تصميم قواعد البيانات

في أغلب الحالات، يكون الشخص الذي يصمم قاعدة البيانات شخصًا ذا خبرة في تصميم قواعد البيانات، وليس ذا خبرة في المجال الذي تُستمد منه البيانات المراد تخزينها، مثل المعلومات المالية أو المعلومات البيولوجية، وما إلى ذلك. لذلك، يجب تحديد البيانات المراد تخزينها في قاعدة بيانات معينة بالتعاون مع شخص لديه خبرة في ذلك المجال، ويكون على دراية بمعنى البيانات المراد تخزينها داخل النظام.

تُعتبر هذه العملية جزءًا من تحليل المتطلبات ، وتتطلب مهارة من مصمم قواعد البيانات لاستخلاص المعلومات اللازمة من ذوي المعرفة المتخصصة في المجال . ويرجع ذلك إلى أن هؤلاء غالبًا ما يعجزون عن التعبير بوضوح عن متطلبات النظام لقاعدة البيانات، لعدم اعتيادهم على التفكير من منظور عناصر البيانات المنفصلة التي يجب تخزينها. ويمكن تحديد البيانات المراد تخزينها من خلال مواصفات المتطلبات. ^{[ 2 ]}

بمجرد أن يُدرك مصمم قاعدة البيانات البيانات المراد تخزينها، عليه تحديد مواضع التبعية بينها. أحيانًا، عند تغيير البيانات، قد تتغير بيانات أخرى غير مرئية. على سبيل المثال، في قائمة أسماء وعناوين، بافتراض أن عدة أشخاص قد يتشاركون نفس العنوان، ولكن لا يمكن لشخص واحد أن يتشارك أكثر من عنوان، فإن العنوان يعتمد على الاسم. عند توفر اسم وقائمة، يمكن تحديد العنوان بشكل فريد؛ إلا أن العكس غير صحيح - عند توفر عنوان وقائمة، لا يمكن تحديد اسم بشكل فريد لأن عدة أشخاص قد يسكنون في نفس العنوان. ولأن العنوان يعتمد على الاسم، يُعتبر العنوان تابعًا له.

(ملاحظة: من المفاهيم الخاطئة الشائعة أن النموذج العلائقي سمي بهذا الاسم بسبب ذكر العلاقات بين عناصر البيانات فيه. هذا غير صحيح. النموذج العلائقي سمي بهذا الاسم لأنه يستند إلى الهياكل الرياضية المعروفة باسم العلاقات .)

يمكن صياغة المعلومات التي تم الحصول عليها في رسم تخطيطي أو مخطط. في هذه المرحلة، يكون مخططًا مفاهيميًا .

مخطط العلاقات بين الكيانات (ER)

تُعد مخططات ER ( نموذج الكيانات والعلاقات ) من أكثر أنواع المخططات المفاهيمية شيوعًا .

عادةً ما يتم نمذجة السمات في مخططات الكيانات والعلاقات على شكل شكل بيضاوي مع اسم السمة، المرتبط بالكيان أو العلاقة التي تحتوي على السمة.

تُستخدم نماذج الكيانات والعلاقات بشكل شائع في تصميم نظم المعلومات؛ على سبيل المثال، تُستخدم لوصف متطلبات المعلومات و/أو أنواع المعلومات التي سيتم تخزينها في قاعدة البيانات خلال مرحلة تصميم الهيكل المفاهيمي. ^{[ 3 ]}

في مجال تصميم قواعد البيانات العلائقية ، يعتبر التطبيع طريقة منهجية لضمان أن يكون هيكل قاعدة البيانات مناسبًا للاستعلام العام وخاليًا من بعض الخصائص غير المرغوب فيها - مثل حالات الشذوذ في الإدخال والتحديث والحذف التي يمكن أن تؤدي إلى فقدان سلامة البيانات .

من المبادئ التوجيهية الأساسية لتصميم قواعد البيانات أن يقوم المصمم بإنشاء تصميم مُنمذج بالكامل؛ ويمكن إجراء إلغاء التطبيع الانتقائي لاحقًا، ولكن فقط لأسباب تتعلق بالأداء . ^{[ 4 ]} يكمن التوازن بين مساحة التخزين والأداء. فكلما كان التصميم أكثر تطبيعًا، قلّ تكرار البيانات (وبالتالي، يشغل مساحة تخزين أقل)، إلا أن أنماط استرجاع البيانات الشائعة قد تتطلب الآن عمليات ربط ودمج وفرز معقدة - مما يستهلك المزيد من عمليات قراءة البيانات ودورات المعالجة. توصي بعض مناهج النمذجة، مثل منهج النمذجة البُعدية لتصميم مستودعات البيانات ، صراحةً بتصاميم غير مُنمذجة، أي تصاميم لا تلتزم إلى حد كبير بالنموذج الثالث للتطبيع (3NF ). يتكون التطبيع من نماذج طبيعية هي: النموذج الأول للتطبيع (1NF )، والنموذج الثاني للتطبيع ( 2NF ) ، والنموذج الثالث للتطبيع ( 3NF)، ونموذج بويس-كود للتطبيع (3.5NF) ، والنموذج الرابع للتطبيع (4NF)، والنموذج الخامس للتطبيع ( 5NF ) ، والنموذج السادس للتطبيع (6NF) .

تتبنى قواعد بيانات المستندات نهجًا مختلفًا. فالمستند المخزن في مثل هذه القواعد، عادةً ما يحتوي على أكثر من وحدة بيانات مُنظَّمة، وغالبًا ما يحتوي أيضًا على العلاقات بين هذه الوحدات. إذا تم استرجاع جميع وحدات البيانات والعلاقات المعنية معًا، فإن هذا النهج يُحسِّن عدد عمليات الاسترجاع. كما يُبسِّط عملية نسخ البيانات، لوجود وحدة بيانات واضحة المعالم ومُتكاملة ذاتيًا. ومن الاعتبارات الأخرى أن قراءة وكتابة مستند واحد في مثل هذه القواعد تتطلب معاملة واحدة، وهو ما يُعدّ عاملًا مهمًا في بنية الخدمات المصغرة . في مثل هذه الحالات، غالبًا ما يتم استرجاع أجزاء من المستند من خدمات أخرى عبر واجهة برمجة التطبيقات (API) وتخزينها محليًا لأسباب تتعلق بالكفاءة. إذا تم توزيع وحدات البيانات على الخدمات، فقد تتطلب عملية القراءة (أو الكتابة) لدعم مُستهلك الخدمة أكثر من استدعاء خدمة، مما قد يؤدي إلى إدارة معاملات متعددة، وهو أمر غير مرغوب فيه.

يحدد التصميم المادي لقاعدة البيانات التكوين المادي لقاعدة البيانات على وسائط التخزين. ويشمل ذلك تحديدًا تفصيليًا لعناصر البيانات وأنواعها .

تتضمن هذه الخطوة تحديد خيارات الفهرسة والمعلمات الأخرى الموجودة في قاموس بيانات نظام إدارة قواعد البيانات . وهي التصميم التفصيلي للنظام الذي يشمل الوحدات النمطية ومواصفات الأجهزة والبرامج الخاصة بقاعدة البيانات. ومن بين الجوانب التي تُعالج على مستوى الطبقة المادية:

• الأداء – يتم معالجته بشكل أساسي من خلال الفهرسة لاستعلامات القراءة/التحديث/الحذف، واختيار نوع البيانات لاستعلامات الإدراج
• النسخ المتماثل - ما هي أجزاء البيانات التي يتم نسخها إلى قاعدة بيانات أخرى، وكم مرة يتم ذلك؟ هل هناك نسخ رئيسية متعددة، أم نسخة رئيسية واحدة؟
• التوافر العالي - سواء كان التكوين نشطًا-سلبيًا أو نشطًا-نشطًا، يجب تحديد كل من الطوبولوجيا ونظام التنسيق وأهداف الموثوقية وما إلى ذلك.
• التقسيم - إذا كانت قاعدة البيانات موزعة، فكيف يتم توزيع البيانات بين جميع أقسام قاعدة البيانات بالنسبة لكيان واحد، وكيف يتم أخذ فشل القسم في الاعتبار.
• خطط النسخ الاحتياطي والاستعادة.

على مستوى التطبيق، يمكن أن تشمل الجوانب الأخرى للتصميم المادي الحاجة إلى تحديد الإجراءات المخزنة، أو طرق عرض الاستعلام المادية، ومكعبات OLAP ، وما إلى ذلك.