Βάση δεδομένων

Η [βάση δεδομένων (γαλλ.: Base de donnes, αγγλ.: database, γερμ.: Datenbank) (database) είναι οργανωμένη συλλογή δεδομένων που υποστηρίζει αποθήκευση, ανάκτηση και διαχείριση πληροφοριών με τρόπο αξιόπιστο και αποδοτικό. Η κεντρική ιδέα των σχέσεων (relational model) —όπου τα δεδομένα ομαδοποιούνται σε πίνακες με πεδία τυποποιημένων τύπων και πρωτεύοντα κλειδιά— παραμένει θεμελιώδης για τις περισσότερες επιχειρησιακές εφαρμογές, επειδή επιτρέπει την εξασφάλιση ακεραιότητας, την αποφυγή πλεονασμού και την ευέλικτη ερώτηση των δεδομένωνDilling 2020, 1281..

Σχεδίαση και μοντελοποίηση δεδομένων
Η σωστή σχεδίαση βάσης δεδομένων ξεκινά από το εννοιολογικό μοντέλο (π.χ. ER — Entity–Relationship), συνεχίζει με το λογικό (π.χ. κανονικοποίηση σχέσεων, εξαρτήσεις λειτουργίας) και καταλήγει στο φυσικό σχήμα που εξαρτάται από το επιλεγμένο ΣΔΒΔ (DBMS). Η κανονικοποίηση (normalization) ελαχιστοποιεί επαναλήψεις και ασυμφωνίες, ενώ οι περιορισμοί ακεραιότητας (constraints) —τύποι πεδίων, μοναδικότητα, ξένα κλειδιά— διασφαλίζουν συνεπή εισαγωγή και συντήρηση δεδομένων. Η διαδικασία σχεδίασης πρέπει να λαμβάνει υπόψη τόσο τις λειτουργικές (transactional) ανάγκες όσο και απαιτήσεις απόδοσης (indexing, partitioning)Watt 2017, ch.7–12..

Επιλογή ΣΔΒΔ και σύγχρονες κατηγορίες
Τα συστήματα διαχείρισης βάσεων Δεδομένων (DBMS) χωρίζονται κυρίως σε σχεσιακά (RDBMS) και μη σχεσιακά (NoSQL), με υποκατηγορίες: έγγραφα, κλειδιού-τιμής, γραφημάτων, και μηχανές χρονοσειρώνΕίναι ειδικά Συστήματα Διαχείρισης Βάσεων Δεδομένων που έχουν βελτιστοποιηθεί για την αποθήκευση, ανάλυση και ερώτηση δεδομένων που μεταβάλλονται με το χρόνο — όπως μετρήσεις αισθητήρων, χρηματιστηριακές τιμές ή καταγραφές συστημάτων — επιτρέποντας ταχύτατη εισαγωγή και αποδοτική αναζήτηση με βάση χρονικές σφραγίδες.. Οι επιλογές καθορίζονται από τις απαιτήσεις συνέπειας, κλίμακας και δομής των δεδομένων. Τα RDBMS υπερέχουν σε συναλλαγές ACIDΟι συναλλαγές ACID αποτελούν σύνολο ιδιοτήτων (Atomicity, Consistency, Isolation, Durability) που διασφαλίζουν ότι κάθε λειτουργία σε μια βάση δεδομένων εκτελείται με απόλυτη αξιοπιστία — δηλαδή ολοκληρώνεται πλήρως ή αποτυγχάνει χωρίς να αλλοιώσει τα δεδομένα, διατηρώντας τη συνέπεια και την ανθεκτικότητα του συστήματος. και πολύπλοκες συνενώσεις (joins), ενώ τα NoSQLΟι NoSQL βάσεις δεδομένων είναι μη σχεσιακά συστήματα που αποθηκεύουν δεδομένα με ευέλικτα σχήματα, όπως έγγραφα, ζεύγη κλειδιού–τιμής ή γραφήματα, επιτρέποντας εύκολη κλιμάκωση και γρήγορη επεξεργασία μεγάλων όγκων δεδομένων χωρίς την αυστηρή δομή και τους περιορισμούς ακεραιότητας των παραδοσιακών RDBMS. προσφέρουν ευελιξία στο σχήμα και καλύτερη οριζόντια κλιμάκωση σε ορισμένα φορτία. Στη σύγχρονη πρακτική, πολλά συστήματα υιοθετούν υβριδικά πρότυπα ή NewSQL σχεδιασμούς για να συνδυάσουν συνέπεια και απόδοσηTrillo-Montero et al. 2023, 324–328..

Απόδοση, ευρετήρια και βελτιστοποίηση ερωτημάτων
Η επίδοση εξαρτάται από σωστή χρήση ευρετηρίων (indexes), σχεδιασμό ερωτημάτων (query plans) και φυσική διάταξη δεδομένων (partitioning, clustering). Οι βελτιστοποιητές ερωτημάτων (query optimizers) μετατρέπουν SQL σε σχέδια εκτέλεσης. Η επιλογή ευρετηρίου (π.χ. B-tree, hash, GiST) εξαρτάται από τύπους αναζητήσεων. Επίσης, σε συστήματα μεγάλης κλίμακας, οι τεχνικές caching, materialized views και batch processing μειώνουν το λειτουργικό κόστος. Η σύγχρονη έρευνα δείχνει ισχυρή έμφαση σε ενεργειακή αποδοτικότητα ως παράμετρο σχεδιασμού, αφού η κατανάλωση ενέργειας συσχετίζεται πλέον άμεσα με το κόστος και τη βιωσιμότητα των υποδομών δεδομένωνGuo & Liao 2022, 12..

Ακεραιότητα, ασφάλεια και ιδιωτικότητα
Η διασφάλιση ακεραιότητας περιλαμβάνει έλεγχο πρόσβασης, κρυπτογράφηση σε ανάπαυση και μεταφορά, και πολιτικές backup / disaster recovery. Οι διαδικασίες backup και disaster recovery εξασφαλίζουν την προστασία και ανάκτηση των δεδομένων σε περίπτωση σφαλμάτων συστήματος, φυσικών καταστροφών ή ανθρώπινου λάθους. Τα τακτικά αντίγραφα ασφαλείας (backups) και τα σχέδια αποκατάστασης (recovery plans) διασφαλίζουν ότι η βάση δεδομένων μπορεί να επανέλθει γρήγορα σε προηγούμενη, συνεπή κατάσταση, μειώνοντας την απώλεια πληροφοριών και τις διακοπές λειτουργίας. Σε τομείς με ευαίσθητα δεδομένα (υγεία, χρηματοοικονομικά) απαιτούνται αυστηρά πρωτόκολλα, καταγραφές (audit trails) και μηχανισμοί απο-αναγνώρισης (de-identification). Ο σχεδιασμός πρέπει επίσης να υποστηρίζει συμμόρφωση με νομικά πλαίσια (π.χ. GDPR), πράγμα που επηρεάζει επιλογές retentionΟι πολιτικές retention καθορίζουν για πόσο χρονικό διάστημα διατηρούνται τα δεδομένα σε μια βάση πριν διαγραφούν ή αρχειοθετηθούν. Αυτές οι επιλογές συμβάλλουν στη συμμόρφωση με κανονισμούς προστασίας προσωπικών δεδομένων, μειώνουν την ανάγκη για υπερβολική αποθήκευση και διευκολύνουν τη διαχείριση μεγάλων όγκων δεδομένων χωρίς να θίγεται η διαθεσιμότητα ή η ακεραιότητα των κρίσιμων πληροφοριών. και δικαιώματα πρόσβασηςDilling 2020, 1283. .

Πρακτικές υλοποίησης με ελεύθερα εργαλεία
Πολλές σύγχρονες εφαρμογές προτιμούν ελεύθερα και ανοικτού κώδικα εργαλεία (π.χ. PostgreSQL, MariaDB, MySQL) για οικονομία και δυνατότητα προσαρμογής. Η χρήση ανοικτών εργαλείων διευκολύνει την ενσωμάτωση με γλώσσες scripting (π.χ. Python) και την αυτοματοποίηση του ETL (extract-transform-load). Η διαδικασία Extract–Transform–Load (ETL) αποτελεί βασικό στάδιο στη διαχείριση δεδομένων και περιλαμβάνει την εξαγωγή πληροφοριών από διάφορες πηγές, τη μετατροπή τους σε ενιαία, καθαρή και συνεπή μορφή και τέλος τη φόρτωσή τους σε μια κεντρική βάση δεδομένων ή αποθήκη δεδομένων (data warehouse) για ανάλυση και αναφορά. Σε πρακτική εφαρμογή —όπως παραδείγματα σε παρακολουθούμενες εγκαταστάσεις φωτοβολταϊκών— οι λύσεις βασισμένες σε MariaDB + Python έδειξαν ότι μπορούν να ενοποιήσουν ανομοιογενή καταγραφικά δεδομένα και να επιτρέψουν αναλύσεις και ανίχνευση αποκλίσεωνTrillo-Montero et al. 2023, 373–377..

Μελλοντικές προκλήσεις και τάσεις
Οι κύριες προκλήσεις που ανακύπτουν είναι (α) κλιμάκωση για μεγάλα δεδομένα (big data), (β) ενσωμάτωση με τεχνητή νοημοσύνη (AI) για έξυπνες ερωτήσεις και αυτοματοποιημένη βελτιστοποίηση, (γ) ενεργειακή αποδοτικότητα και βιωσιμότητα δεδομένων, και (δ) διαχείριση ετερογενών μοντέλων δεδομένων (πολυμορφικές πηγές). Η τάση προς cloud-native υπηρεσίες, vector/embedding indexes για αναζητήσεις βασισμένες σε AI, και η ανάπτυξη εργαλείων που συνδυάζουν συνέπεια και απόδοση (NewSQL) θα καθορίσουν τα επόμενα βήματα σχεδίασηςGuo & Liao 2022; Trillo-Montero 2023.. 

Η βάση δεδομένων παραμένει βασικό συστατικό κάθε σύγχρονης πληροφορικής εφαρμογής. Η επιτυχής υλοποίηση απαιτεί συνδυασμό σωστής εννοιολογικής σχεδίασης, τεχνολογικής επιλογής προσαρμοσμένης στις απαιτήσεις συνέπειας και κλίμακας, και προσανατολισμό στην ασφάλεια και ενεργειακή αποδοτικότητα. Οι ανοικτές λύσεις και η πρόσβαση σε διεθνή ανοιχτά άρθρα και πόρους διευκολύνουν την εφαρμογή τεκμηριωμένων πρακτικών και την αξιολόγηση των επιλογών σε πραγματικές συνθήκεςWatt 2017; Dilling 2020..

Παραπομπές

Βιβλιογραφία
Trillo-Montero, D.; Cosano-Lucena, S.; Gonzalez-Redondo, M.; Luna-Rodriguez, J. J.; Santiago, I. (2023). Design and Development of a Relational Database Management System (RDBMS) with Open Source Tools for the Processing of Data Monitored in a Set of Photovoltaic (PV) Plants. Applied Sciences. https://doi.org/10.3390/app13031357
Dilling, T. J. (2020). Artificial Intelligence Research: The Utility and Design of a Relational Database System. Advances in Radiation Oncology 5(6):1280–1285. https://doi.org/10.1016/j.adro.2020.06.027
Guo, B.; Yu, J.; Yang, D.; Leng, H.; Liao, B. (2022). Energy-Efficient Database Systems: A Systematic Survey. ACM Computing Surveys. https://doi.org/10.1145/3538225
Watt, A. (2017). Database Design (2nd ed., open textbook). Center for Open Education / Open Textbook Library. (ανοιχτό βιβλίο διαθέσιμο online) https://open.umn.edu/opentextbooks/textbooks/database-design-2nd-edition.

Περαιτέρω ανάγνωση
 Ling Liu and Tamer M. Özsu (Eds.) (2009).  "Encyclopedia of Database Systems, 4100 p. 60 illus. .
 Gray, J. and Reuter, A. Transaction Processing: Concepts and Techniques, 1st edition,  Morgan Kaufmann Publishers, 1992.
 Kroenke, David M. and David J. Auer. Database Concepts. 3rd ed. New York: Prentice, 2007.
 Raghu Ramakrishnan and Johannes Gehrke, Database Management Systems.
 Abraham Silberschatz, Henry F. Korth, S. Sudarshan, Database System Concepts.

 Teorey, T.; Lightstone, S. and Nadeau, T. Database Modeling & Design: Logical Design, 4th edition, Morgan Kaufmann Press, 2005. .
 CMU Database courses playlist MIT OCW 6.830 | Fall 2010 | Database Systems Berkeley CS W186''

Εξωτερικοί σύνδεσμοι
DB File extension – information about files with the DB extension

*