Hệ quản trị cơ sở dữ liệu là gì? Chức năng và hoạt động?

1. Hệ quản trị cơ sở dữ liệu là gì?

Hệ quản trị cơ sở dữ liệu (Database Management System – DBMS) là một phần mềm hoặc tập hợp các chương trình cho phép người dùng tạo, duy trì và thao tác với các cơ sở dữ liệu. Hệ quản trị cơ sở dữ liệu có thể phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau, như kiểu mô hình dữ liệu (hệ cơ sở dữ liệu quan hệ, hệ cơ sở dữ liệu đối tượng, hệ cơ sở dữ liệu phân tán, v.v.), kiểu lưu trữ (hệ cơ sở dữ liệu trong bộ nhớ, hệ cơ sở dữ liệu trên đĩa, v.v.), kiểu truy cập (hệ cơ sở dữ liệu đơn người dùng, hệ cơ sở dữ liệu đa người dùng, v.v.) và kiểu ứng dụng (hệ cơ sở dữ liệu thương mại, hệ cơ sở dữ liệu khoa học, v.v.). Một số ví dụ về các hệ quản trị cơ sở dữ liệu phổ biến hiện nay là MySQL, Oracle, Microsoft SQL Server, MongoDB, PostgreSQL và SQLite.

2. Phân loại hệ quản trị cơ sở dữ liệu:

Có nhiều loại DBMS khác nhau, được phân loại theo cách tổ chức và lưu trữ dữ liệu. Một số loại DBMS phổ biến nhất là:

– Hệ quản trị cơ sở dữ liệu quan hệ (Relational Database Management System – RDBMS): là loại DBMS sử dụng mô hình quan hệ để biểu diễn dữ liệu dưới dạng các bảng (table) gồm các hàng (row) và cột (column). Ví dụ: MySQL, Oracle, SQL Server, PostgreSQL, etc.

– Hệ quản trị cơ sở dữ liệu phi quan hệ (Non-relational Database Management System – NoSQL): là loại DBMS không sử dụng mô hình quan hệ, mà sử dụng các cấu trúc dữ liệu khác nhau như tài liệu (document), đồ thị (graph), cặp khóa-giá trị (key-value), cột (column), v.v. Ví dụ: MongoDB, Cassandra, Redis, Neo4j, etc.

– Hệ quản trị cơ sở dữ liệu phân tán (Distributed Database Management System – DDBMS): là loại DBMS cho phép lưu trữ và xử lý dữ liệu trên nhiều máy tính khác nhau được kết nối qua mạng. Ví dụ: Hadoop, Spark, Google Bigtable, Amazon DynamoDB, etc.

– Hệ quản trị cơ sở dữ liệu đa phương tiện (Multimedia Database Management System – MDBMS): là loại DBMS cho phép lưu trữ và xử lý các loại dữ liệu đa phương tiện như hình ảnh, âm thanh, video, v.v. Ví dụ: Oracle Multimedia, IBM DB2 Spatial Extender, etc.

3. Chức năng của hệ quản trị cơ sở dữ liệu:

Hệ quản trị cơ sở dữ liệu (DBMS) là một phần mềm hoặc hệ thống phần mềm được thiết kế để quản lý cơ sở dữ liệu, một tập hợp các dữ liệu có cấu trúc hoặc không cấu trúc. Chức năng của DBMS là cung cấp các công cụ và giao diện cho người dùng và các ứng dụng để tạo, truy xuất, cập nhật, xóa và phân tích dữ liệu trong cơ sở dữ liệu. DBMS cũng có trách nhiệm đảm bảo tính toàn vẹn, bảo mật, hiệu suất và khả năng mở rộng của cơ sở dữ liệu.

Một số chức năng chính của DBMS bao gồm:

– Tạo và xác định cơ sở dữ liệu: DBMS cho phép người dùng tạo ra các đối tượng dữ liệu như bảng, chỉ mục, khóa, ràng buộc, quan hệ và các đối tượng khác để lưu trữ và tổ chức dữ liệu theo các mô hình như mô hình thực thể – quan hệ, mô hình đối tượng, mô hình đa chiều và mô hình đồ thị. DBMS cũng cho phép người dùng xác định các thuộc tính, kiểu dữ liệu, ràng buộc toàn vẹn và quyền truy cập của các đối tượng dữ liệu.

– Truy vấn và thao tác cơ sở dữ liệu: DBMS cung cấp các ngôn ngữ truy vấn như SQL, QL, Datalog và các ngôn ngữ khác để người dùng có thể truy xuất, thêm, sửa, xóa và thay đổi dữ liệu trong cơ sở dữ liệu. DBMS cũng cung cấp các giao diện đồ họa hoặc văn bản để người dùng có thể thực hiện các truy vấn và thao tác dễ dàng hơn.

– Quản lý giao dịch: DBMS quản lý các giao dịch là các hoạt động logic được thực hiện trên cơ sở dữ liệu như chèn, cập nhật hoặc xóa một bản ghi. DBMS đảm bảo rằng các giao dịch tuân theo các thuộc tính ACID là nguyên tử (atomicity), nhất quán (consistency), riêng biệt (isolation) và bền vững (durability). Điều này có nghĩa là mỗi giao dịch phải được hoàn thành hoàn toàn hoặc không được thực hiện; không được phép có sự thay đổi không mong muốn của dữ liệu do giao dịch; không có sự can thiệp của các giao dịch khác; và các thay đổi của giao dịch phải được lưu lại vĩnh viễn trong cơ sở dữ liệu.

– Quản lý bảo mật: DBMS quản lý bảo mật của cơ sở dữ liệu bằng cách xác thực và ủy quyền người dùng, mã hóa và giải mã dữ liệu, kiểm soát truy nhập và kiểm tra nhật ký. Mục tiêu của việc quản lý bảo mật là ngăn chặn việc truy cập trái phép, sửa đổi hoặc xóa dữ liệu trong cơ sở dữ liệu.

– Quản lý sao lưu và khôi phục: DBMS quản lý sao lưu và khôi phục của cơ sở dữ liệu bằng cách tạo ra các bản sao lưu của dữ liệu và lưu trữ chúng ở các vị trí an toàn. DBMS cũng có thể khôi phục dữ liệu từ các bản sao lưu khi có sự cố xảy ra như mất điện, lỗi phần cứng, lỗi phần mềm hoặc tấn công mạng. Mục tiêu của việc quản lý sao lưu và khôi phục là đảm bảo tính khả dụng và độ tin cậy của cơ sở dữ liệu.

– Quản lý hiệu suất và tối ưu hóa: DBMS quản lý hiệu suất và tối ưu hóa của cơ sở dữ liệu bằng cách theo dõi và phân tích các chỉ số như thời gian phản hồi, tốc độ xử lý, dung lượng bộ nhớ, độ phân mảnh và độ phức tạp của các truy vấn. DBMS cũng áp dụng các kỹ thuật như chỉ mục hóa, phân tán, nén, phân đoạn và thay đổi cấu trúc để cải thiện hiệu suất và tối ưu hóa cơ sở dữ liệu.

4. Nguyên lý hoạt động của hệ quản trị cơ sở dữ liệu:

Nguyên lý hoạt động của DBMS dựa trên các thành phần sau:

– Mô hình dữ liệu: là một tập hợp các quy tắc và khái niệm để biểu diễn và tổ chức dữ liệu trong cơ sở dữ liệu. Các loại mô hình dữ liệu phổ biến là mô hình thực thể – liên kết, mô hình quan hệ, mô hình đối tượng và mô hình đa chiều.

– Ngôn ngữ cơ sở dữ liệu: là một tập hợp các câu lệnh và cú pháp để thao tác với dữ liệu trong cơ sở dữ liệu. Các loại ngôn ngữ cơ sở dữ liệu chính là ngôn ngữ định nghĩa dữ liệu (DDL), ngôn ngữ thao tác dữ liệu (DML) và ngôn ngữ điều khiển dữ liệu (DCL).

– Kiến trúc cơ sở dữ liệu: là một cách phân chia cơ sở dữ liệu thành các lớp khác nhau để đảm bảo tính trừu tượng, độc lập và bảo mật của dữ liệu. Các lớp thường gồm có lớp vật lý, lớp khái niệm và lớp ứng dụng.

– Hệ thống quản lý giao dịch: là một phần của DBMS có nhiệm vụ kiểm soát các giao dịch trên cơ sở dữ liệu, đảm bảo tính toàn vẹn, nhất quán, bền vững và khôi phục của dữ liệu. Các giao dịch là các hoạt động thay đổi trạng thái của cơ sở dữ liệu theo một logic nhất định.

– Hệ thống quản lý lưu trữ: là một phần của DBMS có nhiệm vụ quản lý việc lưu trữ và truy xuất dữ liệu trên các thiết bị vật lý như đĩa cứng, băng từ hay bộ nhớ. Các kỹ thuật quản lý lưu trữ bao gồm có phân chia file, chỉ mục file, băm file và nén file.

5. Các bước xây dựng cơ sở dữ liệu:

Cơ sở dữ liệu là một tập hợp các dữ liệu được tổ chức theo một cấu trúc nhất định, thường là liên quan đến một hoặc nhiều chủ đề. Để xây dựng một cơ sở dữ liệu, bạn cần thực hiện các bước sau:

– Xác định mục đích của cơ sở dữ liệu: Bạn cần biết cơ sở dữ liệu sẽ được sử dụng cho những việc gì, ai sẽ truy cập và quản lý nó, và những yêu cầu về tính toàn vẹn, bảo mật và hiệu năng của nó.

– Thiết kế lược đồ cơ sở dữ liệu: Bạn cần xác định các đối tượng (bảng, thực thể, …) và các thuộc tính (trường, thuộc tính, …) của cơ sở dữ liệu, cũng như các mối quan hệ giữa chúng. Bạn có thể sử dụng các công cụ vẽ sơ đồ hoặc các ngôn ngữ mô tả như ERD (Entity-Relationship Diagram) hoặc UML (Unified Modeling Language) để thể hiện lược đồ cơ sở dữ liệu.

– Chọn hệ quản trị cơ sở dữ liệu (DBMS): Bạn cần chọn một phần mềm để lưu trữ, truy vấn và quản lý cơ sở dữ liệu. Có nhiều loại DBMS khác nhau, ví dụ như SQL (Structured Query Language), NoSQL (Not only SQL), hoặc NewSQL (New SQL). Bạn cần chọn DBMS phù hợp với loại và kích thước của cơ sở dữ liệu, cũng như khả năng tương thích và tích hợp với các ứng dụng khác.

– Tạo và điền dữ liệu vào cơ sở dữ liệu: Bạn cần sử dụng các câu lệnh hoặc giao diện của DBMS để tạo các bảng và các ràng buộc cho cơ sở dữ liệu. Sau đó, bạn có thể nhập hoặc sinh ra các dữ liệu để điền vào các bảng. Bạn cũng nên kiểm tra tính hợp lệ và toàn vẹn của các dữ liệu.

– Thử nghiệm và tối ưu hóa cơ sở dữ liệu: Bạn cần kiểm tra khả năng hoạt động và hiệu năng của cơ sở dữ liệu bằng cách thực hiện các truy vấn và phân tích kết quả. Bạn có thể tìm ra và khắc phục các lỗi, thiếu sót hoặc vấn đề về hiệu quả của cơ sở dữ liệu. Bạn cũng có thể áp dụng các kỹ thuật tối ưu hóa như chỉ mục, phân mảnh, sao lưu hoặc phục hồi để nâng cao chất lượng của cơ sở dữ liệu.