الوحدة 2: مفاهيم قواعد البيانات الأساسية

2.1 ما هي قاعدة البيانات؟ (What is a Database?)

التعريف:

قاعدة البيانات (Database) هي مجموعة منظمة من البيانات ذات الصلة ببعضها البعض، والتي يتم جمعها وتخزينها بطريقة تهدف إلى دعم أنشطة مؤسسة أو نظام معين بفعالية وكفاءة.

المكونات الأساسية لقاعدة البيانات:

• الجداول (Tables): هي الهياكل الأساسية لتخزين البيانات في قواعد البيانات العلائقية. تُنظم البيانات داخل الجداول في صفوف (Records/Rows) تمثل كيانات فردية (مثل عميل واحد أو منتج واحد)، وأعمدة (Fields/Columns) تمثل سمات محددة لهذه الكيانات (مثل اسم العميل، سعر المنتج).
• العلاقات (Relationships): هي الروابط المنطقية التي تُنشأ بين الجداول المختلفة داخل قاعدة البيانات. تسمح هذه العلاقات بربط البيانات المترابطة معاً لتحقيق التكامل في البيانات والاستفادة القصوى منها، بدلاً من تكرارها.

2.2 خصائص قاعدة البيانات (Database Characteristics)

تتميز قواعد البيانات الحديثة بعدة خصائص أساسية تميزها عن أنظمة الملفات التقليدية، وتساهم في فعاليتها:

• تمثيل جوانب من العالم الواقعي (Representation of Real World):

  تحتوي قاعدة البيانات على بيانات تعكس كيانات حقيقية موجودة في العالم الواقعي أو في نظام الأعمال الذي تمثله. هذه الكيانات يمكن أن تكون: الموظفين، المنتجات، الطلبات، العملاء، المعاملات المالية، المقررات الدراسية، إلخ. الهدف هو إنشاء نموذج رقمي دقيق ومتناسق لهذه الكيانات وعلاقاتها.

• التنظيم المنطقي والترابط (Logical Organization and Inter-relatedness):

  البيانات داخل قاعدة البيانات مُهيكلة بطريقة منطقية ومترابطة. هذا يعني أن البيانات ليست مجرد مجموعة عشوائية من الحقائق، بل يتم تنظيمها بحيث يمكن استخلاص علاقات ذات معنى بينها. هذا التنظيم يسهل الوصول إليها، إجراء الاستعلامات المعقدة، وإنشاء التقارير الشاملة التي تجمع معلومات من عدة مصادر.

• الغرض المحدد (Specific Purpose):

  كل قاعدة بيانات تُصمم وتُبنى لخدمة هدف معين أو مجموعة محددة من الاحتياجات لمؤسسة أو تطبيق معين. على سبيل المثال، قاعدة بيانات لإدارة المبيعات ستختلف عن قاعدة بيانات لإدارة الموارد البشرية أو نظام إدارة المخزون أو العمليات المصرفية. هذا التركيز يضمن أن التصميم يلبي المتطلبات الوظيفية بدقة.

• السمات (Attributes) والقيم (Values):

  كل جزء من المعلومات في قاعدة البيانات هو "قيمة" لـ "سمة" معينة لكيان ما. تُخزن السمات عادةً في حقل (Field) أو عمود (Column) داخل جدول.

  مثال: جدول الموظفين (Employees)

  EmployeeID (معرف الموظف)	Name (الاسم)	Department (القسم)	Salary (الراتب)
  101	أحمد محمد	المبيعات	7000
  102	ليلى خالد	التسويق	8500

  هنا، `EmployeeID` و`Name` و`Salary` هي سمات (Attributes)، و`101`, `أحمد محمد`, `7000` هي قيم (Values) لتلك السمات.

• التكامل والاستقلالية (Integration and Independence):

  تهدف قواعد البيانات إلى تقليل تكرار البيانات وضمان اتساقها (Data Consistency) من خلال التكامل. كما تضمن استقلالية البيانات (Data Independence)، مما يعني أن التغييرات في هيكل البيانات (كيفية تخزينها فيزيائيًا) لا تؤثر على طريقة عرضها للتطبيقات والمستخدمين (الاستقلالية المادية)، والتغييرات في المنطق العام لا تؤثر على التطبيقات (الاستقلالية المنطقية). هذا يسهل صيانة وتطوير الأنظمة.

2.3 أنواع مستخدمي قاعدة البيانات (Types of Database Users)

يتفاعل مع قاعدة البيانات أنواع مختلفة من المستخدمين، لكل منهم دور ووظائف محددة:

• المستخدمون النهائيون (End Users):

  هم الأشخاص الذين يتفاعلون مع قاعدة البيانات بشكل مباشر أو غير مباشر عبر تطبيقات واجهة المستخدم. يستخدمونها لاستخراج التقارير، إدخال البيانات، أو إجراء عمليات البحث البسيطة. مثال: موظفو المبيعات الذين يدخلون طلبات العملاء، أمناء المكتبة الذين يسجلون الكتب المستعارة.

• مستخدمو التطبيقات (Application Users):

  يستخدمون برامج وتطبيقات تم تصميمها خصيصًا للتفاعل مع قاعدة البيانات. لا يتفاعلون عادةً مع قاعدة البيانات بشكل مباشر بل عبر واجهة التطبيق. مثال: مستخدمو نظام الحجز الإلكتروني لشركات الطيران، مستخدمو تطبيق البنك على الهاتف.

• المستخدمون الخبراء (Sophisticated Users):

  لديهم معرفة عميقة بهيكل قاعدة البيانات ولغة الاستعلام (مثل SQL). يكتبون استعلامات معقدة ومخصصة مباشرةً لاستخلاص بيانات محددة لأغراض التحليل أو التقارير. مثال: محللو البيانات، الباحثون، العلماء الذين يجرون تحليلات إحصائية.

• مبرمجو التطبيقات (Application Programmers):

  هم المطورون الذين يقومون ببناء وتطوير البرامج والتطبيقات التي تتفاعل مع قواعد البيانات. يكتبون التعليمات البرمجية التي تقوم بإدخال، تحديث، حذف، واسترجاع البيانات من قاعدة البيانات. مثال: مطورو الويب (Front-end و Back-end)، مطورو تطبيقات الهاتف المحمول.

• مسؤولو قواعد البيانات (DBAs – Database Administrators):

  هم المسؤولون الرئيسيون عن إدارة وصيانة قاعدة البيانات بالكامل. تشمل مهامهم: تثبيت وتكوين الـ DBMS، تصميم وهيكلة قاعدة البيانات، منح الصلاحيات للمستخدمين، ضمان أداء قاعدة البيانات، النسخ الاحتياطي والاستعادة، وضمان سلامة وأمان البيانات. مثال: متخصص أمن قواعد البيانات، مهندس قواعد البيانات.

2.4 نظام إدارة قواعد البيانات (DBMS) وتصنيفاته (DBMS and its Classifications)

تعريف DBMS:

نظام إدارة قواعد البيانات (Database Management System - DBMS) هو برنامج معقد يمثل الواجهة بين المستخدم النهائي وقاعدة البيانات. يسمح الـ DBMS بـ:

• إنشاء (Creation): تعريف هيكل قاعدة البيانات والجداول والعلاقات.
• إدارة (Management): تنظيم البيانات، تطبيق قيود السلامة، وتوفير آليات النسخ الاحتياطي والاستعادة.
• استرجاع (Retrieval): تمكين المستخدمين من استعراض واستخلاص البيانات المطلوبة.
• تحديث (Update): السماح بتعديل وحذف البيانات الموجودة.

تصنيفات DBMS حسب نموذج البيانات (Classification by Data Model):

تُصنف أنظمة إدارة قواعد البيانات بشكل رئيسي بناءً على نموذج البيانات الذي تستخدمه لتنظيم وتخزين البيانات:

• الأنظمة العلائقية (Relational DBMS - RDBMS):

  تُعد الأكثر شيوعًا اليوم. تخزن البيانات في جداول (Tables) تتكون من صفوف وأعمدة. تعتمد على العلاقات المنطقية بين الجداول باستخدام المفاتيح الأساسية (Primary Keys) والمفاتيح الخارجية (Foreign Keys). تستخدم لغة SQL للاستعلام والتعامل مع البيانات.

  أمثلة: MySQL, Oracle, SQL Server, PostgreSQL.
• الأنظمة الهرمية (Hierarchical DBMS):

  تنظم البيانات على شكل هيكل شجري، حيث تكون هناك علاقة "أب-ابن" (Parent-Child) بين السجلات. كل ابن يمكن أن يكون له أب واحد فقط. تُعتبر أنظمة قديمة ولم تعد شائعة في التطبيقات الحديثة.

  مثال (أنظمة قديمة): IBM IMS.
• الأنظمة الشبكية (Network DBMS):

  تُعد تطورًا للأنظمة الهرمية، حيث يمكن للسجل الواحد أن يكون له عدة آباء، مما يسمح بعلاقات أكثر تعقيدًا. كانت شائعة في الثمانينيات ولكنها تراجعت أمام الأنظمة العلائقية.

  مثال (أنظمة قديمة): IDS (Integrated Data Store).
• الأنظمة الكائنية (Object-Oriented DBMS - OODBMS) / NoSQL Databases:

  تخزن البيانات ككائنات (Objects) تشبه الكائنات في لغات البرمجة الموجهة للكائنات. تسمح بتخزين أنواع بيانات أكثر تعقيداً. ظهرت مؤخراً أنواع أخرى تُعرف بـ NoSQL التي لا تلتزم بالهيكل العلائقي الصارم، وهي مناسبة للبيانات غير المهيكلة أو شبه المهيكلة والبيئات الموزعة.

  أمثلة: MongoDB (Document-Oriented), Cassandra (Column-Family), Neo4j (Graph Database), Redis (Key-Value Store).

تصنيف DBMS حسب عدد المستخدمين (Classification by Number of Users):

• أحادي المستخدم (Single-user Database System):

  يسمح لمستخدم واحد فقط بالوصول إلى قاعدة البيانات في أي وقت. شائع في التطبيقات الشخصية أو التطبيقات التي لا تتطلب مشاركة البيانات.

  مثال: قاعدة بيانات تطبيق الملاحظات على الهاتف، Microsoft Access لمهام صغيرة.
• متعدد المستخدمين (Multi-user Database System):

  يسمح لعدة مستخدمين بالوصول إلى نفس قاعدة البيانات في وقت واحد. هذا النوع ضروري لمعظم تطبيقات الأعمال والمؤسسات.

  مثال: قواعد بيانات الشركات الكبيرة، أنظمة البنوك، أنظمة التجارة الإلكترونية.

تصنيف DBMS حسب التوزيع (Classification by Distribution):

• مركزي (Centralized Database System):

  يتم تخزين قاعدة البيانات بأكملها وإدارتها في موقع واحد على خادم مركزي. يتم الوصول إليها من قبل المستخدمين من مواقع مختلفة.

  مثال: قاعدة بيانات صغيرة لشركة محلية مخزنة على خادم واحد.
• موزع (Distributed Database System):

  يتم توزيع أجزاء من قاعدة البيانات أو نسخ كاملة منها على مواقع جغرافية مختلفة أو على عدة خوادم متصلة بالشبكة. يوفر هذا النوع أداءً أفضل، مرونة أعلى، وتوافرًا (Availability) أكبر للبيانات.

  مثال: قواعد بيانات سلاسل المتاجر الكبيرة التي لها فروع متعددة، قواعد بيانات الويب العالمية مثل Amazon DynamoDB أو Google Cloud Spanner.

2.5 مصطلحات أساسية (Key Terms)

2.6 أمثلة تطبيقية وروابط توضيحية

مثال على قاعدة بيانات علائقية (Relational Database):

لنأخذ مثالاً مبسطاً لعلاقة بين جدولين في قاعدة بيانات علائقية:

مثال على قاعدة بيانات كائنية (Object-Oriented Database) أو NoSQL:

في قاعدة البيانات الكائنية (أو قواعد بيانات NoSQL الوثائقية)، يمكن تخزين الكائنات المعقدة بشكل مباشر دون الحاجة لتقسيمها إلى جداول منفصلة.

{
  "_id": "book123",
  "title": "تصميم قواعد البيانات للمبتدئين",
  "author": "محمد علي",
  "isbn": "978-1234567890",
  "genre": "تعليمي",
  "publicationYear": 2023,
  "reviews": [
    { "reviewer": "سارة", "rating": 5, "comment": "كتاب رائع!" },
    { "reviewer": "فهد", "rating": 4, "comment": "مفيد جداً للمبتدئين." }
  ],
  "copiesAvailable": 3,
  "borrowedBy": [
    { "userID": "user001", "borrowDate": "2024-01-15" },
    { "userID": "user005", "borrowDate": "2024-02-01" }
  ]
}
                        

روابط توضيحية إضافية لفهم المفاهيم:

• فيديو شرح العلاقات بين الجداول (مثال تقديمي): (رابط فيديو توضيحي) - (قد تحتاج للبحث عن فيديو باللغة العربية أو الإنجليزية مناسب لمستوى الدبلوم).
• مخطط ER توضيحي على موقع Lucidchart (مثال عام): (رابط صفحة Lucidchart عن ERD) - يُقدم هذا الرابط شرحًا بصريًا لمخططات الكيان والعلاقة التي ستتعلمها لاحقاً.

التمارين المقترحة (Suggested Exercises)

اختبر فهمك لمفاهيم هذه الوحدة بالإجابة على الأسئلة التالية:

1. ما هو التعريف الشامل لقاعدة البيانات؟ وما هي المكونات الأساسية التي تتكون منها؟
2. اذكر ثلاث خصائص رئيسية لقواعد البيانات الحديثة، واشرح بإيجاز كيف تساهم كل خاصية في فعاليتها.
3. صمم جدولاً بسيطاً لمخزون المنتجات في متجر إلكتروني. حدد اسم الجدول، ثلاثة حقول رئيسية مع نوع البيانات (نص، رقم، تاريخ)، والمفتاح الرئيسي لهذا الجدول.
4. قارن بين المفتاح الرئيسي (Primary Key) والمفتاح الخارجي (Foreign Key) مع تقديم مثال يوضح العلاقة بين جدولين باستخدام هذين المفهومين.
5. ما هو نظام إدارة قواعد البيانات (DBMS)؟ اذكر مثالين لأنظمة DBMS علائقية ومثالين لأنظمة DBMS غير علائقية (NoSQL).
6. اذكر ثلاثة أنواع مختلفة من مستخدمي قواعد البيانات، واشرح الدور الرئيسي لكل نوع في بيئة قاعدة البيانات.