[NO-SQL] Il Teorema di CAP e il No-SQL data model

Volendo continuare la serie sulla “filosofia” NO-SQL e sulle prerogative per cui è necessaria (vedi l’articolo riportato su questo blog, “NO-SQL e introduzione a MongoDB“), estrapolo qui le motivazioni e le caratteristiche lette negli articoli riportati su BigDataNERD:

Perché NO-SQL?

Per poter rispondere alla domanda occorre esaminare il “teorema di CAP” e ricordare che un concetto fondamentale degli RDBMS è quello delle “ACID transactions” (A=Atomicity, C=Consistency, I=Isolation, D=Durability)

  • A come Atomicità. La transazione è indivisibile, ossia o tutti gli statements che la compongono vengono applicati ad un database o nessuno.
  • C come Consistenza. Il database deve rimanere in uno stato consistente prima e dopo l’esecuzione di una transazione, quindi non devono verificarsi contraddizioni (inconsistency) tra i dati archiviati nel DB.
  • I come Isolamento. Quando transazioni multiple vengono eseguite da uno o più utenti simultaneamente, una transazione non vede gli effetti delle altre transazioni concorrenti.
  • D come Durabilità. Quando una transazione è stata completata (con un commit), i suoi cambiamenti diventano persistenti, ossia non vengono più persi.

I più comuni e diffusi RDBMS supportano le transazioni ACID e i principi su esposti sembrerebbero bastare. Ma dov’è il problema?

Nell’era del Web 2.0, le applicazioni devono lavorare su bilioni e trilioni di dati ogni giorno e la scalabilità è un concetto che in tale ambito ricopre un ruolo importantissimo. Per questo motivo i database hanno bisogno di essere distribuiti sulla rete per realizzare una scalabilità orizzontale. Esaminiamo qui il concetto di “CAP theorem” per valutare le caratteristiche di un siffatto sistema di storage distribuito dei dati.

Il teorema di CAP fu teorizzato da Eric Brewer nel 2000 (C=Consistency, A=Availability, P=Partition-Tolerance). Per maggiori informazioni si veda il seguente articolo: ACID vs. BASE il Teorema di CAP (di Stefano Pedone).

Nell’ambito di un sistema di storage distribuito, i 3 principi hanno la seguente definizione:

Consistency: se viene scritto un dato in un nodo e viene letto da un altro nodo in un sistema distribuito, il sistema ritornerà l’ultimo valore scritto (quello consistente).

Availability: Ogni nodo di un sistema distribuito deve sempre rispondere ad una query a meno che non sia indisponibile.

Partition-Tolerance: è la capacità di un sistema di essere tollerante ad una aggiunta o una rimozione di un nodo nel sistema distribuito (partizionamento) o alla perdita di messaggi sulla rete.

Secondo la teoria CAP, è impossibile garantire tutti e tre i principi del teorema di CAP. Infatti, si consideri un sistema distribuito e si supponga di aggiornare un dato su un nodo 1 e di leggerlo da un nodo 2, si verificheranno le seguenti conseguenze:

  1. Il nodo 2 deve ritornare l’ultima “miglior” versione del dato (quella consistente) per non violare il principio della Consistenza
  2. Si potrebbe attendere la propagazione del dato modificato nel nodo 2 e, quest’ultimo, potrebbe mettersi in attesa della versione più aggiornata, ma, in un sistema distribuito, si ha un’alta possibilità di perdita del messaggio di aggiornamento e il nodo 2 potrebbe attenderlo a lungo. Così non risponderebbe alle query (indisponibilità), violando il principio dell’Availability
  3. Se volessimo garantire sia la Consistency che l’Availability, non dovremmo partizionare la rete, violando il principio del Partition-Tolerance

Le web applications progettate in ottica Web 2.0, caratterizzate da architetture altamente scalabili e profondamente distribuite con politiche di prossimità geografica, puntano in maniera forte sulla garanzia di alte prestazioni ed estrema disponibilità dei dati. Si trovano quindi ad essere altamente scalabili e partizionate. La filosofia NO-SQL è sbilanciata verso la ridondanza dei nodi e la scalabilità.

Di seguito, si riporta una tabella dei maggiori database NO-SQL del momento:

Il NoSQL data model può essere implementato seguendo differenti approcci a seconda delle strutture dati con cui si rappresentano i record di dato.

  • Famiglie di colonne o “wide column store” (come Cassandra e HBase): le informazioni sono memorizzate in colonne, in coppie chiave/valore. Tipicamente sono usati nell’ambito della memorizzazione distribuita dei dati;
  • Document Store (come CouchDB, MongoDB): le informazioni sono organizzate in “Document“, rappresentati in XML, JSON o BSON, e l’accesso ai dati avviene attraverso API che interrogano veri e propri dizionari. Sono molto usati nello sviluppo di attuali web applications;
  • Key/Value Store (come Membase, Redis): la struttura dati di memorizzazione è una Hash Table (coppia chiave-valore). Indicate per sistemi di caching o Hash Table distribuite;
  • Graph Data Store (come Neo4J, InfoGrid, OrientDB). Il modello di programmazione è il grafo e l’accesso ad archi e nodi avviene attraverso algoritmi di ricerca su grafo. Tipicamente si usano nei social network.

 

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