Система управления базами данных (СУБД): что это такое и зачем нужна

СУБД — это комплекс программных и языковых средств, который отвечает за хранение и управление информацией в базах данных. 

В числе основных функций, которые выполняет СУБД:

• Автоматизация обработки данных: система делает резервные копии, восстанавливает информацию после сбоев, обновляет данные.

• Защита данных: СУБД позволяют разграничивать права доступа, снижая вероятность утечки информации. 

• Шифрование и логирование информации с возможностью просмотра действий, которые совершаются с данными. 

• Отслеживание корректности данных и предотвращение ошибок. Например, СУБД не дает дублировать информацию в БД или нарушать логические связи между таблицами.

• Синхронизация работы пользователей: система помогает избегать ошибок и конфликтов в том случае, если с данными работают несколько человек одновременно.

• Адаптация к изменениям: в СУБД можно без проблем добавлять новые таблицы, поля и связи без сбоев в работе системы. А еще их легко масштабировать, позволяя распределять данные на несколько серверов с ростом нагрузки.

• Анализ данных с использованием запросов, индексов, фильтров, функций сортировки и группировки, генераторов диаграмм, графиков, таблиц.

«Под капотом» каждой СУБД содержится целый набор инструментов, каждый из которых позволяет совершать с базой данных определенные действия. Бесперебойно и слаженно работать вместе им помогает ясно прописанная архитектура. То, из каких компонентов она строится, разберем ниже.

Ядро 

Ядро отвечает за работу СУБД в целом. Именно оно позволяет:

• Управлять файлами с данными: хранить информацию на дисках, распределять оперативную и виртуальную память, а также ресурсы для работы с большими объемами данных.

• Оптимизировать обработку запросов, ускоряя поиск нужной информации.

• Следить за изменениями данных, принимать их или сохранять.

Язык запросов 

Для управления базами данных и поиска в них нужной информации используются специальные языки запросов. Самый распространенный из них — SQL (от англ. Structured Query Language — «язык структурированных запросов»). Он подходит для работы с реляционными СУБД (MySQL, PostgreSQL), где данные хранятся в таблицах . Однако существуют и другие языки запросов: например, Cypher работает с графовыми базами (Neo4j), а XQuery — с данными в формате XML.

Обработчик запросов 

Обработчик запросов принимает команды от пользователя и передает их базе данных. Далее находит нужную информацию и пересылает ее обратно. В том случае, если запросы выглядят подозрительными или составлены некорректно, обработчик их проверяет и исправляет.

Каталог метаданных 

Каталог метаданных работает как справочник, который помогает системе управлять базой данных и контролировать ее работу. В нем содержатся описания таблиц, их связи, типы данных, ограничения, правила доступа и роли пользователей.

Утилиты

Утилиты — это встроенные инструменты, которые упрощают работу с данными. Например, в MySQL есть mysqldump для создания резервных копий и mysqlcheck для проверки целостности таблиц. 

Механизмы хранения данных

Механизм хранения работает с файлами данных через операционную систему и выполняет SQL-запросы, связанные с этими файлами.

В его задачи входит:

• Обработка таблиц для хранения упорядоченной информации.

• Управление файлами, которые нужны для работы с текстами, изображениями, видео и другими мультимедийными данными.

• Обеспечение быстрого доступа к данным с помощью индексов.

• Запись в виде логов (фиксаторов) всех изменений, происходящих с данными в базе. С их помощью в дальнейшем можно восстановить базу после сбоя, исправить ошибки или проверить модификации.

• Кэширование запрошенных данных в оперативной памяти или других быстрых хранилищах для ускорения работы системы. 

Системы безопасности и резервного копирования

Встроенные в СУБД системы безопасности и резервного копирования позволяют защищать данные от потерь, взломов или сбоев. В их возможности входит: 

• Проверка доступа: аутентификация и авторизация. Система проверяет пользователя и его права доступа, чтобы защитить данные от посторонних.

• Шифрование. Данные кодируются так, чтобы их могли прочитать только пользователи с соответствующими разрешениями.

• Резервное копирование. Создаются копии данных, которые можно восстановить в случае потери или повреждения основной версии.

• Логи и аудит. Записываются все действия с данными, чтобы отследить, кто и что делал.

• Репликация. Данные копируются на несколько серверов, чтобы обеспечить бесперебойную работу системы даже при сбое одного из них.

• Восстановление. Возврат данных из резервных копий в случае удаления или повреждения информации.

СУБД можно классифицировать по разным параметрам. Рассмотрим, как они различаются по четырем основным классификациям: по способу размещения данных, по типу хранения и обработки данных, по используемому языку запросов и по структуре и организации данных. 

По способу размещения данных

В зависимости от того, где хранятся данные и как к ним обращаются, СУБД делятся на следующие виды:

• Централизованные. Хранят всю информацию на одном сервере.

• Распределенные. Информация распределяется между несколькими серверами. Это повышает скорость работы, а сама система становится более устойчива к сбоям.

• Облачные. Хранят данные на серверах облачных провайдеров. Такие СУБД — а среди них легко найти такие популярные решения, как MySQL или PostgreSQL — надежны, доступны и легко масштабируются под изменения нагрузки, а потому могут стать оптимальным выбором для хранения данных. 

По хранению и обработке данных

Системы используют разные подходы к хранению и обработке данных, а также к организации доступа к ним. По этому критерию есть три основных вида СУБД:

1. Клиент-серверные. В таких системах данные находятся на сервере, а пользователь использует специальный программный интерфейс для работы с ними.

2. С файловым сервером. Такие СУБД хранят базы данных на общем сервере с доступом через сеть. При этом пользовательские компьютеры подключаются к нему и загружают файлы, а все операции с данными выполняются локально на устройстве пользователя.

3. Встраиваемые. Эти системы работают прямо внутри приложений. Их не нужно устанавливать отдельно. Они просты в использовании, требуют малого количества ресурсов и предназначены для небольших проектов, где важна скорость работы.

По языку запросов

В зависимости от того, какой язык запросов используется для работы с данными, есть два типа СУБД:

1. С поддержкой SQL. С этим языком запросов работает большинство популярных баз, например, MySQL и SQLite.

2. Без поддержки SQL. Например, в MongoDB используется JavaScript, в Redis — Lua, а в Neo4j применяется Cypher. Также есть базы, которые используют для обработки запросов Python или C++.

По структуре и организации данных

Рассмотрим основные виды систем управления базами данных по структуре и организации данных. Среди них есть:

• Реляционные. Сохраняют данные в виде таблиц, в которых строки — это объекты, а столбцы описывают свойства этих объектов. У каждой строки есть уникальный номер, который связывает данные из разных таблиц. Примеры таких систем: PostgreSQL, SQLite.

• Ключ-значение. Работают как словарь: каждой записи присваивают уникальный ключ, с которым связано конкретное значение. Примеры: Redis, Memcached.

• Документные. Эти СУБД называются так, потому что хранят данные в виде документов с текстом в формате JSON или XML. Примеры: MongoDB, CouchDB.

• Графовые. Используются для хранения объектов и их связей: например, в социальных сетях. Информация в них представляется в виде графов — узлов, которые показывают объекты, а линии между ними обозначают связи. Примеры: Neo4j, OrientDB.

• Колоночные. Организуют данные по столбцам, а не по строкам. Такой подход ускоряет выполнение запросов и уменьшает объем данных, которые нужно хранить. Такие СУБД часто применяют для анализа больших данных. Например: столбцовая база данных с открытым исходным кодом ClickHouse.

Согласно системе рейтинга Red9, которая оценивает популярность СУБД по всему миру, в 2024 году в тройку лидеров вошли Oracle, MySQL, MongoDB. А по данным издания DB-Engines места в первой тройке заняли Oracle, MySQL и Microsoft SQL Server. Рассмотрим эти и еще некоторые популярные системы из первой десятки рейтингов.

MySQL

MySQL — это бесплатная СУБД, созданная компанией Oracle. Она часто используется для создания сайтов, интернет-магазинов и блогов. Поддерживает как текстовый, так и графический интерфейс, а потому подходит даже новичкам в работе с БД.

Эта система поддерживает разные типы таблиц, в которых можно хранить миллионы единиц данных. А еще она позволяет одновременно работать в ней большому числу пользователей , используя продуманные механизмы аутентификации, шифрования данных и разграничения прав доступа.

PostgreSQL

Бесплатная программа с возможностью гибкой настройки PostgreSQL использует язык SQL, а для более сложных задач поддерживает дополнительные расширения: PL/Perl, PL/Python и PL/Java.

PostgreSQL не ограничивает объем добавляемых в нее данных и количество записей. Она поддерживает высокий уровень безопасности с помощью разнообразных алгоритмов шифрования, гибких настроек прав доступа и аутентификации. А еще в нее можно добавлять свои функции и модули.

Microsoft SQL Server

Microsoft SQL Server — это база данных от Microsoft, которая работает на операционных системах Windows и Linux. Ее основной язык  Transact-SQL (T-SQL) дополняет стандартный SQL новыми возможностями.

У SQL Server  много полезных функций для бизнеса. С ее помощью можно настраивать работу с данными, создавать базы знаний и легко удалять лишнюю информацию. В системе есть инструменты для управления, анализа данных и создания отчетов. Простой интерфейс и автоматические настройки также упрощают использование этой СУБД.

Основной недостаток SQL Server — высокий порог вхождения. Чтобы правильно настроить в ней производительность и оптимизировать запросы, нужен немалый опыт работы с базами данных.

Oracle Database

Объектно-реляционную базу данных Oracle DB можно использовать бесплатно с определенными условиями: она распространяется под проприетарной лицензией, то есть с авторскими правами и ограничениями на использование. Кроме стандартного SQL, она поддерживает PL/SQL и язык Java.

Oracle DB работает по модели клиент-сервер: данные в ней хранятся на сервере, а пользователи обращаются к ним через специальные программы. Такой подход делает обработку запросов быстрой и разгружает клиентские устройства, но требует мощного сервера для стабильной работы.

SQLite

Эта быстрая и легкая встраиваемая СУБД на языке C, которая работает без отдельного сервера. При ее использовании вся информация хранится в одном файле на устройстве и доступна напрямую через встроенные библиотеки — это позволяет мгновенно выполнять запросы.

Есть у SQLite и недостатки: например, в ней нельзя настроить права доступа для разных пользователей. Это значит, что все, кто работает с базой, имеют одинаковые права. А еще SQLite не подходит для больших проектов из-за ограничений по производительности.

MongoDB

Бесплатная система управления базами данных с открытым кодом MongoDB вместо таблиц для хранения информации использует JSON-документы. Ее легко подключать к другим базам, а удобные встроенные инструменты — например, API и MongoDB Compass — упрощают работу с большими объемами данных. Благодаря этому MongoDB популярна среди крупных компаний.

Впрочем, несмотря на то, что MongoDB быстро обрабатывает большие данные, она слабо защищает их. А потому использовать ее для работы с особо ценной информацией лучше с осторожностью. 

Redis

Redis — это бесплатная база данных, где информация хранится в виде пар «ключ-значение» с разной структурой: списков, наборов и хэшей.

Главное преимущество Redis — это скорость. Эта СУБД способна записать до 1 ГБ данных всего за несколько миллисекунд, что делает ее одной из самых быстрых среди подобных систем. 

Redis легко перемещает строки, списки, хэши, множества. Но с другими форматами могут возникать трудности. Например, нередки проблемы с преобразованием данных, отсутствием поддержки некоторых структур или потерей связей между данными. 

Сегодня СУБД использует каждая вторая компания. Эти системы помогают бизнесу обрабатывать большие объемы информации и решать множество задач, в числе которых:

• Веб-разработка и хранение данных. СУБД — это основа большинства веб-сервисов. Например, интернет-магазины используют их для хранения информации о товарах, клиентах и заказах, а социальные сети — для данных о профилях пользователей, сообщений и действий.

• Анализ данных и прогнозы. С помощью систем управления базами данных ритейлеры изучают, что покупают их клиенты, чтобы в дальнейшем рекомендовать подходящие товары. А банки проверяют информацию о клиентах, чтобы оценить их платежеспособность.

• Управление бизнесом. СУБД лежат в основе систем ведения бизнеса — ERP и CRM. С их помощью компании управляют финансами, планируют поставки и работают с клиентами. Например, в логистике такие базы упрощают контроль маршрутов доставки, а на производстве — помогают следить за запасами и сырьем. 

Совет 1

Определиться с типом проекта. Для небольших личных проектов, для реализации которых высокая скорость не так важна, подойдут бесплатные или встраиваемые СУБД, например, SQLite или MySQL. Для коммерческих проектов, где необходимы надежность, безопасность и возможность работы с большими объемами данных, лучше выбрать более мощное решение, например, PostgreSQL.

Совет 2

Понять, какой тип данных собираетесь хранить. Это может быть текст, изображения, видео или что-то другое. Например, MongoDB хорошо справляется с документами и большими наборами JSON-документов, а PostgreSQL — с текстом и структурированной информацией.

Совет 3

Учесть объем данных. У каждой системы есть свои ограничения по размеру таблиц или файлов. Например, SQLite подходит для небольших баз, а MySQL — для массивов побольше.

Совет 4

Решить, как будет организован доступ к базе данных. Если система будет работать через сеть, лучше выбрать серверную СУБД, например, MySQL или PostgreSQL. Для локального использования, где доступ нужен только с одного устройства, подойдут файловые решения, например, SQLite.

Совет 5

Спрогнозировать нагрузку на систему. Подумайте, сколько пользователей будут одновременно работать с базой данных. Убедитесь, что выбранная СУБД сможет справиться с таким количеством запросов. Например, MySQL и PostgreSQL хорошо подходят для небольших и средних нагрузок — от десятков до нескольких сотен пользователей. А Microsoft SQL Server выдерживают работу с тысячами пользователей одновременно.

Совет 6

Решить, сможете ли вы сами поддерживать СУБД. Если да, то подойдут популярные решения MySQL или PostgreSQL. Если поддержкой заниматься некому, лучше выбрать облачную СУБД с администрированием от провайдера: например, одну из систем в облаке Cloud.ru. 

Совет 7

Учесть возможности масштабирования. Стоит выбирать такую СУБД, которая сможет расти вместе с вашим проектом. Например, MongoDB и PostgreSQL позволяют легко добавлять новые серверы и без проблем справляются с увеличением объема данных.

Совет 8

Не забыть про безопасность. Проверьте, поддерживает ли система шифрование и другие способы защиты данных. Если данные критически важны, убедитесь, что СУБД может оперативно восстанавливать данные после сбоев.

С помощью СУБД можно просто и эффективно управлять базами данных, добавляя и удаляя в них компоненты. А еще предоставлять к ним распределенный доступ, чтобы разным группам пользователей были доступны разные объемы данных и операции с ними. 

Есть множество разных типов и классификаций СУБД, но для работы с облачными базами данных важно выбрать такую, которая лучше подойдет для конкретного проекта: в некоторых случаях верным решением будет аренда PostgreSQL, в других —  MySQL, в третьих — MongoDB или Redis. Так или иначе, при работе в облаке можно хранить данные и управлять ими онлайн без необходимости устанавливать и поддерживать собственный сервер.