Trong thế giới số hóa ngày nay, cơ sở dữ liệu đóng vai trò quan trọng trong việc lưu trữ và quản lý thông tin. Để hiểu rõ hơn về cách dữ liệu được tổ chức và quản lý trong các hệ thống này, chúng ta cần tìm hiểu sâu hơn về khái niệm database schema – lược đồ cơ sở dữ liệu (CSDL). Bài viết này sẽ giúp bạn khám phá mọi khía cạnh về lược đồ CSDL, từ cơ bản đến những khái niệm phức tạp hơn, giúp bạn hiểu rõ hơn về cách dữ liệu được cấu trúc và tương tác trong các hệ thống thông tin hiện đại.

Đọc bài viết này để hiểu về:

  • Database schema là gì? Lược đồ CSDL là gì?
  • Các loại lược đồ CSDL
  • Các thiết kế lược đồ CSDL

Database schema (Lược đồ CSDL) là gì?

Database schema, hay lược đồ CSDL là một bản thiết kế mô tả cách dữ liệu được tổ chức, lưu trữ và quản lý trong một hệ thống cơ sở dữ liệu. Nó xác định cấu trúc dữ liệu, bao gồm các bảng, trường, kiểu dữ liệu, chỉ mục, các khóa chính khóa ngoại cũng như các mối quan hệ và ràng buộc giữa các thực thể trong hệ thống.

Quá trình thiết kế lược đồ CSDL thường được gọi là mô hình hóa dữ liệu và thường sử dụng các biểu đồ trực quan để minh họa cấu trúc CSDL, cũng như đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu và hỗ trợ các yêu cầu quản lý dữ liệu của tổ chức.

Database schema là nền tảng cho việc xây dựng và duy trì các ứng dụng, đảm bảo rằng dữ liệu được tổ chức một cách logic và hiệu quả.

Những lợi ích khi sử dụng database schema

  • Tính toàn vẹn: Database schema giúp đảm bảo tính hợp lệ của dữ liệu bằng cách quản lý các quy trình chuẩn hóa và tránh trùng lặp dữ liệu. Nó cũng hỗ trợ giám sát việc tuân thủ các ràng buộc trong thiết kế lược đồ, đảm bảo tuân thủ tính ACID (atomicity, consistency, isolation, and durability). Điều này giúp bảo vệ dữ liệu khỏi các lỗi, đảm bảo dữ liệu luôn chính xác và đáng tin cậy.
  • Đảm bảo tính nhất quán của dữ liệu: Lược đồ CSDL giúp duy trì sự nhất quán trong toàn bộ hệ thống dữ liệu bằng cách xác định rõ ràng các ràng buộc và quan hệ giữa các bảng, ngăn sự trùng lặp và xung đột trong dữ liệu.
  • Duy trì khả năng mở rộng: Một thiết kế lược đồ tốt giúp dễ dàng thêm bảng mới vào cơ sở dữ liệu và xử lý lượng dữ liệu lớn trong các bảng đang phát triển. Khả năng mở rộng này rất quan trọng trong bối cảnh dữ liệu ngày càng tăng, cho phép hệ thống cơ sở dữ liệu mở rộng mà không gặp phải các vấn đề về hiệu suất hay quản lý.
  • Cải thiện hiệu suất: Lược đồ cơ sở dữ liệu được thiết kế tốt giúp truy xuất dữ liệu nhanh hơn, giảm thời gian thao tác trên các bảng cơ sở dữ liệu và cải thiện hiệu suất tổng thể của hệ thống. Điều này cho phép các ứng dụng và người dùng truy cập, sử dụng dữ liệu một cách hiệu quả hơn.
  • Dễ dàng bảo trì: Với một cấu trúc rõ ràng và tài liệu hóa đầy đủ, lược đồ CSDL giúp bảo trì toàn bộ cơ sở dữ liệu mà không ảnh hưởng đến các phần còn lại. Việc cập nhật hoặc sửa chữa dữ liệu trở nên dễ dàng hơn, giảm thiểu rủi ro và gián đoạn trong quá trình bảo trì.
  • Bảo mật dữ liệu: Lược đồ cơ sở dữ liệu giúp lưu trữ dữ liệu nhạy cảm một cách an toàn và chỉ cho phép truy cập bởi những người có thẩm quyền. Thông qua lược đồ, quản trị viên có thể bảo vệ thông tin quan trọng khỏi các mối đe dọa bảo mật và truy cập trái phép bằng cách thiết lập các quyền truy cập cụ thể và mã hóa dữ liệu quan trọng.

Các loại database schema cơ bản

Lược đồ khái niệm – Conceptual schema

Lược đồ khái niệm là một bản trình bày về cấu trúc và mối quan hệ trong một cơ sở dữ liệu,  nhưng không đi vào chi tiết về các đối tượng cụ thể như bảng, views và cột, mà thay vào đó tập trung vào các khái niệm trừu tượng và cách chúng liên kết đến nhau.

Mục đích của lược đồ khái niệm là cung cấp một cái nhìn tổng quan về cấu trúc và mối quan hệ trong cơ sở dữ liệu, giúp người dùng hiểu được cấu trúc cơ bản và phát hiện các vấn đề tiềm ẩn đầu tiên có thể gây ra sự không nhất quán trong dữ liệu hoặc ảnh hưởng đến quá trình phân tích dữ liệu. 

Lược đồ logic – Logical schema

Lược đồ logic đóng vai trò như cầu nối quan trọng giữa sơ đồ khái niệm trừu tượng và thiết kế cơ sở dữ liệu vật lý. Nó cung cấp mô tả chi tiết hơn về cấu trúc dữ liệu, bao gồm các đối tượng cụ thể như bảng và cột. Bên cạnh đó, lược đồ logic còn mô tả cấu trúc và mối quan hệ giữa các thực thể trong cơ sở dữ liệu cũng như cách dữ liệu được lưu trữ trong các bảng.

Mục đích của lược đồ logic là đảm bảo dữ liệu được tổ chức logic và lưu trữ một cách hiệu quả, đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu, giúp người dùng hiểu được các mối quan hệ giữa các thực thể và phát hiện các vấn đề trong giai đoạn đầu. 

Lược đồ vật lý – Physical schema

 

Lược đồ vật lý đại diện cho cấp độ chi tiết nhất của thiết kế cơ sở dữ liệu, giúp mô tả cách dữ liệu được lưu trữ vật lý trong hệ thống với các đối tượng cụ thể như bảng, cột, chỉ mục và views. Bên cạnh đó, lược đồ vật lý còn cung cấp thông tin về phương tiện lưu trữ được sử dụng cho mỗi bảng như kho dữ liệu đám mây hoặc data lakehouse, cũng như bất kỳ ràng buộc hay trigger có liên quan đến dữ liệu hoặc phương pháp lưu trữ.

Mục đích của lược đồ vật lý là giúp các nhà phát triển cơ sở dữ liệu xác định phương tiện lưu trữ thích hợp cho từng bảng và đảm bảo tính logic của cơ sở dữ liệu. Ngoài ra, lược đồ này còn giúp phát hiện các vấn đề tiềm ẩn như đụng độ dữ liệu hoặc cách tổ chức dữ liệu không hiệu quả, từ đó điều chỉnh lại lược đồ để giải quyết các vấn đề tiềm ẩn này.

Cách tạo một database schema

Tìm hiểu yêu cầu và thu thập dữ liệu

Đầu tiên, chúng ta cần hiểu rõ yêu cầu của hệ thống và người dùng. Điều này bao gồm việc xác định mục tiêu của hệ thống, các thông tin cần được lưu trữ và cách chúng sẽ được sử dụng.

Sau đó, tiến hành thu thập thông tin chi tiết về các đối tượng, thuộc tính và mối quan hệ mà hệ thống sẽ phải xử lý.

Thiết kế lược đồ khái niệm

Ở bước này, chúng ta sử dụng sơ đồ thực thể-liên kết (ERD) để mô tả và trực quan hóa các thực thể và mối quan hệ giữa các thực thể. Trong đó:

  • Thực thể (Entity): Đại diện cho các đối tượng cần lưu trữ thông tin
  • Các mối quan hệ (Relationships): Xác định cách các thực thể liên quan đến nhau (một-một, một-nhiều, nhiều-nhiều).

Trong bước này, chúng ta phân tích và xác định các đối tượng chính trong hệ thống cũng như các thuộc tính quan trọng của chúng. Mục tiêu là hiểu rõ cách các thực thể trong hệ thống liên quan đến nhau và cách chúng sẽ được sử dụng để đáp ứng yêu cầu kinh doanh và yêu cầu của người dùng.

Thiết kế lược đồ logic

Dựa trên các thông tin từ sơ đồ ERD, ta sẽ tiến hành thiết kế lược đồ logic của cơ sở dữ liệu. Việc này bao gồm việc xác định chi tiết các bảng sẽ được tạo ra trong cơ sở dữ liệu, các cột trong từng bảng và mối quan hệ giữa các bảng. Bước này cần phải xác định rõ ràng tên bảng, tên cột, kiểu dữ liệu cho mỗi cột và các ràng buộc như khóa chính (Primary Key), khóa ngoại (Foreign Key), các giá trị duy nhất (Unique), không rỗng (Not Null) và các ràng buộc kiểm tra (Check) để đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu.

Chuẩn hóa lược đồ

Sau khi thiết kế lược đồ khái niệm và logic, bước chuẩn hóa đảm bảo rằng cấu trúc cơ sở dữ liệu đáp ứng các tiêu chuẩn bảo toàn dữ liệu và tối ưu hóa hiệu suất hệ thống. Chuẩn hóa lược đồ là quá trình quan trọng trong thiết kế CSDL vì nó giúp loại bỏ sự lặp lại dữ liệu, đảm bảo tính toàn vẹn và hiệu suất của hệ thống, giảm thiểu sự mất mát và phân bố dữ liệu một cách hợp lý vào các bảng riêng biệt. Nó cũng giúp giảm thiểu thời gian và chi phí khi thực hiện các thay đổi và bảo trì hệ thống sau này.

Có các loại chuẩn hoá như:

  • 1NF – First Normal Form
  • 2NF – Second Normal Form
  • 3NF – Third Normal Form

Để tìm hiểu chi tiết hơn về từng loại chuẩn hóa, bạn có thể tham khảo bài viết: Thiết kế cơ sở dữ liệu

Ngoài ra còn có một số dạng chuẩn hoá cao hơn như BCNF, 4MF,… Tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của hệ thống và dữ liệu, bạn có thể cân nhắc áp dụng các dạng chuẩn hoá cao hơn để đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu và tối ưu hóa cấu trúc cơ sở dữ liệu.

Chọn DBMS và thiết kế vật lý

Ở bước này bạn có thể sử dụng các công cụ GUI (như MySQL Workbench, pgAdmin, SQL Server Management Studio,…) để tạo và quản lý lược đồ cơ sở dữ liệu một cách trực quan. Xác định tên bảng, cột sẽ sử dụng, các loại dữ liệu, các ràng buộc, khóa chính và khóa ngoại để đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu.

Triển khai và kiểm tra

Sau khi thiết kế hoàn tất, triển khai lược đồ vào hệ thống và kiểm tra để đảm bảo tính ổn định và hiệu suất của nó. Cần phải tiến hành các bài kiểm tra cụ thể như kiểm tra tính toàn vẹn dữ liệu, kiểm tra truy vấn và đảm bảo rằng hệ thống hoạt động như dự kiến.

Các thiết kế database schema

Mô hình cấu trúc phẳng – Flat model

Mô hình cấu trúc phẳng (flat model) là một dạng mảng 2 chiều, trong đó mỗi cột chứa cùng một loại dữ liệu và các phần tử trong các hàng có liên quan đến nhau, tương tự như một bảng hoặc bảng tính. 

Mô hình cấu trúc phẳng dễ dàng thiết kế và sử dụng, phù hợp cho các ứng dụng nhỏ và dữ liệu đơn giản. Nó có thể được lưu trữ trong các tệp tin đơn giản như csv hoặc excel. Ví dụ, một hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu ghi lại tất cả các khoản mượn sách hàng ngày của một thư viện nhỏ có thể hoạt động tốt với mô hình cấu trúc phẳng. 

Tuy nhiên, mô hình này khó mở rộng cho các ứng dụng lớn và dữ liệu phức tạp, gây khó khăn trong việc truy vấn và phân tích dữ liệu, cũng như dễ bị trùng lặp dữ liệu.

Mô hình phân cấp – Hierarchical Model

Mô hình phân cấp sắp xếp dữ liệu theo mối quan hệ cha-con (root-child) và cấu trúc dạng cây, trong đó mỗi bản ghi có thể có nhiều con nhưng chỉ có một cha. Cấu trúc này thường được minh họa qua các sơ đồ như biểu đồ tổ chức (organizational charts), giúp thể hiện rõ ràng các mối quan hệ một-nhiều. 

Lược đồ phân cấp rất hữu ích trong các ứng dụng cần khả năng thêm và xóa thông tin nhanh chóng. Nó thường được sử dụng trong các ngành viễn thông, y tế và ngân hàng, nơi cần truy cập dữ liệu nhanh chóng và hiệu quả. Tuy nhiên, mặc dù mô hình này rõ ràng và dễ hiểu, nó có thể thiếu linh hoạt khi phải xử lý các mối quan hệ phức tạp hơn.

Mô hình mạng – Network model

Mô hình mạng lưu trữ dữ liệu ở dạng cây tương tự như mô hình phân cấp nhưng phức tạp hơn, đặc biệt trong việc quản lý các mối quan hệ nhiều-nhiều. Trong khi mô hình phân cấp tập trung vào mối quan hệ một-nhiều giữa các thực thể, mô hình mạng cho phép quan hệ nhiều-nhiều giữa chúng.

Mô hình mạng của cơ sở dữ liệu có một bảng cha (root table) được kết nối với nhiều bảng con (child table). Mỗi bảng con có thể kết nối với nhiều bảng cha khác nhau. Điều này tạo điều kiện cho việc truy xuất nhiều mảnh dữ liệu liên quan để phân tích, mang lại tính linh hoạt cho hệ thống dữ liệu.

Ví dụ trong thiết kế cơ sở dữ liệu quản lý sinh viên, khi một sinh viên có thể đăng ký nhiều lớp học và mỗi lớp học có thể có nhiều sinh viên, mô hình mạng sẽ là lựa chọn hợp lý, tối ưu vì dễ lưu trữ và truy xuất dữ liệu theo tên sinh viên hoặc tên lớp học.

Tuy nhiên, mặc dù mang lại tính linh hoạt cao, mô hình mạng cũng có nhược điểm là cần lưu trữ một số dữ liệu bị trùng lặp trong các bảng con, làm tăng độ phức tạp của cơ sở dữ liệu và có thể tăng chi phí lưu trữ.

Mô hình quan hệ – Relational model

Mô hình quan hệ là một trong những cách lưu trữ dữ liệu phổ biến nhất và thường được sử dụng trong cơ sở dữ liệu quan hệ, trong đó dữ liệu được tổ chức thành các bảng riêng biệt cho mỗi đối tượng và mỗi bảng có thể có quan hệ với các bảng khác thông qua các khóa ngoại. 

Lược đồ này là lựa chọn phù hợp cho lập trình hướng đối tượng vì nó phản ánh cách mà dữ liệu được tổ chức theo các thực thể và quan hệ giữa chúng. 

Lược đồ hình sao 

Lược đồ hình sao là một trong những cấu trúc lưu trữ dữ liệu phổ biến trong cơ sở dữ liệu đám mây và các hệ thống phân tán. Trong lược đồ này, có một trung tâm kết nối với các “cánh”, mỗi “cánh” đại diện cho một bảng dữ liệu độc lập. Trung tâm thường chứa một fact table, chứa thông tin chính và được kết nối với các “cánh” là các dimension table.

Fact table ở trung tâm của lược đồ hình sao chứa thông tin số liệu hoặc sự kiện trung tâm của cơ sở dữ liệu, ví dụ như các mức giá, doanh số bán hàng hoặc dữ liệu thời gian. Fact table này được kết nối với các dimension table độc lập, mỗi table cung cấp mô tả cho dữ liệu trong fact table. Mỗi “cánh” chỉ có một bảng duy nhất để tránh sự trùng lặp, nơi chứa tất cả thông tin liên quan đến “cánh” đó.

Sự phụ thuộc vào khóa ngoại là một phần quan trọng trong lược đồ hình sao. Các khóa ngoại được sử dụng để kết nối trung tâm (fact table) với các dimension table, cung cấp quan hệ giữa chúng. Điều này giúp trong việc truy vấn và phân tích dữ liệu theo nhiều chiều khác nhau một cách hiệu quả. 

Lược đồ Snowflake

Lược đồ snowflake là một trong những mô hình lưu trữ dữ liệu phổ biến trong các hệ thống cơ sở dữ liệu. Nó tổ chức dữ liệu tương tự như lược đồ sao với cấu trúc dạng cây. Tuy nhiên, điểm khác biệt đáng chú ý là ở chỗ các dimension tables được phân tách thành các bảng con, tạo ra một mô hình dạng bông tuyết. Mỗi bảng con chứa một phần thông tin chi tiết của từng dimension, giúp giảm bớt sự lặp lại dữ liệu và tối ưu hóa việc lưu trữ.

Mô hình Snowflake Schema thường được sử dụng trong việc phân tích lượng lớn dữ liệu và xử lý các truy vấn phức tạp. Một trong những ưu điểm quan trọng của mô hình này là khả năng tiết kiệm không gian đĩa, nhờ vào cấu trúc dữ liệu được tối ưu hiệu quả. Điều này đã làm cho Snowflake Schema trở thành một lựa chọn phổ biến trong các hệ thống cần xử lý dữ liệu lớn và yêu cầu tính linh hoạt cao.

Những điều cần lưu ý khi thiết kế database schema

  • Hiểu rõ yêu cầu: Trước khi bắt đầu thiết kế, cần hiểu rõ yêu cầu kinh doanh và nhu cầu của người dùng. Điều này bao gồm việc xác định các thực thể cần lưu trữ, mối quan hệ giữa chúng và các hoạt động với CSDL.
  • Đặt tên đồng nhất: Đảm bảo các bảng, cột và trường dữ liệu được đặt tên theo cùng một quy tắc đồng nhất giúp dễ dàng hiểu và quản lý cơ sở dữ liệu.
  • Tránh sử dụng từ khóa có sẵn trong tên bảng như SELECT, INSERT…để tránh gây ra lỗi cú pháp không mong muốn.
  • Loại bỏ ký tự đặc biệt: Không sử dụng dấu gạch ngang, dấu ngoặc kép, khoảng trắng hoặc ký tự đặc biệt trong tên bảng hoặc cột để tránh gây ra sự cố không cần thiết hoặc lỗi cú pháp.
  • Bảo mật dữ liệu: Sử dụng mã hóa cho dữ liệu nhạy cảm như thông tin cá nhân có thể nhận dạng (PII) và mật khẩu để đảm bảo an toàn cho hệ thống cơ sở dữ liệu.
  • Đảm bảo tính đúng đắn: Thiết kế lược đồ cần phản ánh đúng cấu trúc của CSDL. Lược đồ có nội dung sai lệch có thể dẫn đến hiệu ứng Domino cho cả quá trình phát triển phần mềm.

Câu hỏi thường gặp về Database schema

Quan hệ giữa database schema và hệ quản trị CSDL (DBMS) là gì?

Quan hệ giữa database schema và hệ quản trị CSDL (DBMS) là sự phản ánh chính xác của cấu trúc, mối quan hệ và các loại dữ liệu có trong lược đồ vào trong thiết kế của DBMS. DBMS không chỉ là giao diện giữa người dùng và dữ liệu được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu, mà còn là trung tâm điều khiển việc quản lý, truy cập và bảo mật dữ liệu trong cơ sở dữ liệu.

Để người dùng có thể sử dụng DBMS một cách hiệu quả, nó phải được thiết kế để tích hợp lược đồ cơ sở dữ liệu. Điều này đòi hỏi hiểu biết sâu sắc về cấu trúc cơ bản, mối quan hệ và các loại dữ liệu có trong lược đồ.

Một cơ sở dữ liệu có thể có bao nhiêu lược đồ?

Số lượng lược đồ mà một cơ sở dữ liệu có thể có phụ thuộc vào hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu (DBMS). Trong nhiều hệ thống cơ sở dữ liệu phổ biến như Oracle, SQL Server, MySQL, PostgreSQL,… thì một cơ sở dữ liệu có thể chứa nhiều lược đồ. 

Lược đồ logic khác gì so với lược đồ vật lý?

Lược đồ vật lý

 Lược đồ logic
Mô tả cách lưu trữ dữ liệu trên đĩa

Mô tả mối quan hệ giữa các thực thể dữ liệu

Mức độ trừu tượng thấp

 Mức độ trừu tượng cao
Cần phụ thuộc vào DBMS để thiết kế ràng buộc, tối ưu hóa hiệu suất, và các thuộc tính chi tiết

Không cần phụ thuộc vào DBMS bởi vì mức độ trừu tượng vẫn còn cao và chưa đi sâu vào chi tiết của đối tượng

Lược đồ Vật lý có thể yêu cầu sự điều chỉnh của lược đồ logic nếu chúng thay đổi cấu trúc dữ liệu cơ bản

 Thay đổi trong lược đồ logic không nhất thiết phải ảnh hưởng đến lược đồ vật lý, miễn là cấu trúc dữ liệu cơ bản không thay đổi
Lược đồ vật lý tập trung vào cách dữ liệu được lưu trữ cụ thể trong hệ thống cơ sở dữ liệu, bao gồm cấu trúc lưu trữ, phân bố và các chỉ số để tối ưu hóa hiệu suất truy xuất dữ liệu

Lược đồ logic tập trung vào mối quan hệ giữa các thực thể cũng như các ràng buộc và khóa để đảm bảo tính toàn vẹn và logic của dữ liệu

Tổng kết Database schema

Như vậy, database schema là một khía cạnh quan trọng trong việc thiết kế và quản lý cơ sở dữ liệu. Từ lược đồ logic đến lược đồ vật lý, mỗi phần của lược đồ đều đóng vai trò quan trọng trong việc tổ chức và truy xuất dữ liệu một cách hiệu quả. Bằng cách hiểu rõ về cấu trúc và vai trò của lược đồ CSDL, chúng ta có thể xây dựng và duy trì các hệ thống cơ sở dữ liệu đáng tin cậy, linh hoạt và dễ bảo trì.

Qua bài viết này, ITviec hy vọng bạn đã có cái nhìn tổng quan và cách sử dụng lược đồ CSDL hiệu quả. Ngoài ra, bạn cũng nên tham khảo loạt bài viết về cơ sở dữ liệu để cập nhật kiến thức toàn diện về lĩnh vực này: