آشنایی با انواع دیتابیس و کاربرد و اهمیت آن ها

پایگاه داده یا Database مجموعه‌ای سازمان‌یافته از داده‌هاست که در قالبی مشخص ذخیره و مدیریت می‌شوند. یک پایگاه داده می‌تواند شامل یک یا چند جدول (Table) باشد. هر جدول از سطرها (Rows) و ستون‌ها (Columns) تشکیل شده است که داده‌ها را به‌صورت ساخت‌یافته نگهداری می‌کنند. دیتابیس‌ها انواع مختلفی دارند که هر کدام برای اهداف و نیازهای خاصی طراحی شده‌اند. به طور کلی، دیتابیس‌ها را می‌توان به دو دسته اصلی تقسیم کرد: پایگاه داده رابطه‌ای (SQL) و پایگاه داده غیر رابطه‌ای (NoSQL). علاوه بر این، پایگاه‌های داده را می‌توان بر اساس ساختار داده، مدل داده، یا کاربردشان نیز دسته‌بندی کرد. در این مقاله از سری مقالات دیتابیس، قصد داریم به‌طور مفصل درباره دیتابیس صحبت کنیم، پس تا پایان با ما همراه باشید.

آنچه در ادامه می‌خوانید:

• پایگاه داده چیست؟
• انواع پایگاه داده
• پایگاه داده به‌عنوان بخشی از یک اپلیکیشن
• پایگاه های داده چطور کار می‌کنند؟
• نرم افزار پایگاه داده چیست؟
• جمع‌ بندی
• سوالات متداول

پایگاه داده چیست؟

به‌طور کلی، پایگاه داده (Database) مجموعه‌ای سازمان‌یافته از داده‌هاست که به صورت الکترونیکی در یک سیستم کامپیوتری ذخیره می‌شوند. این داده‌ها می‌توانند شامل متن، اعداد، تصاویر و صوت باشند. هدف اصلی از ایجاد پایگاه داده، ذخیره، بازیابی و مدیریت حجم بالای داده‌ها به روشی کارآمد است. این تعریف الزاما محدود به فضای دیجیتال نیست، حتی یک سیستم بایگانی سنتی در بیمارستان، یک دفترچه‌ی تلفن یا کشوی پر از فاکتورهای کاغذی هم نوعی پایگاه داده محسوب می‌شوند. آنچه این مثال‌ها را بهم پیوند می‌دهد، ساختارمندی و قابلیت دسترسی به داده‌ها است.

حالا وقتی پای اپلیکیشن‌ها و وب‌‎سایت‌ها به میان می‌آید، وقتی می‌گوییم پایگاه معمولا منظورمان یک DBMS یا نرم افزار مدیریت پایگاه داده است. این نرم افزارها مانند یک پلی میان اپلیکیشن‌ و داده‌ها عمل می‌کنند، به شما اجازه می‌دهند داده‌ها را ذخیره کنید، جستجو کنید، به‌روزسانی کنید و حتی مطمئن باشید همه چیز منظم و درست است. بیشتر DBMSها روی سرورهای مجازی یا سرورهای اختصاصی نصب می‌شوند و از طریق شبکه یا فضای ابری در دسترس اپلیکیشن‌ها قرار می‌گیرند.

چند نمونه شناخته شده‌ی DBMSهای متن‌باز (Open Source) که احتمالاً اسمشان را شنیده‌اید: PostgreSQL ,MariaDB و Redis که هرکدام کاربرد خودشان را دارند. PostgreSQL برای داده‌های سنگین و تراکنش‌های پیچیده عالی است، MariaDB نسخه بهینه‌شده‌ی MySQL است و Redis مثل یک سوپر قهرمان برای پردازش سریع و ذخیره‌سازی لحظه‌ای داده‌ها عمل می‌کند.

برای تجربه‌ای سریع، مقیاس‌پذیر و امن در پایگاه داده‌های MongoDB، هاست ابری MongoDB لیارا را امتحان کنید.
✅ عملکرد پایدار ✅ شبکه خصوصی ✅منابع اختصاصی
خرید هاست ابری MongoDB

انواع پایگاه داده

در ادامه مطلب، دو نوع پایگاه داده مهم و کلیدی را معرفی می‌کنیم، استفاده از هر یک از این پایگاه‌های داده به نیاز شما بستگی دارد.

پایگاه داده رابطه‌ای (Relational Databases)

از دهه ۱۹۷۰، بیشتر سیستم‌های مدیریت پایگاه داده (DBMS) بر اساس مدل رابطه‌ای (Relational Model) طراحی شده‌اند. در این مدل، مهم‌ترین واحدها چیزی هستند که امروزه ما به عنوان جدول (Table) می‌شناسیم. هر جدول مجموعه‌ای از سطرها (Rows یا Tuples) است که هر سطر شامل مجموعه‌ای از ستون‌ها (Columns یا Attributes) می‌باشد.

به بیان ساده‌تر، جدول مانند یک sheet اکسل بزرگ است که هر ردیف نماینده یک موجودیت یا رکورد می‌باشد و هر ستون مشخص می‌کند چه ویژگی‌هایی از آن رکورد ثبت شده‌اند. این ساختار باعث می‌شود بتوان داده‌ها را به‌صورت منظم ذخیره کرد، روی آن‌ها جستجو و فیلتر انجام داد و روابط پیچیده بین جداول مختلف ایجاد کرد.

DBaaS چیست؟ درک مفهوم دیتابیس به عنوان یک سرویس را در مقاله زیر می‌توانید مطالعه کنید.
DBaaS چیست؟ 

درک بهتر سطرها و کلیدها در پایگاه داده‌های رابطه‌ای

همان‌طور که در شکل بالا مشاهده می‌کنید، می‌توانید هر سطر (Tuple) را به‌عنوان یک نمونه‌ی منحصر به‌فرد از اطلاعاتی که جدول نگه‌ می‌دارد تصور کرد، این نمونه‌ها می‌توانند افراد، اشیاء، رویدادها یا روابط بین آن‌ها باشند. برای مثال، یک جدول می‌تواند اطلاعات کارمندان یک شرکت، فروش‌های یک فروشگاه آنلاین یا نتایج آزمایشگاه پزشکی را ذخیره کند. اگر بخواهیم مثال ملموس‌تر بزنیم، در جدول کارمندان یک مدرسه، هر سطر ممکن است شامل ویژگی‌هایی مانند نام، درس‌هایی که تدریس می‌کنند، تاریخ شروع کار و غیره باشد.

در مدل رابطه‌ای، هر جدول حداقل یک ستون دارد که هر سطر را به‌طور یکتا شناسایی می‌کند و به آن کلید اصلی (Primary Key) می‌گویند. در جدول می‌توان یک ستون به نام employee_ID تعریف کرد که به‌صورت خودکار افزایش یابد. این کار باعث می‌شود که DBMS بتواند هر رکورد را ردیابی کرده و در صورت نیاز به‌صورت سریع و بر اساس درخواست کاربران برگرداند. همین ویژگی همچنین به این معنی است که داده‌ها ترتیب منطقی مشخصی ندارند و کاربران می‌توانند آن‌ها را با هر فیلتر یا ترتیب دلخواه بازیابی کنند.

وقتی بخواهید دو جدول را به یکدیگر مرتبط کنید، از کلید خارجی (Foreign Key) استفاده می‌کنید. کلید خارجی در واقع نسخه‌ای از کلید اصلی جدول والد (Parent Table) است که در ستون یک جدول دیگر (Child Table) وارد می‌شود. به عنوان مثال، فرض کنید یک جدول برای ذخیره اطلاعات کارمندان یک شرکت داریم و یک جدول دیگر برای ثبت فروش‌ها. کلید اصلی جدول EMPLOYEES می‌تواند به عنوان کلید خارجی در جدول SALES قرار بگیرد تا هر فروش به کارمند مربوطه متصل شود. این ارتباط امکان بازیابی داده‌ها به شکل سازمان‌یافته و منعطف را فراهم می‌کند.

بازیابی داده‌ها با SQL در پایگاه داده‌های رابطه‌ای

مدل رابطه‌ای کمک می‌کند داده‌ها به‌صورت مرتب و سازمان‌یافته ذخیره شوند، اما ذخیره کردن داده تنها زمانی ارزشمند است که بتوانید آن‌ها را بازیابی و استفاده کنید. برای دسترسی به اطلاعات در یک RDBMS، از Query استفاده می‌کنیم، یعنی یک درخواست ساخت‌یافته برای مجموعه‌ای از داده‌ها.

اکثر پایگاه داده‌های رابطه‌ای از SQL (Structured Query Language) استفاده می‌کنند، SQL به شما این امکان را می‌دهد که داده‌ها را فیلتر، مرتب و دستکاری کنید و با استفاده از شرط‌ها، عبارت‌ها و انواع دستورها، دقیقاً مشخص کنید چه اطلاعاتی در نتیجه‌ی پرس‌وجو ظاهر شوند. به زبان ساده، SQL ابزاری است که شما را به قلب داده‌ها می‌برد و کنترل کامل بر خروجی‌ها می‌دهد.

بسیاری از RDBMSهای متن‌باز (Open Source) در دسترس هستند که می‌توانید بسته به نیازتان انتخاب کنید، از جمله:

• MySQL: شناخته‌شده، پرکاربرد و سریع برای وب‌اپلیکیشن‌ها
• MariaDB: نسخه بهینه‌شده و توسعه‌یافته‌ی MySQL
• PostgreSQL: قوی در پردازش داده‌های پیچیده و تراکنش‌های سنگین
• SQLite: سبک و بدون نیاز به نصب سرور، مناسب برای اپلیکیشن‌های کوچک و موبایل

این RDBMSها به شما اجازه می‌دهند داده‌ها را نه تنها ذخیره کنید، بلکه با دقت و انعطاف کامل آن‌ها را بازیابی و مدیریت کنید.

برای درک بهتر تفاوت های دیتابیس SQL و NoSQL، مقاله زیر را مطالعه کنید.
مقایسه SQL و NoSQL

پایگاه‌‌داده غیررابطه‌ای (Nonrelational Database)

پایگاه داده غیررابطه‌ای (Nonrelational Database) که به اختصار NoSQL نامیده می‌شود، امکان ذخیره‌سازی و کار روی داده‌های بدون ساختار و نیمه ساختاریافته را به کاربر می‌دهد. این ویژگی دقیقا مخالف اصول دیتابیس رابطه‌ای است که بر اساس آن تمامی داده‌های درج شده در دیتابیس باید بر اساس یک پروتکل ترکیب شوند. با پیچیده شدن اپلیکیشن‌های تحت‌وب و رواج بیشتر آن‌ها، استفاده از این نوع دیتابیس‌ها محبوبیت زیادی پیدا کرده است.

البته باید در نظر داشت که NoSQL یا غیررابطه‌ای، یک تعریف واحد و دقیق نیست، بلکه بیشتر یک چتر مفهومی(Umbrella Term) است. زیر عنوان کلی NoSQL، مدل‌های گوناگونی از پایگاه داده قرار می‌گیرند. هرچند همگی در یک گروه دسته‌بندی می‌شوند، اما از نظر ساختار، معماری و نوع استفاده تفاوت‌های چشمگیری با یکدیگر دارند. برای درک بهتر این دسته‌بندی، در ادامه به برخی از پرکاربردترین مدل‌های پایگاه داده غیررابطه‌ای اشاره می‌کنیم تا دید روشن‌تری نسبت به این خانواده گسترده پیدا کنید.

پایگاه داده‌های Key-Value

پایگاه داده‌های Key-Value بر اساس یک ساختار ساده اما بسیار قدرتمند کار می‌کنند: آرایه‌های انجمنی (Associative Arrays). شاید اسمش کمی پیچیده به نظر برسد، اما در اصل همان چیزی است که در برنامه نویسی با نام دیکشنری (Dictionary) یا هش‌تیبل (Hash Table) می‌شناسیم.

در این مدل، داده‌ها به شکل کلید مقدار ذخیره می‌شوند، یعنی هر کلید نقش یک شناسه یکتا را دارد که می‌توان با استفاده از آن، مقدار مربوطه را سریعا بازیابی کرد. این مقادیر می‌توانند بسیار متنوع باشند: از داده‌های ساده مثل اعداد یا رشته‌ها گرفته تا ساختارهای پیچیده‌تر مانند JSON.

به‌طور مثال، پایگاده داده ردیس (Redis)، یکی از محبوب‌ترین و پرکاربردترین پایگاه‌داده‌های کلید مقدار است. یک دیتابیس متن‌باز و سریع که در بسیاری از اپلیکیشن‌های مدرن برای کشینگ (Caching)، مدیریت سشن‌ها (Sessions) و ذخیره‌سازی داده‌های بلادرنگ (Real-time Data) استفاده می‌شود.

پایگاه داده مبتنی بر سند (Document-Oriented Databases))

پایگاه‌داده سند محور، نوعی پایگاه داده NoSQL هستند که داده‌ها را به شکل سند ذخیره می‌کنند. درست مثل Key-Value Store، هر سند یک شناسه یکتا دارد، اما تفاوت اصلی اینجاست که دیتابیس خودش می‌فهمد داخل سند چه چیزی وجود دارد. هر سند می‌تواند شامل متادیتا و ساختار داخلی باشد که جستجو و مدیریت داده‌ها را ساده‌تر می‌کند.

این یعنی شما می‌توانید داده‌های پیچیده‌ای مانند اطلاعات کاربر با آدرس، سبد خرید و تنظیماتش را در یک سند ذخیره کنید و حتی اسناد را بصورت تو در تو بسازید. با این کار، می‌توانید مستقیما روی خود داده‌ها کوئری بزنید، بدون اینکه مجبور باشید هر بار همه چیز را برنامه‌نویسی کنید.

یکی از محبوب‌ترین پایگاه‌ داده‌های سندمحور، MongoDB است. این دیتابیس اسناد را با فرمت BSON ذخیره می‌کند، نسخه‌ای باینری از JSON که سرعت بالاتر و حجم کمتر را دارد. توسعه‌دهنده‌ها عاشقش هستند چون هم مقیاس پذیر است و هم کار با داده‌های پیچیده را ساده می‌کند.

پایگاه داده‌ ستونی (Columnar Database)

پایگاه داده‌های ستونی یا Column-Oriented Databases سیستم‌هایی هستند که داده‌ها را ستون‌به‌ستون ذخیره می‌کنند، نه ردیف‌به‌ردیف مثل پایگاه داده‌های رابطه‌ای سنتی.

در این نوع پایگاه داده، هر ستون معمولا در یک فایل یا بخش جداگانه از حافظه ذخیره می‌شود و داده‌ها در ترتیب رکوردها مرتب می‌شوند. یعنی اولین مقدار در یک ستون با اولین مقدار در ستون‌های دیگر مرتبط است. این طراحی یک مزیت بزرگ دارد: وقتی یک پرس‌وجو انجام می‌دهید، دیتابیس فقط ستون‌هایی که نیاز دارید را می‌خواند و نیازی نیست تمام ردیف‌ها را بارگذاری و بعد داده‌های اضافه را حذف کند. این ویژگی باعث افزایش چشمگیر سرعت کوئری‌ها و کاهش مصرف حافظه می‌شود، مخصوصاً وقتی با حجم زیادی از داده سروکار دارید.

یکی از محبوب‌ترین و پرکاربردترین پایگاه‌داده‌های ستونی، Apache Cassandra است.

نحوه نصب و استفاده از PostgreSQL در سرور مجازی اوبونتو 22.04
نصب و استفاده از PostgreSQL در سرور مجازی اوبونتو

پایگاه داده به‌عنوان بخشی از یک اپلیکیشن

یک سیستم مدیریت پایگاه‌داده (DBMS) خودش به تنهایی کاربرد زیادی ندارد. درست است که می‌توانید مستقیما با آن داده‌ها را ذخیره یا پرس‌وجو کنید، اما در دنیای واقعی، معمولا نیاز دارید آن را با ابزارها و بخش‌های دیگر ترکیب کنید. یک DBMS نمی‌تواند به تنهایی محتوا را نمایش دهد یا سرویسی ارائه دهد، برای همین است که وقتی پایگاه داده با رابط کاربری، منطق اپلیکیشن و سایر سرویس‌ها ترکیب می‌شود، تبدیل به ستون فقرات یک اپلیکیشن می‌شود.

به بیان دیگر، پایگاه داده بخش اصلی یک اکو سیستم بزرگ‌تر است که اطلاعات را مدیریت می‌کند، مطمئن می‌شود درست و به‌روز هستند و امکان دسترسی سریع به آن‌ها را فراهم می‌کند، بدون اینکه کاربر نهایی حتی متوجه نحوه کار داخلی آن شود.

فناوری‌های محبوب متن‌باز با پایگاه داده

چند استک متن‌باز محبوب وجود دارد که شامل یک DBMS هستند. در ادامه چند مثال آورده شده است:

• LAMP Stack: LAMP مخفف فناوری‌هایی است که معمولاً این پشته را تشکیل می‌دهند: سیستم‌عامل Linux، سرور وب Apache، پایگاه داده MySQL و PHP برای پردازش محتوای پویا. در عمل، اغلب اجزای LAMP قابل جایگزینی هستند؛ برای مثال، می‌توان به جای MySQL از PostgreSQL یا SQLite، به جای PHP از Flask یا Django و به جای Apache از Nginx استفاده کرد. در این حالت، ترکیب معمولاً LEMP Stack نامیده می‌شود (E به معنای Nginx است).
• Elastic Stack: که قبلاً با نام ELK Stack شناخته می‌شد، حول Elasticsearch ساخته شده است؛ یک موتور جستجو که همزمان می‌تواند به‌عنوان یک پایگاه داده مبتنی بر سند عمل کند. این پشته معمولاً برای ذخیره و مدیریت لاگ‌های نرم‌افزار در مقیاس بزرگ استفاده می‌شود.

معمولا استک‌های متن‌باز روی همان سرور اجرا می‌شوند که به آن معماری مونولیتیک گفته می‌شود. در این حالت اتصال به DBMS ساده است. جایگزین دیگر، نصب DBMS روی سرور راه دور است، اکثر DBMSها روی پورت‌های مشخص اجرا می‌شوند و این امکان را می‌دهند که پایگاه داده را جدا از اپلیکیشن مقیاس‌بندی کنید.

با این حال، پایگاه داده راه دور سطح حمله را افزایش می‌دهد و داده‌ها هنگام انتقال روی شبکه در معرض شنود هستند. برای حفاظت، اکثر DBMSها امکان رمزگذاری داده‌ها را ارائه می‌دهند. داده‌ها می‌توانند با TLS رمزگذاری شوند تا ارتباط بین سرور پایگاه داده و کلاینت‌ها امن شود. TLS فقط داده‌های در حال انتقال را رمزگذاری می‌کنند، داده‌های ذخیره شده روی سرور همچنان رمزگذاری نشده‌اند مگر اینکه DBMS شما قابلیت رمزگذاری داده‌های ذخیره شده را داشته باشد.

پایگاه های داده چطور کار می‌کنند؟

اکثر DBMSها ابزار خط فرمان برای مدیریت و تعامل با دیتابیس ارائه می‌دهند، مثل mysql برای MySQL، psql برای PostgreSQL و MongoDB Shell. علاوه بر این، ابزارهای شخص ثالث مثل Redli هم برای Redis وجود دارند که امکانات اضافی دارند.

برای کاربران غیرحرفه‌ای، ابزارهای گرافیکی مدیریت پایگاه داده هم موجود است:

• مرورگر-محور: phpMyAdmin، pgAdmin
• دسکتاپ: MySQL Workbench، MongoDB Compass

با رشد اپلیکیشن‌، حجم داده‌ها افزایش می‌یابد و ممکن است عملکرد سیستم کاهش یابد. دو روش برای مدیریت این وضعیت وجود دارد:

1. Replication (تکثیر داده‌ها): همگام‌سازی داده‌ها روی چند سرور. مزایا شامل افزونگی، بهبود دسترس‌پذیری، کاهش تاخیر خواندن و افزایش مقیاس‌پذیری است. بسیاری از DBMSها این قابلیت را دارند، مثل MongoDB و MySQL.
2. Sharding (تقسیم داده‌ها): شکستن رکوردها و توزیع آن‌ها روی چند سرور یا shard. به‌ویژه برای داده‌های حجیم مفید است و امکان مقیاس‌پذیری افقی با اضافه کردن سرورهای جدید را فراهم می‌کند.

نرم افزار پایگاه داده چیست؟

نرم‌افزار پایگاه‌داده (Database Software) ابزار اصلی برای ایجاد، مدیریت و ویرایش داده‌ها در یک دیتابیس است. با استفاده از این نرم‌افزار می‌توان رکوردها و فایل‌ها را سریع و منظم ذخیره کرد، داده‌ها را به‌روزرسانی و گزارش‌گیری کرد و به‌طور کلی تمام عملیات پایه‌ای روی دیتابیس را انجام داد.

یکی از بخش‌های حیاتی هر نرم‌افزار دیتابیس، امنیت و کنترل دسترسی است. این نرم‌افزارها معمولاً امکاناتی مثل بک‌آپ‌گیری خودکار، مدیریت دسترسی چندکاربره و رمزگذاری داده‌ها را ارائه می‌کنند تا داده‌ها در برابر دسترسی غیرمجاز یا حملات هکری محافظت شوند.

همچنین، اکثر نرم‌افزارهای پایگاه‌داده امروز دارای رابط کاربری گرافیکی (UI) هستند که کار با دیتابیس را برای کاربران غیرحرفه‌ای ساده می‌کند، بدون اینکه نیاز باشد هر بار از خط فرمان یا کدنویسی استفاده کنند. این ویژگی باعث می‌شود هم توسعه‌دهندگان حرفه‌ای و هم کاربران عادی بتوانند به ‌راحتی با پایگاه داده تعامل داشته باشند.

جمع‌ بندی

پایگاه داده‌ها ابزار اصلی ذخیره، مدیریت و بازیابی داده‌ها در اپلیکیشن‌ها هستند. بسته به نوع داده، از SQL برای داده‌های ساخت‌یافته و NoSQL برای داده‌های بدون ساختار یا پیچیده استفاده می‌شود. DBMSها با امکاناتی مثل Replication، Sharding، رمزگذاری و کنترل دسترسی، امنیت و مقیاس‌پذیری سیستم را تضمین می‌کنند و ابزارهای خط فرمان و رابط گرافیکی کار با داده‌ها را ساده می‌سازند. پایگاه داده، ستون فقرات هر اپلیکیشن است.

سوالات متداول

۱. دیتابیس چیست؟

به صورت ساده می‌توان گفت، دیتابیس یا پایگاه داده، مجموعه‌ای سازمان‌یافته از داده‌ها است که به‌صورت منظم ذخیره و مدیریت می‌شود.

۲. DBMS چیست؟

DBMS مخفف Database Management System یا «سیستم مدیریت پایگاه داده» است. با استفاده از یک DBMS می‌توانید پایگاه داده خود را ایجاد، مدیریت، جستجو، به‌روزرسانی و کنترل دسترسی‌ها کنید.

۳. چرا استفاده از DBMS ضروری است؟

یک DBMS امکان مدیریت، جستجو، به‌روزرسانی و امنیت داده‌ها را فراهم می‌کند. بدون DBMS، کنترل حجم بالای داده‌ها، دسترسی چندکاربره، رمزگذاری و مقیاس‌پذیری تقریبا غیرممکن خواهد بود.

۴. تفاوت پایگاه داده رابطه‌ای (SQL) و غیررابطه‌ای (NoSQL) چیست؟

پایگاه داده رابطه‌ای (SQL) برای داده‌های ساخت‌یافته و جدول‌بندی شده مناسب است و از زبان SQL برای مدیریت داده‌ها استفاده می‌کند، در حالی که پایگاه داده غیررابطه‌ای (NoSQL) برای داده‌های بدون ساختار یا پیچیده طراحی شده و انعطاف بیشتری در ذخیره و پردازش داده‌ها ارائه می‌دهد.