قواعد البيانات

يشهد العالم في القرن الحالي تقدماً سريعاً في التعامل مع تدفق البيانات والمعلومات الهائل من حيث التخزين والتحليل والعمليات عليها، خاصة في البرامج والتطبيقات وشبكات الإنترنت وغيرها، فأصبح معظمنا يتفاعل بشكل شبه يومي مع قواعد البيانات بطريقة أو بأخرى، سواء على مستوى تطبيقات قواعد البيانات التقليدية المخزنة لمعظم البيانات بشكل نصي أو رقمي؛ مثل: إيداع أو سحب أموال من البنك، أو الحجز بفندق، أو حتى شراء منتج عبر الإنترنت، أو على مستوى تطبيقات قواعد البيانات الحديثة التي ظهرت كامتداد طبيعي للتقدم التكنولوجي الحاصل في مجال تخزين بيانات غير التقليدية، مثل: المنشورات والتغريدات والصور ومقاطع الفيديو وبيانات محركات البحث والنظم الجغرافية وغيرها، والتي تحتاج إلى أنظمة إدارة وتخزين ومعدات أكبر حجماً تعقيداً، فما هي قواعد البيانات؟

سنستعرض موضوع تحليل قواعد البيانات العلائقية كونها تشكل نواة نظم قواعد البيانات الحديثة.

سؤال: قارن بين نظام إدارة الملفات القديم (الورقي-اليدوي) ونظام إدارة البيانات المحوسب على ضوء المعايير أدناه.

• البيانات ⁦(Data)⁩: حقائق أولية غير منتظمة ودون معنى، تحتاج للمعالجة، وقد تكون نصوصاً أو أرقاماً أو صوراً أو أي شكل آخر.
• المعلومات ⁦(Information)⁩: مجموعة من البيانات تم تجميعها وتنظيمها ومعالجتها لتعطي دلالات بطرق معينة.

تمتاز قواعد البيانات بخصائص عديدة وضرورية لتصبح أكثر تماسكاً وفاعلية، وللتعرف على تلك الخصائص قم بالنشاط الآتي:

قاعدة البيانات: مجموعة من البيانات المرتبة والمنظمة بطريقة يسهل الوصول إليها وإدارتها والتعديل عليها.

نشاط (١): خصائص قواعد البيانات نظام جامعي مكون من عدة أقسام: المالية، المستودع، المكتبة، التسجيل. الطالب داخل الجامعة له علاقة بأغلب هذه الأقسام إن لم يكن جميعها، فإذا علمت أن الجامعة تستخدم نظام الملفات الورقي في معاملاتها، ناقش مع زملائك الحالات الآتية:

1. تسجيل بيانات الطالب في كل قسم على حدة.
2. اختلاف كتابة اسم الطالب في الأقسام الأخرى.
3. اطلاع إدارة الجامعة على عدد الطلبة المستعيرين للكتب بشكل فوري ودقيق.
4. تأثير حذف بيانات طالب من سجلات قسم التسجيل لأمر ما على الأقسام الأخرى.
5. اطلاع بعض الأقسام على بيانات الطالب دون أخرى.

1. لعلك لاحظت في النشاط السابق أن نظام الملفات الورقي يعاني عدة مشكلات في تنظيم وإدارة البيانات، إلا أن استخدام قواعد البيانات المحوسبة في إدارة وتنظيم البيانات يشكل حلاً لتلك المشكلات.
2. ولجعل قواعد البيانات أكثر فاعلية، لا بد أن تتصف بالخصائص الآتية:

• تجنب التكرار ⁦(Redundancy)⁩: عدم تكرار البيانات في أقسام المؤسسة المختلفة، بحيث يتم تخزينها في قاعدة بيانات مركزية واستخدامها من الأقسام جميعها.
• تطابق أو تناسق البيانات ⁦(Consistency)⁩: تعني أن أي إجراءات تتم على قاعدة بيانات محددة يجب أن تغير البيانات المتأثرة بذلك الإجراء وبالطرق المسموح بها، والبيانات المكتوبة صالحة وفقاً لقواعد محددة، فمثلاً: قيام موظف التسجيل بكتابة اسم طالب الأول بالشكل (احمد سليمان) وقيام موظف المكتبة بكتابة نفس اسم الطالب الأول بالشكل (أحمد سليمان) فإننا سنواجه مشكلة في تطابق البيانات كون الاسم لطالبين مختلفين من وجهة نظر قواعد البيانات، وهذا ما تم التغلب عليه في قاعدة البيانات المركزية الحاسوبية.

سؤال: ناقش الجدولين السابقين على ضوء التكرار وتطابق البيانات في نظام إدارة الملفات ونظام إدارة قواعد البيانات.

• مشاركة البيانات ⁦(Sharing)⁩: توفر قاعدة البيانات عدة مستويات لحماية البيانات وخصوصيتها؛ كي لا تكون عرضة للفقد أو السرقة أو الاطلاع غير المعتمد أو غير المرخص به.

• خصوصية وأمن البيانات ⁦(Privacy and Security)⁩: توفر قاعدة البيانات عدة آليات للمحافظة على بياناتها، نذكر منها:
  • المصادقة ⁦(Authentication)⁩: عملية التأكد أن الشخص الذي يحاول الدخول إلى قاعدة البيانات وإجراء بعض العمليات عليها مصرح له بعمل ذلك. (مثال: اسم المستخدم وكلمة المرور).
  • التفويض ⁦(Authorization)⁩: عملية تحديد الصلاحيات ⁦(Permissions)⁩ للمستخدمين من قبل "مدير النظام" ونطاق البيانات المسموح للمستخدم التعامل معها داخل قاعدة البيانات؛ فمثلاً يمكن لمستخدم قراءة البيانات فقط، ويمكن لمستخدم آخر القيام بعملية التحديث والإضافة والحذف على البيانات.
• استقلالية البيانات ⁦(Data Independence)⁩: إحدى أهم الخصائص التي أدت إلى تطوير وتطبيق نظم إدارة قواعد البيانات المحوسبة في المنظمات المختلفة، وتعني فصل البيانات عن البرامج المعالجة لها من خلال حفظ البيانات في قاعدة البيانات بصفة مستقلة عن برامج التطبيق التي لا تتأثر بواسطة أي تغيرات في تنظيم البيانات مادياً، ويتم على مرحلتين:

1. الاستقلالية المنطقية للبيانات.
2. الاستقلالية الفيزيائية للبيانات، وتتم من خلال نظام إدارة قواعد البيانات ⁦(DBMS)⁩.

• التكامل المرجعي ⁦(Referential Integrity)⁩: ترابط البيانات بين الجداول (المرتبطة والأساسية) من خلال حقولها (الأساسي والأجنبي) بحيث لا يمكن القيام بعملية (إضافة أو تحديث أو حذف) على بيانات الجدول المرتبط دون الجدول الرئيسي، ويرتبط بهذا المفهوم (تتالي التحديث) و(تتالي الحذف) والتي تضمن أن التغييرات في جدول ستنعكس على الجدول الآخر، كما في الشكل المجاور.

مثال: حذف بيانات طالب من قسم (التسجيل) يعني بالضرورة حذف بياناته من جميع الأقسام الأخرى (المالية، المكتبة، ...).

سؤال: ما الخطأ في الجداول أدناه؟ بين السبب مع تصحيح الخطأ.

ناقش العبارة الآتية: "ساهمت الشبكات الحاسوبية في دعم وترسيخ قواعد البيانات".

تُعد الحاجة لتخزين البيانات في نظام أرشفة الملفات اليدوية وتصنيفها سبباً مهماً لاسترجاع تلك المعلومات في أي وقت، وهنا تكمن العلاقة بين نظم إدارة قواعد البيانات ⁦DBMS⁩ ونظام الأرشيف؛ حيث أن نظم إدارة قواعد البيانات تقوم بمهمة الأرشفة والتصنيف للبيانات بسرعة ودقة عالية بشكل محوسب، مما يضيف ميزات أخرى مقارنة بأرشفة الملفات التقليدي؛ كزيادة إنتاجية المستخدمين، وسرعة استرجاع المعلومات، وزيادة أمن المعلومات، مع إمكانية مراقبة قاعدة البيانات طوال الوقت. وتعرف إدارة قواعد البيانات أنها مجموعة من البرامج والأنظمة الفرعية المسؤولة عن تنظيم البيانات للوصول لها بسرعة وسهولة، وتنفيذ جميع الإجراء والوظائف المختلفة على قاعدة البيانات، مثل: الإضافة والتعديل والتخزين والحذف والاسترجاع والبحث والعرض لبيانات تلك القاعدة، بينما تعرف نظم قواعد البيانات أنها الجامعة بين قواعد البيانات وإدارة قواعد البيانات، وهذا ما يجعلها تتغلب على مشاكل نظام الملفات القديم باحتوائها خصائص كل من قواعد البيانات وإدارتها معاً واللازمة لتحقيق استقلالية البيانات وإنشاء الروابط بينها بشكل أساسي.

هناك أنواع كثيرة من نظم إدارة قواعد البيانات؛ فمنها ما هو مخصص للأنظمة الصغيرة التي تعمل على الأجهزة الشخصية والصغيرة، مثل: (⁦Access⁩, ⁦FoxPro⁩)، ومنها ما هو مخصص للأنظمة الكبيرة التي تعمل على الخوادم العملاقة والأجهزة الكبيرة لتخدم عدداً كبيراً من المستخدمين مثل: (⁦Microsoft SQL⁩, ⁦Oracle⁩).

تشكل نظم إدارة قواعد البيانات حلقة الوصل بين المستخدم والبيانات في قاعدة البيانات، مروراً بمدير الملفات ⁦(File Manager)⁩ وهو أحد برامج التشغيل والمسؤول عن توصيل قاعدة البيانات بنظم إدارة قواعد البيانات، باستقبال الطلبات من المستخدمين وتنفيذ مجموعة عمليات استجابة لهذه الطلبات لتزويدهم بالنتائج المطلوبة من خلال ثلاثة مستويات:

1. المستوى الداخلي-الفيزيائي (⁦Internal⁩\⁦Physical Level⁩): وصف طريقة تخزين البيانات والعلاقات في وسائط التخزين، وتحديد تراكيب البيانات وأماكن تخزينها وأحجامها وتحويلها للغة الآلة.

   :

2. المكونات البرمجية ⁦(Software)⁩:

• أ. أنظمة التشغيل ⁦(O.S.)⁩: مجموعة برمجيات تقوم بإدارة وتشغيل أجهزة الحاسوب، وتعتبر كحاضنة للبرمجيات الأخرى ضمن نظام التشغيل.

سؤال: اذكر أربعة أنظمة تشغيل درستها سابقاً مبيناً ميزات كل منها.

• ب. برمجيات قواعد البيانات: مجموعة البرامج المسؤولة عن تصميم ومعالجة قواعد البيانات، مثل:

• لغة الاستعلام البنيوية ⁦(Sql)⁩.
• برامج تصميم نماذج الادخال والإخراج ⁦(Screen Formatter)⁩.
• برامج النسخ الاحتياطي ⁦(Backup)⁩.
• برامج توزيع قواعد البيانات ⁦(Distribution)⁩.

• ج. البرمجيات التطبيقية: مجموعة البرامج والواجهات التي يقوم ببنائها المبرمجون للشركات والمؤسسات والوزارات، مثل: برامج التسجيل الجامعي، وبرامج المحاسبة التجارية، وبرامج الصيدليات ومحطات الوقود.

د- مستخدمو قواعد البيانات: الأشخاص الذين يستخدمون أو يديرون قاعدة البيانات ومحتوياتها، والذين يصممون ويطورون ويحافظون على تطبيقات قواعد البيانات و⁦(DBMS)⁩، وهناك قسمان رئيسان:

1. المستخدم غير المباشر ⁦(Workers Behind the Scene)⁩: ومن أمثلتهم:

• أ. مدير قواعد بيانات ⁦(DataBase Administrator-DBA)⁩: الشخص المسؤول عن عدد من المهام اللازمة لاستمرار عمل قاعدة البيانات بشكل سليم، ومن هذه المهام: تصميم وتنفيذ وتشغيل قاعدة البيانات، والنسخ الاحتياطي، واستعادة النظام، ومراقبة أداء النظام وتحديثه وتطويره، ومنح الصلاحيات للمستخدمين.
• ب. مصمم ومحلل قواعد البيانات ⁦(Database Designer)⁩: الشخص المسؤول عن التعريف بمحتوى قاعدة البيانات وشروطها ووظائفها ومعاملاتها وتحليل قاعدة البيانات من خلال التواصل مع المستخدم النهائي ⁦(End User)⁩، وفهم احتياجاته وإسقاطها على قاعدة البيانات المصممة.
• ج. المبرمجون ⁦(Programmers)⁩: الأشخاص الموكل لهم مهمة ترجمة قاعدة البيانات إلى لغة يفهمها الحاسوب، وكتابة البرامج التطبيقية بإحدى لغات البرمجة، والتأكد من سلامة هذه البرامج ودقتها في استخراج النتائج من قواعد البيانات.

بحث: ابحث في الانترنت عن أنواع المستخدمين لقواعد البيانات ومفهوم كل منها.

مرت قواعد البيانات بعدة مراحل لحين الوصول إلى التطور الحالي، فلا بد من الحديث عن الثلاثة نماذج لقواعد البيانات، وهي: الهرمي، والشبكي، والعلاقائي الذي رغم التطورات المتسارعة في نظم قواعد البيانات ما يزال النظام معمول به في حزم ⁦(DBMS)⁩ المختلفة ولبنة الأساس للأنظمة الحديثة.

1. النموذج الهرمي ⁦(Hierarchical Database Management System)⁩: يعد النموذج الأول لتمثيل قواعد البيانات، حيث اعتمد على الروابط للتنقل بين ملفاته، وتم بناء هذا النموذج من الأعلى للأسفل ⁦(Up-down)⁩، فالمستوى الأعلى يعتبر كأب للمستوى في الأسفل كما في الشكل المجاور.

بحث: من خلال شبكة الانترنت، ابحث عن مزايا وعيوب النظام الهرمي وتطبيقاته.

بحث: من خلال شبكة الانترنت، ابحث عن مزايا وعيوب النظام الشبكي وتطبيقاته.

1. يُعد الأكثر انتشاراً بعد ظهور حزم نظم إدارة قواعد البيانات لسهولة الفهم والاستخدام، وفكرته الأساسية تعتمد على تحويل المفاهيم الطبيعية الموجودة في العالم الحقيقي إلى نموذج مصغر تُمثل قواعد البيانات المخزنة في الحاسوب.
2. يعتمد بناء النموذج العلاقائي على ثلاثة مكونات أساسية:

1. الكيان ⁦(Entity)⁩: وحدة أساسية مستقلة محط اهتمام النظام، يشير إلى شيء له وجود حقيقي، مثل: (شخص، منزل، سيارة، ...)، أو وجود منطقي، مثل: (شركة، مقرر، دورة...)، تمثل بقواعد البيانات على شكل جدول (ملف).

   تشكل مجموعة الكيانات (نظاماً) يمثل بقاعدة البيانات؛ ففي الشكل المجاور، نجد نظام قاعدة البيانات (المستشفى) يحوي الكيانات الآتية: (مريض، طبيب، دواء، ....)، حدد كيانات أخرى؟

2. الصفة ⁦(Attribute)⁩: سمات أو خصائص لوصف الكائن، ولكل صفة من صفات الكيان مجال ⁦(Domain)⁩ من القيم التي من الممكن أن يحتويها، فمثلاً: يمكن وصف كيان (طالب) حسب: رقمه، واسمه، وتاريخ ميلاده، وتخصصه... حدد صفات أخرى؟ وفي قواعد البيانات، يطلق على الصفات حقولاً ⁦(Fields)⁩ وتمثل (أعمدة) في الجدول.

   قيم مجموعة الحقول لصف واحد في الجدول يسمى سجلاً ⁦(Record)⁩، وهي تشكل أيضاً مجموعة من الكيانات الشبيهة التي تسمى مثيل ⁦(Instance)⁩.

3. العلاقة ⁦(Relation)⁩: هي الروابط بين كيانين أو أكثر في النظام، ولها درجة ونوع وشروط محددة، انظر الشكل أدناه.

1. ما المقصود بالمفاهيم الآتية: قاعدة البيانات، ادارة قواعد البيانات، نظم قواعد البيانات، الكيان، النموذج العلاقائي.
2. عدد مكونات نظم ادارة قواعد البيانات، مع إعطاء مثال لكل منها.
3. اذكر اثنين من أساليب الحماية في قاعدة البيانات، مع التوضيح.
4. ما الفرق بين تكرار البيانات وتناسق البيانات؟
5. اشرح مستويات عمارة نظم إدارة البيانات.
6. وضح آلية استرجاع سجل من قاعدة البيانات، ممثلاً ذلك بمثال واقعي بمدرستك؟
7. حدد ثلاثاً من الكيانات مع الصفات المناسبة لكل منها لنظام مدرستك.
8. مستعيناً بالشكل المجاور، أجب عن الأسئلة الآتية:

• أ. ما اسم النظام (قاعدة البيانات)؟
• ب. ما اسم الكيان (الجدول)؟
• ج. ما أسماء الصفات (الحقول)؟
• د. ما مجال القيم الممكنة لكل حقل من الحقول؟
• هـ. بعد إجابتك على الأسئلة أعلاه، قم بعمل جدول مناسب وتعبئته.

9. علل ما يأتي:

   تماثل البيانات المخزنة في الحقل وتختلف في السجل. يفضل استخدام الملفات المحوسبة بدل الملفات اليدوية في محل تجاري.

ادرس الحالة الآتية، ثم أجب عن الأسئلة التي تليها: لدى محمد شركة مقاولات عامة تعمل داخل الأراضي الفلسطينية منذ زمن بعيد، ولدى الشركة العديد من الأفرع موزعة على مدن الضفة الغربية، وتعتمد الشركة النظام التقليدي لتخزين ملفاتها، سمع "محمد" بتخصص تكنولوجيا المعلومات وأراد أن يحوسب عمله ويحول نظام الملفات القديم إلى نظام محوسب كقاعدة بيانات. لكنه غير مقتنع بهذا النظام.

• أ. كيف تقنع محمد بأن هذا النظام هو أفضل من النظام القديم من حيث الترتيب والدقة؟
• ب. اذا سألك محمد عن الوظائف التي سيقوم بها نظام قاعدة البيانات الجديد. كيف ستجيبه؟
• ج. في حال اقتنع محمد بعمل النظام واوكل إليك مهمة عمل النظام. ما هي المكونات المادية والبرمجية التي ستفكر فيها؟ ولماذا؟
• د. ما هو نموذج قواعد البيانات الذي سوف تعتمده؟ ولماذا؟