Lược đồ cơ sở dữ liệu là gì? Hướng dẫn về các loại và cách sử dụng

Thành phần của lược đồ cơ sở dữ liệu

Lược đồ cơ sở dữ liệu là bản thiết kế cấu trúc và các mối quan hệ trong một cơ sở dữ liệu. Nó chỉ định cách dữ liệu sẽ được tổ chức trong các bảng, trường, kiểu dữ liệu và mối quan hệ giữa các phần tử này. Hãy cùng xem những thành phần chính và cách chúng đóng góp vào tổng thể lược đồ cơ sở dữ liệu: 

• Bảng là tập hợp dữ liệu liên quan được tổ chức theo hàng và cột.
• Trường là một cột chứa thông tin trong một bảng.
• Kiểu dữ liệu chỉ định loại dữ liệu mà một trường có thể chứa (ví dụ: integer, varchar, date).

Một lược đồ cơ sở dữ liệu được thiết kế tốt đảm bảo dữ liệu chính xác, hiệu năng truy vấn được tối ưu và cơ sở dữ liệu có thể hỗ trợ sự phát triển của doanh nghiệp.

Tổ chức dữ liệu thành các bảng. Hình do Tác giả thực hiện

Vậy một lược đồ cơ sở dữ liệu được thiết kế tốt trông như thế nào? Dưới đây là những điều bạn cần biết:

• Một lược đồ tốt có những ràng buộc nhất định. Ràng buộc là các quy tắc tổ chức dữ liệu trong hệ quản trị cơ sở dữ liệu (DBMS) để duy trì tính toàn vẹn.
• Một lược đồ được tổ chức tốt sẽ tối ưu hóa lưu trữ và lập chỉ mục dữ liệu để tăng tốc tìm kiếm. 
• Một lược đồ được xác định rõ sẽ tự động hóa mọi thứ, từ cập nhật định kỳ đến mở rộng quy mô khi doanh nghiệp phát triển. 

Các loại lược đồ cơ sở dữ liệu

Có nhiều loại lược đồ cơ sở dữ liệu và mỗi loại phục vụ một mục đích khác nhau, cung cấp các mức độ tổ chức khác nhau. Đôi khi, lược đồ được thảo luận một cách khái quát để mô tả cấu trúc cơ sở dữ liệu nói chung, trong khi những lúc khác chúng đề cập đến các thành phần kiến trúc cụ thể và chi tiết thiết kế. Ở mức độ trừu tượng cao, lược đồ cơ sở dữ liệu có thể được phân loại thành ba loại—khái niệm, logic và vật lý. 

Lược đồ khái niệm

Lược đồ cơ sở dữ liệu khái niệm là lược đồ cấp cao trong cơ sở dữ liệu cung cấp cái nhìn tổng quan về toàn bộ hệ thống cơ sở dữ liệu mà không hiển thị chi tiết triển khai, như kiểu dữ liệu hoặc ràng buộc. Chúng giúp người dùng hiểu luồng dữ liệu trong một tổ chức và dễ tiếp cận hơn cho cả người dùng kỹ thuật và không kỹ thuật. 

Lược đồ logic

Lược đồ logic phác thảo cấu trúc logic của dữ liệu trong cơ sở dữ liệu. Nó xác định cách dữ liệu được tổ chức và mối quan hệ giữa các thực thể dữ liệu mà không hiển thị cách lưu trữ vật lý. Loại lược đồ này duy trì tính nhất quán và toàn vẹn dữ liệu bằng cách chỉ định kiểu dữ liệu và các ràng buộc để xác thực khi thiết kế cơ sở dữ liệu. 

Lược đồ vật lý

Lược đồ cơ sở dữ liệu vật lý mô tả vị trí dữ liệu trong hệ thống. Điều này có thể bao gồm vị trí tệp, chiến lược lập chỉ mục và định dạng lưu trữ cho từng bảng nhằm đảm bảo hiệu năng tối đa khi bạn xử lý lượng dữ liệu lớn.

Các phong cách lược đồ cơ sở dữ liệu

Khi tổ chức dữ liệu, không có cách tiếp cận “một cho tất cả”. Các kho dữ liệu khác nhau có nhu cầu kinh doanh khác nhau, vì vậy họ cần các lược đồ cơ sở dữ liệu khác nhau. Một số phong cách phổ biến nhất bao gồm lược đồ hình sao, lược đồ bông tuyết, lược đồ phân cấp và lược đồ quan hệ.

Lược đồ hình sao

Lược đồ hình sao sắp xếp và quản lý tập dữ liệu lớn dựa trên hai nguyên tắc cốt lõi—facts (sự kiện) và dimensions (chiều). Facts giống như các hoạt động kinh doanh với các yếu tố thúc đẩy cần được xem xét, như số liệu doanh số hoặc khối lượng giao dịch. Các dimensions mở rộng những facts này với ngữ cảnh mô tả. Đó có thể là thời gian, địa điểm hoặc thậm chí chi tiết sản phẩm. 

Lược đồ hình sao. Hình do Tác giả thực hiện.

Lược đồ bông tuyết

Lược đồ bông tuyết tương tự lược đồ hình sao. Nó có một bảng fact trung tâm kết nối với nhiều bảng dimension, nhưng có một khác biệt nhỏ. Trong lược đồ bông tuyết, các dimension không phẳng—mỗi bảng dimension được chuẩn hóa thêm thành nhiều bảng liên quan. Điều này có nghĩa là mỗi bảng dimension được chia nhỏ thành các bảng nhỏ hơn có liên kết với nhau.

Lược đồ bông tuyết. Hình do Tác giả thực hiện

Lược đồ quan hệ

Lược đồ này phù hợp nhất với các ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng, nơi coi dữ liệu về đối tượng có giá trị hơn logic và hàm. Trong lược đồ cơ sở dữ liệu quan hệ, mỗi đối tượng được gán một bảng riêng và các bảng này kết nối với nhau. 

Mô hình cơ sở dữ liệu quan hệ. Hình do Tác giả thực hiện. 

Ví dụ, một cơ sở dữ liệu thương mại điện tử có các bảng sản phẩm, khách hàng, đơn hàng và đánh giá—tất cả đều liên quan. Không giống lược đồ hình sao hoặc bông tuyết, nó không có bảng fact trung tâm. Thay vào đó, nó có mối quan hệ linh hoạt giữa các đối tượng để tăng hiệu quả trong quản lý và truy xuất dữ liệu.

Lược đồ phân cấp

Trong lược đồ này, một bảng gốc kết nối với nhiều bảng con, trong đó mỗi bảng con chỉ có đúng một bảng cha. 

Mô hình phân cấp của lược đồ cơ sở dữ liệu. Nguồn: Wikipedia

Ví dụ, trong hệ thống đại học, một bảng gốc có thể bao gồm các khoa, mỗi khoa kết nối với các bảng con cho giảng viên và môn học. Giảng viên chỉ thuộc một khoa, nhưng môn học được gán cho một giảng viên cụ thể. Cấu trúc này giúp dễ dàng truy cập dữ liệu thường xuyên sử dụng, như lịch học và thông tin giảng viên.

Lợi ích của lược đồ cơ sở dữ liệu

Lược đồ cơ sở dữ liệu cải thiện hiệu năng và bảo mật tổng thể của hệ thống bằng cách xác định rõ ràng các mối quan hệ, ràng buộc và lưu trữ dữ liệu. Dưới đây là một số lợi ích chính của lược đồ được thiết kế tốt:

• Tổ chức dữ liệu: Chúng tổ chức dữ liệu vào các bảng một cách hợp lý để duy trì sự rõ ràng và nhất quán.
• Duy trì tính toàn vẹn dữ liệu: Chúng xác định khóa ngoại và thiết lập các quy tắc giữ cho dữ liệu chính xác và đáng tin cậy.
• Đảm bảo bảo mật: Bằng cách chỉ định quyền truy cập ở cấp lược đồ, chúng hạn chế truy cập trái phép và đảm bảo người dùng chỉ thấy những gì họ nên thấy.
• Khả năng mở rộng: Thiết kế lược đồ tốt hỗ trợ khả năng mở rộng, giúp quản trị viên dễ dàng phân vùng dữ liệu và quản lý tăng trưởng. 
• Tạo điều kiện giao tiếp: Nhà thiết kế và quản trị cơ sở dữ liệu có thể giao tiếp và cộng tác thông qua lược đồ để hiểu thiết kế cơ sở dữ liệu.
• Bảo trì không gián đoạn: Quản trị viên có thể điều chỉnh cấu trúc cơ sở dữ liệu bằng lược đồ mà không làm gián đoạn các ứng dụng hiện có hoặc tính toàn vẹn dữ liệu.

Cách thiết kế lược đồ cơ sở dữ liệu

Các bước sau đây liên quan đến việc thiết kế một lược đồ cho cơ sở dữ liệu.

Thu thập yêu cầu

Để thiết kế một cơ sở dữ liệu tốt, trước tiên bạn phải xác định mục đích chính: nó sẽ chứa dữ liệu gì và ai sẽ sử dụng. Bạn có thể trao đổi với các bên liên quan để lấy yêu cầu chi tiết, bao gồm dữ liệu cụ thể cần thiết, loại truy vấn sẽ chạy và các báo cáo cần tạo. Qua đó, bạn sẽ có phạm vi dự án rõ ràng và đảm bảo cơ sở dữ liệu đáp ứng nhu cầu người dùng mà không phức tạp không cần thiết.

Tạo sơ đồ thực thể - quan hệ

Khi đã nắm yêu cầu, hãy tạo chế độ nhìn hoặc mô hình khái niệm của cơ sở dữ liệu. Bạn có thể làm điều này bằng Sơ đồ Thực thể - Quan hệ (ERD), minh họa cách các bảng hay thực thể trong lược đồ cơ sở dữ liệu liên kết với nhau.

Ví dụ Sơ đồ Thực thể - Quan hệ. Nguồn: Wikimedia Commons

Có ba loại mối quan hệ giữa các thực thể:

• Một-một: Mối quan hệ này chỉ ra rằng một bản ghi của một thực thể trong một bảng tương ứng duy nhất với một bản ghi của thực thể ở bảng khác. Ví dụ, Số An sinh Xã hội xác định cá nhân một cách duy nhất và thể hiện mối quan hệ một-một.
• Một-nhiều: Ở mối quan hệ này, một thực thể trong một bảng có thể liên quan đến nhiều thực thể ở bảng khác. Ngược lại, một thực thể ở bảng kia chỉ có thể liên quan đến một thực thể ở bảng thứ nhất. Ví dụ, một khách hàng có thể có nhiều đơn hàng, nhưng mỗi đơn hàng cụ thể chỉ thuộc về một khách hàng cụ thể.
• Nhiều-nhiều: Mối quan hệ này cho thấy một bản ghi trong một bảng có thể liên quan đến nhiều bản ghi ở bảng khác và ngược lại. Ví dụ, tại một trường đại học, mỗi sinh viên có thể đăng ký nhiều môn học, và mỗi môn học có thể có nhiều sinh viên.

Tổ chức thông tin thành các bảng

Tiếp theo, tổ chức dữ liệu của bạn vào các bảng. Tạo một bảng cho mỗi thực thể trong cơ sở dữ liệu và xác định các cột để chứa từng thuộc tính liên quan đến các thực thể đó. Cung cấp một khóa chính cho mỗi bảng để mọi bản ghi có một định danh duy nhất và dữ liệu có thể được truy xuất dễ dàng. 

Chuẩn hóa cơ sở dữ liệu

Chuẩn hóa tối ưu hóa dữ liệu trong cơ sở dữ liệu của bạn bằng cách giảm dữ liệu dư thừa và cải thiện tính toàn vẹn. Có một số dạng chuẩn (1NF, 2NF, 3NF, BCNF, v.v.), nhưng bạn nên chuẩn hóa đến dạng chuẩn ba (3NF).

Xem ba dạng chuẩn hóa và mục đích của chúng tại đây:

• 1NF: Loại bỏ tất cả các giá trị dư thừa.
• 2NF: Đảm bảo tất cả các thuộc tính không khóa hoàn toàn phụ thuộc vào khóa chính.
• 3NF: Đảm bảo tất cả các thuộc tính không khóa phụ thuộc hoàn toàn vào khóa chính và không phụ thuộc bắc cầu.

Chuẩn hóa trong cơ sở dữ liệu. Hình do Tác giả thực hiện

Triển khai biện pháp bảo mật

Để đảm bảo bảo mật cơ sở dữ liệu mạnh mẽ, hãy xác định rõ ai có thể truy cập cơ sở dữ liệu và chỉ định quyền của họ, như đọc, ghi hoặc xóa. Bằng cách đó, bạn sẽ giới hạn truy cập chỉ cho người được ủy quyền và ngăn chặn người trái phép xem hoặc sửa đổi dữ liệu nhạy cảm. Hơn nữa, mã hóa dữ liệu nhạy cảm khi lưu trữ và khi truyền sẽ tăng cường bảo mật bằng cách xáo trộn thông tin, khiến nó không thể đọc được ngay cả khi bị chặn bởi người không được phép.

Định nghĩa quy ước đặt tên

Khi mô tả thiết kế cơ sở dữ liệu—bảng, cột, chỉ mục và các quy ước đặt tên đối tượng khác—phải nhất quán. Tên nên đủ mô tả để gợi ý chính xác nội dung nằm trong một bảng hoặc cột để người dùng có thể nhanh chóng hiểu mà không tốn công. Điều này sẽ tránh mọi xung đột có thể xảy ra khi bạn hoặc thành viên khác trong nhóm thực hiện các thao tác với cơ sở dữ liệu. 

Kiểm thử

Khi bạn đã hoàn tất mọi thứ, hãy kiểm thử kỹ lưỡng lược đồ với dữ liệu mẫu để thực hiện các thao tác và truy vấn, đồng thời đánh giá hiệu năng. Dựa trên phản hồi thu thập được ở giai đoạn kiểm thử, tinh chỉnh và điều chỉnh lược đồ nếu cần. Điều này sẽ giúp xác định và giải quyết các vấn đề tiềm ẩn và đảm bảo lược đồ cơ sở dữ liệu của bạn hiệu quả.

Thách thức thường gặp và giải pháp trong thiết kế lược đồ

Một lược đồ được thiết kế tốt là nền tảng cho một hệ thống cơ sở dữ liệu hiệu quả. Tuy nhiên, việc thiết kế đúng đắn cũng có thể nảy sinh nhiều thách thức. Vậy hãy xem chúng và cách giải quyết. 

Sắp xếp các mối quan hệ chưa rõ bằng cơ sở dữ liệu đồ thị

Khi mối quan hệ giữa các bảng không được xác định rõ ràng, các truy vấn có cấu trúc trở nên rất phức tạp. Điều này làm chậm quá trình thực thi truy vấn và ảnh hưởng đến hiệu năng chung của ứng dụng. Ví dụ, các bản ghi mồ côi và thiếu cập nhật nhất quán có thể tạo ra sai lệch và vấn đề về chất lượng dữ liệu. Để tránh các vấn đề này, bạn nên triển khai các công cụ mô hình hóa nâng cao như cơ sở dữ liệu đồ thị để xác định các cấu trúc quan hệ minh bạch, hiệu quả và quản lý các mối quan hệ phức tạp tốt hơn.

Giảm thiểu rủi ro bảo mật cơ sở dữ liệu bằng bảo vệ nhiều lớp  

Cơ sở dữ liệu dễ bị tấn công SQL injection và rò rỉ dữ liệu, có thể làm lộ thông tin nhạy cảm. Để giữ an toàn cho dữ liệu, hãy triển khai chiến lược bảo mật nhiều lớp, bao gồm các phương pháp mã hóa dữ liệu nâng cao và hệ thống phát hiện bất thường dựa trên AI. Điều này sẽ giúp xác định và giảm thiểu các mối đe dọa tiềm ẩn. Ngoài ra, hãy tiến hành kiểm toán bảo mật thường xuyên để giám sát các mối đe dọa nếu có. 

Tái cấu trúc dữ liệu để sửa lỗi chuẩn hóa

Các mức chuẩn hóa khác nhau ảnh hưởng đến hiệu năng truy vấn và làm phức tạp việc bảo trì. Bên cạnh đó, chuẩn hóa quá mức có thể tạo ra các phép nối phức tạp, trong khi chuẩn hóa chưa đủ có thể gây ra dị thường dữ liệu. Để giải quyết, bạn nên áp dụng chiến lược chuẩn hóa linh hoạt dựa trên mẫu truy cập dữ liệu. Sử dụng các công cụ tái cấu trúc cơ sở dữ liệu để thường xuyên rà soát tình trạng chuẩn hóa hiện tại và điều chỉnh mức độ khi cần. Bằng cách này, bạn có thể đạt hiệu năng tối ưu bằng cách cân bằng giữa cấu trúc chuẩn hóa và phi chuẩn hóa.

Cải thiện tài liệu lược đồ bằng cách cập nhật

Thiếu tài liệu rõ ràng sẽ khiến việc thay đổi lược đồ cơ sở dữ liệu rủi ro và tốn thời gian hơn. Vì vậy, hãy thường xuyên cập nhật tài liệu để đảm bảo tính chính xác và đồng bộ với cấu trúc cơ sở dữ liệu mới nhất. 

Nâng cao chất lượng lập chỉ mục kém bằng công cụ tự động

Lập chỉ mục kém có thể dẫn đến hiệu năng truy vấn chậm và ảnh hưởng đến thao tác ghi. Không có chỉ mục phù hợp, việc tìm kiếm trên toàn cơ sở dữ liệu sẽ mất rất nhiều thời gian. Để khắc phục, bạn có thể dùng các công cụ lập chỉ mục tự động như query store để phân tích mẫu truy vấn và chủ động tối ưu việc tạo chỉ mục. Những công cụ này có thuật toán máy học để điều chỉnh chỉ mục dựa trên mẫu sử dụng.

Tổng kết

Một lược đồ cơ sở dữ liệu được cấu trúc tốt duy trì tính toàn vẹn dữ liệu và hỗ trợ khả năng mở rộng bằng cách cung cấp khung vững chắc để xử lý khối lượng và độ phức tạp dữ liệu ngày càng tăng.

DataCamp có nhiều khóa học xuất sắc để đồng hành cùng bạn trên hành trình này nếu bạn muốn nâng cao kỹ năng. Hướng dẫn Quản lý Cơ sở dữ liệu trong PostgreSQL của chúng tôi mang đến các hiểu biết thực tế về PostgreSQL, một trong những hệ quản trị cơ sở dữ liệu mã nguồn mở mạnh mẽ nhất. Hướng dẫn Sử dụng PostgreSQL trong Python giúp kết nối giữa quản trị cơ sở dữ liệu và lập trình. Nếu bạn là quản trị viên cơ sở dữ liệu, bạn có thể bắt đầu với lộ trình kỹ năng SQL cho Quản trị viên Cơ sở dữ liệu. Những ai quan tâm đến chuẩn bị dữ liệu nên xem khóa học Làm sạch Dữ liệu trong Cơ sở dữ liệu PostgreSQL.