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Inicio rápido: Búsqueda de vectores con Python en Azure DocumentDB

Use la búsqueda vectorial en Azure DocumentDB con la biblioteca cliente de Python. Almacene y consulte los datos vectoriales de forma eficaz.

En este inicio rápido se usa un conjunto de datos de hotel de ejemplo en un archivo JSON con vectores del text-embedding-ada-002 modelo. El conjunto de datos incluye nombres de hotel, ubicaciones, descripciones e incrustaciones vectoriales.

Busque el código de ejemplo en GitHub.

Prerrequisitos

  • Una suscripción de Azure

  • Un clúster de Azure DocumentDB existente

Creación de un proyecto de Python

  1. Cree un directorio para el proyecto y ábralo en Visual Studio Code:

    mkdir vector-search-quickstart
code vector-search-quickstart

  2. En el terminal, cree y active un entorno virtual:

    Para Windows:

    python -m venv venv
venv\\Scripts\\activate

    Para macOS/Linux:

    python -m venv venv
source venv/bin/activate

  3. Instale los paquetes necesarios:

    pip install pymongo azure-identity openai python-dotenv
    • pymongo: controlador mongoDB para Python
    • azure-identity: biblioteca de identidades de Azure para la autenticación sin contraseña
    • openai: biblioteca cliente de OpenAI para crear vectores
    • python-dotenv: gestión de variables de entorno desde archivos .env

  4. Cree un .env archivo en la raíz del proyecto para las variables de entorno:

    # Azure OpenAI configuration
AZURE_OPENAI_EMBEDDING_ENDPOINT= 
AZURE_OPENAI_EMBEDDING_MODEL=text-embedding-ada-002
AZURE_OPENAI_EMBEDDING_API_VERSION=2024-02-01

# Azure DocumentDB configuration
MONGO_CLUSTER_NAME=

# Data Configuration (defaults should work)
DATA_FILE_WITH_VECTORS=data/HotelsData_with_vectors.json
EMBEDDED_FIELD=text_embedding_ada_002
EMBEDDING_DIMENSIONS=1536
EMBEDDING_SIZE_BATCH=16
LOAD_SIZE_BATCH=100

    Para la autenticación sin contraseña usada en este artículo, reemplace los valores de marcador de posición del .env archivo por su propia información:

    • AZURE_OPENAI_EMBEDDING_ENDPOINT: dirección URL del punto de conexión de recursos de Azure OpenAI
    • MONGO_CLUSTER_NAME: el nombre del recurso de Azure DocumentDB

    Siempre debe preferir la autenticación sin contraseña, pero requerirá una configuración adicional. Para más información sobre cómo configurar la identidad administrada y la gama completa de las opciones de autenticación, consulte Autenticación de aplicaciones de Python en servicios de Azure mediante el SDK de Azure para Python.

  5. Cree un nuevo subdirectorio fuera de la raíz denominada data.

  6. Copie el archivo de datos sin procesar con vectores en un archivo nuevo HotelsData_with_vectors.json en el data subdirectorio.

  7. La estructura del proyecto debe tener este aspecto:

    vector-search-quickstart
├── .env
├── data
│   └── HotelsData_with_vectors.json
└── venv (or your virtual environment folder)

Continúe con el proyecto mediante la creación de archivos de código para la búsqueda vectorial. Cuando haya terminado, la estructura del proyecto debe tener este aspecto:

vector-search-quickstart
├── .env
├── data
│   └── HotelsData_with_vectors.json
├── src
│   ├── diskann.py
│   ├── ivf.py
│   └── hnsw.py
│   └── utils.py
└── venv (or your virtual environment folder)

Cree un src directorio para los archivos de Python. Agregue dos archivos: diskann.py y utils.py para la implementación del índice DiskANN:

mkdir src    
touch src/diskann.py
touch src/utils.py

Pegue el código siguiente en el diskann.py archivo.

import os
from typing import List, Dict, Any
from utils import get_clients, get_clients_passwordless, read_file_return_json, insert_data, print_search_results, drop_vector_indexes
from dotenv import load_dotenv

# Load environment variables
load_dotenv()


def create_diskann_vector_index(collection, vector_field: str, dimensions: int) -> None:

    print(f"Creating DiskANN vector index on field '{vector_field}'...")

    # Drop any existing vector indexes on this field first
    drop_vector_indexes(collection, vector_field)

    # Use the native MongoDB command for Cosmos DB vector indexes
    index_command = {
        "createIndexes": collection.name,
        "indexes": [
            {
                "name": f"diskann_index_{vector_field}",
                "key": {
                    vector_field: "cosmosSearch"  # Cosmos DB vector search index type
                },
                "cosmosSearchOptions": {
                    # DiskANN algorithm configuration
                    "kind": "vector-diskann",

                    # Vector dimensions must match the embedding model
                    "dimensions": dimensions,

                    # Vector similarity metric - cosine is good for text embeddings
                    "similarity": "COS",

                    # Maximum degree: number of edges per node in the graph
                    # Higher values improve accuracy but increase memory usage
                    "maxDegree": 20,

                    # Build parameter: candidates evaluated during index construction
                    # Higher values improve index quality but increase build time
                    "lBuild": 10
                }
            }
        ]
    }

    try:
        # Execute the createIndexes command directly
        result = collection.database.command(index_command)
        print("DiskANN vector index created successfully")

    except Exception as e:
        print(f"Error creating DiskANN vector index: {e}")

        # Check if it's a tier limitation and suggest alternatives
        if "not enabled for this cluster tier" in str(e):
            print("\nDiskANN indexes require a higher cluster tier.")
            print("Try one of these alternatives:")
            print("  • Upgrade your Cosmos DB cluster to a higher tier")
            print("  • Use HNSW instead: python src/hnsw.py")
            print("  • Use IVF instead: python src/ivf.py")
        raise


def perform_diskann_vector_search(collection,
                                 azure_openai_client,
                                 query_text: str,
                                 vector_field: str,
                                 model_name: str,
                                 top_k: int = 5) -> List[Dict[str, Any]]:

    print(f"Performing DiskANN vector search for: '{query_text}'")

    try:
        # Generate embedding for the query text
        embedding_response = azure_openai_client.embeddings.create(
            input=[query_text],
            model=model_name
        )

        query_embedding = embedding_response.data[0].embedding

        # Construct the aggregation pipeline for vector search
        # Cosmos DB for MongoDB vCore uses $search with cosmosSearch
        pipeline = [
            {
                "$search": {
                    # Use cosmosSearch for vector operations in Cosmos DB
                    "cosmosSearch": {
                        # The query vector to search for
                        "vector": query_embedding,

                        # Field containing the document vectors to compare against
                        "path": vector_field,

                        # Number of final results to return
                        "k": top_k
                    }
                }
            },
            {
                # Add similarity score to the results
                "$project": {
                    "document": "$$ROOT",
                    # Add search score from metadata
                    "score": {"$meta": "searchScore"}
                }
            }
        ]

        # Execute the aggregation pipeline
        results = list(collection.aggregate(pipeline))

        return results

    except Exception as e:
        print(f"Error performing DiskANN vector search: {e}")
        raise


def main():

    # Load configuration from environment variables
    config = {
        'cluster_name': os.getenv('MONGO_CLUSTER_NAME', 'vectorSearch'),
        'database_name': 'vectorSearchDB',
        'collection_name': 'vectorSearchCollection',
        'data_file': os.getenv('DATA_FILE_WITH_VECTORS', 'data/HotelsData_with_vectors.json'),
        'vector_field': os.getenv('EMBEDDED_FIELD', 'DescriptionVector'),
        'model_name': os.getenv('AZURE_OPENAI_EMBEDDING_MODEL', 'text-embedding-ada-002'),
        'dimensions': int(os.getenv('EMBEDDING_DIMENSIONS', '1536')),
        'batch_size': int(os.getenv('LOAD_SIZE_BATCH', '100'))
    }

    try:
        # Initialize clients
        print("\nInitializing MongoDB and Azure OpenAI clients...")
        mongo_client, azure_openai_client = get_clients_passwordless()

        # Get database and collection
        database = mongo_client[config['database_name']]
        collection = database[config['collection_name']]

        # Load data with embeddings
        print(f"\nLoading data from {config['data_file']}...")
        data = read_file_return_json(config['data_file'])
        print(f"Loaded {len(data)} documents")

        # Verify embeddings are present
        documents_with_embeddings = [doc for doc in data if config['vector_field'] in doc]
        if not documents_with_embeddings:
            raise ValueError(f"No documents found with embeddings in field '{config['vector_field']}'. "
                           "Please run create_embeddings.py first.")

        # Insert data into collection
        print(f"\nInserting data into collection '{config['collection_name']}'...")

        # Clear existing data to ensure clean state
        collection.delete_many({})
        print("Cleared existing data from collection")

        # Insert the hotel data
        stats = insert_data(
            collection,
            documents_with_embeddings,
            batch_size=config['batch_size']
        )

        if stats['inserted'] == 0:
            raise ValueError("No documents were inserted successfully")

        # Create DiskANN vector index
        create_diskann_vector_index(
            collection,
            config['vector_field'],
            config['dimensions']
        )

        # Wait briefly for index to be ready
        import time
        print("Waiting for index to be ready...")
        time.sleep(2)

        # Perform sample vector search
        query = "quintessential lodging near running trails, eateries, retail"

        results = perform_diskann_vector_search(
            collection,
            azure_openai_client,
            query,
            config['vector_field'],
            config['model_name'],
            top_k=5
        )

        # Display results
        print_search_results(results, max_results=5, show_score=True)


    except Exception as e:
        print(f"\nError during DiskANN demonstration: {e}")
        raise

    finally:
        # Close the MongoDB client
        if 'mongo_client' in locals():
            mongo_client.close()


if __name__ == "__main__":
    main()

Este módulo principal proporciona estas características:

  • Incluye funciones de utilidad

  • Crea un objeto de configuración para variables de entorno

  • Crea clientes para Azure OpenAI y Azure DocumentDB

  • Se conecta a MongoDB, crea una base de datos y una colección, inserta datos y crea índices estándar.

  • Crea un índice vectorial mediante IVF, HNSW o DiskANN

  • Crea una inserción para un texto de consulta de ejemplo mediante el cliente openAI. Puede cambiar la consulta en la parte superior del archivo.

  • Ejecuta una búsqueda de vectores mediante la inserción e imprime los resultados.

Creación de funciones de utilidad

Pegue el código siguiente en utils.py:

import json
import os
import time
from typing import Dict, List, Any, Optional, Tuple
from pymongo import MongoClient, InsertOne
from pymongo.collection import Collection
from pymongo.errors import BulkWriteError
from azure.identity import DefaultAzureCredential
from pymongo.auth_oidc import OIDCCallback, OIDCCallbackContext, OIDCCallbackResult
from openai import AzureOpenAI
from dotenv import load_dotenv

# Load environment variables from .env file
load_dotenv()

class AzureIdentityTokenCallback(OIDCCallback):
    def __init__(self, credential):
        self.credential = credential

    def fetch(self, context: OIDCCallbackContext) -> OIDCCallbackResult:
        token = self.credential.get_token(
            "https://ossrdbms-aad.database.windows.net/.default").token
        return OIDCCallbackResult(access_token=token)

def get_clients() -> Tuple[MongoClient, AzureOpenAI]:

    # Get MongoDB connection string - required for Cosmos DB access
    mongo_connection_string = os.getenv("MONGO_CONNECTION_STRING")
    if not mongo_connection_string:
        raise ValueError("MONGO_CONNECTION_STRING environment variable is required")

    # Create MongoDB client with optimized settings for Cosmos DB
    mongo_client = MongoClient(
        mongo_connection_string,
        maxPoolSize=50,  # Allow up to 50 connections for better performance
        minPoolSize=5,   # Keep minimum 5 connections open
        maxIdleTimeMS=30000,  # Close idle connections after 30 seconds
        serverSelectionTimeoutMS=5000,  # 5 second timeout for server selection
        socketTimeoutMS=20000  # 20 second socket timeout
    )

    # Get Azure OpenAI configuration
    azure_openai_endpoint = os.getenv("AZURE_OPENAI_EMBEDDING_ENDPOINT")
    azure_openai_key = os.getenv("AZURE_OPENAI_EMBEDDING_KEY")

    if not azure_openai_endpoint or not azure_openai_key:
        raise ValueError("Azure OpenAI endpoint and key are required")

    # Create Azure OpenAI client for generating embeddings
    azure_openai_client = AzureOpenAI(
        azure_endpoint=azure_openai_endpoint,
        api_key=azure_openai_key,
        api_version=os.getenv("AZURE_OPENAI_EMBEDDING_API_VERSION", "2024-02-01")
    )

    return mongo_client, azure_openai_client


def get_clients_passwordless() -> Tuple[MongoClient, AzureOpenAI]:

    # Get MongoDB cluster name for passwordless authentication
    cluster_name = os.getenv("MONGO_CLUSTER_NAME")
    if not cluster_name:
        raise ValueError("MONGO_CLUSTER_NAME environment variable is required")

    # Create credential object for Azure authentication
    credential = DefaultAzureCredential()

    authProperties = {"OIDC_CALLBACK": AzureIdentityTokenCallback(credential)}

    # Create MongoDB client with Azure AD token callback
    mongo_client = MongoClient(
        f"mongodb+srv://{cluster_name}.global.mongocluster.cosmos.azure.com/",
        connectTimeoutMS=120000,
        tls=True,
        retryWrites=True,
        authMechanism="MONGODB-OIDC",
        authMechanismProperties=authProperties
    )

    # Get Azure OpenAI endpoint
    azure_openai_endpoint = os.getenv("AZURE_OPENAI_EMBEDDING_ENDPOINT")
    if not azure_openai_endpoint:
        raise ValueError("AZURE_OPENAI_EMBEDDING_ENDPOINT environment variable is required")

    # Create Azure OpenAI client with credential-based authentication
    azure_openai_client = AzureOpenAI(
        azure_endpoint=azure_openai_endpoint,
        azure_ad_token_provider=lambda: credential.get_token("https://cognitiveservices.azure.com/.default").token,
        api_version=os.getenv("AZURE_OPENAI_EMBEDDING_API_VERSION", "2024-02-01")
    )

    return mongo_client, azure_openai_client


def azure_identity_token_callback(credential: DefaultAzureCredential) -> str:

    # Cosmos DB for MongoDB requires this specific scope
    token_scope = "https://cosmos.azure.com/.default"

    # Get token from Azure AD
    token = credential.get_token(token_scope)

    return token.token


def read_file_return_json(file_path: str) -> List[Dict[str, Any]]:

    try:
        with open(file_path, 'r', encoding='utf-8') as file:
            return json.load(file)
    except FileNotFoundError:
        print(f"Error: File '{file_path}' not found")
        raise
    except json.JSONDecodeError as e:
        print(f"Error: Invalid JSON in file '{file_path}': {e}")
        raise


def write_file_json(data: List[Dict[str, Any]], file_path: str) -> None:

    try:
        with open(file_path, 'w', encoding='utf-8') as file:
            json.dump(data, file, indent=2, ensure_ascii=False)
        print(f"Data successfully written to '{file_path}'")
    except IOError as e:
        print(f"Error writing to file '{file_path}': {e}")
        raise


def insert_data(collection: Collection, data: List[Dict[str, Any]],
                batch_size: int = 100, index_fields: Optional[List[str]] = None) -> Dict[str, int]:

    total_documents = len(data)
    inserted_count = 0
    failed_count = 0

    print(f"Starting batch insertion of {total_documents} documents...")

    # Create indexes if specified
    if index_fields:
        for field in index_fields:
            try:
                collection.create_index(field)
                print(f"Created index on field: {field}")
            except Exception as e:
                print(f"Warning: Could not create index on {field}: {e}")

    # Process data in batches to manage memory and error recovery
    for i in range(0, total_documents, batch_size):
        batch = data[i:i + batch_size]
        batch_num = (i // batch_size) + 1
        total_batches = (total_documents + batch_size - 1) // batch_size

        try:
            # Prepare bulk insert operations
            operations = [InsertOne(document) for document in batch]

            # Execute bulk insert
            result = collection.bulk_write(operations, ordered=False)
            inserted_count += result.inserted_count

            print(f"Batch {batch_num} completed: {result.inserted_count} documents inserted")

        except BulkWriteError as e:
            # Handle partial failures in bulk operations
            inserted_count += e.details.get('nInserted', 0)
            failed_count += len(batch) - e.details.get('nInserted', 0)

            print(f"Batch {batch_num} had errors: {e.details.get('nInserted', 0)} inserted, "
                  f"{failed_count} failed")

            # Print specific error details for debugging
            for error in e.details.get('writeErrors', []):
                print(f"  Error: {error.get('errmsg', 'Unknown error')}")

        except Exception as e:
            # Handle unexpected errors
            failed_count += len(batch)
            print(f"Batch {batch_num} failed completely: {e}")

        # Small delay between batches to avoid overwhelming the database
        time.sleep(0.1)

    # Return summary statistics
    stats = {
        'total': total_documents,
        'inserted': inserted_count,
        'failed': failed_count
    }

    return stats


def drop_vector_indexes(collection, vector_field: str) -> None:

    try:
        # Get all indexes for the collection
        indexes = list(collection.list_indexes())

        # Find vector indexes on the specified field
        vector_indexes = []
        for index in indexes:
            if 'key' in index and vector_field in index['key']:
                if index['key'][vector_field] == 'cosmosSearch':
                    vector_indexes.append(index['name'])

        # Drop each vector index found
        for index_name in vector_indexes:
            print(f"Dropping existing vector index: {index_name}")
            collection.drop_index(index_name)

        if vector_indexes:
            print(f"Dropped {len(vector_indexes)} existing vector index(es)")
        else:
            print("No existing vector indexes found to drop")

    except Exception as e:
        print(f"Warning: Could not drop existing vector indexes: {e}")
        # Continue anyway - the error might be that no indexes exist


def print_search_resultsx(results: List[Dict[str, Any]],
                        max_results: int = 5,
                        show_score: bool = True) -> None:

    if not results:
        print("No search results found.")
        return

    print(f"\nSearch Results (showing top {min(len(results), max_results)}):")
    print("=" * 80)

    for i, result in enumerate(results[:max_results], 1):

        # Display hotel name and ID
        print(f"HotelName: {result['HotelName']}, Score: {result['score']:.4f}")

def print_search_results(results: List[Dict[str, Any]],
                        max_results: int = 5,
                        show_score: bool = True) -> None:

    if not results:
        print("No search results found.")
        return

    print(f"\nSearch Results (showing top {min(len(results), max_results)}):")
    print("=" * 80)

    for i, result in enumerate(results[:max_results], 1):

        # Check if results are nested under 'document' (when using $$ROOT)
        if 'document' in result:
            doc = result['document']
        else:
            doc = result

        # Display hotel name and ID
        print(f"HotelName: {doc['HotelName']}, Score: {result['score']:.4f}")


    if len(results) > max_results:
        print(f"\n... and {len(results) - max_results} more results")

Este módulo de utilidad proporciona estas características:

  • JsonData: interfaz para la estructura de datos

  • scoreProperty: ubicación de la puntuación en los resultados de la consulta en función del método de búsqueda vectorial.

  • getClients: crea y devuelve clientes para Azure OpenAI y Azure DocumentDB.

  • getClientsPasswordless: crea y devuelve clientes para Azure OpenAI y Azure DocumentDB mediante la autenticación sin contraseña. Habilitación de RBAC en los recursos e inicio de sesión en la CLI de Azure

  • readFileReturnJson: lee un archivo JSON y devuelve su contenido como una matriz de JsonData objetos.

  • writeFileJson: escribe una matriz de JsonData objetos en un archivo JSON.

  • insertData: inserta datos en lotes en una colección de MongoDB y crea índices estándar en campos especificados.

  • printSearchResults: imprime los resultados de una búsqueda vectorial, incluida la puntuación y el nombre del hotel.

Autenticación con la CLI de Azure

Inicie sesión en la CLI de Azure antes de ejecutar la aplicación para que pueda acceder a los recursos de Azure de forma segura.

az login

Ejecutar la aplicación

Para ejecutar los scripts de Python:

python src/diskann.py

Verá los cinco hoteles principales que coinciden con la consulta de búsqueda vectorial y sus puntuaciones de similitud.

Visualización y administración de datos en Visual Studio Code

  1. Seleccione la extensión DocumentDB en Visual Studio Code para conectarse a la cuenta de Azure DocumentDB.

  2. Vea los datos e índices en la base de datos Hotels.

    Captura de pantalla de la extensión de DocumentDB que muestra la colección de Azure DocumentDB.

Limpieza de recursos

Elimine el grupo de recursos, la cuenta de Azure DocumentDB y el recurso de Azure OpenAI cuando no los necesite para evitar costos adicionales.

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