Архитектура централизованных баз данных с сетевым доступом

Вопрос 1) Понятие БД

База данных (БД, database) - поименованная совокупность структурированных данных, относящихся к определенной предметной области.

Предметная область - некоторая часть реально существующей системы, функционирующая как самостоятельная единица. Полная предметная область может представлять собой экономику страны или группы союзных государств, однако на практике для информационных систем наибольшее значение имеет предметная область масштаба отдельного предприятия или корпорации.

Система управления базами данных (СУБД) - комплекс программных и языковых средств, необходимых для создания и модификации базы данных, добавления, модификации, удаления, поиска и отбора информации, представления информации на экране и в печатном виде, разграничения прав доступа к информации, выполнения других операций с базой.

Приложения – программы пользователей, которым необходима информация из базы данных.

Графически систему с базой данных можно представить в виде логической последовательности уровней, представленных на рис. 1.

Пользователи

Приложения

Система управления базой данных

База данных (хранящиеся данные)

Рис. 1. Уровни системы

 

На самом нижнем уровне находятся данные, хранящиеся в физических файлах. На верхнем уровне располагаются приложения, у которых есть собственное представление одних и тех же физических данных. Каждое представление базы данных предполагает определенную логическую структуру, построенную из лежащих в ее основе физических данных. СУБД обеспечивает интерфейс между физической памятью базы данных и ее разнообразными логическими версиями.

Классификация баз данных

1. По технологии обработки данных базы данных подразделяются на централизованные и распределенные.

· Централизованная база данных хранится в памяти одной вычислительной системы.

· Распределенная база данных состоит из нескольких, возможно, пересекающихся или даже дублирующих друг друга частей, которые хранятся в различных ЭВМ вычислительной сети. Работа с такой базой осуществляется с помощью системы управления распределенной базой данных (СУРБД). Основная задача систем управления распределенными базами данных состоит в обеспечении средства интеграции локальных баз данных, располагающихся в некоторых узлах вычислительной сети, с тем, чтобы пользователь, работающий в любом узле сети, имел доступ ко всем этим базам данных как к единой базе.

Возможны однородные и неоднородные распределенные базы данных.

В однородном случае каждая локальная база данных управляется одной и той же СУБД.

В неоднородной системе локальные базы данных могут относиться даже к разным моделям данных. Сетевая интеграция неоднородных баз данных - очень сложная проблема. Многие решения известны на теоретическом уровне, но пока не удается справиться с главной проблемой: недостаточной эффективностью интегрированных систем. Более успешно решается промежуточная задача - интеграция неоднородных SQL-ориентированных систем. Этому в большой степени способствует стандартизация языка SQL.

2. По способу доступа к данным базы данных разделяются на базы данных с локальным доступом и базы данных с сетевым доступом. Для всех современных баз данных можно организовать сетевой доступ с многопользовательским режимом работы.

Вопрос 3) Распределенные базы данных. СУРБД

Основные функции СУБД

· управление данными во внешней памяти (на дисках);

· управление данными в оперативной памяти с использованием дискового кэша;

· журнализация изменений, резервное копирование и восстановление базы данных после сбоев;

· поддержка языков БД (язык определения данных, язык манипулирования данными).

Обычно современная СУБД содержит следующие компоненты:

· ядро, которое отвечает за управление данными во внешней и оперативной памяти, и журнализацию,

· процессор языка базы данных, обеспечивающий оптимизацию запросов на извлечение и изменение данных и создание, как правило, машинно-независимого исполняемого внутреннего кода,

· подсистему поддержки времени исполнения, которая интерпретирует программы манипуляции данными, создающие пользовательский интерфейс с СУБД

· а также сервисные программы (внешние утилиты), обеспечивающие ряд дополнительных возможностей по обслуживанию информационной системы.

Классификация СУБД

По модели данных

Примеры:

· Иерархические

· Сетевые

· Реляционные

· Объектно-ориентированные

[править] По степени распределённости

· локальные СУБД (все части локальной СУБД размещаются на одном компьютере)

· распределённые СУБД (части СУБД могут размещаться на двух и более компьютерах).

[править] По способу доступа к БД

· Файл-серверные

В файл-серверных СУБД файлы данных располагаются централизованно на файл-сервере. СУБД располагается на каждом клиентском компьютере (рабочей станции). Доступ СУБД к данным осуществляется через локальную сеть. Синхронизация чтений и обновлений осуществляется посредством файловых блокировок. Преимуществом этой архитектуры является низкая нагрузка на ЦП сервера. Недостатки: потенциально высокая загрузка локальной сети; затруднённость централизованного управления; затруднённость обеспечения таких важных характеристик как высокая надёжность, высокая доступность и высокая безопасность. Применяются чаще всего в локальных приложениях, которые используют функции управления БД.

На данный момент файл-серверные СУБД считаются устаревшими.

Примеры: Microsoft Access, Paradox, dBase, FoxPro, Visual FoxPro.

· Клиент-серверные

Клиент-серверная СУБД располагается на сервере вместе с БД и осуществляет доступ к БД непосредственно, в монопольном режиме. Все клиентские запросы на обработку данных обрабатываются клиент-серверной СУБД централизованно. Недостаток клиент-серверных СУБД состоит в повышенных требованиях к серверу. Достоинства: потенциально более низкая загрузка локальной сети; удобство централизованного управления; удобство обеспечения таких важных характеристик как высокая надёжность, высокая доступность и высокая безопасность.

Примеры: Oracle, Firebird, Interbase, IBM DB2, MS SQL Server, Sybase, PostgreSQL, MySQL, ЛИНТЕР, Caché, MDBS.

· Встраиваемые

Встраиваемая СУБД — библиотека, которая позволяет унифицированным образом хранить большие объёмы данных на локальной машине. Доступ к данным может происходить через SQL либо через особые функции СУБД. Встраиваемые СУБД быстрее обычных клиент-серверных и не требуют установки сервера, поэтому востребованы в локальном ПО, которое имеет дело с большими объёмами данных (например, геоинформационные системы).

Примеры: OpenEdge, SQLite, BerkeleyDB, один из вариантов Firebird, MySQL, Sav Zigzag, Microsoft SQL Server Compact, ЛИНТЕР.

 

 

Распределённые базы данных (РБД) — совокупность логически взаимосвязанных баз данных, распределённых в компьютерной сети.

[править] Основные принципы

РБД состоит из набора узлов, связанных коммуникационной сетью, в которой: а). каждый узел — это полноценная СУБД сама по себе;

б). узлы взаимодействуют между собой таким образом, что пользователь любого из них может получить доступ к любым данным в сети так, как будто они находятся на его собственном узле.

Каждый узел сам по себе является системой базы данных. Любой пользователь может выполнить операции над данными на своём локальном узле точно так же, как если бы этот узел вовсе не входил в распределённую систему. Распределённую систему баз данных можно рассматривать как партнёрство между отдельными локальными СУБД на отдельных локальных узлах.

Фундаментальный принцип создания распределённых баз данных («правило 0»): Для пользователя распределённая система должна выглядеть так же, как нераспределённая система.

Фундаментальный принцип имеет следствием определённые дополнительные правила или цели. Таких целей всего двенадцать:

1. Локальная независимость. Узлы в распределённой системе должны быть независимы, или автономны. Локальная независимость означает, что все операции на узле контролируются этим узлом.

2. Отсутствие опоры на центральный узел. Локальная независимость предполагает, что все узлы в распределённой системе должны рассматриваться как равные. Поэтому не должно быть никаких обращений к «центральному» или «главному» узлу с целью получения некоторого централизованного сервиса.

3. Непрерывное функционирование. Распределённые системы должны предоставлять более высокую степень надёжности и доступности.

4. Независимость от расположения. Пользователи не должны знать, где именно данные хранятся физически и должны поступать так, как если бы все данные хранились на их собственном локальном узле.

5. Независимость от фрагментации. Система поддерживает независимость от фрагментации, если данная переменная-отношение может быть разделена на части или фрагменты при организации её физического хранения. В этом случае данные могут храниться в том месте, где они чаще всего используются, что позволяет достичь локализации большинства операций и уменьшения сетевого трафика.

6. Независимость от репликации. Система поддерживает репликацию данных, если данная хранимая переменная-отношение — или в общем случае данный фрагмент данной хранимой переменной-отношения — может быть представлена несколькими отдельными копиями или репликами, которые хранятся на нескольких отдельных узлах.

7. Обработка распределённых запросов. Суть в том, что для запроса может потребоваться обращение к нескольким узлам. В такой системе может быть много возможных способов пересылки данных, позволяющих выполнить рассматриваемый запрос.

8. Управление распределёнными транзакциями. Существует 2 главных аспекта управления транзакциями: управление восстановлением и управление параллельностью обработки. Что касается управления восстановлением, то чтобы обеспечить атомарность транзакции в распределённой среде, система должна гарантировать, что все множество относящихся к данной транзакции агентов (агент — процесс, который выполняется для данной транзакции на отдельном узле) или зафиксировало свои результаты, или выполнило откат. Что касается управления параллельностью, то оно в большинстве распределённых систем базируется на механизме блокирования, точно так, как и в нераспределённых системах.

9. Аппаратная независимость. Желательно иметь возможность запускать одну и ту же СУБД на различных аппаратных платформах и, более того, добиться, чтобы различные машины участвовали в работе распределённой системы как равноправные партнёры.

10. Независимость от операционной системы. Возможность функционирования СУБД под различными операционными системами.

11. Независимость от сети. Возможность поддерживать много принципиально различных узлов, отличающихся оборудованием и операционными системами, а также ряд типов различных коммуникационных сетей.

12. Независимость от типа СУБД. Необходимо, чтобы экземпляры СУБД на различных узлах все вместе поддерживали один и тот же интерфейс, и совсем необязательно, чтобы это были копии одной и той же версии СУБД.

[править] Типы распределённых баз данных

1) Распределённые базы данных

2) Мультибазы данных с глобальной схемой. Система мультибаз данных — это распределённая система, которая служит внешним интерфейсом для доступа ко множеству локальных СУБД или структурируется, как глобальный уровень над локальными СУБД.

3) Федеративные базы данных. В отличие от мультибаз не располагают глобальной схемой, к которой обращаются все приложения. Вместо этого поддерживается локальная схема импорта-экспорта данных. На каждом узле поддерживается частичная глобальная схема, описывающая информацию тех удалённых источников, данные с которых необходимы для функционирования.

4) Мультибазы с общим языком доступа — распределённые среды управления с технологией «клиент-сервер»

5) Интероперабельные системы — это системы, в которых сами приложения, выполняемые в среде той или иной СУБД, ответственны за интерфейсы между различными средами приложения, независимо от того, являются они однородными или неоднородными. Системы ориентированы главным образом на обмен данными. Дальнейшее развитие этих систем является объектно-ориентированные БД.

Логическое моделирование

Логическая модель данных описывает факты и объекты, подлежащие регистрации в будущей базе данных. Основными компонентами такой модели являются сущности, их атрибуты и связи между ними. Как правило, физическим аналогом сущности в будущей базе данных является таблица, а физическим аналогом атрибута — поле этой таблицы.

С логической точки зрения сущность представляет собой совокупность однотипных объектов или фактов, называемых экземплярами этой сущности. Физическим аналогом экземпляра обычно является запись в таблице базы данных. Как и записи в таблице реляционной СУБД, экземпляры сущности должны быть уникальными, то есть полный набор значений их атрибутов не должен дублироваться. И так же, как и поля в таблице, атрибуты могут быть ключевыми и неключевыми.

На этапе логического проектирования для каждого атрибута обычно определяется примерный тип данных (строковый, числовой, BLOB и др.). Конкретизация происходит на этапе физического проектирования, так как различные СУБД поддерживают разные типы данных и ограничения на их длину или точность.

Связь с логической точки зрения представляет собой соотношение между сущностями, которое нередко может быть выражено обычными фразами, например: «Клиент размещает заказ» («A customer places an order» — этой фразой вполне можно описать связь, изображенную на рис. 1), где существительными являются названия связанных между собой сущностей.

рис. 1

Подавляющее большинство средств проектирования данных позволяют создавать ER-диаграммы визуально, изображая сущности и соединяя их связями с помощью мыши. Интерфейс таких средств нередко настолько прост, что позволяет освоить логическое проектирование данных не только разработчику, но и пользователю-непрограммисту, если таковой участвует в проектировании данных как эксперт в предметной области.

Отметим, что на этапе логического проектирования можно описать поведение СУБД при нарушении правил ссылочной целостности, определяемых данной связью (например, при удалении сведений о заказчике, разместившем хотя бы один заказ, для связи, изображенной на рис. 1). Для этого многие (но не все!) средства проектирования данных обладают языком шаблонов, не зависящим от СУБД, на котором можно описать алгоритм обработки подобной ситуации, например с помощью соответствующих триггеров или иных объектов базы данных, а также набором стандартных шаблонов, реализующих некоторые типовые алгоритмы подобной обработки (например, отказ от удаления с последующей генерацией диагностического сообщения, каскадное удаление дочерних записей и др.). В процессе создания физической модели (о ней будет рассказано чуть ниже) эти шаблоны преобразуются в код на процедурном расширении языка SQL, применяемом в конкретной СУБД.

Ряд публикаций проводит градацию категорий логических моделей по степени детализации описания сущностей, атрибутов и связей. Модель, обсуждаемая с заказчиком, являющимся обычно экспертом в подлежащей автоматизации предметной области, а не программистом или аналитиком, должна содержать, например, основные сущности и связи, но не обязана иметь их детальную техническую проработку (в частности, описания алгоритмов обработки нарушений ссылочной целостности). В то же время модель, служащая основой технического задания на разработку клиентских приложений, обязана содержать детальное представление структуры данных, ключевых атрибутов, их текстовое описание, а также представлять сущности в нормализованном виде (иногда такая модель называется полной атрибутивной моделью). Иными словами, нормализация модели данных обычно происходит на этапе логического проектирования (подробнее о нормализации рассказано в первой статье данного цикла, опубликованной в КомпьютерПресс № 3’2000).

Отметим, что логическая модель данных, как правило, не связана с конкретной СУБД и не учитывает технические особенности конкретных платформ, применяемых при ее последующей физической реализации.

Вопрос 1) Понятие БД

База данных (БД, database) - поименованная совокупность структурированных данных, относящихся к определенной предметной области.

Предметная область - некоторая часть реально существующей системы, функционирующая как самостоятельная единица. Полная предметная область может представлять собой экономику страны или группы союзных государств, однако на практике для информационных систем наибольшее значение имеет предметная область масштаба отдельного предприятия или корпорации.

Система управления базами данных (СУБД) - комплекс программных и языковых средств, необходимых для создания и модификации базы данных, добавления, модификации, удаления, поиска и отбора информации, представления информации на экране и в печатном виде, разграничения прав доступа к информации, выполнения других операций с базой.

Приложения – программы пользователей, которым необходима информация из базы данных.

Графически систему с базой данных можно представить в виде логической последовательности уровней, представленных на рис. 1.

Пользователи

Приложения

Система управления базой данных

База данных (хранящиеся данные)

Рис. 1. Уровни системы

 

На самом нижнем уровне находятся данные, хранящиеся в физических файлах. На верхнем уровне располагаются приложения, у которых есть собственное представление одних и тех же физических данных. Каждое представление базы данных предполагает определенную логическую структуру, построенную из лежащих в ее основе физических данных. СУБД обеспечивает интерфейс между физической памятью базы данных и ее разнообразными логическими версиями.

Классификация баз данных

1. По технологии обработки данных базы данных подразделяются на централизованные и распределенные.

· Централизованная база данных хранится в памяти одной вычислительной системы.

· Распределенная база данных состоит из нескольких, возможно, пересекающихся или даже дублирующих друг друга частей, которые хранятся в различных ЭВМ вычислительной сети. Работа с такой базой осуществляется с помощью системы управления распределенной базой данных (СУРБД). Основная задача систем управления распределенными базами данных состоит в обеспечении средства интеграции локальных баз данных, располагающихся в некоторых узлах вычислительной сети, с тем, чтобы пользователь, работающий в любом узле сети, имел доступ ко всем этим базам данных как к единой базе.

Возможны однородные и неоднородные распределенные базы данных.

В однородном случае каждая локальная база данных управляется одной и той же СУБД.

В неоднородной системе локальные базы данных могут относиться даже к разным моделям данных. Сетевая интеграция неоднородных баз данных - очень сложная проблема. Многие решения известны на теоретическом уровне, но пока не удается справиться с главной проблемой: недостаточной эффективностью интегрированных систем. Более успешно решается промежуточная задача - интеграция неоднородных SQL-ориентированных систем. Этому в большой степени способствует стандартизация языка SQL.

2. По способу доступа к данным базы данных разделяются на базы данных с локальным доступом и базы данных с сетевым доступом. Для всех современных баз данных можно организовать сетевой доступ с многопользовательским режимом работы.

Архитектура централизованных баз данных с сетевым доступом

Различают три типа архитектуры:

· файл-сервер;

· клиент-сервер базы данных;

· "тонкий клиент" - сервер приложений - сервер базы данных (трехуровневая архитектура).

Рис. 2. Схема работы с БД в локальной сети с выделенным файловым сервером

Файл-сервер (рис. 2). Архитектура систем БД с сетевым доступом предполагает выделение одной из машин сети в качестве центральной (файловый сервер). На этот компьютер устанавливается операционная система (ОС) для выделенного сервера. На нем же хранится совместно используемая централизованная БД в виде одного или группы файлов. Все другие компьютеры сети выполняют функции рабочих станций. Файлы базы данных в соответствии с пользовательскими запросами передаются на рабочие станции, где и производится обработка информации. При большой интенсивности доступа к одним и тем же данным производительность информационной системы падает. Пользователи могут создавать также локальные БД на рабочих станциях.

Рис. 3. Схема работы с БД в архитектуре "Клиент-сервер"

Клиент-сервер (рис. 3). В этой архитектуре на выделенном сервере, работающем под управлением серверной операционной системы, устанавливается специальное программное обеспечение (ПО) - сервер БД. СУБД подразделяется на две части: клиентскую и серверную. Основа работы сервера БД - использование языка запросов. Запрос на языке SQL, передаваемый клиентом (рабочей станцией) серверу БД, порождает поиск и извлечение данных на сервере. Извлеченные данные транспортируются по сети от сервера к клиенту. Тем самым, количество передаваемой по сети информации уменьшается во много раз.

Трехуровневая архитектура (рис. 4). Функционирует в сети Интернет. Клиентская часть ("тонкий клиент"), взаимодействующая с пользователем, представляет собой HTML-страницу в Web-браузере либо Windows-приложение, взаимодействующее с Web-сервисами. Вся программная логика вынесена на сервер приложений, который обеспечивает формирование запросов к базе данных, передаваемых на выполнение серверу баз данных.

Рис. 4. Схема работы с БД в трехуровневой архитектуре