11 типов современных баз данных: краткие описания, схемы и примеры БД
Любые данные где-то хранятся. Будь это интернет вещей или пароли в *nix. Показываем схемы основных типов баз данных, чтобы наглядно представить различия между ними.
Типы баз данных, называемых также моделями БД или семействами БД, представляют собой шаблоны и структуры, используемые для организации данных в системе управления базами данных (СУБД). Выбор типа повлияет на то, какие операции сможет выполнять приложение, как будут представлены данные, на функции СУБД для разработки и рантайма.
I. Простейшие типы баз данных
Начнём с трёх типов БД, которые всё ещё могут встречаться в специализированных средах, но в основном заменены надежными и производительными альтернативами.
1. Простые структуры данных
Первый и простейший способ хранения данных – текстовые файлы. Метод применяется и сегодня для работы с небольшими объёмами информации. Для разделения полей используется специальный символ: запятая или точка с запятой в csv-файлах датасетов, двоеточие или пробел в *nix-подобных системах:
root:x:0:0:root:/root:/bin/bash daemon:x:1:1:daemon:/usr/sbin:/usr/sbin/nologin bin:x:2:2:bin:/bin:/usr/sbin/nologin sys:x:3:3:sys:/dev:/usr/sbin/nologin sync:x:4:65534:sync:/bin:/bin/sync games:x:5:60:games:/usr/games:/usr/sbin/nologin man:x:6:12:man:/var/cache/man:/usr/sbin/nologin lp:x:7:7:lp:/var/spool/lpd:/usr/sbin/nologin mail:x:8:8:mail:/var/mail:/usr/sbin/nologin news:x:9:9:news:/var/spool/news:/usr/sbin/nologin backup:x:34:34:backup:/var/backups:/usr/sbin/nologin list:x:38:38:Mailing List Manager:/var/list:/usr/sbin/nologin nobody:x:65534:65534:nobody:/nonexistent:/usr/sbin/nologin syslog:x:102:106::/home/syslog:/usr/sbin/nologin bob:x:1000:1000:Bob Smith,,,:/home/bob:/bin/bash
Следствия:
- ограничен тип и уровень сложности хранимой информации;
- трудно установить связи между компонентами данных;
- отсутствие функций параллелизма;
- практичны только для систем с небольшими требованиями к чтению и записи;
- используются для хранения конфигурационных данных;
- нет необходимости в стороннем программном обеспечении.
Примеры:
/etc/passwdи/etc/fstabв *nix-системах- csv-файлы
2. Иерархические базы данных
В отличие от текстовых таблиц, в следующем типе БД появляются связи между объектами. В иерархических базах данных каждая запись имеет одного «родителя». Это создаёт древовидную структуру, в которой записи классифицируются по их отношениям с цепочкой родительских записей.
Следствия:
- информация организована в виде древовидной структуры с отношениями «предок-потомок»;
- каждая запись может иметь не более одного родителя;
- связи между записями выполнены в виде физических указателей;
- невозможно реализовать отношения «многих-ко-многим».
Примеры:
3. Сетевые базы данных
Сетевые базы данных расширяют функциональность иерархических: записи могут иметь более одного родителя. А значит, можно моделировать сложные отношения.
Следствия:
- сетевые базы данных представляются не деревом, а общим графом
- ограничены теми же шаблонами доступа, что иерархические БД
Примеры:
II. Реляционные БД
4. SQL базы данных
Реляционные базы данных – старейший тип до сих пор широко используемых БД общего назначения. Данные и связи между данными организованы с помощью таблиц. Каждый столбец в таблице имеет имя и тип. Каждая строка представляет отдельную запись или элемент данных в таблице, который содержит значения для каждого из столбцов.
Следствия:
- поле в таблице, называемое внешним ключом, может содержать ссылки на столбцы в других таблицах, что позволяет их соединять;
- высокоорганизованная структура и гибкость делает реляционные БД мощными и адаптируемыми ко различным типам данных;
- для доступа к данным используется язык структурированных запросов (SQL);
- надёжный выбор для многих приложений.
Примеры:
III. NoSQL базы данных
NoSQL – группа типов БД, предлагающих подходы, отличные от стандартного реляционного шаблона. Говоря NoSQL, подразумевают либо «не-SQL», либо «не только SQL», чтобы уточнить, что иногда допускается SQL-подобный запрос.
5. Базы данных «ключ-значение»
В базах данных «ключ-значение» для хранения информации вы предоставляте ключ и объект данных, который нужно сохранить. Например, JSON-объект, изображение или текст. Чтобы запросить данные, отправляете ключ и получаете blob-объект.
Следствия:
- хранилища обеспечивают быстрый и малозатратный доступ;
- часто хранят данные конфигураций и информацию о состоянии данных, представленных словарями или хэшем;
- нет жёсткой схемы отношения между данными, поэтому в таких БД часто хранят одновременно различные типы данных;
- разработчик отвечает за определение схемы именования ключей и за то, чтобы значение имело соответствующий тип/формат.
Примеры:
6. Документная база данных
Документные базы данных (также документоориентированные БД или хранилища документов), совместно используют базовую семантику доступа и поиска хранилищ ключей и значений. Такие БД также используют ключ для уникальной идентификации данных. Разница между хранилищами «ключ-значение» и документными БД заключается в том, что вместо хранения blob-объектов, документоориентированные базы хранят данные в структурированных форматах – JSON, BSON или XML.
Следствия:
- база данных не предписывает опредёленный формат или схему;
- каждый документ может иметь свою внутреннюю структуру;
- документные БД являются хорошим выбором для быстрой разработки;
- в любой момент можно менять свойства данных, не изменяя структуру или сами данные.
Примеры:
7. Графовая база данных
Вместо сопоставления связей с таблицами и внешними ключами, графовые базы данных устанавливают связи, используя узлы, рёбра и свойства.
Графовые базы представляют данные в виде отдельных узлов, которые могут иметь любое количество связанных с ними свойств.
Следствия:
- выглядят аналогично сетевым;
- фокусируются на связях между элементами;
- явно отображает связи между типами данных;
- не требуют пошагового обхода для перемещения между элементами;
- нет ограничений в типах представляемых связей.
Примеры:
8. Колоночные базы данных
Колоночные базы данных (также нереляционные колоночные хранилища или базы данных с широкими столбцами) принадлежат к семейству NoSQL БД, но внешне похож на реляционные БД. Как и реляционные, колоночные БД хранят данные, используя строки и столбцы, но с иной связью между элементами.
В реляционных БД все строки должны соответствовать фиксированной схеме. Схема определяет, какие столбцы будут в таблице, типы данных и другие критерии. В колоночных базах вместо таблиц имеются структуры – «колоночные семейства». Семейства содержат строки, каждая из которых определяет собственный формат. Строка состоит из уникального идентификатора, используемого для поиска, за которым следуют наборы имён и значений столбцов.
Следствия:
- БД удобны при работе с приложениями, требующими высокой производительности;
- данные и метаданные записи доступны по одному идентификатору;
- гарантировано размещение всех данных из строки в одном кластере, что упрощает сегментацию и масштабирование данных.
Примеры:
9. Базы данных временных рядов
Базы данных временны́х рядов созданы для сбора и управления элементами, меняющимися с течением времени. Большинство таких БД организованы в структуры, которые записывают значения для одного элемента. Например, можно создать таблицу для отслеживания температуры процессора. Внутри каждое значение будет состоять из временной метки и показателя температуры. В таблице может быть несколько метрик.
Следствия:
- ориентированы на запись;
- предназначены для обработки постоянного потока входных данных;
- производительность зависит от количества отслеживаемых элементов, интервала опроса между записью новых значений и фактической полезной нагрузки данных.
Примеры:
IV. Комбинированные типы
NewSQL и многомодельные БД являются разными типами баз данных, но решают одну группу проблем, вызванных полярными подходами SQL или NoSQL-стратегии. Почему бы не объединить преимущества обеих групп?
10. NewSQL базы данных
NewSQL базы данных наследуют реляционную структуру и семантику, но построены с использованием более современных, масштабируемых конструкций. Цель – обеспечить большую масштабируемость, нежели реляционные БД, и более высокие гарантии согласованности, чем в NoSQL. Компромисс между согласованностью и доступностью является фундаментальной проблемой распределённых баз данных, описываемой теоремой CAP.
Следствия:
- возможность горизонтального масштабирования;
- высокая доступность;
- большая производительность и репликация;
- небольшой функционал и гибкость;
- немалое потребление ресурсов и необходимость специализированных знаний для работы с базой данных.
Примеры:
11. Многомодельные базы данных
Многомодельные базы данных – базы, объединяющие функциональные возможности нескольких видов БД. Преимущества такого подхода очевидны – одна и та же система может использовать различные представления для разных типов данных.
Совместное размещение данных из нескольких типов БД в одной системе позволяет выполнять новые операции, которые в противном случае были бы затруднены или невозможны. Например, многомодельные базы могут позволить юзерам получить доступ к данным, хранящимся в разных типах БД, и управлять ими в рамках одного запроса, а также поддерживают согласованность данных при выполнении операций, изменяющих информацию сразу в нескольких системах.
Следствия:
- помогают уменьшить нагрузку на СУБД;
- позволяют расширяться до новых моделей по мере изменения потребностей без внесения изменений в базовую инфраструктуру;
- обеспечивают непрерывный доступ и простое распределение данных;
- имеют линейную масштабируемость и просты для разработки.
Примеры:
Заключение
Изменение типов хранимых данных, требования к скорости и производительности привели и к продолжающемуся расширению типов баз данных. При этом каждый из них продолжает быть нужным в своей нише, где взаимосвязи между данными ассоциируются с определенной схемой строения базы данных.