NoSQL: la tendencia hacia un soporte de datos estructurado
En los últimos 15 años, las exigencias del desarrollo moderno de aplicaciones han cambiado radicalmente, cada vez hay que almacenar, procesar y actualizar volúmenes de datos más extensos de forma más rápida. En lo que respecta al manejo de grandes volúmenes de datos, las bases de datos no relacionales o NoSQL llevan tiempo dando de qué hablar. Pero ¿qué es una base de datos NoSQL exactamente y qué ventajas ofrece este moderno juego de bases de datos?
¿Qué hay detrás del nombe NoSQL?
NoSQL significa “not only SQL” y es así como hay que entender el modelo de bases de datos: no se trata del elemento antagónico, sino de un enriquecimiento y complemento útil de las tradicionales bases de datos SQL relacionales. En este contexto, las bases de datos NoSQL traspasan los límites de los sistemas relacionales y, en su lugar, usan modelos alternativos de bases de datos. No obstante, esto no significa que no se van a usar sistemas SQL. También existen numerosas variantes mixtas, en las que se usan ambas soluciones y que también se engloban en el hiperónimo NoSQL.
Hasta los últimos años de la primera década del 2000, las bases de datos SQL eran el no va más del desarrollo de aplicaciones. Otros enfoques, como las bases de datos orientadas a objetos, nunca alcanzaron esa posición de peso, debido a la compleja implementación que conllevaban. El desarrollo de las bases de datos NoSQL, que surgió en respuesta a las limitaciones y los problemas de las bases de datos relacionales, supuso la creación de una auténtica alternativa, ya que, en muchas ocasiones, las bases de datos relacionales ya no son capaces de hacer frente a las exigencias del desarrollo moderno de aplicaciones. En cambio, las bases de datos NoSQL usan novedades, como los servidores en la nube, para ofrecer un modelo de datos alternativo en el que se pueden almacenar y procesar muchos datos distintos. Las estructuras de datos resultantes son potentes y flexibles, y cuentan con la capacidad de reaccionar rápidamente a distintas exigencias.
A menudo, los sistemas NoSQL se designan como soportes de datos estructurados, una denominación que hace hincapié en la principal diferencia con respecto a las bases de datos SQL relacionales: a diferencia de estas últimas, las bases de datos NoSQL no usan rígidos esquemas de tablas en los que hay que definir los datos antes de su almacenamiento. Apuestan por métodos más flexibles que permiten la integración sencilla de nuevos juegos de datos que se actualizan de forma continua en la aplicación. Las soluciones NoSQL también son adecuadas para procesar datos no estructurados o desconocidos, una tarea prácticamente imposible con una base de datos relacional.
¿Cómo funcionan las bases de datos NoSQL?
A diferencia de las bases de datos basadas en SQL, las bases de datos NoSQL no usan tablas tradicionales con líneas y columnas para almacenar datos. En su lugar, organizan los grandes volúmenes de datos con técnicas más flexibles, como, por ejemplo, documentos, gráficos, pares de valores y columnas. Por ello, las bases de datos NoSQL son ideales para aplicaciones en las que se procesan grandes volúmenes de datos y que requieren estructuras flexibles. Como los sistemas NoSQL hacen uso de clústeres de hardware y servidores de nube, las capacidades se distribuyen de manera uniforme y la base de datos funciona con fluidez, aunque el volumen de datos sea grande. En contraposición a las bases de datos relacionales, que bajan el rendimiento en cuanto crece el volumen de datos, las bases de datos NoSQL suponen una solución potente, flexible y escalable incluso con grandes volúmenes de datos.
Otra particularidad de las bases de datos NoSQL es el escalamiento horizontal. Las bases de datos SQL relacionales cuentan con un escalamiento vertical y toda su capacidad de rendimiento se basa en un solo servidor. Para poder aumentar su capacidad, habría que invertir en un servidor más potente: a largo plazo no solo se trata de una opción muy cara, sino que además limita notablemente las posibilidades del desarrollo de aplicaciones. Por norma general, las soluciones NoSQL distribuyen los datos en varios servidores. Si aumenta el volumen de datos, simplemente se añaden nuevos servidores. Así, las bases de datos NoSQL pueden almacenar grandes cantidades de datos sin ningún problema, por lo que son especialmente adecuados para aplicaciones de Big Data.
Los cuatro conceptos NoSQL más importantes
Los soportes de datos estructurados no echan mano de los esquemas rígidos de sus competidores relacionales, por lo que son especialmente adecuados para las aplicaciones de Big Data. Ya existen numerosas bases de datos NoSQL distintas en todo el mundo, normalmente de código abierto, que en función del proveedor y los requisitos cuentan con una estructura diferente. Aunque no existan regulaciones uniformes, los distintos conceptos NoSQL se pueden clasificar en cuatro categorías principales.
Bases de datos orientadas a documentos
En las bases de datos NoSQL orientadas a documentos, los datos se almacenan directamente en documentos de diferentes longitudes. No hace falta que los datos estén estructurados. Se les asignan distintos atributos o denominados “Tags” sobre cuya base se pueden rastrear los contenidos de los documentos. Las bases de datos NoSQL orientadas a documentos son especialmente adecuadas para sistemas de gestión de contenidos y blogs. Hoy en día se usa sobre todo JSON (JavaScript Object Notation) como formato de archivo, ya que permite el intercambio de datos más rápido entre aplicaciones.
Bases de datos de grafos
Una base de datos de grafos forma relaciones entre datos mediante nodos y cantos. El entramado de relaciones de datos se organiza mediante puntos nodulares y sus conexiones entre sí. Así, con contenidos de datos con información muy entrelazada, las bases de datos NoSQL ofrecen un rendimiento muy superior a las bases de datos SQL relacionales. Se usan sobre todo en el ámbito de las redes sociales para representar las relaciones entre seguidores de Twitter o Instagram.
Bases de datos de clave-valor
Mientras que las bases de datos SQL echan mano de esquemas rígidos y tablas, las bases de datos de clave-valor guardan los datos como pares de valores y clave. Los valores individuales están asignados a claves específicas y el propio juego de datos funciona como clave (key) y representa un valor (value). De forma simultánea, la clave crea un Índice que se puede usar para buscar en la base de datos. Las claves de las bases de datos NoSQL de clave-valor siempre son unívocas y se pueden equiparar a las Primary Keys de las bases de datos relacionales.
Bases de datos orientadas a columnas
A diferencia de los modelos de bases de datos relacionales, los sistemas de bases de datos columnares no guardan los juegos de datos en líneas, sino en columnas. Este cambio implica procesos de lectura de datos más cortos y una mayor capacidad de rendimiento. Este modelo NoSQL se usa sobre todo para programas de minería de datos y de análisis.
Ventajas de NoSQL frente al SQL
En función del propósito de aplicación, NoSQL puede ofrecer ciertas ventajas frente a las clásicas bases de datos relacionales. En las situaciones en las que los sistemas SQL se sobrecargan, por ejemplo, al manejar Big Data, las bases de datos NoSQL triunfan con modelos escalables con una enorme capacidad de rendimiento que permiten leer y procesar grandes volúmenes de datos en tiempos récord.
Las bases de datos NoSQL se alejan de los esquemas rígidos de los sistemas SQL y tienden hacia modelos más flexibles que son ideales para el procesamiento de grandes volúmenes de datos. Gracias al almacenamiento en clústeres de hardware distribuidos están menos expuestas a las interferencias y errores y son mucho más económicas que la instalación de un único servidor potente, cuya capacidad se va agotando continuamente y necesita ser remplazado.
| Base de datos SQL | Base de datos NoSQL | |
|---|---|---|
| Tipo | Una base de datos para todo. | Distintos modelos de base de datos, como, por ejemplo, de documentos, grafos, clave-valor y columnas. |
| Almacenamiento de datos | Los datos individuales (p. ej., âtÃtulos de librosâ) se almacenan en lÃneas de una tabla y se asignan a determinados atributos (p. ej., âautorâ, âaño de publicaciónâ, etc.). Los juegos de datos se guardan en tablas separadas y el sistema las une en caso de consultas de búsqueda complejas. | Las bases de datos NoSQL no usan tablas, sino documentos enteros, claves y valores, grafos o columnas, en función del tipo. |
| Esquemas | El tipo y la estructura de los datos se determinan previamente. Para almacenar información nueva, hay que adaptar toda la base de datos (y para ello debe desconectarse de la red). | Flexibilidad. Los nuevos grupos de datos se pueden añadir inmediatamente. Los datos estructurados, semiestructurados y no estructurados se pueden almacenar juntos, sin necesidad de una conversión previa. |
| Escalamiento | Escalamiento vertical. Un único servidor debe soportar el rendimiento de todo el sistema de base de datos, lo que implica una reducción del rendimiento con grandes volúmenes de datos. | Escalamiento horizontal. Cada administrador puede añadir un nuevo servidor de nube o base, la base de datos NoSQL envÃa los datos automáticamente a todos los servidores. |
| Modelo de desarrollo | Código abierto (p. ej., MySQL) o software de pago (Oracle Database). | Código abierto o software de pago. |
| CaracterÃsticas ACID: Atomicity, Consistency, Isolation, Durability | En las bases de datos SQL se dan todas las caracterÃsticas ACID. | Para que las bases de datos NoSQL se mantengan flexibles y horizontales, no suelen ser compatibles con transacciones ACID. En su lugar, se usa el modelo BASE (Basically Available, Soft State, Eventually Consistant). Dicho modelo consiste en lo siguiente: disponibilidad antes que consistencia. |
| Rendimiento | Utilidad en caso de Ãndices de grandes volúmenes de datos. Para aumentar el rendimiento de los sistemas SQL, hay que optimizar las consultas, los Ãndices y la estructura. | Gracias al uso de servidores de nube y clústeres de hardware, las bases de datos NoSQL cuentan con una capacidad de rendimiento notablemente superior. |
| API | Las consultas para el almacenamiento y el acceso a los datos se transmiten mediante SQL (Structured Query Language). | Los datos se almacenan y se consultan a través de los API basados en objetos. |
Vista general de cinco soluciones NoSQL de uso frecuente
La mayoría de las bases de datos NoSQL son software de código abierto disponible para todos los usuarios de Internet sin restricciones. Esto simplifica su uso: puedes descargar muchas aplicaciones NoSQL de forma gratuita, familiarizarte con ellas y, en primera instancia, solo usarlas como complemento a las bases de datos SQL. Las siguientes bases de datos NoSQL ya se han asentado en el sector:
Cassandra
Cassandra es una base de datos NoSQL basada en columnas y optimizada para el almacenamiento y procesamiento de juegos de datos de gran volumen.
CouchDB
La base de datos orientada a documentos CouchDB usa API HTTP/JSON de comprensión intuitiva y se puede usar en todos los ámbitos de aplicación, desde Big Data hasta aplicaciones móviles y web.
Neo4j
Con Neo4j se pueden integrar datos en la base de datos NoSQL de gráfico basada en la nube. Sirve principalmente para mostrar de forma gráfica las relaciones entre los distintos juegos de datos y para reconocer patrones.
Redis
La base datos de clave-valor Redis es una de las denominadas bases de datos In-Memory: almacena los datos directamente en la memoria caché y, así, alcanza un rendimiento aún más alto.
MongoDB
MongoDB lleva siendo durante años uno de los sistemas de bases de datos NoSQL más populares. Esta base de datos, escrita en el lenguaje de programación C++, funciona de manera orientada a documentos y almacena la información en formato BSON (Binary JSON).