Veritabanı Sistemlerinin Temelleri

Veritabanı, (database) herhangi bir konuda birbiriyle ilişkili olan ve amaca uygun olarak düzenlenmiş, mantıksal ve fiziksel olarak tanımlanmış veriler bütünüdür.

Veritabanının özellikleri;

• Veritabanı herhangi bir kurumda birden fazla uygulamada ortak olarak kullanılabilen verilerden oluşur.
• Veritabanında sürekli niteliği olan veriler bulunur. Buna göre, girdi ya da çıktı verisi olan ya da kurum için sürekli bir anlam ifade etmeyen geçici veriler veritabanında yer almaz.
• Veritabanı, ortak kullanılan verilerin tekrarlanmasına izin vermeden çok amaçlı kullanılmasına olanak verir.
• Veritabanında saklanan veriler durağan nitelikte değişmez veriler değildir. Ekleme, silme ya da güncelleme işlemleri ile veritabanındaki veriler değiştirilebilir.

Veritabanı Yönetim Sistemi (VTYS-Database Management System); veritabanı tanımlamak, veritabanı oluşturmak, veritabanında işlem yapmak, veritabanının farklı kullanıcı yetkilerini belirlemek, veritabanının bakımını ve yedeklemesini yapmak için geliştirilmiş programlar bütünüdür. 

Veriye erişim amacıyla farklı yaklaşımlar kullanılmıştır. Bu yaklaşımlardan ikisi; sıralı erişim ve doğrudan erişim biçimindedir. Sıralı erişimde, istenilen veriye ulaşılıncaya kadar ilgili dosyadaki tüm verilerin sırayla okunması gerekir. Geçmişte kullanılan müzik kasetleri bu tür erişim kullanımına örnektir. Doğrudan erişimde, sıralı erişimin aksine istenilen veriye ulaşabilmek için o veriye kadar olan diğer tüm verilerin okunması gerekmemektedir. Bu erişim biçiminde adından da anlaşılacağı gibi istenilen veriye doğrudan erişim mümkündür. Bu erişim biçiminde, verilerin yer aldığı fiziksel adresler birer indeks numarası ile tanımlanıp bu indeks numaraları da ayrı bir dosya olarak saklanır.

Geleneksel dosya sisteminin sınırlıkları;

• Veri tekrarı ve veri tutarsızlığına yol açar.
• Veri paylaşımına olanak vermez.
• Uygulamalarda ihtiyaç duyulan değişikliklerin gerçekleştirilebilmesi için uzmanlık bilgisi gerektirir.
• İstenilen veriye ulaşmada güçlükler bulunur.
• Verilerin güvenliği ve gizliliği konusunda sorun yaşanır.
• Veriler ve uygulamalarla ilgili belirli bir standart yoktur.
• Verileri yedekleme ve kurtarma konusunda güçlükler yaşanır.

Veritabanı yönetim sistemlerinin üstünlükleri;

• Veri tekrarı ve veri tutarsızlığını önler.
• Veri paylaşımına olanak verir.
• Uzmanlık bilgisine ihtiyaç duyulmayacak derecede kullanım kolaylığı sağlar.
• İhtiyaç duyulan veriye, tanımlanmış kullanıcı yetkileri kapsamında kolaylıkla erişilmesini sağlar.
• Veri güvenliği ve gizliliğini güçlü bir biçimde yerine getirir.
• Veriler ve uygulamalarla ilgili standart yapı ve kuralların olması kullanım kolaylığı sağlar.
• Verileri yedekleme ve kurtarma konusunda kolaylık sağlayan programlar barındırır.

Veritabanı ile herhangi bir şekilde etkileşimde olan kişi ya da kişiler veritabanı kullanıcısı olup aşağıdaki gibi sınıflandırılabilirler:

• Veritabanı Sorumluları
  • Veritabanı Yöneticisi
  • Veritabanı Tasarımcısı
• Son Kullanıcılar
  • Standart Kullanıcılar
  • Sıradan ya da Parametrik Kullanıcılar
  • Gelişmiş Kullanıcılar
  • Bağımsız Kullanıcılar
• Sistem Analistleri ve Uygulama Programcıları

Veritabanı sorumluları, veritabanının tasarlanması, oluşturulması ve veritabanının işletim faaliyetlerinden birinci derecede sorumlu olan ve veritabanı üzerinde en fazla yetkiye sahip olan kullanıcılardır. 

Veritabanı yöneticisinin (database administrator) veritabanına erişim yetkilerini belirleme, veritabanı kullanımının düzenlenmesi ve izlenmesini sağlama, ihtiyaç duyulan yazılım ve donanım kaynaklarını edinme biçiminde sıralanan sorumlulukları vardır.

Veritabanı tasarımcısı (database designer) veritabanında saklanacak olan verilerin tanımlanmasından ve bu verilerin depolanması ve gösterilmesi için gerekli olan uygun yapıların seçilmesinden sorumludur. Bu görevler çoğunlukla verilerin veritabanına depolanmasından ve veritabanı uygulamalarından önce yerine getirilir. 

Veritabanı sorumlularının yerine getirdikleri temel görevler aşağıdaki gibi özetlenebilir:

• Veritabanı tasarımını yapma: Veritabanının farklı düzey şemalarının oluşturulması, veriler üzerinde yapılacak her türlü işlem için gereksinimlerin belirlenmesi, veritabanı içeriğinin oluşturulması.
• Bütünlük kısıtlamalarını belirleyip tanımlama: Veritabanında veri bütünlüğünün sağlanabilmesi, veri kaybının önüne geçilebilmesi, veri bütünlüğünü tehlikeye sokacak kullanıcı hatalarının önlenmesi amacıyla gerekli kurallar, ilişkiler ve kısıtlamaların belirlenmesi.
• Veritabanı kullanım yetkilerini tanımlama: Veritabanı kullanıcılarının ve kullanım yetkilerinin tanımlanması ile her kullanıcı grubunun hangi veriler üzerinde hangi işlemleri yapmaya yetkili olduğunun belirlenmesi. Bu tanımlamalar sonrasında ilgili kullanıcılara yetkili oldukları erişimin sağlanması.
• Veritabanı güvenliğini sağlama: Kullanıcıdan ya da yazılım sorunlarından kaynaklanabilecek veri kaybının önlenmesi amacıyla veritabanının yedeklerinin alınması ve kurtarma işlemlerine ilişkin düzenlemelerin yapılması.
• Veritabanının işletimini izleme ve sürekliliğini sağlama: Veritabanın kullanıma sürekli açık olmasının sağlanması ve sistemde meydana gelebilecek herhangi bir sorunu hızlı biçimde giderebilecek tedbirlerin alınması.
• Güncelleme ihtiyaçlarına cevap verebilme: Kullanıcı ihtiyaçlarında ortaya çıkabilecek değişikliklerin izlenebilmesi ve bu değişikliklere paralel olarak veritabanı içeriği, şema tanımları, bütünlük kısıtlamaları, fiziksel yapı ile ilgili parametreler, kullanıcı tanımları ve kullanıcı yetkilerinde gerekli değişikliklerin oluşturulması ve tanımlanması.
• Veritabanından beklenen performansı sağlama: Veritabanı kullanıcılarının beklentilerine cevap verecek bir yapının donanım ve yazılım ihtiyaçlarının sağlanması, veritabanındaki tanımlamaların, kısıtlamaların kullanıcı ihtiyaçlarına cevap verebilecek yeterlilikte olup olmadığının izlenmesi, gerekiyorsa değişikliklerin yapılması.

Son kullanıcılar (end users), yaptıkları işler gereği veritabanına sorgulama ya da güncelleme yapmak veya rapor türetmek için erişen kullanıcılardır. Bu tür kullanıcılar veritabanı ile kullanıcının bağlantısını sağlayan ve uygulama programcıları tarafından geliştirilen yazılımları kullanırlar. 

Sistem analisti son kullanıcıların, özellikle de sıradan son kullanıcıların gereksinimlerini belirleyen ve standart işlemler yoluyla bu gereksinimleri karşılayabilecek ayrıntıları belirleyen kişi ya da kişilerdir. 

Uygulama programcıları ise sistem analisti tarafından belirlenen ayrıntıları program hâline getiren ve daha sonra test eden, hataları ayıklayan, belgeleyen ve kaydedilmiş işlemler olarak sürekliliğini sağlayan kişilerdir. 

Veri soyutlama (data abstraction), verilerin düzenlenmesi ve depolanmasına ilişkin ayrıntıların gizlenmesi ve verinin daha iyi anlaşılmasını sağlamak için veriye ilişkin temel özelliklerin vurgulanması anlamına gelir. 

Veri modeli (data model), bir veritabanının mantıksal yapısını tanımlamada kullanılacak kavramlar, işlemler ve kurallar bütünüdür. Veritabanının mantıksal yapısı; veri tipleri, veriler arasındaki ilişkiler, veri üzerinde uygulanacak kısıtlamalar vb. dir.

Veritabanının herhangi bir veri modeliyle tanımlanması veritabanı şeması (database schema) olarak adlandırılır. Sözkonusu bu şema veritabanının tasarlanması sürecinde oluşturulur ve sık sık değişiklik göstermez.

Veritabanı yaklaşımının önemli karakteristikleri aşağıdaki biçimde sıralanabilir:

• Veritabanı tanımlarını (şema) depolamak için kendi kendine tanım yapabilmeyi sağlayan bir katalog kullanır.
• Veri ve program izolasyonunu sağlar (program – veri bağımsızlığı; program – işlem bağımsızlığı)
  • Çoklu kullanıcıyı destekler.

Üç şema mimarisinde şemaları izleyen üç düzey bulunmaktadır. Bunlar;

• İçsel (fiziksel) düzey (internal level), veritabanının fiziksel depolama yapısını tanımlayan içsel şemayı içerir. İçsel şema, veriyi depolama ayrıntılarının tamamını ve veritabanına erişim yollarını tanımlayan fiziksel veri modelini kullanır.
• Kavramsal düzey (conceptual level), kullanıcı topluluğu için tüm veritabanının yapısını tanımlayan kavramsal şemayı içerir. Kavramsal şema fiziksel depolama yapısının ayrıntılarını gizler ve veritabanında yer alan verilerin tipine, veriler arası ilişkilere, kullanıcı işlemlerine ve kısıtlara ilişkin tanımlara yoğunlaşır. Veritabanı sistemlerinde, uygulama veri modelleri kavramsal şemayı tanımlamak için kullanılır. Bu kavramsal şema, yüksek düzeyli kavramsal veri modelleri kullanılarak tasarlanır.
• Dışsal (görünüm) düzey (external level), bir dizi dışsal şema ya da kullanıcı görünümü içerir. Her dışsal şema bir grup kullanıcının ilgilendiği bazı veritabanı bölümlerini tanımlar. Böylece veritabanının diğer kısmı bu kullanıcı grubundan gizlenir. Her dışsal şema, bir yüksek düzey veri modelinde tasarlanan dışsal şema tabanlı uygulama veri modeli kullanır.

Veri bağımsızlığı şema düzeyleri arasındaki dönüştürme kapasitesidir. Veri bağımsızlığı iki başlıkta ele alınır:

• Mantıksal veri bağımsızlığı (logical data independence), kavramsal şemanın dışsal şemalarda ya da uygulama programlarında değişiklik yapılmaksızın değiştirilebilmesi anlamına gelir. Kavramsal şemada değişiklik, veritabanını genişletmek (bir kayıt tipi ya da veri kalemi eklemek) kısıtları değiştirmek ya da veritabanını eksiltmek (bir kayıt ya da veriyi silmek) biçiminde olabilir.
• Fiziksel veri bağımsızlığı (physical data independence), kavramsal şemada bir değişiklik yapılmaksızın içsel şemada değişiklik yapma kapasitesidir. Buna bağlı olarak içsel şemada yapılan değişiklik dışsal şemalarda da bir değişiklik yapılmasını gerektirmez. İçsel şemalarda değişiklik ihtiyacı fiziksel dosyalar üzerinde yeniden düzenleme ihtiyacı ile ortaya çıkabilir.

Veritabanı yönetim sistemlerinde kullanılan diller veri tanımlama dili ve veri tanımlama dili derleyicisidir. Üç şemalı mimarinin tam anlamıyla kullanıldığı yapılarda görünüm tanımlama dili (view definition language) olarak adlandırılan üçüncü bir dile ihtiyaç duyulur. Görünüm tanımlama dili, kullanıcı görünümlerini belirlemek ve bunların kavramsal şemadaki eşleştirmelerini belirlemek için kullanılır.

Veri işleme; veritabanından veri çağırma, veri ekleme, veri silme ve veri üzerinde değişiklikler yapma faaliyetlerini içerir. VTYS bu işleme faaliyetlerini gerçekleştirebilmek amacıyla veri işleme dili (data manipulation language) olarak adlandırılan bir dil kullanır. Veritabanından bilgi alma amacıyla sorgulama yapmak için kullanılan veritabanı dili ise sorgulama dili (query language) olarak adlandırılır.

Veritabanına iletilen sorguların, anlamsal ve sözdizimsel çözümlemesi, kullanıcı yetkisinin kontrolü ve sorguları işlemek için hangi algoritmanın kullanılması gerektiğini belirleme işi sorgu işleyici (query processor) adı verilen bileşen tarafından gerçekleştirilir. 

Veritabanları dört başlık altında sınıflandırılabilir:

• Hiyerarşik veritabanı (Hierarchical database)
• Ağ veritabanı (Network database)
• İlişkisel veritabanı (Relational database)
• Nesneye yönelik veritabanı (Object oriented database)

Hiyerarşik veritabanı, en eski veri modeli olan hiyerarşik veri modelini temel alıp 1960 ve 1970’li yıllarda yaygın olarak kullanılmıştır. Bu tür veritabanlarında kullanılan veri modelinde kayıtlar, ilişkileri temsil eden ve ağaç yapısına benzeyen kök ve dallar biçiminde hiyerarşik bir yapıda oluşturulur. Bu yapı, başlangıç noktası ağacın kökü, bağlantılı kılınacak noktalar dallar ve ana dallara bağlı alt dallar olarak düşünülebilen bir yapı biçimindedir. Buna göre veriler arasındaki ilişkilerde hiyerarşinin üst bölümünde olan dallar alt bölümde birden çok dal ile bağlantılı olabilirken alt bölümünde olan dallar üstte kalan dallara yalnızca tek bir noktadan bağlantılı olabilirler. Bu nedenle bu yapıda ilişkiler ebeveyn-çocuk (bir ebeveynin birden fazla çocuğu olabilirken, bir çocuğun yalnızca bir ebeveyni olması) ilişkisine benzetilir. 

Ağ veritabanı, 1970’li yıllar ile 1980’li yılların ilk yarısında kullanılan ve ağ veri modelini temel alan veritabanı türüdür. Hiyerarşik veri modelindeki ebeveyn-çocuk ilişkisinin yetersizliği ağ veri modeliyle giderilmeye çalışılmıştır. Buna göre her bağlantı noktası düğüm olarak ifade edilirse hiyerarşik yapıdan farklı olarak ağ veri modelinde, her düğümün birden fazla ebeveyn ve birden fazla çocuk düğümü ile bağlantısı olabilir.   

İlişkisel veritabanı ilişkisel veri modelini temel almış ve ilk olarak 1970 yılında ortaya atılmıştır. 1970’li yılların sonunda kullanılmaya başlanmış ve 1985 yılından sonra kullanımı yaygınlaşmıştır. Bu yapıda ilk iki veri modelinden farklı olarak birden çok ilişki biçimi kullanılabilir. Günümüzde kullanılan veritabanı yönetim sistemlerinin hemen hemen hepsinde tercih edilen model ilişkisel veri modelidir. 

Nesneye yönelik veri tabanları 1990’lı yıllarda kullanılmaya başlanmıştır ve giderek popüler hâle gelmektedir. Bunun nedeni, çeşitli multimedya unsurlarını ya da çeşitli kaynaklardan parça parça alınan verileri benzer biçimde birleştiren web uygulamalarında kullanılan Java uygulamalarını yönetmek için kullanılabilir olmasıdır. Nesneye yönelik veritabanları ilişkisel veri modellerinden farklı olarak daha karmaşık veri türleri üzerinde işlem yapmasına rağmen, çok sayıda işlemi yürütme açısından ilişkisel veritabanından göreceli olarak daha yavaştır.

Yaygın olarak bilinen veritabanı yönetim sistemi yazılımları; MS SQL Server, Oracle, MySQL, Sybase, MS Access, PostgreSQL, IBM DB2, Informix, Advantage biçiminde sıralanabilir. 

Açık kaynak kodlu veritabanı yönetim yazılımlarına örnek olarak MySQL ve PostgreSQL verilebilir.