản của OOP

Cơ sở dữ liệu Document không yêu cầu phải xác định trước schema và cho phép lưu trữ dữ liệu phức tạp ở định dạng tài liệu như JSON hoặc XML. Mỗi tài liệu trong cơ sở dữ liệu Document là độc lập và không thể thực hiện các phép nối (join) mà trong ngữ cảnh này có nghĩa là không có cơ chế tự động để duy trì tính toàn vẹn quan hệ giữa các phần dữ liệu khi thực hiện các phép nối.

Mặc dù không hỗ trợ dữ liệu quan hệ và bên cạnh các ưu điểm tương tự như cơ sở dữ liệu key-value, cơ sở dữ liệu Document có những ưu điểm bổ sung như khả năng truy vấn không chỉ bằng key mà còn truy vấn thuộc tính (attribute) trong tài liệu. Dữ liệu trong mỗi tài liệu có thể ở định dạng khác nhau và có thể được truy vấn một cách linh hoạt.

Ví dụ, một ứng dụng quản lý thông tin cá nhân, trong đó mỗi người dùng được biểu diễn bằng một tài liệu. Mỗi tài liệu có thể chứa thông tin như tên, địa chỉ, số điện thoại, và sở thích. Mỗi người dùng có thể có một số lượng tài liệu không giới hạn, và mỗi tài liệu có thể được cập nhật độc lập mà không làm ảnh hưởng đến các tài liệu khác. Điều này giúp quản lý thông tin cá nhân một cách linh hoạt và thuận tiện.

Ví dụ về cách dữ liệu được lưu trữ trong Cơ sở dữ liệu Document:

first_name: "Tuấn",
last_name: "Nguyễn",
cell: "090-912-3456",
city: "Cần Thơ",
year_of_birth: 1995,
location: {
           type: "Point",
           coordinates: [-73.9876, 40.7574]
},
profession: ["Developer", "Web"],
apps: [
 { name: "MyApp",
   version: 1.0.4 },
 { name: "DocFinder",
   version: 2.5.7}
],
cars: [
 { make: "Bentley",
   year: 1973 },
 { make: "Rolls Royce",
   year: 1965 }
]

Các đặc điểm của cơ sở dữ liệu Document:

  • Truy vấn nhanh hơn
  • Dễ dàng xử lý lượng lớn dữ liệu
  • Khả năng index linh hoạt

Một số cơ sở dữ liệu Document phổ biến là MongoDB, CouchDB và Lotus Notes.

Đọc thêm: MongoDB là gì? Định nghĩa và Hiểu rõ A-Z về MongoDB

Cơ sở dữ liệu Column-Family

Cơ sở dữ liệu Column Family kết hợp đặc điểm khai báo của cơ sở dữ liệu quan hệ với đặc điểm key-value pair và free schema của cơ sở dữ liệu Key-value. Thay vì lưu trữ dữ liệu dưới dạng hàng như cơ sở dữ liệu quan hệ, Column Family lưu trữ chúng dưới dạng các cột.

Cơ sở dữ liệu Column Family được biểu diễn như một hệ thống lưu trữ Key-value đa chiều, tương tự như một bản đồ hoặc một mảng kết hợp (associative array). Dữ liệu trong cơ sở dữ liệu này không chỉ bền vững, tức là giá trị vẫn tồn tại sau khi được tạo ra hoặc truy cập (access), mà còn được phân tán trên nhiều nút (node) tính toán và lưu trữ, giúp tối ưu hóa hiệu suất và khả năng mở rộng. Các key được sắp xếp để hỗ trợ quá trình truy vấn, và dữ liệu có thể bị khuyết như trong cơ sở dữ liệu quan hệ 

Có hai loại Column Family:

  • Standard Column Family: gồm một cặp key-value, trong đó key được ánh xạ tới một giá trị (value) là một tập hợp các cột.
  • Super Column Family: bao gồm một cặp key-value, trong đó key được ánh xạ tới một giá trị (value) là các column family. Tương tự như trong cơ sở dữ liệu quan hệ, super column family có thể được coi là một “view” trên một loạt các bảng. Nó cũng có thể được hiểu như một bản đồ của các bảng.

Các đặc điểm của cơ sở dữ liệu Column Family:

  • Lưu trữ key đa chiều (Multidimensional key store)
  • Bền vững
  • Phân tán
  • Khả năng linh hoạt cao

Một số cơ sở dữ liệu Column Family phổ biến bao gồm Google’s Bigtable, Cassandra, và HBase.

Cơ sở dữ liệu Graph

Cơ sở dữ liệu Graph là hệ thống lưu trữ dữ liệu theo hướng đồ thị. Một cơ sở dữ liệu Graph phải có tính năng truy xuất dữ liệu không cần index. Thay vào đó mỗi nút chứa một con trỏ (pointer) trực tiếp đến các nút liền kề của nó. Khi số lượng node tăng, chi phí để di chuyển từ nút này sang nút khác (hay còn gọi là một “bước nhảy”) vẫn được duy trì ổn định. 

Các cơ sở dữ liệu Graph được tối ưu hóa để duyệt qua dữ liệu kết nối, ví dụ như việc tìm kiếm “Bạn bè chung” trên mạng xã hội có thể được thực hiện một cách nhanh chóng và hiệu quả bằng cách duyệt qua các mối quan hệ kết nối giữa các người dùng và sở thích chung mà không cần sử dụng index.

Các đặc điểm của cơ sở dữ liệu Graph:

  • Linh hoạt
  • Tốc độ nhanh
  • Cải thiện hiệu suất ngay cả khi phải xử lý lượng dữ liệu khổng lồ

Một số cơ sở dữ liệu Graph phổ biến gồm Neo4j, OrientDB và Allegrograph.

Ưu điểm và khuyết điểm của các loại cơ sở dữ liệu NoSQL

Cơ sở dữ liệu Key-Value

Ưu điểm Cơ sở dữ liệu Key-Value

 Khuyết điểm Cơ sở dữ liệu Key-Value
  • Mô hình dữ liệu đơn giản
  • Dễ dàng mở rộng (scalability)
  • Giá trị có thể là XML, JSON hoặc các schema linh hoạt
  • Tốc độ nhanh
  • Phù hợp cho các trường hợp dữ liệu không có quan hệ (phi quan hệ)
  • Không tự hỗ trợ liên kết các dữ liệu giữa các cặp key-value, phải tự tạo khóa ngoại (foreign key) riêng
  • Không phù hợp với dữ liệu phức tạp
  • Thiếu khả năng quét (Scanning)
  • Chỉ phù hợp với các lệnh CRUD (create, read, update, delete)

Cơ sở dữ liệu Document

Ưu điểm Cơ sở dữ liệu Document

 Khuyết điểm Cơ sở dữ liệu Document
  • Mô hình dữ liệu đơn giản và mạnh mẽ
  • Định dạng mở
  • Có thể mở rộng (scalability)
  • Không có khóa ngoại (foreign keys)
  • Chỉ là giải pháp tạm thời để lưu trữ dữ liệu dạng bảng và không hiệu quả khi xử lý các bảng lớn
  • Truy vấn giới hạn ở các key và index
  • Cần sử dụng phương pháp MapReduce khi thực hiện các truy vấn phức tạp 

Cơ sở dữ liệu Column Family

Ưu điểm Cơ sở dữ liệu Column Family

 Khuyết điểm Cơ sở dữ liệu Column Family
  • Hỗ trợ dữ liệu bán cấu trúc
  • Tự động index
  • Có thể mở rộng (scalability)

Chỉ là giải pháp tạm thời để lưu trữ dữ liệu dạng bảng và không hiệu quả khi xử lý các bảng lớn.

Cơ sở dữ liệu Graph

Ưu điểm Cơ sở dữ liệu Graph

 Khuyết điểm Cơ sở dữ liệu Graph
  • Là một công cụ mạnh mẽ
  • Index được lưu local gần data, dễ dàng truy xuất
  • Có thể đáp ứng ACID (Atomicity. Consistency, Isolation, Durability)
  • Cấu trúc linh hoạt
  • Khả năng cung cấp kết quả ngay lập tức (in real-time)

Khó mở rộng chiều ngang (thêm máy chủ), mặc dù có thể mở rộng chiều dọc (nâng cấp máy chủ).

Những trường hợp sử dụng phổ biến của các loại cơ sở dữ liệu NoSQL

Bắt đầu từ sự xuất hiện của cơ sở dữ liệu NoSQL, không thể phủ nhận rằng mỗi loại cơ sở dữ liệu này mang lại những ưu điểm đặc trưng và tiềm năng mạnh mẽ trong quản lý và xử lý dữ liệu. Mặc dù vẫn tồn tại một số hạn chế, nhưng tính linh hoạt, dễ sử dụng và khả năng mở rộng của NoSQL đã tạo nên sức hút mạnh mẽ trong ngành công nghiệp dữ liệu ngày nay.

Sau đây là những trường hợp sử dụng phổ biến của từng loại cơ sở dữ liệu NoSQL trong ngữ cảnh thực tế.

Khi nào nên chọn Cơ sở dữ liệu Key-value?

Cơ sở dữ liệu Key-value thường được ưa chuộng trong nhiều trường hợp. Chúng xuất sắc trong việc lưu trữ thông tin phiên, giúp lưu giữ và khôi phục trạng thái phiên của người dùng trong các ứng dụng web.

Ngoài ra, cơ sở dữ liệu Key-value cũng rất hữu ích để lưu trữ dữ liệu cá nhân hóa cho từng người dùng, xử lý giỏ hàng mua sắm trong các ứng dụng thương mại điện tử và còn được sử dụng trong việc đề xuất sản phẩm dựa trên dữ liệu cá nhân, tăng trải nghiệm mua sắm trực tuyến. 

Khi nào nên chọn Cơ sở dữ liệu Document?

Cơ sở dữ liệu Document thường được áp dụng trong nhiều trường hợp sử dụng khác nhau. Trong việc quản lý hồ sơ người dùng, chúng cung cấp một Schema linh hoạt, cho phép lưu trữ các thuộc tính và giá trị (value) khác nhau, giúp người dùng lưu trữ nhiều loại thông tin khác nhau trong hồ sơ cá nhân của họ.

Cơ sở dữ liệu này cũng rất hữu ích trong quản lý nội dung website, cho phép lưu trữ mọi loại dữ liệu với Schema linh hoạt, bao gồm hình ảnh, video, bình luận, v.v. Ứng dụng nhiều nhất có thể thấy là trong các nền tảng viết blog và các ứng dụng quản lý nội dung.

Khi nào nên chọn Cơ sở dữ liệu Column Family?

Cơ sở dữ liệu Column Family là lựa chọn tốt cho việc lưu trữ và quản lý sở thích cá nhân của người dùng, cung cấp cơ sở cho các hệ thống thương mại điện tử, nơi có thể quản lý các sở thích, lựa chọn và thông tin cá nhân của người dùng.

Ngoài ra còn ứng dụng trong các lĩnh vực Business Intelligence, quản lý kho dữ liệu (data warehouse), và các hệ thống báo cáo. Các hệ thống quản lý kho dữ liệu cũng là một trong những ứng dụng phổ biến của cơ sở dữ liệu này.

Các cơ sở dữ liệu được lưu trữ dạng cột nổi tiếng bao gồm Google’s Bigtable, Cassandra, và HBase.

Khi nào nên chọn Cơ sở dữ liệu Graph?

Cơ sở dữ liệu Graph thường được áp dụng trong nhiều trường hợp, bao gồm các mạng xã hội, hệ thống đề xuất, quản lý logistics, đánh giá rủi ro, và phát hiện gian lận.

Cách chọn loại cơ sở dữ liệu NoSQL phù hợp

Khi lựa chọn loại cơ sở dữ liệu NoSQL phù hợp, các yếu tố quan trọng cần xem xét bao gồm yêu cầu bài toán, hiệu suất, khả năng mở rộng, chi phí, mô hình dữ liệu, độ phức tạp và độ nhất quán của dữ liệu nhằm đáp ứng được đầy đủ các yêu cầu và mục tiêu của dự án.

Cụ thể:

  • Yêu cầu bài toán nên là trung tâm để lựa chọn cơ sở dữ liệu, vì nó ảnh hưởng đến hiệu suất, khả năng mở rộng, bảo trì, và tốc độ phát triển và triển khai ứng dụng. Hiệu suất đòi hỏi xem cơ sở dữ liệu có đáp ứng được nhu cầu về thông lượng và độ trễ hay không. Khả năng mở rộng là quan trọng, và sự linh hoạt của mô hình dữ liệu cần phải đáp ứng mô hình kinh doanh của ứng dụng.
  • Độ phức tạp và độ nhất quán của cơ sở dữ liệu cũng đặc biệt quan trọng, cùng với sự hỗ trợ cho bảo mật, khả năng chống lỗi cao.
  • Yếu tố chi phí không chỉ giới hạn ở các phí cấp phép hoặc đăng ký ban đầu mà còn bao gồm các chi phí vận hành như phần cứng, lưu trữ dữ liệu, nhân công cần thiết cho bảo trì cơ sở dữ liệu và các chi phí khác.

Câu hỏi thường gặp về các loại cơ sở dữ liệu NoSQL

NoSQL có sử dụng schema không?

Không, đa phần NoSQL không sử dụng schema vì vậy nên NoSQL linh hoạt hơn so với SQL trong việc xử lý cơ sở dữ liệu. Lưu ý rằng NoSQL không phải là một loại cơ sở dữ liệu cụ thể mà là một hệ thống cơ sở dữ liệu được thiết kế để quản lý và xử lý nhiều loại dữ liệu phi quan hệ. 

Khi nào nên sử dụng các loại cơ sở dữ liệu NoSQL?

NoSQL là lựa chọn phù hợp khi cần mở rộng phần cứng nhanh chóng trong tương lai hoặc thực hiện các thay đổi về mô hình dữ liệu dọc đường đi. 

NoSQL có thể thay thế SQL không?

Không thể thay thế SQL bằng NoSQL.

Vì hai loại cơ sở dữ liệu này mang lại những lợi ích và khả năng khác nhau, nên không thể phủ nhận những điểm mạnh mà mỗi loại cơ sở dữ liệu này mang lại. Sẽ có một số trường hợp nên dùng SQL và trong một số trường hợp thì chỉ nên dùng NoSQL, do đó không thể thay thế SQL bằng NoSQL hay ngược lại được.

Tổng kết các loại cơ sở dữ liệu NoSQL

Qua bài viết trên, mong bạn đã có thể hiểu được NoSQL là gì và nắm rõ các loại cơ sở dữ liệu NoSQL, ưu điểm, khuyết điểm, các ứng dụng phổ biến của từng loại cơ sở dữ liệu trong các lĩnh vực hiện nay.

Bên cạnh những ưu điểm tuyệt vời thì các loại cơ sở dữ liệu NoSQL nói riêng cũng còn một số hạn chế mà bạn cần cân nhắc và nghiên cứu kỹ trước khi lựa chọn cho dự án của mình.

robby-2

Bạn thấy bài viết hay và hữu ích? Đừng ngại Share với bạn bè và đồng nghiệp nhé.

Và nhanh tay tham khảo việc làm IT “chất” trên ITviec!