پایگاه داده رابطه‌ای چیست؟

به عنوان مثال، در یک پایگاه داده مربوط به اطلاعات دانشجویان، جدولی به نام "دانشجو" می‌تواند شامل ستون‌هایی مانند "شماره دانشجویی"، "نام"، "نام خانوادگی"، "رشته تحصیلی" و ... باشد که هر سطر از این جدول، اطلاعات مربوط به یک دانشجوی خاص را نشان می‌دهد. ارتباط بین جداول از طریق کلیدهای خارجی برقرار می‌شود. کلید خارجی در یک جدول، به ستونی در جدول دیگر اشاره می‌کند که معمولاً کلید اصلی آن جدول است. به عنوان مثال، در جدول "دانشجو" می‌توان ستونی به نام "کد دانشکده" داشته باشیم که به ستونی با همین نام در جدول "دانشکده" اشاره می‌کند. این ارتباط نشان می‌دهد که هر دانشجو به کدام دانشکده تعلق دارد. پایگاه داده‌های رابطه‌ای به دلیل ساختار منظم و قابلیت انعطاف‌پذیری بالا، کاربردهای گسترده‌ای در سیستم‌های اطلاعاتی مختلف دارند و از جمله پرکاربردترین انواع پایگاه‌های داده محسوب می‌شوند.

تاریخچه سیستم‌های مدیریت پایگاه داده رابطه‌ای

تاریخچه سیستم‌های مدیریت پایگاه داده رابطه‌ای (RDBMS) به دهه ۱۹۷۰ برمی‌گردد، زمانی که ادگار کاد، دانشمند کامپیوتر در IBM، مدل رابطه‌ای داده‌ها را معرفی کرد. این مدل، روشی نوین برای سازماندهی و مدیریت داده‌ها ارائه می‌کرد که بر اساس نظریه مجموعه‌ها و روابط ریاضی بنا شده بود. کاد در مقاله خود با عنوان "مدل رابطه‌ای داده برای بانک‌های داده اشتراکی بزرگ" اصول اولیه این مدل را تشریح کرد و آن را به عنوان راهکاری برای غلبه بر محدودیت‌های مدل‌های داده‌ای قبلی، مانند مدل سلسله مراتبی و مدل شبکه‌ای، پیشنهاد داد. در سال ۱۹۷۴، IBM شروع به توسعه پروژه تحقیقاتی System R کرد که هدف آن، ایجاد یک نمونه اولیه از RDBMS بود. این پروژه، نقش مهمی در توسعه و تجاری‌سازی RDBMSها ایفا کرد و بسیاری از مفاهیم و تکنیک‌های مورد استفاده در RDBMSهای امروزی، از جمله زبان SQL، در این پروژه توسعه یافتند. اولین RDBMS تجاری با نام Oracle در سال ۱۹۷۹ توسط شرکت Relational Software (که بعدها به Oracle Corporation تغییر نام داد) به بازار عرضه شد. این محصول، به سرعت مورد توجه شرکت‌ها و سازمان‌های بزرگ قرار گرفت و به یکی از پرکاربردترین RDBMSها در جهان تبدیل شد. در دهه‌های ۱۹۸۰ و ۱۹۹۰، RDBMSها به طور گسترده‌ای در سیستم‌های اطلاعاتی مختلف مورد استفاده قرار گرفتند و به تدریج جایگزین مدل‌های داده‌ای قدیمی‌تر شدند. در این دوره، شرکت‌های دیگری مانند IBM، Microsoft و Sybase نیز RDBMSهای خود را به بازار عرضه کردند که رقابت بین آنها، منجر به بهبود کیفیت و افزایش قابلیت‌های این سیستم‌ها شد. امروزه، RDBMSها همچنان یکی از پرکاربردترین انواع پایگاه داده در جهان هستند و در بسیاری از سیستم‌های اطلاعاتی، از جمله سیستم‌های مدیریت ارتباط با مشتری (CRM)، سیستم‌های برنامه‌ریزی منابع سازمان (ERP) و سیستم‌های مدیریت پایگاه داده وب، مورد استفاده قرار می‌گیرند.

مفاهیم پرکاربرد در سیستم پایگاه داده رابطه‌ای

در سیستم پایگاه داده رابطه‌ای، مفاهیم متعددی وجود دارد که درک آنها برای کار با این سیستم‌ها ضروری است. یکی از این مفاهیم، موجودیت (Entity) است که به هر شیء یا مفهومی اطلاق می‌شود که داده‌های آن در پایگاه داده ذخیره می‌شود. برای مثال، در یک پایگاه داده مربوط به اطلاعات دانشجویان، هر دانشجو یک موجودیت محسوب می‌شود. هر موجودیت دارای مجموعه‌ای از ویژگی‌ها (Attribute) است که خصوصیات آن موجودیت را توصیف می‌کنند. برای مثال، ویژگی‌های یک دانشجو می‌تواند شامل نام، نام خانوادگی، شماره دانشجویی، رشته تحصیلی و ... باشد. داده‌های مربوط به هر موجودیت در قالب یک رکورد (Record) یا سطر در یک جدول ذخیره می‌شود. هر جدول شامل مجموعه‌ای از رکوردها است که هر رکورد نشان‌دهنده یک نمونه خاص از آن موجودیت است. به عنوان مثال، در جدول "دانشجو"، هر سطر اطلاعات مربوط به یک دانشجوی خاص را نشان می‌دهد. هر جدول همچنین شامل مجموعه‌ای از ستون‌ها (Column) است که هر ستون نشان‌دهنده یک ویژگی خاص از موجودیت‌ها است. به عنوان مثال، در جدول "دانشجو"، ستون "نام" نشان‌دهنده ویژگی نام دانشجویان است.

ارتباط بین جداول در پایگاه داده رابطه‌ای از طریق کلیدهای خارجی (Foreign Key) برقرار می‌شود. کلید خارجی در یک جدول، به ستونی در جدول دیگر اشاره می‌کند که معمولاً کلید اصلی آن جدول است. این ارتباط نشان می‌دهد که بین موجودیت‌های دو جدول، رابطه خاصی وجود دارد. به عنوان مثال، در جدول "دانشجو" می‌توان ستونی به نام "کد دانشکده" داشته باشیم که به ستونی با همین نام در جدول "دانشکده" اشاره می‌کند. این ارتباط نشان می‌دهد که هر دانشجو به کدام دانشکده تعلق دارد. یکی دیگر از مفاهیم مهم در پایگاه داده رابطه‌ای، نرمال‌سازی (Normalization) است. نرمال‌سازی فرآیندی است که طی آن، ساختار پایگاه داده به گونه‌ای طراحی می‌شود که از تکرار داده‌ها و بروز ناهنجاری‌ها جلوگیری شود. نرمال‌سازی با استفاده از قواعد و اصول خاصی انجام می‌شود و به بهبود کیفیت و کارایی پایگاه داده کمک می‌کند. زبان SQL سرنام (Structured Query Language) زبان استاندارد برای کار با پایگاه داده‌های رابطه‌ای است. از SQL برای ایجاد جداول، درج، ویرایش و حذف داده‌ها، جستجوی داده‌ها و انجام سایر عملیات روی پایگاه داده استفاده می‌شود. اینها تنها برخی از مفاهیم پرکاربرد در سیستم پایگاه داده رابطه‌ای هستند. آشنایی با این مفاهیم برای کار با این سیستم‌ها و طراحی و مدیریت پایگاه داده‌های کارآمد ضروری است.

جداول (Tables)

در دنیای پایگاه‌های داده رابطه‌ای، جداول نقش اساسی و حیاتی را ایفا می‌کنند. جداول، ساختارهای اصلی برای ذخیره‌سازی داده‌ها در این نوع پایگاه‌های داده هستند و به صورت مجموعه‌ای از سطرها و ستون‌ها سازماندهی می‌شوند. هر سطر در جدول، نشان‌دهنده یک رکورد یا موجودیت خاص است، در حالی که هر ستون، نشان‌دهنده یک ویژگی یا خصوصیت از آن موجودیت می‌باشد. به عنوان مثال، در یک پایگاه داده مربوط به اطلاعات دانشجویان، جدولی به نام "دانشجو" می‌تواند شامل ستون‌هایی مانند "شماره دانشجویی"، "نام"، "نام خانوادگی"، "رشته تحصیلی" و ... باشد که هر سطر از این جدول، اطلاعات مربوط به یک دانشجوی خاص را نشان می‌دهد. جداول نه تنها برای ذخیره‌سازی داده‌ها استفاده می‌شوند، بلکه برای ایجاد ارتباط بین داده‌ها نیز کاربرد دارند. ارتباط بین جداول از طریق کلیدهای خارجی برقرار می‌شود. کلید خارجی در یک جدول، به ستونی در جدول دیگر اشاره می‌کند که معمولاً کلید اصلی آن جدول است. این ارتباط نشان می‌دهد که بین موجودیت‌های دو جدول، رابطه خاصی وجود دارد. برای مثال، در جدول "دانشجو" می‌توان ستونی به نام "کد دانشکده" داشته باشیم که به ستونی با همین نام در جدول "دانشکده" اشاره می‌کند. این ارتباط نشان می‌دهد که هر دانشجو به کدام دانشکده تعلق دارد. جداول در پایگاه‌های داده رابطه‌ای، نقش مهمی در سازماندهی، مدیریت و بازیابی داده‌ها ایفا می‌کنند و به کاربران امکان می‌دهند تا به راحتی اطلاعات مورد نیاز خود را جستجو و بازیابی کنند.

کلید اصلی (Primary Key)

در دنیای پایگاه داده‌های رابطه‌ای، کلید اصلی (Primary Key) نقش بسیار مهمی در شناسایی و مدیریت داده‌ها ایفا می‌کند. کلید اصلی، یک یا چند ستون از یک جدول است که به صورت منحصر به فرد هر سطر (رکورد) را در آن جدول مشخص می‌کند. به عبارت دیگر، هیچ دو سطری در یک جدول نمی‌توانند مقدار یکسانی در ستون یا ستون‌های کلید اصلی داشته باشند. این ویژگی منحصر به فرد بودن، کلید اصلی را به ابزاری قدرتمند برای جستجو، مرتب‌سازی و دستکاری داده‌ها تبدیل می‌کند. کلید اصلی نه تنها برای شناسایی رکوردها استفاده می‌شود، بلکه به عنوان مرجعی برای ارتباط بین جداول نیز کاربرد دارد. هنگامی که یک ستون در یک جدول دیگر به عنوان کلید خارجی (Foreign Key) تعریف می‌شود، این ستون در واقع به کلید اصلی یک جدول دیگر اشاره می‌کند. این ارتباط بین جداول، امکان ایجاد روابط پیچیده بین داده‌ها را فراهم می‌کند و به کاربران اجازه می‌دهد تا به راحتی اطلاعات مرتبط را از جداول مختلف بازیابی کنند. علاوه بر این، کلید اصلی نقش مهمی در تضمین یکپارچگی داده‌ها ایفا می‌کند. با تعریف یک کلید اصلی برای هر جدول، از ورود داده‌های تکراری و ناسازگار جلوگیری می‌شود و از صحت و دقت اطلاعات موجود در پایگاه داده اطمینان حاصل می‌شود. در انتخاب کلید اصلی برای یک جدول، باید به چند نکته مهم توجه کرد. اول اینکه، کلید اصلی باید منحصر به فرد باشد و هیچ دو سطری نباید مقدار یکسانی در آن داشته باشند. دوم اینکه، کلید اصلی نباید خالی (NULL) باشد، زیرا در این صورت نمی‌تواند به درستی رکوردها را شناسایی کند. سوم اینکه، بهتر است کلید اصلی تا حد امکان کوتاه و ساده باشد تا جستجوی داده‌ها سریع‌تر و کارآمدتر انجام شود.

کلید خارجی (Foreign Key)

در دنیای پایگاه داده‌های رابطه‌ای، کلید خارجی (Foreign Key) نقش بسیار مهمی در ایجاد و مدیریت ارتباط بین جداول ایفا می‌کند. کلید خارجی، یک یا چند ستون در یک جدول است که به کلید اصلی (Primary Key) یک جدول دیگر اشاره می‌کند. به عبارت دیگر، کلید خارجی به عنوان پلی بین دو جدول عمل می‌کند و امکان برقراری ارتباط و تبادل اطلاعات بین آنها را فراهم می‌کند. هنگامی که یک ستون در یک جدول به عنوان کلید خارجی تعریف می‌شود، این ستون در واقع به کلید اصلی یک جدول دیگر اشاره می‌کند. این ارتباط نشان می‌دهد که بین رکوردهای دو جدول، رابطه خاصی وجود دارد. به عنوان مثال، در یک پایگاه داده مربوط به اطلاعات دانشجویان و دانشکده‌ها، جدولی به نام "دانشجو" می‌تواند شامل ستونی به نام "کد دانشکده" باشد که به ستونی با همین نام (کلید اصلی) در جدول "دانشکده" اشاره می‌کند. این ارتباط نشان می‌دهد که هر دانشجو به کدام دانشکده تعلق دارد. کلید خارجی نه تنها برای ایجاد ارتباط بین جداول استفاده می‌شود، بلکه نقش مهمی در تضمین یکپارچگی داده‌ها نیز ایفا می‌کند. با تعریف یک کلید خارجی، از ورود داده‌های ناسازگار و نامعتبر جلوگیری می‌شود. به عنوان مثال، در مثال بالا، نمی‌توان در جدول "دانشجو" کد دانشکده‌ای را وارد کرد که در جدول "دانشکده" وجود ندارد. این امر از ورود داده‌های نادرست و ایجاد مشکل در بازیابی و تحلیل اطلاعات جلوگیری می‌کند. در تعریف کلید خارجی، باید به چند نکته مهم توجه کرد. اول اینکه، ستون یا ستون‌های کلید خارجی باید با نوع داده و تعداد ستون‌های کلید اصلی جدول مرجع مطابقت داشته باشند. دوم اینکه، مقدار کلید خارجی می‌تواند خالی (NULL) باشد، اما در صورتی که مقدار آن غیر NULL باشد، باید حتماً در جدول مرجع وجود داشته باشد.

روابط  (Relationships)

در پایگاه‌های داده رابطه‌ای، روابط نحوه ارتباط بین داده‌های ذخیره شده در جداول مختلف را تعریف می‌کنند. این روابط به ما کمک می‌کنند تا داده‌های مرتبط را از جداول مختلف بازیابی و ترکیب کنیم. سه نوع رابطه اصلی بین جداول وجود دارد: رابطه یک به یک، رابطه یک به چند و رابطه چند به چند. در رابطه یک به یک، هر رکورد در یک جدول دقیقاً با یک رکورد در جدول دیگر مرتبط است. در رابطه یک به چند، هر رکورد در یک جدول می‌تواند با چندین رکورد در جدول دیگر مرتبط باشد، اما هر رکورد در جدول دوم فقط می‌تواند با یک رکورد در جدول اول مرتبط باشد. در رابطه چند به چند، هر رکورد در یک جدول می‌تواند با چندین رکورد در جدول دیگر مرتبط باشد و برعکس. روابط بین جداول از طریق کلیدهای خارجی تعریف می‌شوند. کلید خارجی در یک جدول، به کلید اصلی یک جدول دیگر اشاره می‌کند و بدین ترتیب ارتباط بین رکوردها را برقرار می‌کند. درک و مدیریت روابط بین جداول، یکی از جنبه‌های کلیدی طراحی و استفاده از پایگاه‌های داده رابطه‌ای است و به ما کمک می‌کند تا داده‌های مرتبط را به طور مؤثر ذخیره و بازیابی کنیم.

نرمال‌سازی (Normalization)

نرمال‌سازی (Normalization) فرآیندی است که طی آن، ساختار پایگاه داده به گونه‌ای طراحی می‌شود که از تکرار داده‌ها و بروز ناهنجاری‌ها جلوگیری شود. هدف اصلی از نرمال‌سازی، کاهش افزونگی داده‌ها، افزایش یکپارچگی داده‌ها و بهبود کارایی پایگاه داده است. این فرآیند با استفاده از قواعد و اصول خاصی انجام می‌شود و شامل تجزیه جداول به جداول کوچکتر و مرتبط است. هر سطح از نرمال‌سازی (فرم‌های نرمال) دارای قوانین خاصی است که باید رعایت شوند. با انجام نرمال‌سازی، از بروز مشکلاتی مانند درج، حذف و به‌روزرسانی داده‌ها به صورت نادرست جلوگیری می‌شود و از صحت و دقت اطلاعات موجود در پایگاه داده اطمینان حاصل می‌شود.

ایندکس‌ها (Indexes)

در پایگاه‌های داده، ایندکس‌ها (Indexes) ساختارهایی هستند که به منظور افزایش سرعت جستجو و بازیابی اطلاعات در جداول ایجاد می‌شوند. ایندکس‌ها مانند فهرست کتاب عمل می‌کنند؛ به جای اینکه پایگاه داده کل جدول را برای یافتن داده‌های مورد نظر جستجو کند، از ایندکس استفاده می‌کند تا به سرعت به محل دقیق داده‌ها در جدول برسد. ایندکس‌ها می‌توانند بر روی یک یا چند ستون از جدول ایجاد شوند و بر اساس مقادیر آن ستون‌ها مرتب می‌شوند. هنگامی که یک query اجرا می‌شود، پایگاه داده ابتدا ایندکس را بررسی می‌کند و سپس با استفاده از اطلاعات موجود در آن، به سرعت داده‌های مورد نظر را پیدا می‌کند. این کار باعث کاهش زمان پاسخگویی به queryها و افزایش کارایی پایگاه داده می‌شود. با این حال، ایجاد ایندکس‌ها نیازمند فضای ذخیره‌سازی اضافی است و ممکن است سرعت درج و به‌روزرسانی داده‌ها را کمی کاهش دهد. بنابراین، در انتخاب ستون‌هایی که باید بر روی آنها ایندکس ایجاد شود، باید دقت کافی به عمل آید.

قیود (Constraints)

در پایگاه‌های داده، قیود (Constraints) قوانینی هستند که بر روی داده‌های ذخیره شده در جداول اعمال می‌شوند و از صحت و یکپارچگی داده‌ها اطمینان حاصل می‌کنند. قیود به پایگاه داده کمک می‌کنند تا از ورود داده‌های نامعتبر و ناسازگار جلوگیری کند و از صحت اطلاعات موجود در جداول اطمینان حاصل شود. به عنوان مثال، می‌توان یک قید را بر روی یک ستون تعریف کرد که فقط اعداد مثبت را قبول کند یا از ورود داده‌های تکراری در یک ستون خاص جلوگیری کند. قیود انواع مختلفی دارند که هر کدام برای منظور خاصی استفاده می‌شوند. برخی از رایج‌ترین انواع قیود عبارتند از: قیدNOT NULL که از خالی بودن یک ستون جلوگیری می‌کند، قید UNIQUE که از تکراری بودن داده‌ها در یک ستون جلوگیری می‌کند، قید PRIMARY KEY که به عنوان کلید اصلی برای شناسایی منحصر به فرد هر رکورد در جدول استفاده می‌شود، قید FOREIGN KEY که برای ایجاد ارتباط بین جداول استفاده می‌شود و قید CHECK که یک شرط خاص را برای داده‌های ورودی بررسی می‌کند. استفاده از قیود در پایگاه‌های داده، از اهمیت بالایی برخوردار است و به بهبود کیفیت و کارایی پایگاه داده کمک می‌کند.

نماها (Views)

در دنیای پایگاه داده‌ها، نماها (Views) به عنوان ابزاری قدرتمند برای ساده‌سازی پرس و جوها، افزایش امنیت و بهبود عملکرد پایگاه داده مورد استفاده قرار می‌گیرند. نما در واقع یک جدول مجازی است که از نتیجه یک پرس و جوی SQL ساخته می‌شود. این جدول مجازی هیچ داده‌ای را به صورت فیزیکی ذخیره نمی‌کند، بلکه صرفاً تعریف یک پرس و جو است که می‌تواند بر روی داده‌های جداول اصلی اجرا شود. نماها می‌توانند به عنوان یک لایه انتزاعی بین کاربران و جداول اصلی عمل کنند و از پیچیدگی پرس و جوها بکاهند. به عنوان مثال، می‌توان یک نما را تعریف کرد که شامل اطلاعات مربوط به مشتریان و سفارشات آنها باشد و کاربران بدون نیاز به نوشتن پرس و جوهای پیچیده، به راحتی به این اطلاعات دسترسی داشته باشند. همچنین، نماها می‌توانند برای محدود کردن دسترسی کاربران به داده‌ها مورد استفاده قرار گیرند. با ایجاد نماهایی که فقط شامل ستون‌ها یا ردیف‌های خاصی از جداول اصلی هستند، می‌توان از دسترسی کاربران به اطلاعات حساس جلوگیری کرد. علاوه بر این، نماها می‌توانند به بهبود عملکرد پایگاه داده کمک کنند. با ذخیره کردن پرس و جوهای پیچیده در قالب نماها، از اجرای مکرر این پرس و جوها جلوگیری می‌شود و در نتیجه سرعت پاسخگویی به پرس و جوها افزایش می‌یابد.