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Fundamentos de Bases de Datos

Sistema de Información

Un Sistema de Información es un conjunto de elementos destinados al tratamiento y administración de datos e información, organizados y listos para su posterior uso, generados para cubrir una necesidad (objetivo).

Esta definición de Sistema de Información abarca cualquier tipo de sistema, tengan o no componentes informáticos o se apoyen en ellos. En este curso sólo nos interesarán los Sistemas de Información de carácter informático, más concretamente los que conocemos como Sistemas Gestores de Bases de Datos (a partir de ahora SGBD), que definiremos más adelante.

Hay que tener en cuenta que, dentro del campo de la informática, existen muchos tipos de Sistemas de Información que no son SGBD. Por ejemplo, cualquier aplicación informática que permite el tratamiento de cantidades considerables de información para cualquier cometido puede ser considerado un Sistema de Información. En cualquier caso, es muy probable que cualquiera de estas aplicaciones (o Sistemas de Información) utilicen un SGBD como soporte lógico de almacenamiento de toda esa información.

Parte del presente curso consiste en el desarrollo de aplicaciones que conectan con Bases de Datos para gestionar datos, por lo que de cierta manera también vamos a crear nuestros propios Sistemas de Información, apoyándonos en herramientas de desarrollo para crearlos y en algún SGBD para dar soporte a nuestros datos.

Sistema de Información

¿Es necesario siempre usar un SGBD?

En nuestro campo, un fichero se podría considerar como la unidad mínima de almacenamiento de cualquier tipo de información. No es más que un conjunto de registros almacenados con una estructura homogénea, que permite ser accedido para su tratamiento desde alguna aplicación informática. Existen muchos tipos de ficheros atendiendo al formato en el que se escriben: texto plano, imagen, PDF, . . . y para trabajar con cada uno de esos formatos existen una o varias aplicaciones. Y por lo general, un tipo de aplicación sólo abrirá un tipo de fichero, el tipo de fichero para el que ha sido diseñada: El Bloc de Notas abre ficheros de texto plano, Adobe Reader abre ficheros PDF, Picasa abre ficheros de imagen, . . . Aunque también podemos encontrarnos con aplicaciones que son capaces de trabajar con diferentes formatos, similares entre sí (Microsoft Word, por ejemplo).

Una Base de Datos es un conjunto de ficheros interrelacionados entre sí, creados por un SGBD, que deben ser gestionados y accedidos a través de dicha herramienta. Por lo general se tratara de una gran cantidad de información repartida entre varios ficheros, que es accedida desde una herramienta específica de forma que el usuario se abstrae de cómo está organizada dicha información. No nos interesa conocer qué ficheros forman la Base de Datos, dónde están ni cuanto ocupan; la herramienta que utilizamos se ocupa de todo ese trabajo. Nosotros, como usuarios de una Base de Datos, tendremos a nuestra disposición todos los datos y numerosas herramientas que nos permitan trabajar con ellos de una forma cómoda (utilidades para buscar, para ordenar, para eliminar, . . .)

Hay que tener en cuenta que, aunque las Bases de Datos sean la solución a los problemas de almacenamiento y consulta de grandes cantidades de información, no siempre serán la solución que necesitemos. Si imaginamos una pequeña aplicación que apenas necesita almacenar unas pocas filas de datos, no será muy recomendable depender de una segunda aplicación (normalmente costosa en tamaño y rendimiento y, probablemente, también en dinero) para gestionar esos pocos datos. Aunque existen soluciones pequeñas para este tipo de aplicaciones, normalmente añadirán una carga extra de trabajo mayor que el beneficio que produce usarlas cuando la ocasión lo requiere. Si bien es cierto que existen pequeños SGBD que pueden ser una opción muy interesante en este tipo de casos (SQLite, por ejemplo, tiene soporte en dispositivos móviles a través de Android).

Otra ventaja que presenta el uso de Bases de Datos frente al empleo de ficheros es el ahorro que esto supone. Hay que pensar que en el caso de que no contemos con un SGBD para el desarrollo de una aplicación determinada, deberemos desarrollar a medida toda la parte que se refiera al almacenamiento y la gestión de todos los datos de dicha aplicación. En un SGBD toda esa parte ya está implementada, tiene un interfaz de acceso común y adaptable a, prácticamente, cualquier entorno. Además, existen lenguajes ampliamente conocidos para el acceso y gestión de los datos almacenados (SQL en el caso de los SGBD relacionales, por ejemplo).

Por otro lado hay que tener en cuenta, según veremos más adelante, que en la actualidad existen muchos tipos de SGBD, desde lo que se conoce como el clásico SGBD relacional hasta pequeños SGBD que apenas ocupan 1MB de espacio y no requieren instalación, otros almacenan la información como ficheros XML, . . . por lo que la distancia que separa el acceso directo a ficheros y los SGBD cada vez es menor y prácticamente todo puede considerarse una Base de Datos, que junto con su aplicación correspondiente forman numerosos y diferentes Sistemas de Información.

Sistema gestor de Bases de Datos

Un SGBD es una herramienta software, más o menos compleja, que permite la creación y gestión de una Base de Dato. En el punto anterior hemos visto que una Base de Datos estaba compuesta de varios ficheros relacionados entre sí. El SGBD es la herramienta que se encarga de organizar esos ficheros manteniendo la información siempre accesible para el usuario de la forma más eficiente posible, tanto en espacio como en velocidad de acceso.

Cuando gestionamos una Base de Datos a través de un SGBD, estamos añadiendo un nivel de abstracción puesto que “no nos enteramos” exactamente de lo que ocurre con los datos, cómo se almacenan, dónde se almacenan, cuánto ocupan, . . . puesto que es esta herramienta la que se encarga de que la Base de Datos sea consistente, esté siempre accesible, disponga de espacio en disco, y de otras muchas tareas que, dependiendo del SGBD concreto, pueden ser más o menos complejas.

Sistema Gestor de Bases de Datos

Hay que tener en cuenta que actualmente existen diferentes tipos de SGBD en cuanto al nivel de conocimientos técnicos que se requieren para trabajar con ellos. Por citar un ejemplo, un SGBD como MySQL nunca podrá ser utilizado por usuarios con escasos conocimientos técnicos puesto que no está pensado como aplicación para el usuario final, sino como SGBD de apoyo para otras aplicaciones, aplicaciones web o sitios web que requieran manejar grandes cantidades de datos (Sistemas de Información). Por otro lado, Microsoft Access o LibreOffice Base son SGBD pensados para un usuario menos técnico. No se necesitan tantos conocimientos técnicos para su manejo, y por tanto se acercan más al usuario. De hecho se incluyen en las suites ofimáticas más conocidas. Por tanto, es lógico pensar que entonces no estarán pensados para servir de apoyo a otras aplicaciones, sino para funcionar de forma independiente como aplicación final de usuario.

Características deseables

En general, de cualquier Sistema de Información, se esperan una serie de características, que se exponen a continuación:

Funciones

Por eso, podríamos decir que las funciones de todo SGBD son las siguientes:

Flujo de una transacción

Si hablamos de un SGBD con soporte para transacciones (SGBD transaccional), éste tendrá que proporcionar soporte para una correcta ejecución de las mismas. A ese respecto existen un conjunto de normas conocidas como ACID, que marcan aquellas características que todo SGBD debe soportar para un correcto funcionamiento de las transacciones.

Como ejemplo para entender el concepto de transacción hay que imaginar el movimiento de dinero entre dos cuentas bancarias. Se trata de una sola operación que conlleva la ejecución de más de una tarea (retirar el dinero de la cuenta origen e incrementarlo en la cuenta destino) de forma que nunca debería ejecutarse a medias (no podemos sólo retirar el dinero de la cuenta origen o sólo incrementar el saldo en la de destino). Se trata de una transacción, y por tanto deberá cumplir las reglas ACID para funcionar correctamente.

No todos los SGBD implementan todas las funcionalidades que se han descrito anteriormente puesto que en determinadas ocasiones no nos serán necesarias. Por ejemplo, Microsoft Access no da soporte a acceso concurrente ni tampoco da solución a ciertos problemas de seguridad y control de acceso, pero no es uno de sus objetivos. Se trata de una Base de Datos incluida en un paquete ofimática y no debería usarse en entornos más complejos. Por otro lado, sistemas como Oracle, SQL Server o MySQL implementan muy buenos soportes para acceso concurrente, seguridad, control de acceso y otras muchas funcionalidades, puesto que son soluciones destinadas a entornos más complejos. Otros SGBD apenas implementan algunas de las características deseables de estas herramientas, puesto que están destinados para entornos con poca capacidad de cálculo, como puede ser cualquier dispositivo móvil. Por citar un ejemplo, el sistema operativo Android utiliza un SGBD llamada SQLite por sus reducidas dimensiones y necesidades en cuanto a la capacidad de cálculo

Componentes

Normalmente existe una separación clara entre los componentes principales de la gran mayoría de SGBD. Lo más común es la separación entre lado Cliente y lado Servidor (Arquitectura Cliente-Servidor), aunque no todos los SGBD siguen esa arquitectura. La gran parte de la funcionalidad la encontraremos en el lado del servidor, puesto que es donde se almacenarán siempre los datos. El lado cliente es una herramienta bastante simple que sirve de comunicación entre usuario y lo que se conoce como el Motor (Engine) del SGBD, que forma la parte servidor.

Arquitectura cliente-servidor

Si miramos dentro del motor de un SGBD, podemos encontrarnos los siguiente componentes:

Componentes de un SGBD

Tipos

Atendiendo al modelo de datos utilizado, destacan los siguientes tipos, siempre teniendo en cuenta que algunas Bases de Datos pueden estar en varias de estas categorías. Por citar un ejemplo, db4o es un conocido SGBD orientado a objetos y a la vez es NoSQL puesto que no utiliza el lenguaje SQL para acceder a los datos que almacena.

Relacional

Se ajustan al modelo relacional, que es actualmente el modelo de Base de Datos más extendido. Es el modelo de datos más utilizado actualmente, basado en el concepto de tablas y las relaciones entre ellas como forma de relacionar la información entre sí. Destacan Ms Access, Oracle, Microsoft SQL Server y MySQL como los SGBD relacionales más extendidos actualmente.

Modelo Relacional

Los SGBD relacionales proporcionan una serie de funcionalidades, entre las que destacan las siguientes:

Las Bases de Datos relacionales son apropiadas si:

Por otro lado, no son apropiadas si:

XML

XML es un lenguaje para almacenar información de forma jerárquica. Es un lenguaje que no proporciona ninguna forma de crear, buscar, modificar o validar información. Sin embargo, se usa ampliamente para almacenar, transferir y recuperar datos jerárquicos y hay muchas herramientas para trabajar con estos ficheros de una manera sencilla.

Además, es un lenguaje muy utilizado para el intercambio de información entre aplicaciones remotas a través de Internet.

En definitiva, el lenguaje XML sólo especifica la forma de escribir el fichero y organizar la información mediante las etiquetas que da sentido a cada uno de los valores almacenados y la jerarquía entre estas etiquetas marca la dependencia de las mismas. Así, en función del uso que queramos darle, deberemos hacernos con la herramienta determinada que nos permita gestionar el fichero XML de la forma que más nos convenga. Para el caso que nos ocupa, existen herramientas como xbird que permiten acceder a ficheros XML para trabajar como si de una Base de Datos se tratara, proporcionando lo que se conoce como procesador XQuery para dar soporte a un lenguaje de consultas y proporcionando un rendimiento óptimo en el acceso a los datos, pudiéndose trabajar con ficheros de hasta varios GBs.

Estructura de un fichero XML Estructura de un fichero XML

Las Bases de datos XML son apropiadas si:

Por otro lado, no convienen si:

Orientado a objetos

En este modelo todos los elementos de la Base de Datos se representan como objetos y siguen el paradigma de la Programación Orientada a Objetos. El objetivo de este tipo de Bases de Datos es el trabajo en unión con algún lenguaje de programación del mismo paradigma. De esa manera los objetos de la aplicación tienen una correspondencia directa con los objetos en la Base de Datos, puesto que pueden usar el mismo modelo de datos.

Puesto que el paradigma de orientación a objetos es relativamente nuevo, y aunque en la programación está bastante extendido, en las Bases de Datos no está muy aceptado. Existen ya algunos SGBD comerciales pero su uso es minoritario. Entre ellos destaca db4o e |InterSystems Caché

Modelo de una BDOO

Las Bases de Datos orientadas a objetos son apropiadas si:

Por otro lado, no convienen si:

Objeto-Relacional

Aparecen como una extensión al modelo relacional, por lo que los datos se almacenan en forma de tablas. Y además permiten la utilización de ciertas características propias de la Programación Orientada a Objetos (POO) como pueden ser la Herencia o el uso de tipos más complejos como son las colecciones o los campos estructurados. Cabe destacar PostgreSQL como SGBD objeto-relacional, que actualmente está bastante extendido.

Las Bases de Datos objeto-relacionales son apropiadas si:

Por otro lado, no convienen si:

NoSQL

Aparecen como un cambio de tendencia frente a los clásicos SGBD relacionales. Su principal característica es que no emplean el lenguaje SQL como principal lenguaje de consultas (de ahí su nombre, No only SQL). Tampoco soportan operaciones JOIN como en los sistemas relacionales y no suelen garantizar ACID.

Su principal característica es la escalabilidad horizontal. Es decir, el rendimiento de la Base de Datos se mantiene a medida que se van añadiendo nodos (equipos) al sistema. Esto comenzó a ser una necesidad cuando las principales compañias de Internet (Google, Amazon, Twitter, . . .) comenzaron a necesitar grandes sistemas que dieran respuesta en tiempo real. Los clásicos SGBD relacionales no daban respuesta a sus necesidades, puesto que emplean gran parte del tiempo en realizar las validaciones y verificar la coherencia entre los datos. Los sistemas NoSQL restan importancia a este aspecto por lo que permiten ofrecer un mayor rendimiento al conjunto para determinados tipos y estructuras de datos.

En general, las Bases de Datos NoSQL son apropiadas si:

Por otro lado, no son apropiadas para cualquier tipo de proyecto puesto que no siempre el rendimiento será lo más importante, o al menos no a costa de perder reglas de validación o coherencia o no garantizar ACID.

Algunos ejemplos conocidos de SGBD NoSQL son MongoDB y Cassandra, aunque también podemos considerar como SGBD NoSQL a db4o, que al tratarse de un SGBD orientado a objetos no emplea SQL como lenguaje principal de consulta, aunque difiere bastante en funcionamiento de los dos anteriores y de algunas de las características principales de los SGBD NoSQL.

Sistemas Gestores de Bases de Datos

Clasificación según accesos simultáneos soportados

Monousuario

Son aquellos SGBD que no permiten que más de un usuario pueda estar conectado con la Base de Datos al mismo tiempo. Normalmente no soportan ningún tipo de control de usuario por lo que la Base de Datos se reducirá a un simple fichero al que se podrá acceder desde la aplicación como si de cualquier otro tipo de documento se tratara. Así, no soportan el control de concurrencia ni cualquier otra característica propia de los sistemas multiusuarios. Algunos SGBD monousuario son Ms Access y LibreOffice Base.

Multiusuario

Permiten conexiones simultáneas con una misma Base de Datos. Tiene soporte para control de cuentas de usuario, y por tanto incluyen todo el soporte para el control de concurrencia, propio de cualquier sistema multiusuario. Algunos SGBD multiusuario son MySQL, PostgreSQL, Microsoft SQL Server, Oracle, MongoDB y Cassandra.

Clasificación según tamaño

SGBD ligero

Se trata de pequeños SGBD (incluso < 1MByte de tamaño) que dan soporte a algunas de las principales funciones de estas herramientas, ideales para entornos donde no es necesario un gran rendimiento o bien no se dispone de gran potencia de cálculo (dispositivos móviles). El más conocido en la actualidad es SQLite

SQLite

SGBD Ofimática

Algo más potentes que los SGBD considerados como ligeros, con algunas funciones más, muy utilizados en Ofimática para pequeñas Bases de Datos (normalmente algunos MBytes). Ms Access y LibreOffice Base son dos ejemplos de esta categoría

SGBD de alto rendimiento

Ideales para entornos dedicados a la gestión de datos o bien para aplicaciones que manejan ya una gran cantidad de datos y necesitan algunas funciones que otros SGBD no proporcionan, como control de usuarios, concurrencia, soporte para transacciones u otras operaciones. MySQL, Microsoft SQL Server, Oracle y PostgreSQL son algunos ejemplos Otros SGBD de alto rendimiento, aunque son algunas características diferentes a los anteriores, son MongoDB y Cassandra.

Tipos de Bases de Datos

Bases de Datos centralizadas

Son el tipo de Bases de Datos más común. Normalmente, en grandes corporaciones, se dedica un único equipo para el almacenamiento y gestión de los datos utilizando algún tipo de SGBD. Toda la Base de Datos se encuentran ubicada lógica y físicamente en ese equipo. Es la solución más habitual puesto que normalmente es suficiente y además es mucho más sencilla de implementar.

Base de Datos centralizada

Ventajas

Desventajas

Bases de Datos distribuidas

Una Base de Datos distribuida es un conjunto de bases de datos relacionadas lógicamente entre sí que se encuentran localizadas en diferentes ubicaciones físicas. Puede tratarse de dos máquinas conectadas entre sí mediante una LAN o bien a través de Internet. Como consecuencia, dichas Bases de Datos pueden realizar tareas de forma autónoma o bien de forma distribuida. En el caso de las operaciones realizadas de forma distribuida, el usuario de cualquiera de las dos (o más) máquinas tendrá acceso a toda la información como si éstos estuvieran siendo accedidos de forma local.

Base de Datos distribuida

Ventajas

Desventajas

Arquitectura de una aplicación

Una vez que hemos visto qué es un SGBD, una Base de Datos y los diferentes tipos con los que nos podemos encontrar justo con sus ventajas e inconvenientes, conviene echar un vistazo de una manera más global para ver cuál es la posición de un SGBD y la Base de Datos en el conjunto de una aplicación ya desarrollada.

Como ya se ha visto más arriba, muchos de los SGBD trabajan siguiendo lo que se conoce como arquitectura cliente-servidor. Siguiendo esta misma filosofía, existe la programación por capas, que consiste en una arquitectura en la que el principal objetivo es la separación de las diferentes capas lógicas de una aplicación (presentación, negocio y datos). Por ello, la arquitectura más conocida es la arquitectura de 3 capas, en la que la estructura de la aplicación se separa en tres niveles. Aunque no siempre las 3 capas están separadas físicamente, es conveniente que lo estén lógicamente. La separación física vendrá dada por la propia naturaleza de la aplicación (aplicación web) o bien por las propias necesidades en cuanto a rendimiento de la misma (uno o más equipos para dar soporte a la capa de negocio o datos).

En aplicaciones de tamaño medio es bastante habitual encontrar un modelo lógico basado en 3 capas pero físicamente distribuido solamente en 2. En estos casos lo habitual será que el usuario cargue la capa de presentación en su propio equipo (ya sea ejecutando la aplicación o cargando la web en su navegador) y que las capas de negocio y datos se encuentren en otro equipo remoto (el servidor). A medida que la aplicación se haga más exigente las capas de negocio y datos pueden separarse en diferentes equipos (normalmente físicamente más cerca) y según se exige un mayor rendimiento se pueden añadir equipos a cualquiera de estas dos capas.

 Arquitectura en 3 capas

 Arquitectura en 3 capas

 Arquitectura LAMP


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