Tietokannan hallintajärjestelmä (DBMS)

Tietokannan hallintajärjestelmä (Database Management System tai DBMS) on väliohjelmisto, jonka avulla ohjelmoijat, tietokannan ylläpitäjät (DBA:t), ohjelmistosovellukset ja loppukäyttäjät voivat tallentaa, järjestää, käyttää, hakea ja käsitellä tietokannassa olevia tietoja. Tässä artikkelissa perehdymme syvällisemmin siihen, mitä tämä termi kaiken kaikkiaan tarkoittaa, ja mihin kaikkeen DBMS voi taipua.

Mikä on tietokannan hallintajärjestelmä?

Tietokannan hallintajärjestelmä on tärkeä osa esimerkiksi tehokkaan liiketoiminnan saralla, koska ne tarjoavat tehokkaita ja luotettavia mekanismeja valtavien tietomäärien järjestämiseen, hallintaan ja käyttöön. Samaan aikaan ne myös varmistavat edellä mainittujen tietojen eheyden ja tarjoavat paljon muita tiedonhallinnan etuja.

Erityisesti yrityksessä tietokannan hallintajärjestelmä tarjoaa tietokannan ylläpitäjille (DBA:t) jäsennellyn kehyksen, joka helpottaa tietojen jakamista eri osastojen, työryhmien ja sovellusten välillä. DBMS tarjoaa työntekijöille siis hallitun ja organisoidun pääsyn tietoihin, joiden avulla he voivat edistää uusia innovaatioita ja auttaa yritystään säilyttämään kilpailuetunsa.

Tietokannan hallintajärjestelmien historia

Tietokannan hallintajärjestelmä sai alkunsa jo 1960-luvun alussa, jolloin tietokoneita alettiin käyttää tietojenkäsittelyyn. Koska tietoa ei tuolloin ollut vielä saatavilla samalla tavalla, kuin internetin tulon jälkeen, näitä järjestelmiä kutsuttiin yksinkertaisesti tiedonhallintajärjestelmäksi. Ensimmäinen kaupallisesti saatavilla oleva tietokannan hallintajärjestelmä oli nimeltään Integrated Data Store (IDS). Sen kehitti Charles W. Bachman ja hänen tiiminsä General Electricissä (GE) 1960-luvun lopulla.

IDS oli hierarkkinen DBMS, joka järjesti tiedot puumaiseen rakenteeseen, jossa tietueiden välillä oli parent-child-suhteita. Sen avulla käyttäjät voivat tallentaa, hakea ja hallita tietoja jäsennellyllä tavalla. IDS esitteli myös tietosanakirjan käsitteen, joka määritteli tietokannan sisältämien tietojen rakenteen ja suhteet. Ennen IDS:ää tiedot tallennettiin yleensä litteisiin tiedostoihin, eikä tiedostojen tallentamiselle, käyttämiselle tai käsittelylle ollut mitään erityistä standardia.

Bachmanin IDS jäi lopulta relaatiotietokantojen ja kyselykieli SQL:n (Structured Query Language) syntymisen varjoon 1970-luvulla. Siitä lähtien DBMS-tuotteita ja -palveluita on kehitetty jatkuvasti, mikä on parantanut tietojen tallennusta, hakua ja hallintaa.

Tietokannan hallintajärjestelmä: evoluutio

Tietokanta vs. DBMS

Termejä “tietokanta” ja “tietokannan hallintajärjestelmä” käytetään usein vaihtokelpoisina termeinä satunnaisissa keskusteluissa. Tämä johtuu todennäköisesti siitä, että kun loppukäyttäjät ovat vuorovaikutuksessa jonkin tietokannan kanssa, he eivät ole tietoisia taustalla olevasta DBMS:stä ja sen erillisestä roolista tietojen hallinnassa. Tätä sekaannusta voi lisätä se, että joissakin tapauksissa DBMS on upotettu suoraan sovelluskoodiin. Tämä tekee asiasta vielä vähän sekavamman sen suhteen, että onko kyseessä on erillinen järjestelmä.

Jotta nämä kaksi termiä voidaan erottaa toisistaan ja jotta niitä osataan käyttää oikein, on hyödyllistä ymmärtää niiden roolit ja toiminnot: Tietokanta on jäsennelty kokoelma monenlaista tietoa. Tietokannan hallintajärjestelmä taas on ohjelmisto, jota kehittäjät, loppukäyttäjät ja sovellukset käyttävät vuorovaikutuksessa edellä mainitun tietokannan kanssa.

DBMS-komponentit

Jokaisen DBMS:n ydinkomponenttia kutsutaan tietokantamoottoriksi. Se on ohjelmisto, joka on suoraan vuorovaikutuksessa taustalla olevan tallennusjärjestelmän tai tiedostojärjestelmän kanssa. Se lisäksi ohjaa modulaaristen alikomponenttien välisiä vuorovaikutuksia, joiden avulla moottori voi hallita ja käsitellä tietokantajärjestelmän tietoja. Tietokannan hallintajärjestelmä sisältää seuraavia moduuleja:

Varmuuskopiointi ja palautus

Nämä moduulit hallitsevat tietojen varmuuskopiointi- ja palautustoimintoja estääkseen tietoja katoamasta tai suojatakseen niitä järjestelmävirheitä vastaan. Ne sisältävät mekanismeja tietokannan varmuuskopioiden luomiseen, tietojen palauttamiseen ja palautustoimintojen suorittamiseen.

Samanaikainen valvonta ja tapahtumien hallinta
Nämä tietokannan hallintajärjestelmä -moduulit hallitsevat useiden käyttäjien tai sovellusten samanaikaista pääsyä tietokantaan. Ne käsittelevät lukitusmekanismeja ja varmistavat tietojen johdonmukaisuuden.

Tietokannan käyttökieli

Tämän tyyppisen moduulin avulla tietokantamoottori voi käsitellä ja tulkita käyttäjän kyselyitä tai komentoja, jotka on kirjoitettu oletuskäyttökielellä. Se analysoi kyselykielen syntaksin, vahvistaa kyselyn luettelotietojen perusteella ja luo optimoidun suoritussuunnitelman tietojen hakemiseksi tai käsittelemiseksi sitä pyydettäessä.

Data Definition Language (DDL)

DDL-moduulin avulla käyttäjät voivat määritellä tietojen rakenteen ja järjestyksen. Se sisältää komentoja tietokantaobjektien, kuten taulukoiden, näkymien, indeksien ja rajoitusten, luomiseen, muuttamiseen ja poistamiseen.

Tietosanakirja

Tietosanakirja (kutsutaan myös metatietovarastoksi) on tietokannan hallintajärjestelmä moduuli, joka tallentaa tietokannan metatietoja, mukaan lukien tiedot tietojen rakenteesta, suhteista ja ominaisuuksista. DBMS-moottori käyttää tätä moduulia tietojen johdonmukaisuuden varmistamiseen ja ainutlaatuisten rajoitusten käyttöön.

Data Manipulation Language (DML)

DML-moduuli tarjoaa komentoja tietojen käsittelyyn ja hakemiseen tietokannassa. Käyttäjät voivat käyttää DML-käskyjä tietojen lisäämiseen, päivittämiseen, poistamiseen ja kyselyyn.

Data Warehousing and Business Intelligence

Nämä moduulit helpottavat tietojen poiminta, muuntamista ja lataamista useista lähteistä erilliseen tietovarastoon. Ne tukevat myös online-analyyttistä käsittelyä (OLAP) ja raportointityökaluja business intelligenceä varten.

Indeksointi

Useimmat DBMS-järjestelmät sisältävät indeksointimoduuleja, jotka nopeuttavat kyselyn suorittamista vähentämällä tarkistettavan tiedon määrää.

Lukitus

Tietokannan hallintajärjestelmä tarvitsee myös lukituksen hallintakomponentin, joka vastaa samanaikaisuuden hallinnasta. Se estää ristiriitoja ja ylläpitää tietojen johdonmukaisuutta varmistamalla, että useat käyttäjät tai tapahtumat eivät voi muokata samoja tietoja samanaikaisesti.

Tietojen kirjaaminen ja tarkastus

DBMS-järjestelmät sisältävät usein moduuleja tietokantojen kirjaamiseen ja tarkastustoimintoihin. Loki tallentaa tietokantaan tehdyt muutokset – mukaan lukien lisäykset, päivitykset ja poistot – sekä järjestelmätapahtumat, kuten varmuuskopiot ja palautukset. Tarkastukseen kuuluu näiden lokien seuranta ja tarkistaminen käyttäjien toimien seuraamiseksi, tietojen eheyden ylläpitämiseksi ja suojauskäytäntöjen noudattamisen valvomiseksi.

Kyselyiden käsittely

Kyselyprosessori vastaanottaa ja tulkitsee käyttäjien kyselyt, muuntaa ne optimoiduksi suoritussuunnitelmaksi ja on vuorovaikutuksessa tietokantakoneen kanssa kyselyjen suorittamiseksi tehokkaasti. Se sisältää alimoduuleja kyselyiden optimoimiseksi, jotka huomioivat tekijöitä, kuten saatavilla olevat indeksit, liitostoiminnot ja tiedonkäyttötavat.

Replikointi

Jotkut DBMS-järjestelmät tukevat tietojen replikointia, mikä edellyttää useiden tietokannan kopioiden luomista ja ylläpitoa eri paikoissa tai eri palvelimilla. Replikointi parantaa tietojen saatavuutta, vikasietoisuutta ja suorituskykyä. Se varmistaa, että jos yksi tietokannan kopio ei ole käytettävissä, tiedot ovat edelleen kuitenkin käytettävissä toisesta kopiosta.

Turvallisuus ja valtuutus

Suojaus- ja valtuutusmoduulit valvovat käyttäjien pääsyä tietokantaan ja varmistavat tietojen yksityisyyden ja eheyden. Ne hoitavat tiedon todenmukaisuuden tarkistamisen, käyttäjien hallinnan ja toteuttavat PoLP-pääsynhallintamekanismeja, jotka perustuvat käyttäjärooleihin ja työn vaatimuksiin.

Tallennus

Tietokannan hallintajärjestelmä tietokantamoottori kommunikoi tallennuskoneen kanssa fyysisen tietojen tallennuksen hallintaan liittyen. Tallennusmoottori on näin ollen vastuussa tietojen tallentamista ja käyttöä koskevista matalan tason yksityiskohdista, kun taas tietokantaa ylläpitävä kone koordinoi ja organisoi näitä toimia tietokannan hallintajärjestelmän yleisen toiminnan optimoimiseksi.

Käyttöliittymät

Nämä moduulit tarjoavat käyttöliittymiä, joiden avulla ohjelmoijat, tietokannan ylläpitäjät ja loppukäyttäjät voivat olla vuorovaikutuksessa suoraan tietokannan kanssa. Tämä voi sisältää komentoriviliittymät (CLI), graafiset käyttöliittymät (GUI) tai sovellusohjelmointirajapinnat (API) ohjelmistojen integrointia varten.

Käyttäjäkäytännöt

Käyttäjäkäytännöt määrittelevät ja valvovat sitä, kenellä on pääsy mihinkin tietokantoihin, sekä ylläpitävät sisäisiä suojauskäytäntöjä. Ne määrittelevät käyttöoikeudet, roolit ja oikeudet, jotka säätelevät, kuinka käyttäjät voivat olla vuorovaikutuksessa minkäkin tietokannan kanssa.

RDBMS vs. DBMS

Tietokannan hallintajärjestelmä – eri järjestelmätyypit

Vuosisadan vaihteeseen asti tietokantojen hallintajärjestelmä luokiteltiin niiden relaatioon tai ei-relaatioon liittyvän rakenteen ja käyttötarkoituksen mukaan. Jos DBMS tallensi tietoja taulukoihin, sitä kutsuttiin relaatiotietokantajärjestelmäksi (RDBMS). Jos se taas ei tallentanut tietoja taulukoihin, sitä kutsuttiin NoSQL- tai ei-relaatiotietokantajärjestelmäksi.

Nykyäänkin tietokannan hallintajärjestelmät luokitellaan edelleen joko RDBMS:ksi tai ei-RDBMS:ksi, mutta ne luokitellaan myös niiden tarjoamien ainutlaatuisten etujen perusteella. Mitä tulee nimenomaan DBMS-järjestelmiin, niiden eri tyypit ovat seuraavat:

Pilvitietokannan hallintajärjestelmät

Pilvessä toimiva tietokannan hallintajärjestelmä, kuten Amazon Aurora, on suunniteltu hallitsemaan pilvipalveluntarjoajan etäpalvelinkeskuksiin tallennettuja hajautettuja tietoja.

Saraketietokannan hallintajärjestelmät

Sarakepohjaiset DBMS-järjestelmät, kuten Apache Cassandra, palauttavat kyselyt nopeammin tallentamalla tiedot sarakkeisiin rivien sijaan. Tämä skeema helpottaa data-analytiikka- ja business intelligence -sovellusten työskentelyä suurten tietojoukkojen kanssa.

Hajautetut tietokannan hallintajärjestelmät

Apache Hadoop -ekosysteemin kaltaiset DDBMS-toiminnot on suunniteltu varmistamaan loogisesti liittyvien tietokantojen tietojen eheys useissa sijainneissa tai laskentaympäristöissä.

Kaaviotokannan hallintajärjestelmät

Nämä järjestelmät on suunniteltu tukemaan kaaviotietokantoja, jotka tallentavat suhteita yksittäisten tietueiden tasolla. Graph DBMS:t, kuten Neo4j, ovat ihanteellisia toisiinsa liittyvien suhteiden, kuten sosiaalisen median tietojen, hallintaan.

Hierarkkinen tietokannan hallintajärjestelmä

Hierarkkiset hallintajärjestelmät on suunniteltu tukemaan tietokantoja, jotka on järjestetty vanhempien ja lapsien välisiin suhteisiin. Tämän tyyppisen DBMS:n juuret ovat keskustietokoneissa, ja sen käyttö nykyään on rajallista.

HTAP tietokannan hallintajärjestelmä

Hybriditapahtumien/analyyttinen käsittely DBMS-järjestelmät on suunniteltu tukemaan tapahtumien ja analyyttisten tietojen sekoitettuja työkuormia. Perinteisissä tietokantajärjestelmissä on usein erilliset järjestelmät online-tapahtumien käsittelyä varten (OLTP) ja niiden erillistä analysointia varten (OLAP). HTAP-hallintajärjestelmät, kuten SAP HANA ja CockroachDB, tarjoavat yhtenäisen alustan, joka pystyy käsittelemään molempia tehtäviä samanaikaisesti.

Muistissa olevat tietokannan hallintajärjestelmät

Muistin sisäiset hallintajärjestelmät on suunniteltu vähentämään viivettä käyttämällä päämuistia tietojen hallintaan ja tallentamiseen. Volt Active Data ja muut IMDBMS:t nopeuttavat tietojen hakua huomattavasti ja parantavat järjestelmän yleistä suorituskykyä.

Oliopohjainen tietokannan hallintajärjestelmä (OODBMS)

db4o on yksi esimerkki tämän tyyppisestä tietokannan hallintajärjestelmästä. OODMBS:t on suunniteltu hallitsemaan monimutkaisia tietorakenteita tallennusobjekteina.

NewSQL-tietokannan hallintajärjestelmät

PostgreSQL:n kaltaiset NewSQL tietokannan järjestelmä tarjoaa NoSQL-tietokantojen skaalautuvuuden ja suorituskyvyn edut säilyttäen samalla perinteisten relaatiotietokantojen ACID-ominaisuudet. Tämän tyyppinen DBMS on suunniteltu laajamittaisiin hajautettuihin ympäristöihin ja pystyy käsittelemään suuritehoisia tapahtumatyökuormia.

Aikasarjatietokannan hallintajärjestelmät

Aikasarjatietokantajärjestelmät, kuten InfluxDB, optimoivat aikaleimattujen tietojen tallennuksen, haun ja analysoinnin. Niitä käytetään usein tukemaan talousanalytiikkaa ja Internet of Things (IoT) -seurantajärjestelmiä.

Tunnetut tietokannan hallintajärjestelmät

Kuten olet varmasti tähän mennessä käsittänyt, tietokannan hallintajärjestelmä on erittäin laaja käsite, joka voidaan jakaa useisiin erilaisiin alakategorioihin. Näidne eri kategorioiden myötä markkinoilta löytyy tietenkin hyvin erilaisia DBMS-järjestelmiä, joista moni saattaa itse asiassa olla sinulle jopa hyvin tuttuja. Tässä esimerkkejä tunnetuista DBMS-järjestelmistä:

• Access – kevyt relaatiotietokannan hallintajärjestelmä (RDMS), joka sisältyy Microsoft Officeen ja Office 365:een.
• Amazon RDS – natiivi pilvi -DBMS, joka tarjoaa moottoreita MySQL-, Oracle-, SQL Server-, PostgreSQL- ja Amazon Aurora -tietokantojen hallintaan.
• Apache Cassandra – avoimen lähdekoodin hajautettu tietokannan hallintajärjestelmä, jonka tiedetään pystyvän käsittelemään valtavia tietomääriä.
• Filemaker – Low-code/no-code (LCNC) relaatiotietokantajärjestelmä.
• Google Cloud Spanner – Google Cloudin tarjoama maailmanlaajuisesti hajautettu, horisontaalisesti skaalautuva ja vahvasti johdonmukainen relaatiotietokantapalvelu.
• IBM Db2 — IBM:n kehittämä relaatiotietokannan hallintajärjestelmien perhe, joka tarjoaa erilaisia versioita eri ympäristöihin ja työkuormiin.
• MariaDB – MySQL:n avoimen lähdekoodin relaatiotietokantahaarukka.
• Microsoft Azure SQL Database – pilvipohjainen relaatiotietokantapalvelu, jonka tarjoaa Microsoft Azure ja joka tarjoaa täysin hallittuja SQL-tietokantoja.
• MongoDB — Suosittu NoSQL-tietokannan hallintajärjestelmä, joka käyttää dokumentti suuntautunutta skeemaa korkean skaalautuvuuden ja joustavuuden tarjoamiseksi.
• MySQL – Oraclen omistama avoimen lähdekoodin relaatiotietokannan hallintajärjestelmä (RDBMS).
• Oracle – patentoitu RDMS, joka on optimoitu hybridipilviarkkitehtuureille.
• PostgreSQL — avoimen lähdekoodin relaatiotietokannan hallintajärjestelmä, joka tunnetaan vakaudesta, skaalautumisesta ja laajoista ominaisuussarjoista.
• SAP HANA – muistissa oleva, sarakesuuntautunut RDBMS, joka on optimoitu reaaliaikaiseen tiedonkäsittelyyn ja tehokkaaseen analytiikkaan.
• SQL Server – Microsoftin yritystason relaatiotietokannan hallintajärjestelmä, joka pystyy käsittelemään erittäin suuria tietomääriä ja tietokantakyselyjä.
• SQLite – kevyt, tiedostopohjainen relaatiotietokantamoottori, jota käytetään laajalti sulautetuissa järjestelmissä ja mobiilisovelluksissa.
  Teradata – tehokas SQL-moottori, joka tarjoaa skaalautuvia ratkaisuja suurten tietomäärien hallintaan ja analysointiin.

Tietokannan hallintajärjestelmä käytön edut

Tietokannan hallintajärjestelmä DBMS:t ovat erityisen tärkeitä sellaisissa tilanteissa, joissa useat käyttäjät tai sovellukset ovat vuorovaikutuksessa samojen tietokantojen kanssa samanaikaisesti. DBMS suojaa tällaisesta samanaikaisesta vuorovaikutuksesta johtuvia ristiriitoja ja virheitä vastaan samanaikaisuuden hallintamekanismeilla, jotka varmistavat, että tietojen eheys säilyy myös silloin, kun tietokannassa on suurta liikennettä.

Toinen etu on, että tietokannan hallintajärjestelmät tarjoavat laajan valikoiman muitakin suojausominaisuuksia, mekanismeja ja toimintoja. Järjestelmänvalvojat voivat määrittää pääsynhallintasääntöjä, määrittää erityyppisiä käyttäjärooleja ja määrittää käyttöoikeuksia, joilla varmistetaan, että vain valtuutetut henkilöt voivat syöttää, käyttää ja käsitellä tietoja.

Koska DBMS-järjestelmät tarjoavat kirjauspolkuja ja lokiominaisuuksia tietojen käytön ja muutosten seurantaan ja hallintaan, ne ovat hyödyllisiä työkaluja vaatimustenmukaisuuden varmistamiseen.

DBMS voi esimerkiksi auttaa järjestelmänvalvojia hallitsemaan tietojen elinkaaren hallintaa ottamalla käyttöön tietojen säilyttämistä, arkistointia ja mahdollista hävittämistä koskevia käytäntöjä. Tietokannanhallintajärjestelmä voi myös auttaa valvomaan tietosuojaa tarjoamalla mekanismeja, jotka anonymisoivat tai salaavat arkaluontoiset tiedot,.

Tietokannan hallintajärjestelmä haasteet

Vaikka tietokannan hallintajärjestelmä ovat mullistaneet tavan, jolla pienet ja suuret yritykset käsittelevät ja hallitsevat tietoja, yritysten DBMS:n toteutuksen ja hallinnan oppimiskäyrä voi olla haastava. Tämä pätee erityisesti niissä tapauksissa, jos DBMS on integroitava toiminnanohjausjärjestelmiin (ERP) tai asiakassuhteiden hallintaan (CRM).

Uuden DBMS:n käyttöönotto voi myös olla hyvin kallista. Jopa keskisuuret yritykset joutuvat todennäköisesti palkkaamaan tai tekemään sopimuksen ammattitaitoisen tietokannan ylläpitäjän kanssa varmistaakseen, että heidän DBMS-järjestelmänsä on oikein konfiguroitu, ylläpidetty ja optimoitu nyt ja jatkossa. Lisenssimaksut, laitteistoinfrastruktuuri, ohjelmistopäivitykset ja jatkuvat ylläpitokulut voivat myös rasittaa yritysten budjetteja erityisesti pienempien organisaatioiden kohdalla.

DBMS:n tulevaisuus

Nykypäivän DBMS-järjestelmät sisältävät huipputeknologioita, kuten tekoälyä (AI), koneoppimista (ML) ja lohkoketjua, jotta ne voivat vastata big datan haasteisiin ja auttaa organisaatioita noudattamaan asiaankuuluvia tiedonhallintaa koskevia säännöksiä ja standardeja. Tietokannan hallintajärjestelmä voi tulevaisuudessa kehittyä esimerkiksi seuraavanlaisiin suuntiin:

1. Tekoäly- ja ML-ominaisuuksilla varustetut DBMS:t voivat automatisoida tehtäviä, kuten kyselyn optimoinnin, tietojen indeksoinnin ja poikkeamien havaitsemisen.
2. Älykkäät tietokannan hallintajärjestelmät voivat oppia tietomalleista, mukautua muuttuviin työkuormiin ja optimoida suorituskykyä itsenäisesti.
3. Lohkoketjua tukevat tietokannat voivat tarjota muuttumatonta, läpinäkyvää tiedontallennustilaa ja mahdollistaa turvalliset, tarkastettavat tapahtumat.
4. Tämän tyyppinen tietokannan hallintajärjestelmä eliminoi keskusviranomaisten tarpeen samalla kun se parantaa tietojen eheyttä. Se tekee näistä järjestelmistä ihanteellisia aloille, kuten rahoitus, toimitusketju ja terveydenhuolto, joilla tietojen peukaloinnin riskit ja vaikutukset ovat merkittäviä.
5. Sisäänrakennetuilla stream-käsittelyominaisuuksilla varustetuista tietokannanhallintajärjestelmistä on tulossa elintärkeitä käyttötapauksissa, kuten reaaliaikaisessa analytiikassa, petosten havaitsemisessa ja henkilökohtaisissa asiakaskokemuksissa.
6. Esineiden Internetin (IoT) ja suoratoistotietolähteiden lisääntyessä DBMS-järjestelmien on käsiteltävä reaaliaikaista tietojenkäsittelyä entistä tehokkaammin.