Закончилась ли эпоха реляционных СУБД?

В последнее время слышны утверждения о возможной смене парадигмы – от реляционных к постреляционным СУБД. Однако по данным аналитиков, пока именно реляционные СУБД используются в абсолютном большинстве крупных проектов, связанных с внедрением систем управления базами данных. Рынок явно придерживается традиционных подходов в решении подобных задач.

Системы управления базами данных (СУБД) – одна из фундаментальных составляющих компьютерного обеспечения информационных процессов, являющаяся основой для построения большинства современных информационных систем. Главной функцией СУБД является эффективное хранение и предоставление данных в интересах конкретных прикладных задач.

Коммерческие СУБД ведут свою историю с середины 60-х годов, когда компанией IBM был выпущен первый продукт данного класса – иерархическая СУБД IMS. В начале 70-х годов Эдгаром Коддом были заложены основы реляционной модели данных, был разработан структурированный язык запросов SQL, а в 80-х годах были созданы промышленные СУБД, которые в скором времени заняли доминирующее положение. В настоящее время ведущая тройка игроков – Microsoft, Oracle и IBM – полностью контролируют рынок, а их флагманские продукты Microsoft SQL Server, Oracle Database и IBM DB2 вместе занимают долю рынка около 90%. Рынок СУБД активно растет и, по мнению аналитиков Forrester, к 2013 году его общий объем достигнет 32 млрд долл.

Главным недостатком реляционных СУБД считается присущая этим системам ограниченность использования в областях, в которых требуются достаточно сложные структуры данных. Одним из основных аспектов традиционной реляционной модели данных является атомарность (единственность и неделимость) данных, которые хранятся на пересечении строк и столбцов таблицы. Такое правило было заложено в основу реляционной алгебры при ее разработке как математической модели данных. Кроме того, специфика реализации реляционной модели не позволяет адекватно отражать реальные связи между объектами в описываемой предметной области. Данные ограничения существенно мешают эффективной реализации современных приложений, которые требуют уже несколько иных подходов к организации данных.

Основной принцип реляционной модели – устранять повторяющиеся поля и группы с помощью процесса, который называется нормализацией. Плоские нормализованные таблицы универсальны, просты в понимании и теоретически достаточны для представления данных любой предметной области. Они хорошо подходят для приложений, связанных с хранением и отображением данных в традиционных отраслях, таких как банковские или учетные системы, но их применение в системах, основанных на более сложных структурах данных, часто является затруднительным. В основном, это связано с примитивностью механизмов хранения данных, лежащих в основе реляционной модели.

Опыт разработки прикладных информационных систем показал, что отказ от атомарности значений ведет к качественно полезному расширению модели данных. Введение в реляционную модель возможности использовать многозначные поля как самостоятельные вложенные таблицы, при условии, что вложенная таблица удовлетворяет общим критериям, позволяет естественным образом расширить возможности реляционной алгебры. В классическом понимании именно такая модель данных называется постреляционной.

Поскольку постреляционная модель использует многомерные структуры, позволяющие хранить в полях таблицы другие таблицы, ее еще называют "не первой нормальной формой" или "многомерной базой данных". В качестве языка в данной модели запросов используется расширенный SQL, позволяющий извлекать сложные объекты из одной таблицы без операций соединения. Можно сказать, что реляционные и постреляционные СУБД различаются способами хранения и индексирования данных, во всем остальном они схожи. Первыми постреляционными СУБД, получившими достаточно большую известность, стали Universe компании Ardent (впоследствии купленной Informix, которую, в свою очередь, приобрела IBM) и ADABAS компании Software AG.

Объектно-реляционные СУБД

Кроме отказа от нормализации, постреляционные СУБД позволяют хранить в полях отношений данные абстрактных, определяемых пользователями типов. Это дает возможность решать задачи нового уровня, хранить объекты и массивы данных, ориентированные на конкретные предметные области, а также роднит постреляционные СУБД с еще одним классом – объектно-ориентированными СУБД. Внедрение объектного подхода в традиционную реляционную модель дало повод к появлению еще одного направления – объектно-реляционных СУБД. Первым представителем данного класса систем принято считать систему Informix Universal Server одноименной компании.

Как известно, в основе объектно-ориентированного подхода к моделированию предметных областей лежат такие понятия, как объект и свойства инкапсуляции, наследования и полиморфизма. В отличие от реляционных СУБД при проектировании объектно-ориентированных БД не требуется декомпозиция и нормализация объектов, выделенных на этапе концептуального проектирования. Объекты представляются в том же виде, в каком они существуют в реальности, что наделяет объектно-ориентированные структуры наглядностью и позволяет значительно сократить время на их проектирование и разработку.

Одной из наиболее известных постреляционных СУБД является система Postgres, созданная в середине 80-х годов прошлого века под руководством одного из ведущих разработчиков СУБД Майкла Стоунбрейкера. Стоунбрейкер оказал (и продолжает оказывать) огромное влияние на индустрию СУБД, приложив руку практически ко всем перспективным разработкам в данной сфере. В Postgres традиционная реляционная модель была расширена за счет внедрения механизмов управления объектами, которые позволяли хранить и эффективно управлять нетрадиционными типами данных. Также в Postgres поддерживалась многомерная темпоральная модель хранения и доступа к данным. Все основные идеи и разработки Postgers были продолжены и развиты в свободно распространяемой СУБД PostgreSQL, которая в настоящее время является наиболее развитой открытой СУБД.

Зачастую постреляционными называют также СУБД, которые позволяют представлять данные как в виде реляционных таблиц, так и классов объектов. Типичным представителем данного вида СУБД является система Cache компании InterSystems. По словам ее разработчиков, в данной системе наиболее эффективно совмещены реляционный и объектный подходы, основанные, соответственно, на стандартах SQL-92 и ODMG 2.0. Механизмы работы с объектами и реляционными таблицами находятся на одном логическом уровне, что обеспечивает более высокую скорость доступа и работы с данными и функциональную полноту. Также Cache использует многомерную модель хранения данных и оптимизирована для обработки транзакций в системах с большими и сверхбольшими БД (сотни гигабайт, терабайты) и большим количеством (тысячи, десятки тысяч) одновременно работающих пользователей, при этом позволяя получать очень высокую производительность.

Перспективы развития

Современные промышленные СУБД представляют собой сложные комплексы, состоящие из различных элементов, технологий и подходов. Данные составляющие объединяются и совершенствуются, исходя из потребностей обеспечения идеальных условий для решения проблем управления большими объемами данных в различных условиях. При этом все разработчики проводят масштабные исследовательские работы. Многолетний опыт разработки СУБД показал, что для обеспечения эффективной, надежной и безошибочной работы нового функционала требуется достаточно много времени. Жесткая конкуренция на рынке СУБД заставляет производителей тщательно следить за продуктами конкурентов, выявлять новые тенденции, а появление важных новых возможностей у одного из вендоров вынуждает остальных реализовывать аналогичный функционал в своих разработках.

В свою очередь, растут и потребности разработчиков современных баз данных. В первую очередь, это связано с бурным развитием интернета, активным использованием мультимедиа и необходимостью обрабатывать слабоструктурированные данные.

По результатам исследований компании IDC, опубликованных в конце 2009 года, традиционные реляционные СУБД используются в абсолютном большинстве крупных проектов, связанных с внедрением систем управления базами данных. Всего около 7% составляют проекты, в которых используются СУБД нереляционного типа. Такая расстановка сил на рынке реальных внедрений отражает общее состояние: разработчики все еще активно придерживаются традиционных подходов в решении задач, связанных с применением СУБД.

Все вышеперечисленное говорит о том, что стратегия развития, выбранная ведущими игроками рынка СУБД, позволит и в дальнейшем сохранять лидерские позиции. Их основные продукты будут совершенствоваться, будет реализовываться новый функционал, а разработчики и в дальнейшем будут выбирать универсальные и проверенные временем традиционные решения.

Валентин Кошкин:

Радикальных перемен в СУБД-потребностях крупных компаний в ближайшее время не произойдет

На вопросы CNews ответил заместитель руководителя службы технического анализа дирекции по управлению фродом и гарантированию доходов компании «Вымпелком» Валентин Кошкин.

CNews: Каковы актуальные требования к СУБД со стороны операторов связи? Как они обусловлены требованиями и задачами бизнеса?

Валентин Кошкин: Телеком – это огромное количество информации. Соответственно, одно из основных требований к СУБД – это возможность хранения и обработки больших объемов данных. Немаловажным является и наличие набора средств для разработчиков и администраторов. Это дает возможность снизить затраты на разработку и поддержку СУБД.

Также очень важна для нас гибкость. Критично "умение" системы работать на не очень мощном оборудовании, поскольку мы хотим иметь возможность развернуть такую же систему на дешевом "железе" в какой-нибудь маленькой стране, где у нас небольшое количество абонентов. Ну и, наконец, никто не отменял необходимости хорошей технической поддержки решения и наличия высококвалифицированных специалистов на рынке труда.

Полный текст интервью