Что такое реляционная база данных?

Содержание

• Что такое реляционная база данных простыми словами
     Определение и ключевые особенности
     Краткая история и развитие реляционной модели

• Как устроена реляционная база данных

• Как работают реляционные базы данных 
     SQL как язык управления данными
     Транзакции и ACID-принципы
     Индексы и оптимизация запросов

• Преимущества реляционной модели
     Согласованность и целостность данных
     Масштабируемость для бизнеса
     Поддержка и зрелая экосистема

• Ограничения и недостатки
     Сложности с масштабированием
     Работа только со структурированными данными
     Стоимость владения крупными СУБД

• Сравнение реляционных и нереляционных баз данных

• Как выбрать реляционную базу данных под задачу
     Критерии выбора для малого бизнеса
     Решения для корпоративных проектов
     Облачные сервисы и SaaS-решения

• Где применяются реляционные базы данных
     Финансовый сектор
     E-commerce и CRM
     Здравоохранение
     Государственные системы

Реляционная база данных (РБД, Relational database, RDB) — тип БД, где данные хранятся в виде связанных таблиц илиотношений. Для управления такими базами нужны специальные инструменты — СУБД (Database Management System, DBMS). Извлекать информацию из таких таблиц и изменять ее можно с помощью SQL-запросов.

База данных основана на реляционной модели, где данные, занесенные в таблицы, имеют изначально заданные отношения.

Основные характеристики реляционной базы:

• Табличный формат. Каждая таблица — это отдельная сущность, состоящая из строк (кортежей) и столбцов (атрибутов).

• Многопользовательский доступ. Механизмы блокировок и изоляции транзакций обеспечивают параллельную работу с БД без конфликтов.

• Стандартизированный язык запросов SQL. Нужен для управления информацией в БД. Запросы позволяют получать/извлекать, обновлять, удалять, создавать, изменять DB.

• Первичные и внешние ключи. Их используют для идентификации записей и установления связей между таблицами.

Примеры реляционных СУБД для коммерческого использования — IBM DB2, Oracle Database или Microsoft SQL Server. Свободно распространяемыми считаются MySQL, PostgreSQL, Firebird. В России доступна Platform V Pangolin DB — отечественная СУБД для высоконагруженных систем с повышенными требованиями к безопасности и надежности.

Модель организации данных описал британский ученый и математик Эдгар Кодд (Edgar F. Codd) в 1970 г. В работе A Relational Model of Data for Large Shared Data Banks эксперт сформулировал, что такое relation (отношение). В 1974 г. на Техасской конференции Э. Кодд выступил с докладом The Relational Approach to Data Base Management: An Overview, а в 1985 опубликовал работы Is Your DBMS Really Relational и Does Your DBMS Run By the Rules.

В результате были созданы «12 заповедей Кодда»: 13 правил (с нумерацией от 0 до 12), которым должны соответствовать системы управления реляционными базами. И сам Кодд, и другие исследователи признавали, что ни одно коммерческое решение не соответствует всем заповедям.

С 1974 г. в IBM начали работу над System R — экспериментальной СУБД, созданной для демонстрации преимуществ реляционной базы для использования в производственной среде. В 1977 г. система впервые установлена: заказчиком выступил производитель авиационных двигателей Pratt & Whitney. На основе System R созданы СУБД IBM SQL/DS и IBM DB2.

В основу реляционных баз данных заложено понятие «отношение» (связь, relatio). В практической реализации любой реляционной СУБД отношение считается математическим аналогом таблиц.

Данные в РБД хранятся в двумерных таблицах (обычных, системных, временных, секционированных). По структуре отношения напоминают Microsoft Excel.

К примеру, есть условная таблица с описанием сотрудников и технологических проектов, на которых они задействованы.

Основные понятия реляционных баз:

• тип данных / Data Type — характеристика, определяющая возможные способы обработки данных и необходимый объем памяти для хранения;

• домен/Domen — множество допустимых значений Data Type;

• сущность/Entity — объект или предмет, о котором хранится информация в БД;

• атрибут/Attribute — характеристика сущности (поле / столбец в таблице);

• кортеж/Tuple — конечный набор атрибутов сущности (строка / запись в таблице);

• первичный ключ / Primary Key — одно поле или несколько полей, однозначно определяющих каждую запись;

• вторичный ключ / Secondary Key — одно или несколько полей, содержащих ссылку на поле или поля первичного ключа в другой таблице;

• отношение/Relation — совокупность однородных кортежей (кортежей с идентичными атрибутами).

SQL (Structured Query Language) — язык структурированных запросов для работы с РБД и стандарт языка коммуникации сетевых СУБД. Его концептуальная основа заложена в ISO/IEC 9075. Structured Query Language представляет собой набор операторов, вычисляемых функций, инструкций.

Виды операторов:

• манипуляции данными (Data Manipulation Language, DML) — SELECT, INSERT, UPDATE, DELETE;

• определения данных (Data Definition Language, DDL) — CREATE, ALTER, DROP;

• управления транзакциями (Transaction Control Language, TCL) — COMMIT, ROLLBACK, SAVEPOINT;

• определения доступа к данным (Data Control Language, DCL) — GRANT, REVOKE, DENY.

К примеру, для создания таблицы используют команду:

CREATE TABLE SBERTECH

Чтобы добавить в нее записи, нужна команда:

INSERT INTO SBERTECH

Запросить все строки таблицы:

SELECT * FROM SBERTECH

Зарезервированные слова в языке структурированных запросов принято писать заглавными буквами. Кроме SQL используются и  другие языки: OQL, XQuery, SQL / XML.

Реляционная БД поддерживает транзакции (transactions) — блоки операций, выполняющихся как единое целое. В 1981 году Джим Грей описал определяющие свойства транзакции в работе The Transaction Concept: Virtues and Limitations. Вот эти свойства::

• Durability (сохраняемость, надежность, effects survive failures) — выполненные транзакции сохранены навсегда даже при сбое сервера;

• Atomicity (атомарность, все или ничего, all or nothing) — или все операции внутри транзакции завершаются успешно, или не применяются вообще, то есть происходит откат/rollback;

Consistency (согласованность, correct transformation) — согласованность БД сохраняется после каждой транзакции.

Позже появилось требование Isolation (уровень изоляции, изолированность) — параллельная работа двух и более пользователей не ведет к конфликтам.

Принципы ACID (Atomicity, Consistency, Isolation, Durability) — набор свойств транзакций, обеспечивающих согласованность, надежность и достоверность информации в РСУБД.

В промышленной эксплуатации реляционные базы данных могут содержать миллионы строк и столбцов. SQL-запросы становятся тяжелыми и выполняются медленно: это негативно влияет на работу бизнес-приложений и ИТ-систем.

Для оптимизации можно использовать индексные структуры. Они подразумевают ускорение поиска за счет быстрой проверки условий фильтрации, указанных в запросе.

В книге «Оптимизация запросов в PostgreSQL» описаны индексные структуры:

• B-дерево с листовыми и нелистовыми узлами;

• битовые карты для компактного представления свойств табличных данных;

• хеш-индексы с хеш-функциями для вычисления адреса индексного блока;

• R-дерево с поиском по пространственным данным.

По умолчанию используется B-дерево (btree). Но оператор CREATE INDEX позволяет указать значения типа индекса в PostgreSQL: hash, gist, spgist, gin и brin или пользовательский вроде bloom (фильтр Блума).

Для оптимизации SQL-запросов в реляционных базах данных можно использовать и другие приемы: работу с объединениями (JOINS), подзапросы и CTE (Common Table Expressions), параметризацию запросов. Для мониторинга и профилирования производительности выбирают специальные инструменты. Например, Oracle Enterprise Manager Cloud Control или Platform V Kintsugi.

По информации Центра стратегических разработок, к 2030 г. рынок СУБД и инструментов обработки данных в России вырастет на 250% (в сравнении с 2023 г.) и составит 234 млрд руб. Эксперты Global Relational Database Market прогнозируют ежегодный рост международного рынка на 10,60%: к 2032 г. он превысит 155 млрд долларов США.

Рынок нереляционных СУБД, как утверждает Verified Market Reports, в несколько раз меньше: 12,94 млрд долларов США в 2024 г. с ожидаемым ростом до 37,59 млрд долларов к 2033 г. Это связано с преимуществами реляционной модели и более ранним ее появлением.

Relation-модель подразумевает высокий уровень согласованности. Каждая операция проходит системуограничений (constraints) и ключей. Существуют разные ограничения целостности: внутренние и семантические, безотлагательные и отложенные.

Например, у таблицы данных не должно быть одинаковых строк-кортежей (внутреннее ограничение целостности), а потенциальный ключ обязан соответствовать требованиям уникальности, избыточности, обязательности/определенности. Для проверки согласованности таблиц и индексов могут использовать модули: к примеру, amcheck.

Реляционные СУБД могут масштабироваться по вертикали (увеличение ресурсов сервера) или по горизонтали (кластеризация). Для крупных компаний важны такие возможности, как  построение кластеров высокой доступности и репликация СУБД для высоконагруженных систем и бизнес-приложений.

Первые реляционные СУБД появились за рубежом в 1970–1980 гг. В рамках импортозамещения в России развиваются отечественные решения: например, Platform V Pangolin DB. Это специальная сборка PostgreSQL уровня enterprise, где предусмотрены более 80 доработок для повышения производительности, безопасности, удобства разработки и сопровождения.

Platform V Pangolin DB предоставляет безопасность банковского уровня, техническую поддержку 24/7 и легкое масштабирование за счет репликации. Доступны бесшовная миграция с оригинального PostgreSQL и совместная работа с 1С.

В случае горизонтального масштабирования РСУБД по всем машинам сложно гарантировать целостность. Причина в том, что клиенты могут вносить данные только в один узел, а не во все.

Системы управления базами данных поддерживают работу со структурированными Data Types: например, BIGINT, DATE, INTEGER, TEXT, BOOLEAN. А вот с поддержкой неструктурированных Data Types (мультимедиа, тексты, изображения) могут возникнуть сложности.. К примеру, в PostgreSQL доступны JSON, JSONB или XML. Но использовать тот же XML нужно осторожно: возникают проблемы кодировки символов, запросов через XPath 1.0 или отсутствия операторов сравнения для этого типа. Альтернативой выступают NoSQL-решения или гибридные подходы, при которых часть данных хранят вне жесткой схемы.

Total Cost of Ownership (TCO) — совокупная стоимость владения, стоимость жизненного цикла программного продукта. В случае с системами управления базами данных могут входить:

• стоимость СУБД (лицензия и поддержка);

• стоимость сопровождения (ФОТ);

• стоимость платформы для СУБД (поддержка ОС, лицензия ОС, оборудование).

Дополнительно в TCO включают затраты на внедрение и адаптацию (разработка новых и миграция существующих приложений, интеграция в текущую инфраструктуру). По данным СберТеха, стоимость владения Platform V Pangolin значительно ниже по сравнению с западными реляционными СУБД. По собственному опыту использования разница может достигать 15% за счет снижения стоимости лицензий и трудозатрат специалистов.

При выборе учитывают такие критерии:

• лицензирование: open source, проприетарная, бесплатная Freeware, коммерческая;

• характер обращений: OLTP (Online Transaction Processing), журналирование, OLAP (Online Analytical Processing);

• масштаб: до 1 Гб и до 1000 строк, свыше 1 Тб и 1 000 000 строк;

• параметры отказоустойчивости: автоматическая репликация, восстановление после сбоев;

• требования регуляторов: ФСТЭК, ЗОКИИ.

Platform V Pangolin DB совместима с ACID и подходит для OLTP-нагрузок, может работать как в составе небольших инсталляций, так и высоконагруженных систем с тысячами пользователей, отличается гибкой политикой лицензирования.

Запросы, с которыми сталкиваются клиенты Enterprise- и B2G-сегмента:

производительность, способность выдерживать высокие нагрузки;

• соответствие ФСТЭК, ЗОКИИ;

• техподдержка на всех уровнях;

• возможность бесшовной миграции;

• наличие средств управления и мониторинга;

• совместимость с платформой «1С:Предприятие» и ERP-решениями;

• безопасность и надежность.

B2G- и B2B-организациям, а также компаниями с высоконагруженными ИТ-системами доступна российская СУБД Platform V Pangolin DB. В рамках программного продукта клиентам предоставляют использованиедополнительных инструментов (Kintsugi, GraDeLy, CopyWALa), доработанные средства миграции с Oracle и MSSQL, гибкую ценовую политику и политику лицензирования.

Software as a Service (SaaS) — поставка готового ПО как услуги через веб-интерфейс или API. Примеры SaaS-решений для СУБД — Amazon Aurora, Google BigQuery, Microsoft SQL Server Databases on Azure.

Облачные сервисы предоставляют инфраструктуру, которую арендует клиент по моделям IaaS (Infrastructure-as-a-Service), PaaS (Platform-as-a-Service), DBaaS (Database-as-a-Service). Среди cloud-платформ — Amazon Relational Database Service (RDS) или Cloud SQL Google Cloud Platform.

Корпоративные клиенты часто выбирают формат on-premise или Cloud-Based-поставки. Platform V Pangolin DB лицензируется в разных наборах функциональности (редакциях). Клиент получает дистрибутив с набором функций и/или техническими ограничениями на развертывание и использование функциональности. Модели лицензирования:

• по ядрам процессора (или vCPU на виртуальной машине);

• «Сервер и клиенты» (серверная лицензии для каждого сервера + клиентские лицензии для каждогоустройства / пользователя);

• лицензирование тестовых сред и сред разработки и контейнеров.

РБД востребованы в fintech-сфере: страхование, платежи и переводы, финансирование, управлениекапиталом. К примеру, Сбер перевел автоматизированную систему «Шлюз платежей» на собственную реляционную базу Platform V Pangolin.

Реляционные базы в коммерческом сегменте нужны для управления товарами, продажами, логистикой и доставкой, информацией о клиентах. Объединенная двигателестроительная корпорация Госкорпорации Ростех начала применять на московском предприятии ОДК-Салют СУБД Platform V Pangolin DB. Внедрение российской СУБД обеспечивает высокую эффективность работы ERP-системы 1C:ERP. С ее помощью ведут складской учет, контролируют процессы закупок, формируют заказы на производство.

РСУБД в медицине позволяют вести электронные медицинские карты (EMR), управлять записью пациентов и хранить информацию о них, отслеживать запасы лекарственных препаратов и характеристики (остатки на складе, сроки годности).

Государственные организации выбирают РСУБД для управления информацией, улучшения предоставления услуг гражданам и повышения прозрачности процессов.

[object Object],Platform V Pangolin DB – российская СУБД корпоративного уровня

Platform V Pangolin DB – СУБД для работы с системами, предъявляющими высокие требования к безопасности и надежности. Она подходит для работы с критической информационной инфраструктурой, с решениями, сфокусированными на информационную безопасность и как альтернатива СУБД иностранных вендоров. Чтобы узнать больше о СУБД СберТеха, оставьте заявку на сайте – наши специалисты свяжутся с вами и подробно расскажут о решении.