Base de données

Une base de données est un « conteneur » stockant des données[1] telles que des chiffres, des dates ou des mots, pouvant être retraités par des moyens informatiques pour produire une information ; par exemple, des chiffres et des noms assemblés et triés pour former un annuaire. Les retraitements sont typiquement une combinaison d'opérations de recherches, de choix, de tri, de regroupement, et de concaténation[2].

C'est la pièce centrale d'un système d'information ou d'un système de base de données (ou base de données tout court), qui régit la collecte, le stockage, le retraitement et l'utilisation de données. Ce dispositif comporte souvent un logiciel moteur (cf. paragraphe suivant), des logiciels applicatifs, et un ensemble de règles relatives à l'accès et l'utilisation des informations[1].

Le système de gestion de base de données est une suite de programmes qui manipule la structure de la base de données et dirige l'accès aux données qui y sont stockées. Une base de données est composée d'une collection de fichiers ; on y accède par le SGBD qui reçoit des demandes de manipulation du contenu et effectue les opérations nécessaires sur les fichiers. Il cache la complexité des opérations et offre une vue synthétique sur le contenu. Le SGBD permet à plusieurs usagers de manipuler simultanément le contenu, et peut offrir différentes vues sur un même ensemble de données[1].

Le recours aux bases de données est une alternative au procédé classique de stockage de données, par lequel une application place des données dans des fichiers manipulés par l'application. Il facilite le partage des informations, permet le contrôle automatique de la cohérence et de la redondance des informations, la limitation de l'accès aux informations et la production plus aisée des informations synthétiques à partir des renseignements bruts. La base de données a de plus un effet fédérateur : dans une collectivité utilisant une base de données, une personne unique — l'administrateur de bases de données — organise le contenu de la base d'une manière bénéfique à l'ensemble de la collectivité, ce qui peut éviter des conflits dus à des intérêts divergents entre les membres de la collectivité[3].

Une base de données nécessite généralement plus d'espace disque, le large éventail de fonctions offertes par les SGBD rend les manipulations plus complexes, et les pannes ont un impact plus large et sont plus difficiles à rattraper[3].

Modèle de données relationnel.

modèle de données

Le schéma ou modèle de données, est la description de l'organisation des données. Il se trouve à l'intérieur de la base de données, et renseigne sur les caractéristiques de chaque type de donnée et les relations entre les différentes données qui se trouvent dans la base de données. Il existe plusieurs types de modèles de données (relationnel, entité-association, objet, hiérarchique et réseau)[4].

modèle de données logique et physique

Le modèle de données logique — ou conceptuel — est la description des données telles qu'elles sont dans la pratique, tandis que le modèle de données physique est un modèle dérivé du modèle logique qui décrit comment les données seront techniquement stockées dans la base de données[4].

entité

Une entité est un sujet, une notion en rapport avec le domaine d'activité pour lequel la base de données est utilisée, et concernant lequel des données sont enregistrées (exemple : des personnes, des produits, des commandes, des réservations…)[3]^,[5].

attribut

Un attribut est une caractéristique d'une entité susceptible d'être enregistrée dans la base de données. Par exemple, une personne (entité), son nom et son adresse (des attributs). Les attributs sont également appelés des champs ou des colonnes[3]. Dans le schéma les entités sont décrites comme un lot d'attributs en rapport avec un sujet[5].

enregistrement

Un enregistrement est une donnée composite qui comporte plusieurs champs dans chacun desquels est enregistrée une donnée. Cette notion a été introduite par le stockage dans des fichiers dans les années 1960[5].

association

Les associations désignent les liens qui existent entre différentes entités, par exemple, entre un vendeur, un client et un magasin[3].

cardinalité

La cardinalité d'une association — d'un lien entre deux entités A et B — est le nombre de A pour lesquelles il existe un B et inversement. Celle-ci peut être un-à-un, un-à-plusieurs ou plusieurs-à-plusieurs. Par exemple, un compte bancaire appartient à un seul client, et un client peut avoir plusieurs comptes bancaires (cardinalité un-à-plusieurs)[4].

modèle de données relationnel

C'est le type de modèle de données le plus couramment utilisé pour la réalisation d'une base de données. Selon ce type de modèle, la base de données est composée d'un ensemble de tables (les relations) dans lesquelles sont placées les données ainsi que les liens. Chaque ligne d'une table est un enregistrement. Ces modèles sont simples à mettre en œuvre, fondés sur les mathématiques (la théorie des ensembles), ils sont très populaires et fortement normalisés[4].

base de données relationnelle

Base de données organisée selon un modèle de données de type relationnel, à l'aide d'un SGBD permettant ce type de modèle.

modèle de données entité-association

Ce type de modèle est le plus couramment utilisé pour la conception de modèles de données logiques[6]. Selon ce type de modèle, une base de données est un lot d'entités et d'associations. Une entité est un sujet concret, un objet, une idée, pour laquelle il existe des informations. Un attribut est un renseignement concernant ce sujet — exemple le nom d'une personne. À chaque attribut correspond un domaine : un ensemble de valeurs possibles. Une association désigne un lien entre deux entités — par exemple, un élève et une école[4].

modèle de données objet

Ce type de modèle est fondé sur la notion d'objet de la programmation orientée objet. Selon ce type de modèle, une base de données est un lot d´objets de différentes classes. Chaque objet possède des propriétés — des caractéristiques propres —, et des méthodes qui sont des opérations en rapport avec l'objet. Une classe est une catégorie d'objets et reflète typiquement un sujet concret[4].

modèle de données hiérarchique

Ce type de modèle de données a été créé dans les années 1960 ; c'est le plus ancien modèle de données. Selon ce type de modèle, les informations sont groupées dans des enregistrements, chaque enregistrement comporte des champs. Les enregistrements sont reliés entre eux de manière hiérarchique : à chaque enregistrement correspond un enregistrement parent[4].

modèle de données réseau

Ce type de modèle de données est semblable au modèle hiérarchique. Les informations sont groupées dans des enregistrements, chaque enregistrement possède des champs. Les enregistrements sont reliés entre eux par des pointeurs. Contrairement aux modèles hiérarchiques, l'organisation des liens n'est pas obligatoirement hiérarchique, ce qui rend ces modèles plus polyvalents[4].

nul

Dans les modèles de données relationnels, un attribut peut avoir une valeur nulle, indiquant que la donnée est absente, non disponible ou inapplicable[5].

Clé primaire et clé étrangère.

clé primaire

Dans les modèles de données relationnels, la clé primaire est un attribut dont le contenu est différent pour chaque enregistrement de la table, ce qui permet de retrouver un et un seul enregistrement[4]

clé étrangère

Dans les modèles de données relationnels, une clé étrangère est un attribut qui contient une référence à une donnée connexe — dans les faits la valeur de la clé primaire de la donnée connexe[4].

intégrité référentielle

Dans les modèles de données relationnels, il y a situation d´intégrité référentielle lorsque toutes les données référencées par les clés étrangères sont présentes dans la base de données[5].

bancarisation

La bancarisation de données est l'opération consistant à réunir des données dans une banque de donnée. Dans la plupart des pays, elle est encadrée par la loi, au moins dans le cas de données environnementales, publiques ou personnelles.

L'usage qui est fait des données diffère d'une base de données à l'autre. Les bases de données peuvent être classifiées en fonction du nombre d'usagers, du type de contenu, notamment s'il est faiblement ou fortement structuré, ainsi que selon l'usage qui est fait de la base de données, notamment l'utilisation opérationnelle ou à des fins d'analyse :

Les bases de données peuvent être classifiées en fonction du nombre d'usagers — un seul, un petit groupe, voire une entreprise. Une base de données de bureau est installée sur un ordinateur personnel au service d'un seul usager. Tandis qu'une base de données d’entreprise est installée sur un ordinateur puissant au service de centaines d'utilisateurs. Une base de données centralisée est installée dans un emplacement unique, tandis qu'une « base de données distribuée » est répartie entre plusieurs emplacements[1].

La manière la plus populaire de classer les bases de données est selon l'usage qui en est fait, et l'aspect temporel du contenu :

bases opérationnelles ou OLTP (de l'anglais online transaction processing)

sont destinées à assister des usagers à tenir l'état d'activités quotidiennes[1]. Elles permettent en particulier de stocker sur le champ les informations relatives à chaque opération effectuée dans le cadre de l'activité : achats, ventes, réservations, paiements. Dans de telles applications l'accent est mis sur la vitesse de réponse et la capacité de traiter plusieurs opérations simultanément[2].

bases d'analyse dites aussi OLAP (de l'anglais online analytical processing)

sont composées d'informations historiques telles que des mesures sur lesquelles sont effectuées des opérations massives en vue d'obtenir des statistiques et des prévisions. Les bases de données sont souvent des entrepôts de données[1] (anglais datawarehouse) : des bases de données utilisées pour collecter des énormes quantités de données historiques de manière quotidienne depuis une base de données opérationnelle. Le contenu de la base de données est utilisé pour effectuer des analyses d'évolution temporelle et des statistiques telles que celles utilisées en management. Dans de telles applications l'accent est mis sur la capacité d'effectuer des traitements très complexes et le logiciel moteur (le SGBD) est essentiellement un moteur d'analyse[2].

Les bases de données sont également parfois classifiées selon les caractéristiques du contenu :

• des données non structurées sont stockées à l'état brut, et nécessitent d'être retraitées en vue de produire de l'information/de la connaissance ;
• des données structurées sont formatées en fonction de l'usage qui va en être fait, en vue de faciliter le stockage, l'utilisation et la production d'information finie. Par exemple, un ensemble de factures peuvent être stockées brutes sous forme d'images bitmap, ce qui ne permettra pas de calculer des totaux et des moyennes, ou alors chaque facture peut être décomposée sous forme d'un tableau de chiffres sur lesquels il est alors possible d'effectuer des calculs[1].

Les disques durs, mémoire de masse de grande capacité, ont été inventés en 1956. L'invention du disque dur a permis d'utiliser les ordinateurs pour collecter, classer et stocker de grandes quantités d'informations de façon plus souple et plus performante que le support antérieur : la bande magnétique.

Le terme database (base de données) est apparu en 1964 pour désigner une collection d'informations partagées par différents utilisateurs d'un système d'informations militaire[7].

Les premières bases de données hiérarchiques sont apparues au début des années 1960. Les informations étaient découpées en deux niveaux de hiérarchie : un niveau contenait les informations qui sont identiques sur plusieurs enregistrements de la base de données. Le découpage a ensuite été étendu pour prendre la forme d'un diagramme en arbre[7].

En 1965, Charles Bachman conçoit l'architecture Ansi/Sparc encore utilisée de nos jours. En 1969, il créa le modèle de données réseau au sein du consortium CODASYL pour des applications informatiques pour lesquelles le modèle hiérarchique ne convient pas[7]. Charles Bachman a reçu le prix Turing en 1973 pour ses « contributions exceptionnelles à la technologie des bases de données ».

En 1968, Dick Pick crée Pick, un système d'exploitation contenant un système de gestion de base de données « multivaluée » (SGBDR MV).

En 1970, Edgar F. Codd note dans sa thèse mathématiques sur l'algèbre relationnelle qu'un ensemble d'entités est comparable à une famille définissant une relation en mathématiques et que les jointures sont des produits cartésiens. Cette thèse est à l'origine des bases de données relationnelles[7]. Edgar F. Codd a reçu le prix Turing en 1981.

Le modèle entité-association a été inventé par Peter Chen en 1975[8] ; il est destiné à clarifier l'organisation des données dans les bases de données relationnelles[9]^,[10].

En 1990, la banque de données juridique LEADERS, avec mises à jour mensuelles sur ordinateur des clients, par disquettes dans un premier temps, CD-ROM par la suite (responsable René Janray), a été lancée en Belgique. Elle a été cédée en 2000 à la société Kluwer. Entretemps elle avait rassemblé près de 1 000 clients dont les commerces et entreprises les plus importants. Un mémoire de fin d'étude à l'ISAT portait essentiellement sur ce produit et était intitulé La banque de données Leaders : une percée dans le monde des éditions juridiques électroniques. En 1998, dans un ouvrage consacré aux banques de données, l'éditeur MARABOUT a consacré tout un chapitre à la banque de données LEADERS.

Dans le modèle relationnel, la relation désigne l'ensemble des informations d'une table, tandis que l'association, du modèle entité-association, désigne le lien logique qui existe entre deux tables contenant des informations connexes.

Les premières bases de données étaient calquées sur la présentation des cartes perforées : réparties en lignes et colonnes de largeur fixe. Une telle répartition permet difficilement de stocker des objets de programmation ; en particulier, elles ne permettent pas l'héritage entre les entités, caractéristique de la programmation orientée objet.

Apparues dans les années 1990, les bases de données objet-relationnel utilisent un modèle de données relationnel tout en permettant le stockage des objets. Dans ces bases de données les associations d'héritage des objets s'ajoutent aux associations entre les entités du modèle relationnel[11].

Les étapes clefs du cycle de vie d'une base de données sont la conception et la mise en service[12].

Avant la conception, les utilisateurs et les producteurs des informations sont interviewés en vue de prendre connaissance des caractéristiques des informations, des relations entre les informations, ainsi que les caractéristiques du système informatique qui accueillera la base de données[12]. L'objectif de cette étape est de recueillir les caractéristiques des informations dans la pratique, et les besoins des usagers, et de les formuler d'une manière simple, compréhensible autant par les usagers que les administrateurs de base de données[12].

Puis, sera créé un schéma d'ensemble du réseau d'informations et de relations, sous forme de diagramme comportant des entités, des attributs et des relations. Il existe différentes méthodes de modélisation des données, la plus connue étant le MCD (modèle conceptuel des données). Celui-ci permet notamment d'établir un schéma structuré de l'ensemble des données d'un système d'informations, compréhensible par tous ses acteurs (chef de produit, développeur, client s'il est averti…).

Ce plan est ensuite transformé en instructions formulées dans le langage de commande du SGBD et les instructions sont exécutées en vue de créer la structure de la base de données et la rendre opérationnelle[12].

La définition de l'organisation interne d'une base de données — son modèle de données physique — est l'étape finale de sa construction. Cette opération consiste tout d'abord à définir des enregistrements correspondant au modèle de données logique[13]. Les enregistrements sont stockés dans des fichiers, et chaque fichier contient typiquement un lot d'enregistrements similaires[14]. Lors de cette étape diverses techniques sont utilisées en vue d'obtenir un modèle qui aboutit à une vitesse adéquate de manipulation de données, tout en garantissant l'intégrité des données[13].

La qualité du modèle de données physique a un impact majeur sur la vitesse des opérations sur la base de données[13]. Une simple amélioration peut rendre les opérations sur les données 50 fois plus rapides[14], différence d'autant plus sensible qu'il y a une grande quantité de données[14]. Au début des années 2000, il existe des bases de données contenant plusieurs téraoctets (10¹²) de données et des ingénieurs indépendants dont l'activité consiste uniquement à aider des clients à accélérer leurs bases de données[14].

Une fois opérationnelle, des opérations de surveillance permettent de déceler des problèmes susceptibles de nécessiter des modifications du schéma. Des modifications peuvent également être apportées en cas de changement des besoins des utilisateurs[12].

L'organisation interne d'une base de données — son modèle de données physique — comporte des enregistrements correspondant au modèle de données logique[13], des pointeurs et des balises utilisées par le SGBD pour retrouver et manipuler les données[14]. Les enregistrements sont stockés dans des fichiers, et chaque fichier contient typiquement un lot d'enregistrements similaires[14]. L'organisation interne utilise diverses techniques visant à obtenir une vitesse adéquate de manipulation de données, tout en garantissant l'intégrité des données[13].

L'organisation logique des données est indépendante de leur organisation physique. Ce qui signifie que la position des données dans les fichiers peut être entièrement modifiée sans que leur organisation sous forme d'enregistrements dans des tables ne soit touchée. Le SGBD organise les fichiers d'une manière qui accélère les opérations et qui diffère selon le matériel et le système d'exploitation pour lequel le système de gestion de base de données est conçu. Les enregistrements sont typiquement regroupés en grappes (anglais cluster), dont la taille est alignée sur une taille optimale pour le matériel (disques durs)[13].

Arbre B, une structure souvent utilisée.

Les principales techniques utilisées dans le modèle de données physique sont les index, les vues matérialisées et le partitionnement. Le stockage des données se fait souvent par des dispositifs RAID[14] et le SGBD utilise des techniques telles que les tables de hachage, les arbres B, les bitmaps ou les fichiers ISAM :

Index

Un index est un lot de données destiné à accélérer les opérations de recherche de données. La structure de l'index comporte des valeurs associées à des pointeurs où chaque pointeur permet de retrouver la donnée qui a cette valeur[14].

Vue matérialisée

Dans une vue matérialisée, le résultat d'une recherche / agrégation est enregistré dans la base de données, ce qui permet de l'utiliser plusieurs fois et d'économiser du temps. Cette technique est utilisée notamment dans les bases de données analytiques et les applications OLAP[14].

Partitionnement

Dans la technique du partitionnement, le SGBD répartit les données entre plusieurs disques durs, ce qui accélère les opérations en diminuant la quantité de travail effectuée par chaque disque dur[14].

RAID (de l'anglais Redundant array of inexpensive disks)

Dans la technique RAID, un dispositif matériel répartit les données entre plusieurs disques durs, ce qui accélère les opérations et évite la perte d'informations en cas de panne. Ce dispositif matériel est utilisé par le logiciel comme un disque dur ordinaire[14]^,[15] ;

Table de hachage (en anglais hashing)

Dans cette organisation, une fonction de hachage est utilisée pour transformer, par calcul arithmétique, une valeur quelconque en un nombre entier. Le nombre obtenu est utilisé pour déterminer l'emplacement exact où sera enregistrée la donnée de cette valeur[13].

Arbre B

L'arbre B est une structure en arbre où toutes les branches ont la même longueur, et chaque nœud comporte entre N/2 et N branches. C'est une structure très souvent utilisée pour les index[13].

Bitmap

Les index en bitmap sont souvent utilisés pour des données où il n'existe que peu de valeurs possibles (exemple : genre M/F, jour de la semaine…). Pour chacune des valeurs possibles de la donnée l'index comporte un tableau de bits où le Nième bit est à « 1 » si la Nième donnée a la valeur en question[13].

ISAM (de l'anglais Indexed sequential access method)

Dans cette organisation les enregistrements sont stockés triés selon la clé primaire, dans une structure découpée en cylindres et pistes de taille fixe. Chaque piste comporte un espace de réserve pour permettre l'insertion de nouveaux enregistrements. Une structure en arbre contient la valeur de la clé et un pointeur vers le premier enregistrement de chaque piste.

Journal

Un journal contient la liste des dernières opérations effectuées sur la base de données. Ce journal est utilisé par le moteur de base de données pour annuler les opérations, par exemple en cas de crash informatique, ou si les opérations comportent une erreur. Voir aussi Transaction informatique.

Un système de gestion de base de données est un ensemble de logiciels qui manipulent le contenu des bases de données. Il sert à effectuer les opérations ordinaires telles que rechercher, ajouter ou supprimer des enregistrements (Create, Read, Update, Delete abrégé CRUD), manipuler les index, créer ou copier des bases de données).

Les mécanismes du système de gestion de base de données visent à assurer la cohérence, la confidentialité et la pérennité du contenu des bases de données. Le logiciel refusera qu'un usager modifie ou supprime une information s'il n'y a pas été préalablement autorisé ; il refusera qu'un usager ajoute une information si celle-ci existe dans la base de données et fait l'objet d'une règle d'unicité ; il refusera également de stocker une information qui n'est pas conforme aux règles de cohérence telles que les règles d'intégrité référentielle dans les bases de données relationnelles.

Le système de gestion de base de données adapte automatiquement les index lors de chaque changement effectué sur une base de données et chaque opération est inscrite dans un journal contenu dans la base de données, ce qui permet d'annuler ou de terminer l'opération même en cas de crash informatique et ainsi garantir la cohérence du contenu de la base de données.

En 2009, IBM DB2, Oracle Database, MySQL, PostgreSQL et Microsoft SQL Server sont les principaux systèmes de gestion de base de données sur le marché.

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Les bases de données sont de plus en plus souvent mises à disposition de leurs utilisateurs sur des serveurs, via l'internet ou sur des serveurs locaux pour une sécurité plus optimale. Les accès y sont plus ou moins sécurisés.

Certains producteurs de données (collectivités surtout) mettent certaines de leurs bases de données à disposition de tous et chacun, de manière libre. Les données dont ils sont légalement propriétaires ou dépositaires avec autorisation de diffusion (des photos par exemple) peuvent être dans ce cas accessibles en licence libre (ex CC-BY-SA), ou parfois l'ensemble de la base elle-même peut être accessible en licence libre (ODBL par exemple). Ces licences permettent de conserver la propriété intellectuelle sur les contenus, tout en autorisant le ré-usage et la transformation, en citant la source. De nombreuses autres licences différentes, plus ou moins contraignantes existent.

La manipulation de données est une des utilisations les plus courantes des ordinateurs[16]. Les secteurs de la finance, des assurances, des écoles, de l'administration publique et les médias, secteurs majeurs de la société de l'information, qui offrent des services fondés sur des informations, utilisent des bases de données[2]. Parmi les domaines d'utilisation pratiques, il y a les inventaires (stocks, magasins, bibliothèques), les outils de réservation (vols en avion, cinéma…), l'octroi de permis (de conduire, de chasse, de propriétaire de chien…), les ressources humaines, les salaires, la production industrielle (les machines de production sont souvent informatiques), ainsi que la comptabilité et la facturation[2].