استفاده از Redis به عنوان پایگاه داده وکتور

استفاده از Redis به عنوان پایگاه داده وکتور

redis, vector-database, embeddings
preview

استفاده از Redis به عنوان پایگاه داده وکتور #

این پست مقدمه‌ای بر استفاده از Redis به عنوان پایگاه داده وکتور است. Redis یک پایگاه داده مقیاس‌پذیر است که می‌تواند با استفاده از ماژول RediSearch به عنوان پایگاه داده وکتور استفاده شود. ماژول RediSearch به شما امکان می‌دهد وکتورها را در Redis ایندکس و جستجو کنید. این نوت‌بوک به شما نشان می‌دهد که چگونه از ماژول RediSearch برای ایندکس و جستجوی وکتورهایی که با استفاده از Gilas API ایجاد و در Redis ذخیره شده‌اند، استفاده کنید.

بیشتر برنامه‌نویسان با پیش‌زمینه وب احتمالاً با Redis آشنا هستند. در هسته خود، Redis یک key-value store متن‌باز است که می‌تواند به عنوان کش، پیام‌رسان و پایگاه داده استفاده شود. توسعه‌دهندگان Redis را به دلیل سرعت بالا، اکوسیستم بزرگ کتابخانه‌های کلاینت و استفاده توسط شرکت‌های بزرگ انتخاب می‌کنند.

علاوه بر استفاده‌های سنتی از Redis، Redis همچنین ماژول‌های Redis را ارائه می‌دهد که راهی برای گسترش Redis با انواع داده‌ها و دستورات جدید است. مثال‌هایی از ماژول‌ها شامل RedisJSON، RedisTimeSeries، RedisBloom و RediSearch هستند.

RediSearch چیست؟ #

ماژول RediSearch امکاناتی از قبیل جستجو، ایندکس‌گذاری ثانویه، جستجوی متن کامل و جستجوی وکتور را برای Redis فراهم می‌کند. برای استفاده از RediSearch، ابتدا باید ایندکس‌هایی بر روی داده‌های Redis خود ثبت کنید. سپس می‌توانید از کلاینت‌های RediSearch برای جستجوی آن داده‌ها استفاده کنید. برای اطلاعات بیشتر در مورد مجموعه ویژگی‌های RediSearch، به README یا مستندات RediSearch مراجعه کنید.

روش‌های Deploy کردن Redis #

روش‌های مختلفی برای استقرار یا Deploy کردن Redis وجود دارد. برای توسعه لوکال سریع‌ترین روش استفاده از کانتینر داکر Redis Stack است که در اینجا از آن استفاده خواهیم کرد. Redis Stack شامل تعدادی از ماژول‌های Redis است که می‌توانند با هم استفاده شوند تا یک پایگاه داده چندمدلی سریع و موتور جستجو ایجاد کنند.

برای یوزکیس‌های پروداکشن، ساده‌ترین راه برای شروع استفاده از سرویس Redis Cloud است. همچنین می‌توانید Redis را بر روی زیرساخت خود با استفاده از Redis Enterprise نصب و راه‌اندازی کنید. Redis Enterprise یک سرویس Redis کاملاً مدیریت شده است که می‌تواند در Kubernetes، بصورت on-prem محل یا cloud مستقر شود.

علاوه بر این، هر ارائه‌دهنده بزرگ ابری (AWS Marketplace، Google Marketplace، یا Azure Marketplace) Redis Enterprise را نیز به عنوان یک سرویس مدیریت شده ارائه می‌دهند.

ران کردن Redis #

برای ساده نگه داشتن این مثال، از کانتینر داکر Redis Stack استفاده خواهیم کرد که می‌توانیم به صورت زیر آن را ران کنیم:

1$ docker-compose up -d

این همچنین شامل رابط کاربری RedisInsight برای مدیریت پایگاه داده Redis شما است که پس از شروع کانتینر داکر از طریق آدرس http://localhost:8001 قابل دسترس است.

در مرحله بعد، کلاینت خود را برای ارتباط با پایگاه داده Redis که تازه ایجاد کرده‌ایم، وارد و ایجاد می‌کنیم.

نصب پکیج‌ها #

پکیج Redis-Pyیک کلاینت پایتون برای ارتباط با Redis است. ما از این پکیج برای ارتباط با پایگاه داده Redis-stack خود استفاده خواهیم کرد.

1! pip install redis wget pandas openai

آماده‌سازی کلید Gilas API #

برای اجرای کدهای زیر ابتدا باید یک کلید API را از طریق پنل کاربری گیلاس تولید کنید. برای این کار ابتدا یک حساب کاربری جدید بسازید یا اگر صاحب حساب کاربری هستید وارد پنل کاربری خود شوید. سپس، به صفحه کلید API بروید و با کلیک روی دکمه “ساخت کلید API” یک کلید جدید برای دسترسی به Gilas API بسازید. سپس از آن کلید برای ساخت کلاینت OpenAI استفاده کنید.

1from openai import OpenAI
2import os
3
4client = OpenAI(
5    api_key=os.environ.get(("GILAS_API_KEY", "<کلید API خود را اینجا بسازید https://dashboard.gilas.io/apiKey>")), 
6    base_url="https://api.gilas.io/v1/" # Gilas APIs
7)

بارگذاری داده‌ها #

در این بخش، داده‌های جاسازی شده‌ای که قبلاً به وکتور تبدیل شده‌اند را بارگذاری خواهیم کرد. از این داده‌ها برای ایجاد یک ایندکس در Redis و سپس جستجوی وکتورهای مشابه استفاده خواهیم کرد.

برای ساخت وکتور از روی داده های متنی پیشنهاد می‌کنیم پست‌های مربوط به آموزش تولید بردار embeddings را مطالعه کنید.

 1import sys
 2import numpy as np
 3import pandas as pd
 4from typing import List
 5
 6# استفاده از تابع کمکی در nbutils.py برای دانلود و خواندن داده‌ها
 7# این باید بین 5-10 دقیقه طول بکشد
 8if os.getcwd() not in sys.path:
 9    sys.path.append(os.getcwd())
10import nbutils
11
12nbutils.download_wikipedia_data()
13data = nbutils.read_wikipedia_data()
14
15data.head()

اتصال به Redis #

حالا که پایگاه داده Redis خود را اجرا کرده‌ایم، می‌توانیم با استفاده از کلاینت Redis-py به آن متصل شویم. از آدرس پیش‌فرض برای پایگاه داده Redis که localhost:6379 است، استفاده خواهیم کرد.

 1import redis
 2from redis.commands.search.indexDefinition import (
 3    IndexDefinition,
 4    IndexType
 5)
 6from redis.commands.search.query import Query
 7from redis.commands.search.field import (
 8    TextField,
 9    VectorField
10)
11
12REDIS_HOST =  "localhost"
13REDIS_PORT = 6379
14REDIS_PASSWORD = ""
15
16# اتصال به Redis
17redis_client = redis.Redis(
18    host=REDIS_HOST,
19    port=REDIS_PORT,
20    password=REDIS_PASSWORD
21)
22redis_client.ping()

ایجاد یک ایندکس جستجو در Redis #

نمونه کدهای زیر نشان می‌دهند که چگونه یک ایندکس جستجو در Redis تعریف و ایجاد کنیم. ما:

  1. برخی از ثابت‌ها را برای تعریف ایندکس خود مانند متریک فاصله و نام ایندکس تنظیم می‌کنیم.
  2. طرح ایندکس را با فیلدهای RediSearch تعریف می‌کنیم.
  3. ایندکس را ایجاد می‌کنیم.
 1VECTOR_DIM = len(data['title_vector'][0]) # طول وکتورها
 2VECTOR_NUMBER = len(data)                 # تعداد اولیه وکتورها
 3INDEX_NAME = "embeddings-index"           # نام ایندکس جستجو
 4PREFIX = "doc"                            # پیشوند برای کلیدها
 5DISTANCE_METRIC = "COSINE"                # متریک فاصله برای وکتورها (مثلاً COSINE، IP، L2)
 6
 7# تعریف فیلدهای RediSearch برای هر یک از ستون‌های مجموعه داده
 8title = TextField(name="title")
 9url = TextField(name="url")
10text = TextField(name="text")
11title_embedding = VectorField("title_vector",
12    "FLAT", {
13        "TYPE": "FLOAT32",
14        "DIM": VECTOR_DIM,
15        "DISTANCE_METRIC": DISTANCE_METRIC,
16        "INITIAL_CAP": VECTOR_NUMBER,
17    }
18)
19text_embedding = VectorField("content_vector",
20    "FLAT", {
21        "TYPE": "FLOAT32",
22        "DIM": VECTOR_DIM,
23        "DISTANCE_METRIC": DISTANCE_METRIC,
24        "INITIAL_CAP": VECTOR_NUMBER,
25    }
26)
27fields = [title, url, text, title_embedding, text_embedding]
28
29# بررسی وجود ایندکس
30try:
31    redis_client.ft(INDEX_NAME).info()
32    print("ایندکس از قبل وجود دارد")
33except:
34    # ایجاد ایندکس RediSearch
35    redis_client.ft(INDEX_NAME).create_index(
36        fields = fields,
37        definition = IndexDefinition(prefix=[PREFIX], index_type=IndexType.HASH)
38)

بارگذاری اسناد در ایندکس #

حالا که یک موتور جستجوی ایندکس داریم، می‌توانیم اسناد را در آن بارگذاری کنیم. از همان اسنادی که در مثال‌های قبلی استفاده کردیم، استفاده خواهیم کرد. در Redis، می‌توان از انواع داده‌های HASH یا JSON (اگر از RedisJSON علاوه بر RediSearch استفاده می‌کنید) برای ذخیره اسناد استفاده کرد. در این مثال از نوع داده HASH استفاده خواهیم کرد. سلول‌های زیر نشان می‌دهند که چگونه اسناد را در ایندکس بارگذاری کنیم.

 1def index_documents(client: redis.Redis, prefix: str, documents: pd.DataFrame):
 2    records = documents.to_dict("records")
 3    for doc in records:
 4        key = f"{prefix}:{str(doc['id'])}"
 5
 6        # ایجاد وکتورهای بایتی برای عنوان و محتوا
 7        title_embedding = np.array(doc["title_vector"], dtype=np.float32).tobytes()
 8        content_embedding = np.array(doc["content_vector"], dtype=np.float32).tobytes()
 9
10        # جایگزینی لیست اعداد اعشاری با وکتورهای بایتی
11        doc["title_vector"] = title_embedding
12        doc["content_vector"] = content_embedding
13
14        client.hset(key, mapping = doc)
1index_documents(redis_client, PREFIX, data)
2print(f"بارگذاری {redis_client.info()['db0']['keys']} سند در ایندکس جستجوی Redis با نام: {INDEX_NAME}")

جستجوی ساده وکتور با استفاده از Query Embeddings #

حالا که یک موتور جستجوی ایندکس و اسناد بارگذاری شده داریم، می‌توانیم جستجوهای خود را اجرا کنیم. در زیر یک تابع ارائه می‌دهیم که یک جستجو را اجرا کرده و نتایج را برمی‌گرداند. با استفاده از این تابع، چند جستجو اجرا می‌کنیم که نشان می‌دهد چگونه می‌توانید از Redis به عنوان پایگاه داده وکتور استفاده کنید.

 1def search_redis(
 2    redis_client: redis.Redis,
 3    user_query: str,
 4    index_name: str = "embeddings-index",
 5    vector_field: str = "title_vector",
 6    return_fields: list = ["title", "url", "text", "vector_score"],
 7    hybrid_fields = "*",
 8    k: int = 20,
 9    print_results: bool = True,
10) -> List[dict]:
11
12    # ایجاد وکتور جاسازی شده از پرس و جوی کاربر
13    embedded_query = client.embeddings.create(input=user_query,
14                                            model="text-embedding-3-small",
15                                            )["data"][0]['embedding']
16
17    # آماده‌سازی پرس و جو
18    base_query = f'{hybrid_fields}=>[KNN {k} @{vector_field} $vector AS vector_score]'
19    query = (
20        Query(base_query)
21         .return_fields(*return_fields)
22         .sort_by("vector_score")
23         .paging(0, k)
24         .dialect(2)
25    )
26    params_dict = {"vector": np.array(embedded_query).astype(dtype=np.float32).tobytes()}
27
28    # اجرای جستجوی وکتور
29    results = redis_client.ft(index_name).search(query, params_dict)
30    if print_results:
31        for i, article in enumerate(results.docs):
32            score = 1 - float(article.vector_score)
33            print(f"{i}. {article.title} (امتیاز: {round(score ,3) })")
34    return results.docs
1results = search_redis(redis_client, 'modern art in Europe', k=10)
0. Museum of Modern Art (امتیاز: 0.875)
1. Western Europe (امتیاز: 0.868)
2. Renaissance art (امتیاز: 0.864)
3. Pop art (امتیاز: 0.86)
4. Northern Europe (امتیاز: 0.855)
5. Hellenistic art (امتیاز: 0.853)
6. Modernist literature (امتیاز: 0.847)
7. Art film (امتیاز: 0.843)
8. Central Europe (امتیاز: 0.843)
9. European (امتیاز: 0.841)
1results = search_redis(redis_client, 'Famous battles in Scottish history', vector_field='content_vector', k=10)
0. Battle of Bannockburn (امتیاز: 0.869)
1. Wars of Scottish Independence (امتیاز: 0.861)
2. 1651 (امتیاز: 0.853)
3. First War of Scottish Independence (امتیاز: 0.85)
4. Robert I of Scotland (امتیاز: 0.846)
5. 841 (امتیاز: 0.844)
6. 1716 (امتیاز: 0.844)
7. 1314 (امتیاز: 0.837)
8. 1263 (امتیاز: 0.836)
9. William Wallace (امتیاز: 0.835)

جستجوهای هیبریدی با Redis #

مثال‌های قبلی نشان دادند که چگونه می‌توان جستجوهای وکتور را با RediSearch اجرا کرد. در این بخش، نشان خواهیم داد که چگونه می‌توان جستجوی وکتور را با سایر فیلدهای RediSearch برای جستجوی هیبریدی ترکیب کرد. در مثال زیر، جستجوی وکتور را با جستجوی متن کامل ترکیب خواهیم کرد.

 1def create_hybrid_field(field_name: str, value: str) -> str:
 2    return f'@{field_name}:"{value}"'
 3
 4# search the content vector for articles about famous battles in Scottish history and only include results with Scottish in the title
 5results = search_redis(redis_client,
 6                       "Famous battles in Scottish history",
 7                       vector_field="title_vector",
 8                       k=5,
 9                       hybrid_fields=create_hybrid_field("title", "Scottish")
10                       )
0. First War of Scottish Independence (امتیاز: 0.892)
1. Wars of Scottish Independence (امتیاز: 0.889)
2. Second War of Scottish Independence (امتیاز: 0.879)
3. List of Scottish monarchs (امتیاز: 0.873)
4. Scottish Borders (امتیاز: 0.863)
 1# run a hybrid query for articles about Art in the title vector and only include results with the phrase "Leonardo da Vinci" in the text
 2results = search_redis(redis_client,
 3                       "Art",
 4                       vector_field="title_vector",
 5                       k=5,
 6                       hybrid_fields=create_hybrid_field("text", "Leonardo da Vinci")
 7                       )
 8
 9# find specific mention of Leonardo da Vinci in the text that our full-text-search query returned
10mention = [sentence for sentence in results[0].text.split("\n") if "Leonardo da Vinci" in sentence][0]
11mention
0. Art (امتیاز: 1.0)
1. Paint (امتیاز: 0.896)
2. Renaissance art (امتیاز: 0.88)
3. Painting (امتیاز: 0.874)
4. Renaissance (امتیاز: 0.846)

ایندکس HNSW #

تا کنون، ما از ایندکس FLAT یا “brute-force” برای اجرای جستجوهای خود استفاده کرده‌ایم. Redis همچنین از ایندکس HNSW که یک ایندکس تقریبی سریع است، پشتیبانی می‌کند.ایندکس HNSW یک ایندکس مبتنی بر گراف است که از یک گراف کوچک قابل پیمایش سلسله‌مراتبی برای ذخیره وکتورها استفاده می‌کند. ایندکس HNSW یک انتخاب خوب برای مجموعه داده‌های بزرگ است که در آن می‌خواهید جستجوهای تقریبی را اجرا کنید.

ایندکس HNSW در بیشتر موارد زمان بیشتری برای ساخت و مصرف حافظه بیشتر نسبت به FLAT خواهد داشت، اما برای اجرای جستجوها، به ویژه برای مجموعه داده‌های بزرگ، سریع‌تر خواهد بود.

سلول‌های زیر نشان می‌دهند که چگونه یک ایندکس HNSW ایجاد کرده و با استفاده از همان داده‌های قبلی، جستجوهایی را با آن اجرا کنیم.

 1# re-define RediSearch vector fields to use HNSW index
 2title_embedding = VectorField("title_vector",
 3    "HNSW", {
 4        "TYPE": "FLOAT32",
 5        "DIM": VECTOR_DIM,
 6        "DISTANCE_METRIC": DISTANCE_METRIC,
 7        "INITIAL_CAP": VECTOR_NUMBER
 8    }
 9)
10text_embedding = VectorField("content_vector",
11    "HNSW", {
12        "TYPE": "FLOAT32",
13        "DIM": VECTOR_DIM,
14        "DISTANCE_METRIC": DISTANCE_METRIC,
15        "INITIAL_CAP": VECTOR_NUMBER
16    }
17)
18fields = [title, url, text, title_embedding, text_embedding]
 1import time
 2# بررسی وجود ایندکس
 3HNSW_INDEX_NAME = INDEX_NAME + "_HNSW"
 4
 5try:
 6    redis_client.ft(HNSW_INDEX_NAME).info()
 7    print("ایندکس از قبل وجود دارد")
 8except:
 9    # ایجاد ایندکس RediSearch
10    redis_client.ft(HNSW_INDEX_NAME).create_index(
11        fields = fields,
12        definition = IndexDefinition(prefix=[PREFIX], index_type=IndexType.HASH)
13    )
14
15# since RediSearch creates the index in the background for existing documents, we will wait until
16# indexing is complete before running our queries. Although this is not necessary for the first query,
17# some queries may take longer to run if the index is not fully built. In general, Redis will perform
18# best when adding new documents to existing indices rather than new indices on existing documents.
19while redis_client.ft(HNSW_INDEX_NAME).info()["indexing"] == "1":
20    time.sleep(5)
1results = search_redis(redis_client, 'modern art in Europe', index_name=HNSW_INDEX_NAME, k=10)
0. Western Europe (امتیاز: 0.868)
1. Northern Europe (امتیاز: 0.855)
2. Central Europe (امتیاز: 0.843)
3. European (امتیاز: 0.841)
4. Eastern Europe (امتیاز: 0.839)
5. Europe (امتیاز: 0.839)
6. Western European Union (امتیاز: 0.837)
7. Southern Europe (امتیاز: 0.831)
8. Western civilization (امتیاز: 0.83)
9. Council of Europe (امتیاز: 0.827)
 1# compare the results of the HNSW index to the FLAT index and time both queries
 2def time_queries(iterations: int = 10):
 3    print(" ----- ایندکس FLAT ----- ")
 4    t0 = time.time()
 5    for i in range(iterations):
 6        results_flat = search_redis(redis_client, 'modern art in Europe', k=10, print_results=False)
 7    t0 = (time.time() - t0) / iterations
 8    results_flat = search_redis(redis_client, 'modern art in Europe', k=10, print_results=True)
 9    print(f"زمان جستجوی ایندکس FLAT: {round(t0, 3)} ثانیه\n")
10    time.sleep(1)
11    print(" ----- ایندکس HNSW ------ ")
12    t1 = time.time()
13    for i in range(iterations):
14        results_hnsw = search_redis(redis_client, 'modern art in Europe', index_name=HNSW_INDEX_NAME, k=10, print_results=False)
15    t1 = (time.time() - t1) / iterations
16    results_hnsw = search_redis(redis_client, 'modern art in Europe', index_name=HNSW_INDEX_NAME, k=10, print_results=True)
17    print(f"زمان جستجوی ایندکس HNSW: {round(t1, 3)} ثانیه")
18    print(" ------------------------ ")
19time_queries()
----- FLAT Index ----- 
0. Museum of Modern Art (امتیاز: 0.875)
1. Western Europe (امتیاز: 0.867)
2. Renaissance art (امتیاز: 0.864)
3. Pop art (امتیاز: 0.861)
4. Northern Europe (امتیاز: 0.855)
5. Hellenistic art (امتیاز: 0.853)
6. Modernist literature (امتیاز: 0.847)
7. Art film (امتیاز: 0.843)
8. Central Europe (امتیاز: 0.843)
9. Art (امتیاز: 0.842)
زمان جستجوی ایندکس FLAT: 0.263 ثانیه

 ----- HNSW Index ------ 
0. Western Europe (امتیاز: 0.867)
1. Northern Europe (امتیاز: 0.855)
2. Central Europe (امتیاز: 0.843)
3. European (امتیاز: 0.841)
4. Eastern Europe (امتیاز: 0.839)
5. Europe (امتیاز: 0.839)
6. Western European Union (امتیاز: 0.837)
7. Southern Europe (امتیاز: 0.831)
8. Western civilization (امتیاز: 0.83)
9. Council of Europe (امتیاز: 0.827)
زمان جستجوی ایندکس HNSW: 0.129 ثانیه
 ------------------------