[데이터베이스] NoSQL - What is NoSQL
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NoSQL의 특징
- Not SQL
- MS-SQL, Oracle, MySQL과 같은 RDBMS은 공통적인 데이터 저장 방식(테이블)과 접근 방식(SQL)을 정의하고 있지만, NoSQL은 공통의 정의가 없고 제품마다 개별적인 모델과 특성을 가지고 있다.
- Not Relational
- NoSQL은 데이터 간의 관계를 정의하지 않는다.
- No Schema
- NoSQL은 유동적인 스키마를 갖는다.
- 분산형 구조
- NoSQL은 고성능 머신을 사용하는 것이 아니라, 일반 머신 여러 대에 데이터를 분산적으로 저장/관리한다.
CAP 이론
분산형 컴퓨팅은 Consistency, Availability, Partition tolerance, 3가지 특성을 모두 만족할 수는 없다는 이론이다. 이에 따라 분산형 구조를 사용하는 DBMS는 3가지 최대 2가지 특성만 갖게 된다.
- C (Consistency, 일관성)
- 모든 노드가 같은 시간에 같은 데이터
- 다중 클라이언트에서 같은 시간에 조회하는 데이터는 항상 동일한 데이터임을 보증하는 것
- A (Availability, 가용성, 내고장성)
- 한 노드가 다운되어도 다른 노드에 문제가 생기지 않아야 함
- 다중 클라이언트에서 모든 클라이언트의 읽기와 쓰기 요청에 대하여 항상 응답이 가능해야 함을 보증하는 것
- P (Partition tolerance, 생존성, 분할 내성)
- 일부 메시지를 손실해도 시스템이 정상 동작해야 함
- 지역적으로 분할된 네트워크 환경에서 동작하는 시스템에서 두 지역 간의 네트워크가 단절되거나 네트워크 데이터의 유실이 일어나더라도 각 지역 내의 시스템은 정상적으로 동작해야 함을 의미
CAP 이론에 따라 데이터를 관리할 때, 어떠한 특성에 중심을 두고 관리하느냐에 따라 선택하는 데이터 모델과 DBMS가 달라질 것이다.
CAP 이론과 DBMS
CA
- Consistency + Availability
- 일관성과 가용성을 만족하는 DBMS
- 시스템 다운에도 메시지 손실을 방지하고, 트랜잭션을 사용함
- 대표적으로 RDBMS가 있다.
CP
- Consistency + Partition tolerance
- 데이터보다는 성능이 중요한 퍼포먼스형에 적합함
- 대표적으로 MongoDB, Hbasr가 있다.
AP
- Availability + Partition tolerance
- 비동기화된 서비스 스토어에 적합함 (일관성을 요하지 않는 서비스)
- 대표적으로 Cassandra가 있다.
CAP와 NoSQL
NoSQL은 CP 또는 AP의 특성을 선택하여 가져가는 DBMS이다.
NoSQL의 Consistency
NoSQL을 사용한다면 데이터의 일관성이 느슨하게 처리되어 동일한 데이터가 나타나지 않을 수 있다. 느슨하게 처리된다는 것은 데이터의 변경을 시간의 흐름에 따라 여러 노드에 전파하는 것을 말한다. 이러한 방법을 최종적으로 일관성이 유지된다고 하여 최종 일관성 또는 궁극적 일관성을 지원한다고 한다. 다시 말해, ACID 대신 Eventual Consistency를 허용한다.
ACID는 SQL의 모든 트랜잭션이 만족해야하는 특징을 말하고, Eventual Consistency는 실제 최신은 아니더라도 업데이트 전까지는 최신 데이터를 반환하겠다는 특징을 말한다.
NoSQL의 Availability
내고장성을 가진 NoSQL은 클러스터 내에서 몇 개의 노드가 망가지더라도 정상적인 서비스가 가능하다. 몇몇 NoSQL은 가용성을 보장하기 위해 데이터 복제(Replication)을 사용한다. 데이터 복제는 동일한 데이터를 다중 노드에 중복 저장하여 그 중 몇 대의 노드가 고장나도 데이터가 유실되지 않도록 하는 방법이다.
- Master-Slave 복제 방법: 동일한 데이터를 가진 저장소를 하나 더 생성
- Peer-to-Peer 복제 방법: 데이터 단위로 중복 저장
NoSQL 데이터 모델 분류
NoSQL의 또 다른 특징이자 장점은 다양한 데이터 모델을 제공한다는 것이다. 이 때문에 도메인의 요구 사항에 걸맞는 데이터 모델을 고르고 DBMS를 설계할 수 있다. 즉, NoSQL은 데이터 자체보다는 그 데이터로 무엇을 하고 싶은가에 초점을 맞춘다.
NoSQL이 제공하는 데이터 모델은 크게 4 종류로 분류할 수 있다.
- Key-Value
- Document
- Column
- Graph
Key-Value
- 가장 기본적이고 단순한 형태로, 대부분의 NoSQL에서 지원한다.
- 키 하나로 데이터 하나를 저장하고 조회할 수 있는 단일 키-값 구조이다.
- 유니크 포인터를 사용
- Key에는 어떠한 값도 사용 가능
Key-Value 모델의 경우, 단순하다는 것이 가장 큰 특징이며, 이에 따라 아래와 같은 특징을 갖는다.
- 복잡한 조회 연산을 지원하지 않음
- 고속 읽기와 쓰기에 최적화된 경우가 많음 (고성능)
- 하나의 서비스 요청에 다수의 데이터 조회 및 수정 연산이 발생하면 트랜잭션 처리가 불가능하여 데이터 정합성을 보장할 수 없음
사용 데이터
사용자의 프로필 정보, 웹 서버 클러스터를 위한 세션 정보, 장바구니 정보, URL 단축 정보 저장 등.
예시 NoSQL
Redis, DynamoDB, Oracle NoSQL Database, Apache Ignite 등.
Document
SQL, XML, JSON 등은 데이터 관계가 존재하기 때문에 함께 묶여서 이용되는 경우가 많고, 이 때문에 데이터 처리 과정이 느려진다. NoSQL의 경우 데이터 관계를 정의하지 않기 때문에 이런 문제가 발생할 이유가 없고, 때문에 document 형태로 데이터를 관리한다.
Document based model에서는 모든 데이터를 하나의 테이블에 보관한다.
- 키-값 모델을 개념적으로 확장한 구조
- Document = 포장되고(encapsulated) 인코딩된 데이터
- XML, YAML, JSON을 주로 사용
- 하나의 키에 하나의 구조화된 문서를 저장하고 조회
- key: document ID, value: 구조화된 데이터 타입(XML, JSON, YAML, ...)
SQL에서 레코드들을 테이블로 구성하듯이, document model에서도 document들을 특정 기준으로 구성하고 분류한다.
- 테이블처럼 단순 집합
- 태그
- 문서에 대한 메타데이터
- 디렉토리 계층 구조
단순한 테이블 구조뿐만 아니라 다양한 기준으로 테이블을 구성하면서 다양한 구조의 DBMS를 구성할 수 있다. 즉, 복잡한 계층 구조 표현에 유리하다는 장점이 있다.
사용 데이터
- 유연한 계층 변경이 직관적으로 가능(JSON을 사용하므로) → 각 문서가 고유하고 시간에 따라 진화하는 콘텐츠 관리 시스템, 사용자 프로파일 및 카탈로그
- 읽기 성능이 좋음(B-tree index를 사용하므로) → 중앙 집중식 로그 저장, 타임라인 저장, 통계 정보
예시 NoSQL
MongoDB, IBM Domino, CouchDB
Column
RDBMS에서는 데이터를 row 단위로 저장한다면, column model은 column 단위로 저장한다. 각 column은 column family로 묶이고, 이 family들은 또 다른 column이 될 수 있다.
- 하나의 키에 여러 개의 컬럼 이름과 컬럼 값의 쌍으로 이루어진 데이터를 저장하고 조회
- 모든 컬럼은 항상 타임 스탬프 값과 함께 저장
- Column: 데이터 저장의 기본 단위 (column name + column value + time stamp)
Column model에서는 데이터를 row 별로 연속적으로 저장한다.
이에 따라 다음 특징이 있다.
- 데이터 수정 시 전체 row가 아니라 특정 row만 로드하면 되므로 불필요한 I/O 작업이 줄어든다.
- 데이터는 하나의 연속적인 엔티티로 취급되며, 조회 시 다른 row로 이동하는 등의 불필요한 작업이 필요 없다.
- 조회가 굉장히 빠르다.
- 하나의 row에 삽입되는 데이터의 형태가 동일하므로 DB의 블록 하나에는 한 유형의 데이터만 존재하고, 압축이 가능하여 디스크 공간을 절약할 수 있다.
사용 데이터
쓰기 연산에 유리 → 채팅 내용 저장, 실시간 분석을 위한 데이터 저장소 등의 서비스
예시 NoSQL
BigTable, AWS Redshift, Accumulo, Cassandra
Graph
Graph model은 데이터 뿐만 아니라 데이터 간 관계도 데이터로 취급한다.
- 데이터들의 관계를 중요시해서 저장된 데이터들이 엣지로 직접 연결될 수 있다.
- 데이터 질의 시 특정 노드와 관련된 데이터를 한 번의 연산으로 획득이 가능하다.
- 고도로 연결된 데이터 셋을 사용하는 애플리케이션을 쉽게 구축하고 실행하는 데에 유리하다.
사용 데이터
소셜 네트워킹, 추천 엔진, 사기 감지 및 지식 그래프
예시 NoSQL
Neo4j, Giraph, IBM DB2
예상 면접 질문 및 답변
NoSQL은 무엇인가?
NoSQL은 관계형 데이터베이스의 한계를 보완하기 위해 고안된 데이터베이스 모델로, 느슨한 스키마를 제공하여 분산 컴퓨팅에서의 유연성, 확장성, 고성능성, 고기능성을 보장한다.
CAP 이론에 대해 설명하라
CAP는 Consistency, Availability, Partition tolerance, 3가지 특성의 약자이며, CAP 이론은 분산 컴퓨팅 환경에서 데이터 모델은 3가지 특성을 전부 가질 수는 없다는 이론이다.
이 이론에 따라 데이터베이스들은 2가지 특성을 가지며, 데이터를 어떠한 관점으로 볼 것인가에 따라 어떤 특성을 가져갈 것인지 선택하게 된다.
- consistency (일관성) → 클라이언트들이 같은 시간에 조화하는 데이터는 항상 동일해야 한다.
- availability (가용성) → 모든 클라이언트들의 읽기/쓰기 요청에 대해 항상 응답이 가능해야 한다.
- partition tolerance (분할 내성) → 분할 네트워크 환경에서 네트워크가 끊기거나 데이터가 유실되어도 각 환경 내에서는 정상적으로 동작되어야 한다.
관계형 데이터베이스의 경우 consistency + availability 특성을 갖지만, NoSQL의 경우 consistency + partition tolerance 특성 혹은 availability + partition tolerance 특성을 갖는다.
NoSQL 데이터베이스 모델을 분류하라.
NoSQL은 다양한 모델을 기반으로 데이터베이스를 설계할 수 있는데, 크게 4가지로 분류할 수 있다.
- Key-Value
- Document
- Column
- Graph
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