Cơ sở dữ liệu là gì: Thành phần, ứng dụng, phân loại

Từ các ứng dụng di động đến các hệ thống máy chủ phức tạp, cơ sở dữ liệu là nền tảng không thể thiếu để duy trì và phát triển các hệ thống thông tin, với vai trò quan trọng trong việc lưu trữ, quản lý và truy xuất thông tin. Việc hiểu rõ về cơ sở dữ liệu là kiến thức quan trọng không chỉ với lập trình viên, mà còn đối với bất kỳ ai muốn tham gia vào ngành công nghệ thông tin.

Đọc bài viết này để hiểu rõ hơn về:

Cơ sở dữ liệu là gì?
Cách cơ sở dữ liệu hoạt động
Các thành phần của cơ sở dữ liệu

Cơ sở dữ liệu là gì?

Cơ sở dữ liệu (CSDL) là một hệ thống thông tin được tổ chức và lưu trữ trên máy tính, máy chủ hoặc điện toán đám mây nhằm mục đích truy cập, quản lý và cập nhật dữ liệu dễ dàng hơn. Các CSDL có thể đơn giản hoặc phức tạp, tùy thuộc vào cấu trúc và tổ chức của dữ liệu. Chúng lưu trữ đa dạng thông tin như giao dịch bán hàng, thông tin khách hàng, hồ sơ tài chính và thông tin sản phẩm,…

CSDL không chỉ là nơi lưu trữ, duy trì và truy cập mọi loại dữ liệu mà còn thu thập thông tin về người, địa điểm hoặc vật phẩm và tổ chức chúng ở một nơi để quan sát và phân tích. Tóm lại, CSDL có thể được xem như là một tập hợp có tổ chức của thông tin.

Lịch sử phát triển của cơ sở dữ liệu

Khái niệm về CSDL có thể được truy ngược về đầu những năm 1960, khi các nhà khoa học máy tính bắt đầu nghiên cứu cách lưu trữ và tổ chức lượng lớn dữ liệu một cách có cấu trúc.

Một trong những ví dụ đầu tiên là cơ sở dữ liệu do IBM tạo ra vào những năm 1960, được sử dụng để lưu trữ và xử lý dữ liệu từ cuộc điều tra dân số Hoa Kỳ.
Vào những năm 1970, mô hình cơ sở dữ liệu quan hệ (relational database) được giới thiệu, mô hình này tổ chức dữ liệu thành các bảng có thể được liên kết với nhau thông qua việc sử dụng các khóa. Mô hình này đã trở thành cơ sở cho nhiều Database Management Systems (DBMS) được sử dụng ngày nay.
Trong những năm 1980 và 1990, sự phát triển của máy tính cá nhân và sự phát triển của các kiến trúc client-server đã dẫn đến việc sử dụng CSDL rộng rãi trong tổ chức và doanh nghiệp.
Vào những năm 2000, sự phát triển của Internet và sự lan rộng của các ứng dụng web đã dẫn đến việc phát triển các loại cơ sở dữ liệu mới, chẳng hạn như NoSQL được thiết kế để hỗ trợ việc lưu trữ, quản lý lượng lớn dữ liệu phi cấu trúc và thời gian thực.

Ngày nay, CSDL là một phần không thể thiếu của nhiều hệ thống hiện đại và chúng đóng vai trò quan trọng trong một loạt các ứng dụng bao gồm hệ thống tài chính, quản lý quan hệ khách hàng và nhiều ứng dụng khác.

Cơ sở dữ liệu dùng để làm gì?

Cơ sở dữ liệu được sử dụng để:

Lưu trữ và quản lý lượng lớn dữ liệu có cấu trúc và không cấu trúc
Hỗ trợ phân tích dữ liệu
Đảm bảo tính toàn vẹn và bảo mật dữ liệu
Cho phép nhiều người dùng truy cập và cập nhật dữ liệu đồng thời
Tạo điều kiện cho việc kiểm soát truy cập và phân quyền người dùng

Cơ sở dữ liệu được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau bao gồm trong doanh nghiệp, các tổ chức khoa học và chính phủ. Một số ví dụ:

Lưu trữ thông tin khách hàng trong hệ thống quản lý mối quan hệ khách hàng (Customer relationship management)
Lưu trữ các giao dịch tài chính trong hệ thống kế toán
Lưu trữ hàng tồn kho và đơn hàng trong thương mại điện tử
Lưu trữ hồ sơ bệnh nhân trong hệ thống chăm sóc sức khỏe
Lưu trữ hồ sơ học sinh trong các cơ sở giáo dục.

Cơ sở dữ liệu hoạt động thế nào?

Cơ sở dữ liệu cho phép người dùng nhập thông tin theo nhiều cách khác nhau, bao gồm thông qua giao diện người dùng từ các Database Management Systems, nhập liệu tự động từ các nguồn dữ liệu, thông qua API (Application Programming Interface) từ các ứng dụng và dịch vụ khác. Thông tin có thể được nhập dưới dạng bảng, danh sách, văn bản, hình ảnh, video hoặc bất kỳ định dạng nào phù hợp với nhu cầu cụ thể của người dùng.

Sau đó, thông qua một phần mềm, người dùng có thể thao tác với dữ liệu theo ý muốn, tạo ra các mối quan hệ giữa các mảnh thông tin khác nhau. Phần mềm này thường được gọi là Database Management Systems, và nó cung cấp một loạt các công cụ và chức năng để thao tác, truy xuất, cập nhật và quản lý dữ liệu.

Việc tạo ra mối quan hệ giữa các mảnh thông tin cho phép người dùng xác định các mẫu, xu hướng và thông tin quan trọng khác mà họ muốn phân tích hoặc truy xuất. Các mối quan hệ này có thể là các liên kết giữa các bảng dữ liệu trong CSDL, hoặc các quan hệ logic được xác định bằng cách sử dụng các công cụ của DBMS.

Tóm lại, thông qua cơ sở dữ liệu và DBMS, người dùng có khả năng nhập, lưu trữ, xử lý, và tạo ra các mối quan hệ giữa thông tin theo nhiều cách khác nhau, tạo điều kiện thuận tiện cho việc quản lý dữ liệu hiệu quả.

Database management system (DBMS) là gì?

Database Management Systems (DBMS) là một phần mềm toàn diện được thiết kế để quản lý và tổ chức các CSDL. DBMS hoạt động như một giao diện giữa cơ sở dữ liệu và người dùng hoặc các ứng dụng, đóng vai trò như một lớp trung gian chịu trách nhiệm cho việc quản lý, truy cập dữ liệu và cho phép người dùng thực hiện các thao tác như truy xuất, cập nhật, quản lý dữ liệu, cũng như bảo mật thông tin, sao lưu và phục hồi dữ liệu.

Một số ví dụ về Database Management Systems là MySQL, Microsoft Access, Microsoft SQL Server, FileMaker Pro, Oracle Database, PostgreSQL,…

Ngoài ra còn có RDBMS (Relational Database Management System), phiên bản cao hơn của DBMS, được thiết kế để quản lý cơ sở dữ liệu theo mô hình quan hệ (relational database), bao gồm các tính năng như đảm bảo tính toàn vẹn và nhất quán của dữ liệu.

Sự khác biệt của cơ sở dữ liệu và spreadsheet

Cơ sở dữ liệu và spreadsheet (bảng tính) đều là công cụ để lưu trữ và tổ chức dữ liệu, nhưng chúng có một số điểm khác biệt quan trọng.

Khía cạnh	Cơ sở dữ liệu	Bảng tính
Khả năng lưu trữ	Hỗ trợ lưu trữ lượng lớn dữ liệu phức tạp	Thích hợp cho lưu trữ lượng nhỏ dữ liệu và tính toán đơn giản
Khả năng mở rộng	Dễ dàng mở rộng với việc thêm các bảng, liên kết dữ liệu	Thường không dễ mở rộng và hạn chế về kích thước
Khả năng truy vấn, thay đổi	Có khả năng tạo ra các truy vấn phức tạp, cập nhật và xóa dữ liệu	Hạn chế trong việc thao tác dữ liệu, thường chỉ dùng cho nhập liệu và tính toán đơn giản
Bảo mật	Cung cấp tầng bảo mật phức tạp hơn, có thể phân quyền truy cập nhiều hạng mục hơn	Bảo mật thấp hơn và ít linh hoạt trong việc quản lý quyền truy cập
Ứng dụng	Thích hợp cho việc quản lý lượng lớn dữ liệu cần được truy cập bởi nhiều người dùng cùng một lúc	Thích hợp cho việc lưu trữ lượng nhỏ dữ liệu được sử dụng chủ yếu bởi một hoặc ít người dùng.

Các thành phần cơ bản của cơ sở dữ liệu

Phần cứng (Hardware)

Phần cứng đề cập đến các thiết bị vật lý chứa cơ sở dữ liệu bao gồm máy tính, máy chủ, ổ cứng, bộ xử lý và các thiết bị mạng.

Phần mềm (Software)

Phần mềm cung cấp các công cụ trực quan cho người dùng, cho phép tạo, chỉnh sửa và quản lý các tập tin chứa trong cơ sở dữ liệu, giúp người dùng có thể tương tác với cơ sở dữ liệu một cách dễ dàng và hiệu quả hơn.

Ngoài ra, phần mềm cũng bao gồm hệ điều hành và phần mềm mạng (network software) được sử dụng để chia sẻ dữ liệu.

Dữ liệu (Data)

Dữ liệu là thông tin thực sự mà bạn lưu trữ trong cơ sở dữ liệu. Có ba loại dữ liệu bạn có thể lưu trữ:

Cấu trúc (Structured): Dữ liệu có cấu trúc tuân thủ một cấu trúc rõ ràng, được định dạng và dễ dàng tìm kiếm. Ví dụ như tên sản phẩm, giá cả và trọng lượng.
Bán cấu trúc (Semi-structured): Dữ liệu bán cấu trúc không bắt buộc phải tuân thủ một định dạng nghiêm ngặt hoặc một mô hình dữ liệu cụ thể như dữ liệu có cấu trúc. Tuy nhiên, dữ liệu bán cấu trúc vẫn có một số yếu tố cấu trúc như các thẻ (tags) và siêu dữ liệu (metadata). Dữ liệu bán cấu trúc thường được sử dụng trong các ngữ cảnh như dữ liệu web, tài liệu XML, JSON, các bản ghi log, và email.
Phi cấu trúc (Unstructured): Dữ liệu không cấu trúc là dữ liệu không thể dễ dàng sắp xếp hoặc định dạng để phù hợp với các mô hình dữ liệu truyền thống. Điều này đặc biệt đúng với dữ liệu là video, âm thanh và hình ảnh. Các loại dữ liệu này đòi hỏi các giải pháp lưu trữ và xử lý đặc thù hơn so với dữ liệu có cấu trúc và bán cấu trúc. Để quản lý dữ liệu không cấu trúc hiệu quả, các hệ thống cần phải có khả năng xử lý lớn và công nghệ phức tạp.

Ngôn ngữ truy vấn dữ liệu (Data access language)

Ngôn ngữ truy vấn dữ liệu là ngôn ngữ lập trình được sử dụng để truy cập, cập nhật, xóa và truy xuất dữ liệu trong cơ sở dữ liệu. Trong số những ngôn ngữ truy vấn, SQL (Structured Query Language) là ngôn ngữ được sử dụng rộng rãi nhất.

Tuy nhiên, đối với các loại không phải là cơ sở dữ liệu quan hệ, cũng có các ngôn ngữ truy vấn riêng biệt.

Ví dụ, trong NoSQL, có thể sử dụng các ngôn ngữ truy vấn như MongoDB Query Language cho MongoDB, hoặc Cypher cho các hệ quản lý cơ sở dữ liệu đồ thị như Neo4j.

Quy trình (Procedures)

Quy trình là một tập hợp các hướng dẫn và quy tắc sử dụng các phương pháp đã được tiêu chuẩn hóa để thiết kế và vận hành cơ sở dữ liệu, giúp hướng dẫn người sử dụng và quản lý chúng theo các quy trình chuẩn mực.

Sự tương tác giữa các thành phần CSDL.

Các loại cơ sở dữ liệu

Cơ sở dữ liệu quan hệ (Relational Database)

Trong Relational Databases, dữ liệu được tổ chức dưới dạng bảng với các hàng và cột.

Relational Databases cho phép truy cập dữ liệu có cấu trúc một cách linh hoạt và hiệu quả nhất. Một số ví dụ: MySQL, PostgreSQL, SQL Server,…

Cơ sở dữ liệu hướng đối tượng (Object-Oriented Database)

Tương tự như lập trình hướng đối tượng, dữ liệu trong Object-Oriented Database được biểu diễn dưới dạng các đối tượng. Một số ví dụ là db4o, ObjectDB,…

Cơ sở dữ liệu phân tán (Distributed Database)

Distributed Database được tạo thành từ hai hoặc nhiều tệp được phân tán trên nhiều địa điểm.

Distributed Database có thể được phân tán trên nhiều nơi, có thể là một nơi vật lý hoặc được lưu trữ trên nhiều máy tính, cung cấp khả năng mở rộng linh hoạt và tính sẵn sàng cao, đảm bảo dữ liệu vẫn sẵn sàng ngay cả khi một hoặc nhiều nút gặp sự cố.

Ví dụ như Cassandra, MongoDB…

Data Warehouses

Không chỉ lưu trữ dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau, Data Warehouses còn tối ưu hóa cho việc phân tích dữ liệu lớn và truy vấn nhanh chóng, từ đó giúp doanh nghiệp hiểu rõ hơn về xu hướng và mô hình của dữ liệu của họ.

Một số ví dụ về data warehouses là Amazon Redshift, Snowflake…

Cơ sở dữ liệu NoSQL (NoSQL Database)

Khác với cơ sở dữ liệu quan hệ, NoSQL cho phép lưu trữ và xử lý dữ liệu phi cấu trúc hoặc bán có cấu trúc. Đây là một lựa chọn phổ biến cho các ứng dụng trực tuyến phức tạp.

Cơ sở dữ liệu NoSQL bao gồm nhiều loại, mỗi loại phục vụ một mục đích cụ thể. Ví dụ: Document Store như MongoDB lưu trữ dữ liệu dưới dạng tài liệu. Wide-column Store như Cassandra tổ chức dữ liệu thành cột thay vì hàng. Graph Database như Neo4j lưu trữ dữ liệu dưới dạng đồ thị. Key-Value Store như Redis lưu trữ dữ liệu dưới dạng cặp khóa-giá trị.

Các bài viết hay về chủ đề NoSQL mà bạn nên tìm hiểu:

Cơ sở dữ liệu đồ thị (Graph Databases)

Dữ liệu được lưu trữ dưới dạng các thực thể và mối quan hệ của chúng. Ví dụ về Graph Databases là Neo4j, Amazon Neptune,…

Cơ sở dữ liệu OLTP (OLTP Database)

Một loại cơ sở dữ liệu phân tích nhanh, được tạo ra để xử lý nhiều giao dịch từ nhiều người dùng cùng một lúc. Ví dụ về OLTP là Oracle Database, SQL Server,…

Cơ sở dữ liệu mã nguồn mở (Open Source Databases)

Hệ thống cơ sở dữ liệu mã nguồn mở là những hệ thống mà mã nguồn của chúng được công khai và có thể truy cập, sửa đổi và phân phối một cách tự do, theo các điều khoản của giấy phép mã nguồn mở tương ứng.

Cơ sở dữ liệu mã nguồn mở có thể là SQL hoặc NoSQL databases. Việc sử dụng loại CSDL mã nguồn mở mang lại nhiều lợi ích, bao gồm khả năng tiết kiệm chi phí, linh hoạt trong việc tùy chỉnh và mở rộng, cũng như sự cộng tác và phát triển từ cộng đồng mã nguồn mở.. Ví dụ về Open Source Database là MySQL, PostgreSQL,…

Cơ sở dữ liệu đám mây (Cloud Databases)

Là một tập hợp các dữ liệu được tổ chức hoặc không tổ chức được lưu trữ trên một nền tảng điện toán đám mây riêng, đám mây công cộng hoặc đám mây lai. Ví dụ về Cloud Database bao gồm Amazon RDS, Google Cloud SQL…

Thách thức đối với cơ sở dữ liệu là gì?

Cùng với sự gia tăng không ngừng về lượng dữ liệu, nhu cầu về CSDL hiện nay trở nên lớn hơn và phức tạp hơn bao giờ hết. Điều này mang lại nhiều thách thức tăng lên, bao gồm:

Xử lý lượng dữ liệu khổng lồ và số lượng người dùng đang tăng lên

Xử lý lượng dữ liệu lớn cùng với sự gia tăng của số lượng người dùng đang đặt ra một thách thức đáng kể trong quản lý và tổ chức dữ liệu. Kích thước CSDL ngày càng tăng, đặt ra yêu cầu cơ bản về việc truy cập dữ liệu cụ thể một cách nhanh chóng và hiệu quả, làm cho việc duy trì trở nên khó khăn đối với các quản trị viên CSDL.

Do đó, ngày nay, người ta đang hướng đến áp dụng các công nghệ mới như in-memory computing hoặc CSDL phân tán để giải quyết vấn đề này. In-memory computing là một phương pháp xử lý dữ liệu nhanh chóng bằng cách lưu trữ và xử lý dữ liệu trực tiếp trong bộ nhớ RAM của máy tính, thay vì trên ổ đĩa cứng. Điều này giúp tối ưu hóa tốc độ xử lý dữ liệu và loại bỏ thời gian trễ do đọc và ghi dữ liệu từ ổ đĩa cứng.

Ngoài ra, việc áp dụng tính năng lập chỉ mục (indexing) của CSDL giúp tối ưu hóa tốc độ truy vấn. Bằng cách tạo ra các chỉ mục dự trữ của dữ liệu được truy cập thường xuyên, việc truy xuất dữ liệu trở nên nhanh chóng và hiệu quả hơn. Điều này đặc biệt quan trọng trong các hệ thống yêu cầu xử lý dữ liệu lớn và phức tạp một cách nhanh chóng. Đồng thời, điều này cũng đặt ra yêu cầu đối với lập trình viên phải sử dụng các câu truy vấn dữ liệu hợp lý và áp dụng tính năng lập chỉ mục của CSDL để giúp tăng tốc độ truy vấn.

Thách thức trong việc tiếp cận và sử dụng Cơ sở Dữ liệu

Khi một lập trình viên xây dựng một ứng dụng mới hoặc một tính năng mới cho một ứng dụng hiện có, họ thường cần triển khai và chạy một CSDL để hỗ trợ.

Đảm bảo rằng các lập trình viên có thể dễ dàng tiếp cận CSDL để hỗ trợ quá trình phát triển linh hoạt và nhanh chóng là một nhiệm vụ khó khăn nhưng cực kỳ quan trọng đối với các Database Administrator và các nhóm vận hành.

Vấn đề bảo mật

Trong bối cảnh số ca vi phạm dữ liệu liên tục gia tăng, hacker ngày càng tinh vi, đe dọa an ninh thông tin của các tổ chức, yêu cầu về quyền riêng tư ngày càng nghiêm ngặt, các vấn đề liên quan đến bảo mật và bảo vệ dữ liệu trở thành ưu tiên hàng đầu.

Để đối phó, các giải pháp bảo mật cần được cải thiện và tinh chỉnh. Ngoài việc sử dụng các biện pháp như mã hóa dữ liệu nhạy cảm, phân quyền truy cập, giám sát truy cập, các tổ chức cũng cần tuân thủ các quy định, quy chuẩn về bảo mật để ngăn chặn các cuộc tấn công và xâm nhập không mong muốn vào hệ thống của họ.

Đảm bảo truy cập và hiệu suất nhất quán

Dù kích thước CSDL có lớn đến đâu, việc duy trì và cập nhật đều là yếu tố quan trọng. Tuy nhiên, bảo trì và cập nhật nhiều cơ sở dữ liệu lớn có thể gây ra những khó khăn đáng kể. Thành công của một doanh nghiệp phụ thuộc vào khả năng duy trì hiệu suất và khả dụng nhất quán cao khi người dùng và ứng dụng truy cập thông tin cơ sở dữ liệu.

Để giải quyết vấn đề hiệu suất, các giải pháp như caching (bộ nhớ đệm) và cân bằng tải có thể được áp dụng. Bằng cách sử dụng các kỹ thuật này, bạn có thể tối ưu hóa việc truy cập và xử lý dữ liệu, đảm bảo rằng hệ thống vẫn hoạt động một cách hiệu quả và nhất quán ngay cả trong điều kiện tải cao.

Đảm bảo khả năng mở rộng linh hoạt

Khi ứng dụng hoặc phần mềm phát triển, việc mở rộng CSDL trở thành một yếu tố quan trọng. Số lượng người dùng có thể tăng lên và họ có thể truy cập từ nhiều vị trí khác nhau. Ngoài ra, dữ liệu mới có thể được thêm vào hệ thống khi ứng dụng hoặc phần mềm mở rộng.

Điều này đặt ra thách thức cho các nhà quản trị cơ sở dữ liệu và lập trình viên khi họ cố gắng chuẩn bị cho sự mở rộng và dự đoán dung lượng cơ sở dữ liệu mà họ sẽ cần trong tương lai.

Đảm bảo khả năng tích hợp và phân tích hiệu quả

Khi dữ liệu đang được tích hợp từ nhiều nguồn khác nhau vào các tổ chức, từ các hệ thống IoT (Internet of things) và camera giám sát, đến hệ thống mua sắm trực tuyến và quản lý quan hệ khách hàng (Customer relationship management), việc quan trọng là tổ chức có phương pháp để kết hợp tất cả các loại dữ liệu này lại với nhau.

Các doanh nghiệp thường dựa vào hồ sơ dữ liệu và kho dữ liệu để lưu trữ thông tin, điều này có thể cho phép người dùng vẫn sử dụng một giao diện cơ sở dữ liệu duy nhất để truy cập và quản lý thông tin.

Câu hỏi thường gặp về cơ sở dữ liệu

Phần mềm cơ sở dữ liệu là gì?

Phần mềm CSDL, đôi khi còn được gọi là Database Management Systems (DBMS), được sử dụng để tạo, chỉnh sửa và duy trì các tệp và bản ghi, giúp việc tạo ra, nhập dữ liệu, chỉnh sửa, cập nhật và báo cáo trở nên dễ dàng hơn.

Phần mềm cũng xử lý lưu trữ dữ liệu, sao lưu và báo cáo, kiểm soát truy cập đa người dùng và bảo mật. Bảo mật mạnh mẽ đặc biệt quan trọng trong thời đại ngày nay, khi việc trộm cắp dữ liệu trở nên phổ biến hơn.

Phần mềm này giúp việc quản lý dữ liệu đơn giản hơn bằng cách cho phép người dùng lưu trữ dữ liệu theo cấu trúc và sau đó truy cập vào nó. Thông thường, phần mềm này có giao diện đồ họa để giúp tạo và quản lý dữ liệu. Trong một số trường hợp, người dùng có thể xây dựng CSDL của riêng họ bằng cách sử dụng phần mềm thích hợp.

Các yếu tố nào ảnh hưởng đến hiệu suất của cơ sở dữ liệu?

Khối lượng công việc (Workload): Sự biến đổi lớn về khối lượng công việc của một DBMS từ ngày này qua ngày khác và thậm chí từ giờ này qua giờ khác.
Lưu lượng (Throughput) là khả năng tổng thể của máy tính trong việc xử lý dữ liệu. Nó đo lường khả năng của hệ thống để xử lý một lượng lớn dữ liệu trong một khoảng thời gian nhất định. Khi cài đặt các giới hạn mềm hoặc cứng (soft hoặc hard capping) trên hệ thống, điều này có thể ảnh hưởng đến lưu lượng. Các giới hạn này có thể giảm đi khả năng xử lý dữ liệu của máy tính, dẫn đến ảnh hưởng đến hiệu suất.
Tài nguyên (Resources): Một số lượng lớn tài nguyên phần cứng hoặc phần mềm cũng làm ảnh hưởng đến hiệu suất.

Tổng kết

Cơ sở dữ liệu không chỉ là một khái niệm cơ bản mà còn là nền tảng quan trọng của lĩnh vực công nghệ thông tin. Việc hiểu sâu về cơ sở dữ liệu sẽ giúp chúng ta tận dụng mọi tiềm năng của công nghệ thông tin, từ việc xây dựng ứng dụng đến phân tích dữ liệu để ra quyết định kinh doanh.