الگوهای جدید معماری بانک های اطلاعاتی NoSQL چه چیزی هستند و این نوع بانک های اطلاعاتی قرار است پاسخگوی چه نوع مسائلی باشند ؟ چگونه می توان با توجه به نوع نیاز و ماهیت مساله از یک الگوی مناسب NoSQL استفاده کرد ؟ سعی خواهیم کرد در این مطلب  و سایر مطالبی که در آینده منتشر خواهد شد ، ضمن پاسخ گویی به این قبیل سوالات به صورت اصولی با الگوهای جدید معماری بانک های اطلاعاتی آشنا شویم .

بانک های اطلاعاتی از گذشته تا کنون 
از گذشته تاکنون شاهد سه دوران مختلف در عرصه بانک های اطلاعاتی بوده ایم . شکل 1 ، این دوره های مختلف را نشان می دهد.از سیستم های مدیریت بانک های اطلاعاتی رابطه  ای (RDBMS ) برای تراکنش ها و از بانک های اطلاعاتی تحلیلی ( Analytics) برای انبار داده استفاده می گردد . NoSQL قرار است  پاسخ گوی چه نیازهایی باشد و یا ما با چه کمبودی در عرصه ذخیره و بازیابی اطلاعات مواجه شده بودیم که ضرورت وجود یک الگوی معماری جدید بانک اطلاعاتی احساس گردید.


شکل  2 ، وضعیت قبل از NoSQL را نشان می دهد .

به دنبال تحولات عظیم در عرصه فناوری اطلاعات از یک طرف و همچنین تغییرات عمده در نیازهای کسب و کار، معماری مبتنی بر تک گره RDBMS  با چالش های متعددی روبرو گردید . در شکل 3 به برخی از این چالش ها اشاره شده است .

با توجه به موارد اشاره شده ، از سال 2010 به بعد نیاز به یک الگوی جدید معماری در عرصه بانک های اطلاعاتی به شدت احساس گردید . ظهور NoSQL پاسخی به این نیاز بود . شکل 4 ، وضعیت بعد از NoSQL را نشان می دهد.

درادامه با الگوهای مختلف معماری داده NoSQL آشنا خواهیم شد .

الگوهای معماری داده NoSQL
در این بخش کار خود را با بررسی ساده ترین نوع معماری داده NoSQL که به آن key-value می گویند شروع خواهیم کرد و در بخش های بعد به بررسی سایر الگوها خواهیم پرداخت . خواهیم دید که چگونه می توان از این الگوی مقرون به صرفه برای حل مسایل کسب و کار متعددی استفاده کرد. در ادامه به بررسی موارد زیر خواهیم پرداخت :

•  Key-value store چیست ؟
• مزایای استفاده از key-value store
• نحوه استفاده ازkey-value store
• بررسی یک نمونه مثال کاربردی از نحوه استفاده key-value store

Key-value store چیست ؟
 Key-value store یک بانک اطلاعاتی ساده است که با ارایه یک رشته ساده به عنوان کلید، می تواند حجم بالایی از داده ( value )  را برگرداند.ساختار ذخیره سازی فوق دارای یک زبان پرس و جو (query ) نمی باشد و از یک روش خاص جهت اضافه کردن و یا حدف زوج کلید- مقدار استفاده می نماید .یک key-value store را می توان  مشابه  یک واژه نامه در نظر گرفت که دارای لیستی از کلمات است و هر کلمه دارای یک و یا چندین تعریف است. یک واژه نامه ساده در شکل 5 نشان داده شده است .
 
واژه نامه یک key-value store ساده است که کلمات  key و تعاریف  value می باشند . پس از ذخیره واژه ها در واژه نامه  به صورت الفبایی ، امکان بازیابی سریع آنها فراهم می شود و لازم نیست برای  واژه ای که به دنبال معنی آن هستیم ، تمامی واژه نامه را جستجو کرد .همانند واژه نامه ، یک key-value store توسط key ، ایندکس گذاری می شود . Key مستقمیا به value اشاره می کند. ماحصل این کار بازیابی سریع اطلاعات (values ) ، صرف نظر از تعداد واژه های ذخیره شده است . یکی از مزایای عدم مشخص کردن نوع داده در یک key-value store ، امکان ذخیره سازی هر نوع داده در value است . سیستم ، اطلاعات را به عنوان یک BLOB  ذخیره می نماید  و زمانی که از دستور GET جهت بازیابی استفاده می گردد ، BLOB مشابه برگردانده می شود . این به عهده برنامه است که مشخص سازد چه نوع داده یی استفاده شده است : یک رشته ، فایل xml و یا binary image .
BLOB  از کلمات Binary Large Object اقتباس شده است و نشان دهنده مجموعه ای از داده باینری ذخیره شده به عنوان یک entry در یک سیستم مدیریت بانک اطلاعاتی است که معمولا شامل متن ، تصاویر ، صدا و سایر اشیاء چند رسانه ای است.
کلید( Key )  در یک key-value store ، انعطاف پذیر بوده و می تواند با قالب های مختلفی همچون اسامی مسیر منطقی به تصاویر و یا فایل ها ، رشته های تولید شده هوشمند از مقدار هش شده ، فراخوانی سرویس وبREST  و یا SQL queries ارایه شود . مقادیر(Value)  نیز نظیر کلیدها ، دارای انعطاف لازم بوده و می توانند شامل هر نوع BLOB داده نظیر تصاویر ، صفحات وب ، مستندات و ویدیوها باشد. شکل 6 ، نمونه ای از یک key-value store متداول را نشان می دهد .


مزایای استفاده از یک Key-value store
سادگی ، بکارگیری آسان و متعاقب آن عمومیت key-value store باعث صرفه جویی در وقت و هزینه های جانبی می گردد و شاید همین دلایل باعث شده باشد که ضریب نفوذ استفاده از این نوع ساختار ذخیره سازی به شدت رشد پیدا نماید. بدیهی است در چنین مواردی ، در مقابل تمرکز بر روی طراحی معماری می توان بر روی مواردی جهت کاهش هزینه سرویس های داده نظیر ارتقاء سطح خدمات ، مانیتورینگ سرویس ها و اطلاع رسانی ، مقیاس پذیری و قابلیت اطمینان و قابلیت حمل و کاهش هزینه های عملیاتی  متمرکز گردید.

نحوه استفاده از Key-value store
چگونه پیاده کنندگان یک برنامه می توانند از یک key-value store درون برنامه استفاده کنند ؟ بهترین روش برای تصور این که چگونه یک key-value store مقادیر را ذخیره می کند ، در نظر گرفتن آن به عنوان جدولی با دو ستون است . اولین ستون Key و دومین ستون value است . سه عملیات را می توان در ارتباط با  key-value store تعریف کرد : put , get و delete . دستورات فوق ، اینترفیس مورد نیاز برنامه نویسان جهت کار با Key-value store را ارایه می نماید که به آن API ( برگرفته شده از Application Program Interface  ) گفته می شود . در شکل 7 اینترفیس فوق نشان داده شده است .


در مقابل استفاده از یک query language ، پیاده کنندگان برنامه با بکارگیری put , get و delete قادر به دستیابی و عملیات بر روی یک key-value store می باشند . علاوه بر دستورات فوق، یک key-value store دارای دو قانون کلی زیر است:

• Distinct keys: نمی توان دارای دو سطر با key-value مشابه بود. این بدان معنی است که تمامی کلیدها در key- value store منحصربفرد می باشند.در صورتی که به صورت منحصربفرد یک زوج key-value را مشخص و شناسائی نکنیم ، نمی توان یک مقدار را به عنوان نتیجه کار برگرداند .
• No queries on values: نمی توان بر روی مقادیر موجود در جدول query اجراء کرد. اگر صرفا متمرکز بر روی بانک های اطلاعاتی رابطه ای تمرکز نماییم ، لازم است توضیحات بیشتری در این خصوص داده شود.در یک بانک اطلاعاتی رابطه ای ، می توان با استفاده از where clause محدودیت هایی را در خصوص برگرداندن نتایج حاصل از اجرای یک query اعمال کرد . در صورتی که در یک key-value store ماحصل اجرای query ،برگرداندن یک آیتم خواهد بود .نمی توان یک زوج key-value را با استفاده از value انتخاب کرد . Key-value store این مساله را با ایندکسینگ در لایه برنامه برطرف می نماید. این کار اجازه می دهد ، key-value دارای یک ساختار ساده و انعطاف پذیر باشد .

پس از آشنایی با مزایا و نحوه استفاده از key-value store ، به بررسی یک نمونه مثال کاربردی خواهیم پرداخت . هدف این مثال ، ذخیره صفحات وب در یک key-value store است و نشان می دهد که چگونه یک موتور جستجو نظیر گوگل تمامی وب سایت ها را در یک key-value store ذخیره می کند.

 مثال : ذخیره صفحات وب در یک Key-value store
گوگل از ابزاری به نام web crawler برای مشاهده اتوماتیک یک وب سایت ، استخراج و ذخیره سازی محتویات هر یک از صفحات وب استفاده می کند. در ادامه ، کلمات موجود در هر صفحه وب به منظور جستجوی سریع کلمات ، ایندکس گذاری می گردند . زمانی که از یک مرورگر وب استفاده می کنیم معمولا آدرس یک وب سایت را به صورت http:// www.example.com/hello.html وارد می نماییم . این URL ، کلید یک وب سایت و یا یک صفحه وب را مشخص می کند . می توان  وب را به صورت یک جدول بزرگ با دو ستون(کلید ، مقدار) در نظر گرفت . شکل 8 ، نحوه ذخیره محتویات صفحات یک وب سایت به کمک key-value store را نشان می دهد .
 
URL ، کلید است و value محتویات صفحه وب در آن آدرس را مشخص می کند. اگر تمامی صفحات وب را در یک سیستم key-value store  ذخیره نماییم دارای میلیاردها و یا تریلیون ها زوج key-value خواهیم بود . هر کلید می بایست منحصربفرد باشد همانند یک URL به یک صفحه وب که منحصربفرد است . قابلیت استفاده از URL به عنوان یک کلید به شما اجازه ذخیره تمامی اجزاء استاتیک و غیرتغییر وب سایت را در یک key-value store می دهد . این عناصر شامل تصاویر ، صفحات HTML استاتیک ، فایل های CSS و کد جاوااسکریپت می باشند . تعداد زیادی از وب سایت ها از رویکرد فوق استفاده می کنند و تنها بخش های پویای یک وب سایت را که توسط اسکریپت ها تولید می شوند در key-value store ذخیره نمی کنند . 

خلاصه
دراین بخش ضمن معرفی اولیه الگوهای معماری مختلف NoSQL، با اولین الگوی معماری Key-value store آشنا شدیم . جایگاه و نحوه استفاده از الگوی key-value store از دیگرمواردی بود که دراین بخش به آن اشاره گردید . Berkley DB ، Memcache ، DynamoDB ، S3 ، Redis و Riak نمونه هایی از بکارگیری الگوی معماری Key-value می باشند.در بخش بعد با Graph store یکی دیگر از الگوهای معماری فناوری NoSQL، آشنا خواهیم شد.