Что такое СУБД и какое у нее назначение

Что такое СУБД 

СУБД — промежуточное программное обеспечение, которое позволяет программистам, администраторам баз данных и конечным пользователям получать доступ, запрашивать и объединять информацию. Без такого инструмента не получится найти нужные элементы, изменить их составляющие или сделать дополнительные копии.Раньше СУБД могли управлять только отдельными фрагментами. Современные же системы могут обрабатывать различные типы менее структурированных компонентов и быстро связывать их. Так гораздо проще редактировать БД, находить нужные элементы.

История систем управления базами данных начинается в 1960-х годах. Тогда для обработки массивов начали использовать компьютеры. Понятие, близкое к СУБД, в то время называлось «системы управления информацией».

Одна из первых таких систем — Integrated Data Store (IDS). Она была разработана Чарльзом Бахманом и его командой в конце 1960-х годов.

По определению IDS — иерархическая СУБД, которая организовывала данные в древовидную структуру с отношениями «родитель-потомок» между записями. Пользователи могли хранить данные, извлекать их и управлять ими в структурированном формате. До системы IDS информация обычно хранилась в неструктурированных файлах. Не было единого стандарта того, как их использовать и редактировать.

В 1970-х годах появились реляционные базы данных и язык структурированных запросов (SQL).

Для чего нужны СУБД

СУБД обладает функциями, позволяющими эффективно работать с БД. Эти возможности не только обеспечивают бесперебойную работу СУБД, но и играют важную роль в поддержании целостности баз данных.

Система управления базами данных нужна для:

• структурирования — все объекты можно правильно расположить. Это нужно, чтобы можно было легко получать доступ к записям, делать расшифровку и извлекать их;
• поддержания безопасности — это одна из функций программного обеспечения, уменьшающая возможность взлома;
• ускорения работы — благодаря СУБД доступ к файлам приложения осуществляется быстрее;
• доступа множества пользователей — важная функция для многопользовательских сред, где большому количеству людей необходим одновременный доступ к базе данных. СУБД управляет параллельными операциями, сохраняя целостность данных. Есть гарантия, что действия одного пользователя не будут негативно влиять на действия другого;
• копирования и восстановления доступа — резервная копия защищает БД от потери важных компонентов.

Кто пользуется СУБД

Примеры использования СУБД в разных направлениях:

• телекоммуникации — доступ к базам данных нужен для хранения архивов вызовов, ежемесячных счетов, баланса;системы бронирования авиабилетов — СУБД помогают наладить процессы хранения, организации и обработки данных о рейсах, клиентах и операциях;
• платформы для онлайн-обучения — в БД хранится содержимое разных типов курсов, включая структуру лекций, домашние задания, экзамены, сведения о преподавателях и информацию о зачислении;
• банковская сфера — СУБД необходимы для хранения информации о клиентах, операций по счетам, выплат, кредитов.

Управление данными — задача не для одного специалиста. В современных инструментах для работы с БД могут разбираться представители сразу нескольких ИT-направлений в компании. К ним относятся:

• разработчики приложений и сайтов (могут входить в систему для извлечения данных);
• администраторы баз данных (управляют специальными проектами в случаях, если БД предназначена для составного продукта);
• DevOps-инженеры или аналитики (когда нужна помощь в устранении сбоев, будут создаваться небольшие группы по взаимодействию с БД).

Что входит в систему управления базами данных

У систем управления базами данных сложная структура. Они состоят из элементов, каждый из которых предназначен для выполнения определенной задачи. В СУБД входят следующие элементы:

• Ядро. Без него структура СУБД не считается полной. Это основная составляющая системы, позволяющая проводить разные операции. К ним относятся базовое хранение, извлечение данных, управление транзакциями. Ядро помогает согласовывать запросы даже при одновременном доступе пользователей.
• Язык запросов. Среда, через которую пользователи и приложения взаимодействуют с базой данных. SQL— широко используемый язык доступа, известный своей эффективностью при управлении реляционными БД. С помощью него могут создаваться запросы.
• Процессор. Обрабатывает запросы от пользователей. Ему нужно преобразовать запрос в упорядоченные команды, а после этого вернуть уже готовый ответ.
• Утилиты. Они нужны ИT-специалистам для настройки доступа, а пользователям для того, чтобы ввести запрос.
• Базы данных. Хранилище информации в зашифрованном виде. Формат зависит от типа — есть БД, где данные хранятся в таблицах. Популярными базами данных считаются и те, где они представлены в виде блоков с определенными характеристиками.

Основные виды 

Системы управления базами данных можно разделить на различные типы в зависимости от их базовой модели данных и способа организации, способа доступа и языка запросов. Рассмотрим основные виды СУБД.

По типу организации данных

• Реляционные. Данные представлены в виде таблиц, состоящих из строк и столбцов. Элементы связаны между собой ключами — у каждой строки или столбца есть свой номер. 
• Основное преимущество этой модели в том, что она позволяет интуитивно понятно представлять данные и обеспечивает легкий доступ к связанным точкам. Реляционные базы данных часто используют в организациях, которым необходимо управлять большими объемами структурированных массивов информации. Они поддерживают производительность ACID (Atomicity, Consistency, Isolation, Durability), чтобы сохранять достоверность данных даже при наличии сбоев или ошибок в системе.
• Ключ-назначение. У каждой составляющей есть знание и ключ доступа. Элементы не обладают жесткой структурой, а новые записи добавляются в конец списка.
• Документные. Информация в таких БД может храниться в разном формате, а не только в виде таблиц, как в реляционном типе. Текст обычно структурирован, размещен в соответствии с требованиями. Есть возможность ссылаться на другие записи, делать пометки. Удобно, что получить необходимые сведения можно с помощью одного запроса — не нужно входить в систему несколько раз.
• Графовые. Составляющие располагаются в виде схемы, где каждый элемент связан с другим. Взаимосвязи помогают понять, как и зачем использовать единицу в связке с другой. Этот тип часто применяют в социальных сетях или платформах, которые рекомендуют фильмы или сериалы. 
• Колоночные. Данные хранятся в колонке, которая внешне похожа на таблицу. Колоночная БД полезна для аналитиков, исследующих пользовательский опыт. Загрузить вводную информацию можно одним блоком, но удалить ее точно так же не получится. 

По языку запросов

• С поддержкой SQL. Большинство популярных СУБД, поддерживающих язык запросов, использует MySQL и PostgreSQL.
• Без поддержки SQL. Есть и СУБД, которые поддерживают другие языки запросов. Часто это языки программирования.

По месту хранения

• Локальные. Все составляющие компоненты содержатся внутри одного сервера.
• Распределенные. Части БД могут размещаться на разных серверах, в облачных сервисах.

Популярные СУБД 

Опишем основные современные системы управления БД, отметим плюсы, минусы и варианты использования каждой из них.

Oracle Database

Чтобы работать с Oracle DB, необходимо использовать отдельный интерфейс. БД относится к объектно-реляционным. Запускать Oracle можно где угодно — в центре обработки данных, общедоступном или частном облаке. Сначала лучше установить базовую версию, а затем — настроить ее под свои потребности. Продукт больше подходит для крупных компаний, где массивы данных требуют предельного внимания.

Redis

Продукт с открытым кодом, NoSQL. Вместо документов или таблиц используются пары «ключ-значение». Отличительная особенность — несколько вариантов структурирования данных, таких как списки, наборы и хеши. С точки зрения обработки Redis считается одним их самых быстрых представителей своего типа СУБД. Он может легко загрузить до 1 ГБ за одну запись. Перенос элементов также доступен, но могут возникнуть проблемы с совместимостью с другими типами наборов данных.

MongoDB

Бесплатная нереляционная open source СУБД. Данные в ней хранятся в виде JSON-файлов. MongoDB легко соединяется с другими СУБД, а также имеет API-интерфейсы механизма хранения. С коммерческой точки зрения это создает дополнительную ценность для корпоративного программного обеспечения. MongoDB ориентирована на быструю работу с комплексом данных, как и любая другая СУБД NoSQL. Поэтому она не всегда может обеспечить должный уровень безопасности.

SQLite

Небольшая СУБД, все части которой хранятся на одном сервере. Идеально подходит для разработки мобильных приложений или сайта с ограниченным трафиком. SQLite совместима с ACID, что обеспечивает целостность данных. С этим инструментом легко работать, у него нет лишних утилит. Для того, чтобы входить в систему и отправлять запросы, нужно знать язык С.

Microsoft SQL Server

Одна из самых популярных реляционных СУБД. Для взаимодействия с ней обычно используют язык Transact-SQL (T-SQL), который считается расширением стандарта SQL. Есть бесплатная версия, но ее можно использовать только для небольших проектов до 10 Гб. Пользователи отмечают удобный интерфейс и автоматизированность процессов.MSSQL предоставляет множество дополнительных функций для бизнеса. Опциональный выбор компонентов позволяет выстраивать ETL-решения, формировать базу знаний и быстро удалять ненужное. Есть инструменты для общего администрирования, интеллектуального анализа данных. Доступны решения для создания отчетов, визуализации. Из минусов — новичкам может быть сложно разобраться с оптимизацией запросов и настройкой производительности.

MySQL 

СУБД реляционного типа, раньше была опенсорс-проектом, теперь принадлежит Oracle. MySQL — основа прикладного программного обеспечения LAMP. Это означает, что СУБД — часть стека Linux, Apache, Perl/PHP/Python. MySQL хорошо работает с такими известными ОС, как Windows, Linux, MacOS.

Большую часть задач можно выполнить прямо в командной строке: это сокращает количество этапов разработки. У MySQL хорошая функциональность. Также ее удобно применять в сочетаниях с другими СУБД. 

PostgreSQL

Объектно-реляционная СУБД, в которой определяемые пользователем объекты и таблицы соединяются для построения более сложных структур данных. Разработанная PostgreSQL Global Development Group система по-прежнему остается опенсорс-проектом. Эта СУБД доступна для использования с такими платформами, как Microsoft, iOS, Android.Масштабируемость — отличительная черта PostgreSQL. Практически все специализированное программное решение имеет тенденции к росту. Это же приводит к расширению БД. Еще один плюс —размер баз данных может быть любым, как и количество записей. 

Из минусов отмечают отсутствие инструментов проверки, которые бы показывали текущее состояние БД.

Postgres Pro

СУБД, которую разработали в России. За основу создатели взяли PostgreSQL.  В новой версии доступны улучшения производительности на системах с больших количеством ядер, есть понятный поиск фраз. Пользователи могут создавать свои агрегатные функции, а также добавлять типы данных. 

Apache Kafka

Apache Kafka — это платформа с открытым исходным кодом для обмена сообщениями, хранения, обработки и интеграции больших объемов данных в режиме реального времени. Сервис обладает высокой пропускной способностью, низкой задержкой и масштабируемостью.

Один кластер может охватывать несколько центров обработки данных и облачных объектов. Есть возможность размещать разделы на разных брокерах. Это обеспечивает простое горизонтальное масштабирование. Чтобы обрабатывать больший объем данных, нужно просто добавить серверы или центры обработки данных к существующей инфраструктуре. Kafka также позволяет устанавливать правила хранения данных для определенной темы. Можно отметить, как долго сообщения будут храниться на диске.

Airflow

Apache Airflow создан на основе Python. Он имеет открытый исходный код. СУБД позволяет проектировать, планировать и отслеживать конвейеры данных. Платформа содержит большое количество настроек , так она охватывает широкий спектр вариантов использования. Есть возможность быстро подключиться ко многим популярным базам данных, облачным сервисам и другим инструментам: MySQL, PostgreSQL, HDFS.

Greenplum

Greenplum — это независимая от оборудования база данных MPP с открытым исходным кодом для аналитики на базе PostgreSQL. Ее разработали в компании Pivotal. Архитектура MPP была специально создана для управления крупномасштабными хранилищами данных и рабочими нагрузками бизнес-аналитики. Она помогает распределять данные по большому количеству серверов.

Greenplum масштабирует аналитику в интерактивном и пакетном режиме до петабайтного масштаба без снижения производительности запросов. Оптимизатор запросов на основе затрат позволяет СУБД распределять нагрузку между различными сегментами и параллельно использовать все ресурсы системы для обработки запроса.

Opensearch

OpenSearch — система управления базами данных, доступная по лицензии Apache 2.0. Она основана на программной библиотеке Apache Lucene и позволяет использовать широкий спектр приложений, включая мониторинг в реальном времени, анализ журналов, поиск по веб-сайтам.

OpenSearch был разработан Amazon Web Services (AWS) как open source проект в 2021 году. Настроить OpenSearch довольно легко. Можно запустить кластеры в несколько кликов. По мере роста нагрузки на данные и запросы нужно настроить размер кластера в соответствии с потребностями.