Cơ sở dữ liệu NoSQL yêu cầu một phương pháp thiết kế khác với phương pháp được sử dụng với các hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu quan hệ truyền thống (RDBMS). Nguyên tắc thiết kế cơ sở dữ liệu NoSQL nhấn mạnh tính linh hoạt của dữ liệu, trái ngược với lược đồ quan hệ cứng nhắc.
Bài viết này sẽ giúp bạn khám phá:
- Khái niệm về thiết kế cơ sở dữ liệu NoSQL
- Các bước thiết kế schema cho cơ sở dữ liệu NoSQL
- Các quy tắc cần lưu ý khi thiết kế cơ sở dữ liệu NoSQL
Thiết kế cơ sở dữ liệu NoSQL là gì?
Thiết kế cơ sở dữ liệu NoSQL không chỉ đơn thuần là việc xác định cách lưu trữ dữ liệu, mà còn bao gồm một loạt các quyết định chiến lược về cách tổ chức và quản lý dữ liệu trong môi trường phi cấu trúc và phân tán. Trái ngược với cơ sở dữ liệu quan hệ truyền thống (RDBMS), nơi mà mô hình dữ liệu thường được xác định trước và cố định, thiết kế NoSQL database thường tập trung vào việc tối ưu hóa truy cập dữ liệu và khả năng mở rộng của hệ thống.
Thông qua việc phân tích yêu cầu của dự án và đánh giá các mẫu truy vấn, các lập trình viên cơ sở dữ liệu NoSQL xác định cách tổ chức dữ liệu sao cho phù hợp với nhu cầu của ứng dụng. Điều này bao gồm việc chọn lựa khóa chính (primary key), quyết định các trường (field) cần được index và xác định cách tổ chức dữ liệu theo các mô hình như cây (tree), mạng lưới (graph) hoặc chuỗi thời gian (time-series).
Điểm mạnh của thiết kế cơ sở dữ liệu NoSQL
Một điểm mạnh của thiết kế cơ sở dữ liệu NoSQL là tính linh hoạt, cho phép dễ dàng thay đổi cấu trúc dữ liệu để đáp ứng các yêu cầu kinh doanh mới hoặc mô hình truy vấn khác nhau. Điều này thường dẫn đến quá trình thiết kế được thực hiện theo cách lặp lại và có thể điều chỉnh theo thời gian, khi yêu cầu của ứng dụng thay đổi hoặc khi có sự phát triển trong dữ liệu hoặc môi trường.
Do đó, việc điều chỉnh và cải thiện schema là một phần quan trọng của việc duy trì và phát triển các hệ thống cơ sở dữ liệu NoSQL.
Trong tổ chức dữ liệu NoSQL, những quyết định về thiết kế không chỉ dựa trên cấu trúc dữ liệu mà còn phản ánh nhu cầu về hiệu suất, mở rộng và tính nhất quán của hệ thống.
Đọc thêm: Ưu điểm của NoSQL
Cách thiết kế cơ sở dữ liệu RDBMS và NoSQL có gì khác nhau?
So sánh các kiểu thiết kế dữ liệu NoSQL và RDBMS (sử dụng SQL). (Nguồn: @scylladb)
RDBMS
- Áp dụng một cấu trúc schema cố định.
- Dữ liệu được tổ chức thành các bảng, mỗi bảng đại diện cho một thực thể riêng biệt.
- Sử dụng thuật toán chuẩn hóa dữ liệu (normalization) để giảm thiểu dữ liệu trùng lặp, tăng tính nhất quán và độ tin cậy của hệ thống.
- Quan hệ giữa các bảng được xác định rõ ràng và thường được bảo vệ bởi schema và quy tắc cơ sở dữ liệu.
NoSQL
- Khuyến khích mô hình phát triển ‘ứng dụng trước’ hoặc ‘API trước’, trong đó các truy vấn hỗ trợ chức năng cụ thể của ứng dụng được xem xét trước khi xem xét các mô hình dữ liệu và thực thể.
- Dữ liệu được tổ chức một cách linh hoạt.
- Thay vì chuẩn hóa thì NoSQL thúc đẩy một cách tiếp cận phi cấu trúc hơn, giúp tăng tốc độ phát triển và linh hoạt hơn trong việc đáp ứng yêu cầu của người dùng.
- Các loại cơ sở dữ liệu NoSQL như cơ sở dữ liệu hướng tài liệu cơ sở dữ liệu Key-value, cơ sở dữ liệu Column-family và cơ sở dữ liệu hướng đồ thị (Graph) cung cấp các cơ chế lưu trữ và truy vấn dữ liệu khác nhau.
Các quy tắc khi thiết kế cơ sở dữ liệu NoSQL
- Thiết kế cơ sở dữ liệu NoSQL tập trung vào cách mà ứng dụng sẽ truy vấn dữ liệu, thay vì tập trung vào các mối quan hệ trong dữ liệu.
- Thiết kế cơ sở dữ liệu NoSQL nhấn mạnh vào các mẫu truy cập hơn là các mô hình dữ liệu trừu tượng. Đó là lý do tại sao các quy tắc tốt nhất cho thiết kế NoSQL database yêu cầu một biểu đồ về các cách mà ứng dụng sẽ truy vấn dữ liệu, và sự hỗ trợ cần thiết cho khối lượng công việc.
- Thiết kế cơ sở dữ liệu NoSQL cũng xem xét tần suất mà bộ dữ liệu sẽ thay đổi, lượng dữ liệu sẽ được lưu trữ và các yêu cầu về tính sẵn có, hiệu suất và nhất quán.
- Thiết kế cơ sở dữ liệu NoSQL có nghĩa là lựa chọn loại cơ sở dữ liệu phù hợp cho một ứng dụng cụ thể. Các loại cơ sở dữ liệu này có thể là lưu trữ theo key-value, theo column-family, cơ sở dữ liệu hướng tài liệu và cơ sở dữ liệu dạng mạng lưới.
5 mẫu thiết kế cơ sở dữ liệu NoSQL thông dụng nhất
Cơ sở dữ liệu NoSQL đang trở nên phổ biến hơn vì chúng cung cấp tính linh hoạt, khả năng mở rộng và hiệu suất cho việc xử lý các tập dữ liệu lớn và phức tạp. Tuy nhiên, thiết kế một cơ sở dữ liệu NoSQL đòi hỏi một cách tiếp cận khác biệt so với các cơ sở dữ liệu quan hệ truyền thống.
Tìm hiểu thêm: Các loại cơ sở dữ liệu NoSQL
Mẫu Key-value
Một trong những mẫu thiết kế NoSQL database đơn giản và phổ biến nhất là mẫu key-value. Trong mẫu này, mỗi danh sách dữ liệu được lưu trữ dưới dạng một cặp khóa-giá trị với mỗi khoá là độc nhất. Giá trị có thể là bất cứ thứ gì, chẳng hạn như một chuỗi, một số, một tài liệu hoặc là nhị phân.
Mẫu key-value lý tưởng cho các tình huống mà bạn cần truy cập nhanh chóng và đơn giản đến dữ liệu bằng cách sử dụng khóa làm định danh.
Ví dụ, bạn có thể sử dụng mẫu key-value để lưu trữ các thiết lập người dùng, dữ liệu phiên, hoặc dữ liệu caching.
Mẫu Tài Liệu (Document)
Trong mẫu này, mỗi mục dữ liệu được lưu trữ dưới dạng một tài liệu độc lập, tự chứa các thông tin liên quan đến nó, không cần phải tham chiếu đến tài liệu khác. Mẫu này còn bao gồm một collection các trường và giá trị mà không theo một cấu trúc cố định và có thể linh động tùy thuộc vào nhu cầu cụ thể của dữ liệu.
Mẫu tài liệu phù hợp cho các tình huống mà bạn cần lưu trữ dữ liệu phức tạp và đa dạng, có thể thay đổi về cấu trúc và kích thước.
Ví dụ, bạn có thể sử dụng mẫu tài liệu để lưu trữ các danh mục sản phẩm, hồ sơ khách hàng, hoặc bài đăng trên blog.
Mẫu Tổ Hợp (Aggregate)
Mẫu tổ hợp là một biến thể của mẫu tài liệu nhưng tập trung vào việc nhóm các mục dữ liệu liên quan vào một tài liệu duy nhất.
Mẫu tổ hợp hữu ích cho các tình huống mà bạn cần thực hiện các thao tác dữ liệu một cách liền mạch, trên một tập dữ liệu mà tất cả các mục thuộc cùng một nhóm. Tức là nếu một phần của thao tác dữ liệu không thành công, toàn bộ quá trình thực hiện sẽ bị hủy, đảm bảo rằng dữ liệu không bị sai lệch hay mất mát.
Ví dụ, bạn có thể sử dụng mẫu tổ hợp để lưu trữ chi tiết đơn hàng, các mặt hàng tồn kho, hoặc bài đăng trên mạng xã hội.
Mẫu Bucket
Mẫu bucket là một biến thể khác của mẫu tài liệu nhằm giảm số lượng tài liệu trong một collection bằng cách nhóm các mục dữ liệu tương tự vào một tài liệu duy nhất.
Mẫu bucket hữu ích cho các tình huống khi bạn cần lưu trữ một lượng lớn dữ liệu mà có ít truy vấn được chọn, hoặc có ít sự lựa chọn trong truy vấn.
Ví dụ, bạn có thể sử dụng mẫu bucket để lưu trữ dữ liệu cảm biến, dữ liệu nhật ký, hoặc dữ liệu lịch sử.
Mẫu mạng lưới (Graph)
Mẫu mạng lưới là một mẫu thiết kế cơ sở dữ liệu NoSQL chuyên biệt, biểu diễn dữ liệu dưới dạng một mạng lưới các nút và cạnh. Mẫu mạng lưới có thể kích hoạt các truy vấn mạnh mẽ và hiệu quả, đi qua các kết nối giữa các mục dữ liệu nhưng cũng có thể đòi hỏi nhiều tài nguyên và kỹ năng để triển khai và duy trì.
Mẫu mạng lưới là lựa chọn tối ưu cho các tình huống mà bạn cần mô hình phân tích các mối quan hệ có sự phụ thuộc phức tạp giữa các mục dữ liệu.
Ví dụ, bạn có thể sử dụng mẫu mạng lưới để lưu trữ mạng xã hội, hệ thống gợi ý.
Các bước thiết kế schema cho cơ sở dữ liệu NoSQL
Mặc dù một số có thể cho rằng NoSQL không cần thiết kế schema do tính linh hoạt và không ràng buộc của nó nhưng thực tế thì thiết kế schema vẫn mang lại nhiều lợi ích trong việc tổ chức dữ liệu. Schema giúp tối ưu hóa hiệu suất truy vấn, đảm bảo tính nhất quán và tổ chức logic của dữ liệu cũng như hỗ trợ quá trình phát triển và bảo trì ứng dụng. Dưới đây là một số bước và phương pháp phổ biến để thiết kế schema trong NoSQL:
1. Thiết kế Containers
- Trong ngữ cảnh này, “container” đề cập đến các đơn vị lưu trữ dữ liệu trong cơ sở dữ liệu NoSQL, tương tự như bảng trong RDBMS.
- Xác định các Containers dựa trên Query Patterns: Xây dựng các container dựa trên mẫu truy vấn để mỗi container phục vụ một chức năng duy nhất.
- Cân bằng thiết kế Container: Đảm bảo container tương ứng với một module/class code để thực thi một chức năng duy nhất, giúp trong việc phát triển và bảo trì hệ thống. Điều quan trọng là phải cân nhắc giữa việc thiết kế một container cho mỗi truy vấn so với thiết kế một container để thực hiện nhiều truy vấn. Do đó, việc sử dụng thuật toán chuẩn hóa ngược (denormalization) đóng vai trò quan trọng trong thiết kế NoSQL.
Cách Container chứa cơ sở dữ liệu NoSQL. (Nguồn: @henriquesd.medium.com)
2. Điều chỉnh Dữ liệu
- Sử dụng kỹ thuật nhúng (Embedding) hoặc tham chiếu (Referencing) để giảm bớt sự chuẩn hoá dữ liệu giữa các containers.
- Xác định mối quan hệ , phép nối cần thực hiện là quan hệ 1-1 (One-to-One), quan hệ 1-nhiều (One-to-Many) hay quan hệ nhiều-nhiều (Many-to-Many) giữa các đối tượng (entities) và áp dụng kỹ thuật giảm chuẩn hóa tương ứng.
- Lựa chọn giữa Embedding và Referencing dựa trên số lượng và tần suất truy cập của các thuộc tính.
Dùng tham chiếu (Referencing) để giảm bớt sự chuẩn hóa dữ liệu. (Nguồn: @datensen)
3. Thiết kế Primary Keys
- Lựa chọn các thuộc tính liên quan đến doanh nghiệp làm Primary Keys để tối ưu hóa việc truy cập dữ liệu.
- Phân loại các mẫu truy vấn và thiết kế Primary Keys để đáp ứng yêu cầu của các truy vấn quan trọng và chính xác.
- Thiết kế Primary Keys để hỗ trợ việc tham gia dữ liệu trên ứng dụng mà không cần sử dụng các chỉ số phức tạp.
4. Thiết kế Indexes
- Tạo các Indexes dựa trên các mẫu truy vấn để cải thiện hiệu suất của các truy vấn không quan trọng hoặc dùng cho mục đích khai thác dữ liệu.
- Tránh việc tạo quá nhiều Indexes cho mỗi truy vấn và tối ưu hóa các Indexes để giảm bớt tác động đến hiệu suất hệ thống.
- Thiết kế các loại Indexes phù hợp với nhu cầu cụ thể của ứng dụng như B-Tree, Array, Geo-spatial và Full Text Search.
Các câu hỏi thường gặp về thiết kế cơ sở dữ liệu NoSQL
Dữ liệu được lưu trữ trong NoSQL như thế nào?
NoSQL bao gồm bốn loại thiết kế cơ sở dữ liệu chính, vì vậy chi tiết cách lưu trữ dữ liệu của từng loại sẽ khác nhau. Điểm chung của chúng là bộ nhớ vật lý sẽ được phân phối và phân vùng theo chiều ngang.
- Cơ sở dữ liệu Key-value: mỗi danh sách dữ liệu được lưu trữ dưới dạng một cặp khóa-giá trị, với mỗi khóa là một định danh duy nhất.
- Cơ sở dữ liệu Document: tổ chức dữ liệu trong các tài liệu có cấu trúc như JSON hoặc XML. Mỗi mục dữ liệu được lưu trữ dưới dạng một tài liệu độc lập.
- Cơ sở dữ liệu Graph: biểu diễn dữ liệu dưới dạng một mạng lưới các nút và cạnh, thể hiện mối quan hệ giữa chúng.
- Cơ sở dữ liệu Column-Family: lưu trữ dữ liệu dưới dạng các cột thay vì hàng như cơ sở dữ liệu quan hệ, giúp tối ưu hóa cho các truy vấn theo cột.
Thiết kế thương mại điện tử NoSQL khác biệt như thế nào?
NoSQL thường được sử dụng cho các trang web thương mại điện tử vì tốc độ truy vấn, tính linh hoạt và tính khả dụng của nó. Thiết kế thương mại điện tử NoSQL hơi khác so với thiết kế SQL cho một trang web thương mại điện tử. Một trang web mua sắm thường bán các sản phẩm và mỗi sản phẩm có những thuộc tính riêng để mô tả.
Ví dụ, khi một người mua tìm kiếm áo sơ mi, họ sẽ muốn lọc theo kiểu dáng, màu sắc, kích cỡ và có thể là thương hiệu. Khi tìm ổ cứng, họ muốn lọc theo kích thước, giao diện và loại ổ đĩa.
Thiết kế hệ thống bằng SQL đối với trường hợp này là bất khả thi, vì không bao giờ thống kê được mọi thuộc tính của mọi sản phẩm trong hiện tại và tương lai, mặc dù có truy vấn có thể rất nhanh.
Trong khi đó, thiết kế mua sắm NoSQL được đơn giản hóa vì không cần mỗi sản phẩm phải có cùng tất cả các trường thuộc tính.
Tổng kết
Trong bài viết này, chúng ta đã đi sâu vào việc khám phá và so sánh cách thiết kế cơ sở dữ liệu giữa hệ thống quan hệ (RDBMS) và NoSQL. Bên cạnh đó là tìm hiểu về các phương pháp thiết kế schema cơ bản và các quy tắc quan trọng khi làm việc với cơ sở dữ liệu NoSQL.
Việc thiết kế cơ sở dữ liệu NoSQL đòi hỏi phương pháp linh hoạt và có hướng tiếp cận từ phía phát triển ứng dụng. Sự hiểu biết sâu rộng về mô hình dữ liệu, mẫu truy vấn và nhu cầu của ứng dụng là quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất và khả năng mở rộng của hệ thống.
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!