Base de datos: qué es, modelos (relacional) y ejemplos
Una base de datos es un sistema para almacenar, organizar y custodiar datos (cualquier tipo de información). Un motor de base de datos o sistema de gestión de bases de datos (SGBD) puede ordenar, modificar o servir la información almacenada. Antes de los ordenadores digitales se utilizaban tarjetas, libros impresos y otros métodos para conservar registros; hoy la mayoría de los datos se guardan en archivos informáticos gestionados por un SGBD.
Un sistema de base de datos es, en esencia, un programa informático que permite crear, leer, actualizar y borrar datos en una estructura organizada. Un ejemplo sencillo es una libreta de direcciones electrónica: detrás hay un programa que gestiona la inserción, búsqueda y modificación de registros.
Cómo se organizan los datos
Los datos de una base de datos están organizados según un modelo de datos. Antes de los ordenadores, los datos de empleados se guardaban en archivadores con una tarjeta por empleado; hoy las "tarjetas" se representan mediante registros en archivos digitales. Cada forma de representar y relacionar esos datos constituye un modelo de base de datos.
El modelo más utilizado es el modelo de base de datos relacional, que se basa en relaciones y conjuntos. En el lenguaje cotidiano hablamos de tablas de la base de datos, que contienen filas (registros) y columnas (atributos).
Elementos fundamentales del modelo relacional
- Tabla: estructura que agrupa registros con los mismos campos (columnas).
- Fila / registro: unidad de información (por ejemplo, los datos de un empleado).
- Columna / campo: atributo que describe un aspecto del registro (nombre, fecha de nacimiento, etc.).
- Clave primaria (PK): identificador único de cada fila en una tabla.
- Clave foránea (FK): campo que referencia la PK de otra tabla para representar relaciones.
- Índices: estructuras que aceleran búsquedas y ordenaciones.
Normalización y reglas de integridad
La normalización es el proceso de dividir la información en varias tablas para reducir redundancias y mejorar la integridad. Las reglas de integridad (por ejemplo, integridad referencial) garantizan que las claves foráneas apunten a filas existentes y que los datos mantengan consistencia.
Operaciones básicas y SQL
En bases de datos relacionales la consulta y manipulación de datos se suele hacer con SQL (Structured Query Language). Operaciones comunes:
- SELECT: leer datos
- INSERT: añadir nuevos registros
- UPDATE: modificar registros existentes
- DELETE: eliminar registros
Ejemplo simple: dos tablas "empleados" y "departamentos" y una consulta que junta información de ambas:
SELECT e.nombre, e.email, d.nombre AS departamento FROM empleados e JOIN departamentos d ON e.departamento_id = d.id;
Transacciones y propiedades ACID
Las bases de datos manejan transacciones, secuencias de operaciones que deben ejecutarse de forma atómica. Las propiedades ACID son:
- Atomocidad: la transacción se completa totalmente o no ocurre.
- Consistencia: la base de datos pasa de un estado válido a otro válido.
- Isolación: las transacciones concurrentes no interfieren entre sí.
- Durabilidad: una vez confirmada, la transacción persiste incluso ante fallos.
Rendimiento y escalabilidad
El rendimiento se optimiza con índices, particionamiento y diseño eficiente de consultas. La escalabilidad puede lograrse verticalmente (mejor hardware) u horizontalmente (sharding, réplicas). Las decisiones dependen del volumen de datos, patrón de consultas y requisitos de disponibilidad.
Modelos alternativos: NoSQL
Además del modelo relacional existen modelos NoSQL diseñados para necesidades específicas:
- Documentales: almacenan documentos JSON/BSON (ej. MongoDB).
- Clave-valor: pares simples para acceso muy rápido (ej. Redis).
- Columnar: optimizados para grandes volúmenes analíticos (ej. Cassandra).
- Grafos: para relaciones complejas entre entidades (ej. Neo4j).
NoSQL suele priorizar escalabilidad y flexibilidad del esquema por encima de la rigidez de ACID, aunque algunos sistemas ofrecen garantías similares dependiendo de la configuración.
Ejemplos de SGBD populares
- Relacionales: MySQL, PostgreSQL, Oracle Database, Microsoft SQL Server, SQLite.
- NoSQL: MongoDB, Cassandra, Redis, Couchbase, Neo4j.
Casos de uso típicos
- Sistemas empresariales y contables: bases de datos relacionales por integridad y consultas complejas.
- Aplicaciones web con alto tráfico: combinación de bases relacionales y cache (Redis) o bases NoSQL para sesiones.
- Big Data y analítica: almacenes columnar y arquitecturas distribuidas.
- Redes sociales y recomendaciones: bases de datos de grafos o documentales según el caso.
Ventajas y desventajas
- Ventajas: organización estructurada, integridad de datos, poderosas capacidades de consulta y transacciones.
- Desventajas: diseño inicial puede ser complejo, escalado horizontal más difícil en modelos estrictamente relacionales, y sobrecarga administrativa si no se dimensiona bien.
Conclusión breve
Una base de datos es la pieza central para almacenar y gestionar información de manera estructurada. El modelo relacional sigue siendo el más usado por su claridad y robustez, aunque los modelos NoSQL ofrecen alternativas cuando se prioriza la escalabilidad o la flexibilidad del esquema. La elección del tipo de base de datos y del SGBD depende de los requisitos funcionales, de rendimiento y de consistencia de cada proyecto.
Usos de los sistemas de bases de datos
Los usos de los sistemas de bases de datos incluyen:
- Almacenan datos y proporcionan facilidades (herramientas) para buscar registros específicos en un conjunto de datos determinado.
- Almacenan información especial que se utiliza para gestionar los datos. Esta información se llama metadatos y no se muestra a todas las personas que consultan los datos.
- Pueden resolver los casos en los que muchos usuarios quieren acceder (y posiblemente modificar) las mismas entradas de datos.
- Gestionan los derechos de acceso (quién puede ver los datos, quién puede modificarlos)
- Cuando hay muchos usuarios haciendo preguntas a la base de datos, las preguntas deben ser respondidas más rápidamente. De este modo, la última persona que haga una pregunta podrá obtener una respuesta en un tiempo razonable.
- Algunos atributos son más importantes que otros y pueden utilizarse para encontrar otros datos. Esto se llama indexación. Un índice contiene todos los datos importantes y puede utilizarse para encontrar otros datos.
- Garantizan que los datos tengan siempre un contexto. Hay muchas reglas diferentes que se pueden añadir para indicar al sistema de base de datos si los datos tienen sentido. Una de las reglas puede decir que noviembre tiene 30 días. Esto significa que si alguien quiere introducir el 31 de noviembre como fecha, este cambio será rechazado.
Cambio de datos
En las bases de datos, algunos datos cambian ocasionalmente. Puede haber problemas cuando los datos se modifican; por ejemplo, puede haberse producido un error. El error puede hacer que los datos sean inútiles. El sistema de bases de datos examina los datos para asegurarse de que cumplen ciertos requisitos. Para ello, utiliza una transacción. Hay dos puntos en el tiempo en la base de datos, el momento anterior a la modificación de los datos y el momento posterior a la modificación de los datos. Si algo sale mal al cambiar los datos, el sistema de base de datos simplemente devuelve la base de datos al estado anterior al cambio. Esto se denomina "rollback". Después de que todos los cambios se realicen con éxito, se confirman. Esto significa que los datos vuelven a tener sentido; los cambios confirmados ya no pueden deshacerse.
Para poder hacerlo, las bases de datos siguen el principio ACID:
- Todas. O se realizan todas las tareas de un conjunto determinado (llamado transacción), o no se realiza ninguna. Esto se conoce como atomicidad.
- Completa. Los datos de la base de datos siempre tienen sentido. No hay datos a medio hacer (inválidos). Esto se conoce como Consistencia.
- Independiente. Si muchas personas trabajan con los mismos datos, no se verán (o impactarán) entre sí. Cada una de ellas tiene su propia visión de la base de datos, que es independiente de las demás. Esto se conoce como aislamiento.
- Realizadas. Las transacciones deben ser comprometidas, cuando están hechas. Una vez comprometidas, no pueden deshacerse. Esto se conoce como Durabilidad.
Modelo de base de datos
Hay diferentes formas de representar los datos.
- Archivos simples (llamados archivos planos): Esta es la forma más sencilla de sistema de base de datos. Todos los datos se almacenan en un archivo en texto plano. Cada dato puede ser separado por una nueva línea o una coma, etc.
- Modelo jerárquico: Los datos se organizan como una estructura de árbol. Los datos interesantes se encuentran en las hojas del árbol. Las relaciones entre las entradas de datos son tales que algunas entradas dependen directamente de otras.
- Modelo de red: Utiliza registros y conjuntos para almacenar los datos. Similar al modelo jerárquico, pero éste tiene una estructura mucho más compleja.
- Modelo relacional: Utiliza la teoría de conjuntos y la lógica de predicados. Su uso está muy extendido. Los datos parecen estar organizados en tablas. Estas tablas se pueden unir para poder realizar consultas sencillas a partir de ellas.
- Modelo orientado a objetos: Los datos se representan en forma de objetos, tal y como se utiliza en la programación orientada a objetos. Pueden interactuar directamente con el lenguaje de POO que se utilice, ya que ambos tienen la misma representación de los datos internamente.
- Modelo relacional de objetos: Se trata de un híbrido entre el modelo orientado a objetos y el modelo relacional.
- Modelo NoSQL: Se trata de un nuevo tipo de modelo de base de datos y se está utilizando cada vez más en la industria en aplicaciones de big data y web en tiempo real. Los datos en este modelo se almacenan como pares clave-valor sin ninguna jerarquía estricta como en otros modelos. Los sistemas NoSQL también se denominan "No sólo SQL" porque no permiten utilizar lenguajes de consulta similares al Lenguaje de Consulta Estructurado.
Formas de organizar los datos
Al igual que en la vida real, los mismos datos pueden verse desde diferentes perspectivas, y pueden organizarse de diferentes maneras. Hay que tener en cuenta diferentes cosas, a la hora de organizar los datos:
- Cada dato debe almacenarse el menor número de veces posible. Imagínese que una mujer soltera está inscrita en los registros del condado, en el Departamento Estatal de Vehículos a Motor, en el Departamento Federal de la Seguridad Social y en el Departamento de Pasaportes Internacionales. Si se casa, y decide cambiar su nombre, todos estos departamentos tienen que ser notificados. Si todos los departamentos estuvieran vinculados, y su nombre estuviera almacenado en un solo lugar, entonces la actualización sería fácil.
- Si los datos se almacenan en varias bases de datos diferentes, pueden contradecirse.
- Este problema hace que la búsqueda de datos sea más lenta. Si hay muchos datos, este problema de almacenar un dato en muchos lugares, ocupará mucho espacio. En nuestro ejemplo había cuatro bases de datos para una persona. Si una segunda persona tiene exactamente el mismo problema, se realizarán ocho cambios.
- Si tiene este problema, se ha desarrollado un método llamado Normalización de Bases de Datos para solucionarlo. Actualmente existen seis formas de normalización. Son formas de hacer más rápidas algunas bases de datos y de hacer que los datos ocupen menos espacio.
Preguntas y respuestas
P: ¿Qué es una base de datos?
R: Una base de datos es un sistema para almacenar y cuidar los datos (cualquier tipo de información). Puede utilizarse para ordenar, modificar o servir la información almacenada en ella.
P: ¿Cómo se almacenaban los datos antes de los ordenadores digitales?
R: Antes de los ordenadores digitales, se utilizaban archivos de tarjetas, libros impresos y otros métodos para almacenar datos.
P: ¿Qué es un sistema de base de datos?
R: Un sistema de base de datos es un programa informático para gestionar bases de datos electrónicas. Puede utilizarse para organizar los datos de alguna manera.
P: ¿Qué aspecto tiene una "ficha" en un archivador antiguo?
R: En un archivador antiguo, normalmente había una tarjeta para cada empleado con información como su fecha de nacimiento o su nombre.
P: ¿Cómo es el equivalente moderno de esta "tarjeta"?
R: El equivalente moderno de esta "tarjeta" aparece en la pantalla y no en forma física.
P: ¿Qué es un modelo de base de datos?
R: Un modelo de base de datos se refiere a las diferentes formas en que la información de la "tarjeta" puede ser almacenada por el ordenador. El modelo más utilizado es el llamado modelo de base de datos relacional, que utiliza relaciones y conjuntos para almacenar los datos.
P: ¿Cómo se refieren los usuarios normales a estos modelos cuando hablan de ellos? R: Los usuarios normales suelen referirse a estos modelos como "tablas de bases de datos" en lugar de utilizar términos técnicos como relaciones o conjuntos cuando hablan de ellos.
