NoSQL: la tendenza verso un’ar­chi­via­zio­ne strut­tu­ra­ta dei dati

Negli ultimi 15 anni, le richieste nei confronti del moderno sviluppo di ap­pli­ca­zio­ni sono cambiate ra­di­cal­men­te: quantità di dati sempre maggiori devono essere ar­chi­via­te, elaborate e ag­gior­na­te in tempi sempre più rapidi. Per quanto riguarda la gestione di grandi quantità di dati, già da tempo i database NoSQL o non re­la­zio­na­li stanno facendo parlare di sé. Ma cos’è NoSQL in termini pratici? E quali vantaggi offre questo moderno approccio alle banche dati?

Cos’è di fatto NoSQL?

L’acronimo NoSQL significa “not only SQL”, e proprio in questo senso deve essere in­ter­pre­ta­to questo modello di banche dati: as­so­lu­ta­men­te non come una soluzione con­trap­po­sta, quanto piuttosto come un ar­ric­chi­men­to e un’utile in­te­gra­zio­ne dei tra­di­zio­na­li database SQL re­la­zio­na­li. I database NoSQL, infatti, superano i limiti dei sistemi re­la­zio­na­li, uti­liz­zan­do modelli di banche dati al­ter­na­ti­vi. Questo, tuttavia, non significa ne­ces­sa­ria­men­te che i sistemi SQL non vengano uti­liz­za­ti: esistono infatti anche numerose varianti miste in cui convivono entrambe le soluzioni e che vengono anch’esse comprese nella de­fi­ni­zio­ne generale di NoSQL.

Fino alla fine degli anni 2000, i database SQL rap­pre­sen­ta­va­no il non plus ultra del progresso ap­pli­ca­ti­vo. Altri approcci, come i database orientati agli oggetti, non hanno mai raggiunto una rilevanza pa­ra­go­na­bi­le in ragione della loro com­ples­si­tà di utilizzo. Un’al­ter­na­ti­va vera e propria si è con­cre­tiz­za­ta grazie allo sviluppo dei database NoSQL, che sono stati la risposta alle li­mi­ta­zio­ni e ai problemi delle banche dati re­la­zio­na­li. Queste ultime, infatti, spesso non sono in grado di sod­di­sfa­re le esigenze dei moderni sviluppi ap­pli­ca­ti­vi. A dif­fe­ren­za delle banche dati re­la­zio­na­li, i database NoSQL uti­liz­za­no in­no­va­zio­ni, come i server cloud, per offrire un modello di dati al­ter­na­ti­vo in cui possono essere ar­chi­via­ti ed elaborati mol­tis­si­mi dati di diverso tipo. Le strutture di dati così ottenute sono ef­fi­cien­ti e fles­si­bi­li e sono in grado di reagire ra­pi­da­men­te al mutamento delle esigenze.

I sistemi NoSQL vengono di frequente de­no­mi­na­ti sistemi ad archivi strut­tu­ra­ti, de­fi­ni­zio­ne che ne esplicita la dif­fe­ren­za so­stan­zia­le rispetto alle banche dati SQL re­la­zio­na­li: a dif­fe­ren­za di queste ultime, i database NoSQL non uti­liz­za­no schemi tabellari rigidi all’interno dei quali i dati devono essere definiti prima dell’ar­chi­via­zio­ne. I database NoSQL, infatti, fanno ricorso a metodi più fles­si­bi­li, che per­met­to­no di ag­giun­ge­re senza dif­fi­col­tà nuovi set di dati che si ag­gior­na­no di continuo nell’ap­pli­ca­zio­ne. Le soluzioni NoSQL sono pertanto adatte a essere uti­liz­za­te per l’ela­bo­ra­zio­ne di dati non strut­tu­ra­ti o anche sco­no­sciu­ti, cosa im­pen­sa­bi­le con una banca dati re­la­zio­na­le.

Come fun­zio­na­no i database NoSQL?

A dif­fe­ren­za delle banche dati re­la­zio­na­li basate su SQL, i database NoSQL non uti­liz­za­no per l’ar­chi­via­zio­ne dei dati tabelle tra­di­zio­na­li con righe e colonne. Anziché uti­liz­za­re le tabelle, or­ga­niz­za­no grandi quantità di dati con l’ausilio di tecniche fles­si­bi­li, ad esempio con documenti, grafici, coppie di valori e colonne. Perciò, i database NoSQL sono indicati per le ap­pli­ca­zio­ni che prevedono l’ela­bo­ra­zio­ne di grandi quantità di dati e che, pertanto, ri­chie­do­no strutture fles­si­bi­li. Poiché i sistemi NoSQL uti­liz­za­no hardware cluster e server cloud, le capacità vengono ripartite in modo uniforme e il database lavora senza dif­fi­col­tà anche in caso di un’elevata mole di dati. A dif­fe­ren­za delle banche dati re­la­zio­na­li, che all’aumentare della quantità di dati accusano ra­pi­da­men­te un calo di ef­fi­cien­za, i database NoSQL rap­pre­sen­ta­no una soluzione ef­fi­cien­te, fles­si­bi­le e scalabile anche in caso di un elevato volume di dati.

Una par­ti­co­la­ri­tà dei database NoSQL è inoltre la sca­la­bi­li­tà oriz­zon­ta­le. Le banche dati SQL re­la­zio­na­li sono scalate in direzione verticale e basano tutta la loro ef­fi­cien­za su un singolo server. Un in­cre­men­to della loro capacità passa ne­ces­sa­ria­men­te at­tra­ver­so l’in­ve­sti­men­to in un server più potente, il che, nel tempo, non solo è correlata a costi più elevati, ma limita anche le pos­si­bi­li­tà di sviluppo ap­pli­ca­ti­vo. Le soluzioni NoSQL ri­par­ti­sco­no ge­ne­ral­men­te i dati su diversi server. In caso di aumento della quantità di dati, è suf­fi­cien­te ag­giun­ge­re nuovi server. Questo fa sì che i database NoSQL siano in grado di me­mo­riz­za­re ed elaborare senza dif­fi­col­tà grandi volumi di dati, ca­rat­te­ri­sti­ca che li rende idonei so­prat­tut­to per le ap­pli­ca­zio­ni big data.

I quattro prin­ci­pa­li approcci NoSQL

I sistemi ad archivi strut­tu­ra­ti ri­nun­cia­no agli schemi rigidi delle loro con­tro­par­ti re­la­zio­na­li, di­ven­tan­do così soluzioni par­ti­co­lar­men­te indicate per le ap­pli­ca­zio­ni big data. A livello mondiale sono già di­spo­ni­bi­li numerosi database NoSQL di vario tipo (perlopiù open source ) che pre­sen­ta­no strutture diverse a seconda dello svi­lup­pa­to­re e dei requisiti. Sebbene non esistano regole uguali per tutti, i diversi approcci NoSQL possono essere suddivisi in quattro categorie prin­ci­pa­li.

Database orientati ai documenti

Nei database NoSQL orientati ai documenti, i dati vengono me­mo­riz­za­ti di­ret­ta­men­te in documenti con lunghezza variabile, ma non devono ne­ces­sa­ria­men­te essere strut­tu­ra­ti. A essi vengono associati dei co­sid­det­ti attributi o “tag” in base ai quali è possibile ef­fet­tua­re ricerche all’interno dei contenuti del documento. I database NoSQL orientati ai documenti sono par­ti­co­lar­men­te adatti per i sistemi di gestione dei contenuti e per i blog. Come formato dei dati viene at­tual­men­te uti­liz­za­to so­prat­tut­to il formato JSON (JavaScript Object Notation) che permette uno scambio veloce dei dati tra le ap­pli­ca­zio­ni.

Database a grafo

Un database a grafo crea delle relazioni tra i dati uti­liz­zan­do nodi e archi. At­tra­ver­so i nodi e i col­le­ga­men­ti tra di essi viene or­ga­niz­za­ta la rete di relazioni tra i dati. Nel caso di raccolte di dati con in­for­ma­zio­ni for­te­men­te correlate, i database a grafo NoSQL rag­giun­go­no pertanto pre­sta­zio­ni de­ci­sa­men­te migliori rispetto alle banche dati SQL re­la­zio­na­li. Questi database vengono uti­liz­za­ti so­prat­tut­to nell’ambito dei social media, ad esempio per rap­pre­sen­ta­re le relazioni tra follower su Twitter o Instagram.

Database key-value (chiave-valore)

Mentre le banche dati SQL re­la­zio­na­li uti­liz­za­no schemi e tabelle rigidi, i database chiave-valore ar­chi­via­no i dati sotto forma di coppie chiave-valore. Ai singoli valori vengono associate chiavi spe­ci­fi­che, laddove il set di dati stesso funge da chiave (key) e rap­pre­sen­ta un valore (value). La chiave co­sti­tui­sce al contempo un indice con il quale è possibile eseguire una ricerca all’interno del database. Le chiavi dei database chiave-valore NoSQL sono sempre univoche e sono as­si­mi­la­bi­li alle chiavi primarie delle banche dati re­la­zio­na­li.

Database orientati alle colonne

A dif­fe­ren­za dei modelli di banche dati re­la­zio­na­li, i sistemi di database orientati alle colonne ar­chi­via­no i set di dati non in righe, bensì in colonne. Questo rende possibili processi di lettura dati più brevi e un’elevata ef­fi­cien­za. Questo modello NoSQL viene utilizza so­prat­tut­to per il data mining e i programmi di analisi.

Vantaggi di NoSQL rispetto a SQL

A seconda della finalità dell’ap­pli­ca­zio­ne, NoSQL può offrire de­ter­mi­na­ti vantaggi rispetto alle classiche banche dati re­la­zio­na­li: laddove i sistemi SQL rag­giun­go­no ra­pi­da­men­te i loro limiti di capacità, come ad esempio nelle ap­pli­ca­zio­ni di ela­bo­ra­zio­ne di big data, i database NoSQL offrono modelli ad alta ef­fi­cien­za e scalabili, in grado di leggere ed elaborare enormi quantità di dati a gran­dis­si­ma velocità.

I database NoSQL ab­ban­do­na­no gli schemi rigidi dei sistemi SQL e puntano invece su modelli fles­si­bi­li, par­ti­co­lar­men­te adatti a elaborare grandi quantità di dati. Poiché ar­chi­via­no i dati su hardware cluster di­stri­bui­ti, sono meno esposti a guasti e de­ci­sa­men­te più economici rispetto all’in­stal­la­zio­ne di un unico potente server, le cui capacità vengono pun­tual­men­te esaurite rendendo ne­ces­sa­rio passare a un sistema con capacità superiore.

Cinque soluzioni NoSQL popolari: riepilogo

I database NoSQL sono nella maggior parte dei casi software open source li­be­ra­men­te di­spo­ni­bi­li per tutti gli utenti di internet. Questo sem­pli­fi­ca enor­me­men­te l’accesso: gli utenti possono infatti scaricare gra­tui­ta­men­te numerose ap­pli­ca­zio­ni NoSQL, imparare a uti­liz­zar­le e, in una prima fase, sfrut­tar­le anche solo come in­te­gra­zio­ne al proprio database SQL. I seguenti database NoSQL sono ormai am­pia­men­te affermati tra gli utenti:

Cassandra

Cassandra è un database NoSQL ot­ti­miz­za­to per l’ar­chi­via­zio­ne e l’ela­bo­ra­zio­ne di grandi set di dati.

CouchDB

Il database orientato ai documenti CouchDB sfrutta un’API HTTP/JSON estre­ma­men­te intuitiva e può essere uti­liz­za­to per qualunque ambito ap­pli­ca­ti­vo, dai big data alle ap­pli­ca­zio­ni mobili e web.

Neo4j

Il database Neo4j permette di integrare i dati nel database a grafo NoSQL basato su cloud. Ciò offre in­nan­zi­tut­to la pos­si­bi­li­tà di rap­pre­sen­ta­re gra­fi­ca­men­te le relazioni tra i singoli set di dati e in­di­vi­dua­re dei modelli.

Redis

Il database chiave-valore Redis è un co­sid­det­to database in-memory: archivia i dati di­ret­ta­men­te nella cache, rag­giun­gen­do così pre­sta­zio­ni ancora più elevate.

MongoDB

MongoDB è da anni uno dei database NoSQL più popolari. Il database, scritto nel lin­guag­gio di pro­gram­ma­zio­ne C++, è orientato ai documenti e memorizza le in­for­ma­zio­ni in formato BSON (Binary JSON).