Основы проектирования базы данных

Основы проектирования базы данных

Компоненты банка данных

Банк данных – это система специальным образом организованных баз данных, программно-технических, языковых и организационно-методических средств, предназначенных для обеспечения централизованного накопления и коллективного многоцелевого использования данных

Компоненты банка данных:

1. Базы данных – совокупность взаимосвязанных данных находящихся под управлением системой управления базы данных.

2. Системой управления базы данных – сложный комплекс, обеспечивающий взаимодействия всех частей информационной системы при её функционировании. Сюда входят: организация ввода, обработка и хранение данных, средство настройки системы и её тестирование. Звуковые средства обеспечивают интерфейс пользователя с БД.

3. Технические средства

4. Организационно-методические средства – инструкции, документы, методички

5. Администратор банка данных – это группа специалистов, обеспечивающие создание, функционирование и развитие банка данных

Уровни представления данных:

1. Логический – уровень математической модели, условное представление данных как системы объектов и связей между ними

2. Физический (внутренний) – уровень программно-аппаратной реализации хранения данных

3. Внешний – визуальное представление данных с которым работает конечный пользователь

Классификация баз данных:

1. По модели представления данных

a. Иерархическая БД – БД в которой связь между элементами осуществляется по типу подчинения и схематично изображается в виде дерева. Плюсы: Простота и однозначность представления, легкость адресации
Минусы: Существенная зависимость от программно-аппаратных средств

b. Сетевая БД – БД соединены друг с другом многими сложными связями.
Плюсы: Теоретически возможно сколько угодно сложных связей между объектами.
Минусы: сложность реализации, зависимость от программно-аппаратных средств

c. Реляционная БД – представления данных в виде системы взаимосвязанных таблиц. Каждый объект системы описывается в виде таблицы с набором свойств (атрибутов), а взаимосвязь между объектами связями между таблицами.
Плюсы: Простота, относительная независимость от программно-аппаратных средств.
Минусы: Существенная зависимость скорости обработки от объёма базы данных.

2. По организации хранения данных и обращения к ним

a. Локальные

b. Сетевые

c. Распределённые

3. По типу хранения информации

a. Документальные

b. Фотографические

c. Лексикографические

Реляционная система управления БД:

1. осуществляют работу с БД через экранные формы, организация запросов

2. Организация запросов на поиск данных с помощью специальных языковых запросов высокого уровня

3. Генерация отчётов различной структуры данных с подведение промежуточных и окончательных итогов

4. Вычислительную обработку путём использования встроенных функций программ, написанных с помощью языков программирования и макрокоманд

Связь – отношение между 2 общими полями 2 таблиц

Типы связи между данными:

1. Отношение 1:1 – каждая запись в таблице А может иметь не более 1 связанной записи в таблице Б и наоборот. Может использоваться для разделения таблиц, содержащих много полей для деления части таблиц по соображениям безопасности, а также для сохранения сведений, относящихся к подмножеству в главной таблице

2. Отношение 1 к многим – каждой записи в таблице А может соответствовать несколько записей в таблице Б, но не наоборот.

3. Отношение много к многим – 1 записи в таблице А могут соответствовать несколько записей в таблице Б, а 1 записи в таблице Б несколько записей в таблице А. Этот тип связи возможен только с помощью 3 связующей таблицы, первичный ключ, который состоит из 2 полей, которые являются внешними ключами таблиц А и Б.

4. Отношение много к 1 – несколько записей в таблице А относятся к 1 записи в таблице Б

Классификация систем управления базами данных (СУБД):

1. По языкам общения

a. Открытые

b. Закрытые

c. Смешанные

2. По выполняемым функциям

a. Информационные (хранение)

b. Операционные (с последующей обработкой)

СУБД

Технические средства

Организационно-методические средства

языковые

программные

Администратор БД

 

 

Исторически в СУБД сложилось 3 языка:

1. Язык описания данных – для построения структуры (шапки) таблиц базы данных

2. Язык манипулирования данными – заполнение БД данными и операции обновления

3. Язык запросов – язык поиска наборов величин в файле в соответствии с заданной совокупности критерии поиска и выдачи затребованных данных без изменения содержимого файла и базы данных

 

Модели данных

Реляционная модель данных

Правила Кодда:

1. Информационный – вся информация в БД должна быть представлена исключительно на логическом уровне и только 1 способом, в виде значений содержащихся в таблицах

2. Правило гарантированного доступа – логический доступ ко всем и каждому элементу данных должен обеспечиваться путём использования комбинаций имени таблицы, первичного ключа и имени столбца

3. Правило поддержки недействительных значений – в БД должна быть организованная поддержка недействительных значений, которая отличается от строки символов 0 длины, строки пробельных символов, и от 0 и любого другого числа используются для представления отсутствующих данных независимо от типа этих данных

4. Правило динамического каталога – описания БД на логическом уровне должно быть представлено в том же виде что и основные данные, чтобы пользователи обладающие соответствующими правами могли работать с ним с помощью того же реляционного языка который они применяют для работы с основными данными

5. Правило исчерпывающего подъязыка данных – система может поддерживать различные языки и режимы взаимодействия с пользователем, например режим вопросов и ответов, однако должен существовать по крайней мере 1 язык операторы которого можно представить в виде строк-символов в соответствии с некоторым чётко определённым синтаксисом, который в полной мере поддерживает следующие элементы:

1. Определение данных

2. Определение представлений

3. Обработку данных (интерактивные программы)

4. Условия целостности

5. Идентификацию прав доступа

6. Границы транзакция (начало, завершение и отмена)

6. Правила обновления представлений – все представления, которые теоритически можно обновить должны быть доступны для обновления

7. Правило обновления, добавления и удаления – возможность работать с соотношением как с одним аперантом должна существовать не только при чтении данных, но и при обновлении, добавлении и удалении

8. Правило независимости физических данных – прикладные программы и утилиты работы с данными должны на физическом уровне оставаться нетронутыми при внесении в базовые таблицы любых изменений способов хранения данных или методов доступа к ним

9. Правило независимости логических данных – прикладные программы и утилиты работы с данными должны на логическом уровне оставаться нетронутыми при внесении в базовые таблицы любых изменений способов хранения данных или методов доступа к ним

10. Правило независимости условий и целостности – должна существовать возможность проверять условия целостности специфические для конкретной реляционной БД на подъязыке реляционной БД и хранить их в каталоге, а не прикладной программе

11. Правило независимости распространения – СУБД не должна зависеть от потребностей конкретного клиента

12. Правило единственности – если в реляционной системе есть низкоуровневый (обрабатывающий 1 запись за 1 раз), то должна отсутствовать возможность использования его для того, чтобы обойти правило или условие целостности, выраженные на реляционном языке высокого уровня (несколько записей за раз)

Преподаватель Табельный номер преподавателя Фамилия Должность

1 {Табельный номер преподавателя, Фамилия, Должность}
или
2

 

Каждому имени атрибута A_i 1≤i≤n ставится в соответствии множества допустимых для соответствующего столбца значений, это множество D_i называется доменом данного имени атрибута.

D=D₁vD₂v…vD_n

Р# ФИО Должность Стаж Р1 Иванов А.Б. Заведующая 20 Р2 Петров М.И. Инженер 5 Р3 Сидоров И.С. Инженер 7 Р4 Чистов К.Л. Лаборант 1   Атрибуты Степень

Сотрудник

Кардинальное число

Кортежи

О 
Т
Н
О
Ш
Е
Н
И
Е

 

Кортежи могут располагаться в любом порядке, при этом отношение будет оставаться тем же самым, а значит иметь тот же самый смысл.

Множество кортежей называется телом отношения, оно отражает состояние объекта, поэтому во времени оно постоянно меняется; Это тело отношения характеризуется кардинальным числом, которое равно количеству содержащихся в нём кортежей.

Степень отношения определяется количеством атрибутов, которые в нём присутствуют.

Свойства отношения

1. Отношение имеет имя, которое отличается от имён всех других отношений

2. Отношение представляется в виде табличной структуры, имя таблицы соответствуют имени отношения, имена столбцов именам атрибутов, а строки таблицы кортежам

3. Каждый атрибут имеет уникальное имя, его значения берутся из одного и того же домена

4. Каждый компонент кортежа является простым, атомарным значением, не состоящим из группы значений, это не позволяет заменять значение атрибута другим отношением, что приводит к сетевому иерархическому отношению

5. Упорядочение атрибутов (по алфавиту и т.д.) несущественно, однако оно может влиять на эффективность доступа к кортежам

6. Все строки (кортежи) должны быть различны

7. Теоритически порядок следования кортежей не имеет значения, но этот порядок влияет на эффективность доступа к кортежем

Именованное отношение

1. Именованное отношение – это переменное отношение, определённое в СУБД посредством специальных операторов.

2. Базовое отношение – это именованное отношение являющиеся частью БД

3. Производное отношение – это отношение, определённое посредством реляционного выражения через базовые отношения

4. Представление – это именованное виртуальное производное отношение, представленное в системе исключительно в определённых терминов других именованных отношений

5. Снимки – это отношение подобные представлениям, но они сохраняются доступными для чтения и периодически обновляются

6. Результат запроса – это неименованное производное отношение, получаемое в результате запроса которое для сохранения необходимо преобразовать в именованное отношение

7. Хранимое отношение – это отношение, которое поддерживается в физической памяти

Концептуальная модель

Лектор

Код лектора

ФИО

 

Ученое звание

Ученая степень

                                                       N

Читает

 

Кол-во часов

Код предмета

Название

Предмет

                                                       
                                                      M

 

 

Реляционная модель

Лектор

Код лектора

ФИО

Ученая степень

Ученое звание

Читает

Код лектора

Код предмета

Предмет

Код предмета

Название

Кол-во часов

 

         

                                    

 

Обновление отношений

Для обновления отношений необходимо обладать функциями добавления, изменения, удаления.

Операция добавления для отношения r(A₁, A₂…A_n) имеет вид
ADD(r;A1=d1, A2=d2,…An=dn)
ADD(r;d1,d2…dn) Если порядок фиксирован то можно сократить

Выполнение операции может стать невозможно в случаях:

1. Если добавляемый кортеж не соответствует схеме определённого отношения

2. Некоторые значения кортежей не принадлежат соответствующим доменам

3. Описанный кортеж совпадает по ключу с кортежем уже находящимся в отношении

Операция удаления

DEL(r;A1=d1, A2=d2,…An=dn)
DEL(r;d1,d2…dn)

Операция изменения – модификация части кортежа. При отношении r

При {c₁,c₂…c_p}Э{A₁,A₂,…A_n}
CH(r;A1=d1, A2=d2,…An=dn;c1=e1,c2=e2,…cn=en)

Если К={B₁, B₂,…B_n}
CH(r;B1=d1, B2=d2,…Bn=dn;c1=e1,c2=e2,…cn=en)

Возможные ошибки такие же, как и в предыдущих.

Для обеспечения целостности данных необходимо выполнять следующие действия:

1. При удаление соотношения из записи надо проверить на отсутствие ссылок на удаляемую запись во всех связанных отношений. Причём сначала надо удалить все записи которые ссылаются на удаляемую запись и только после этого саму запись

2. Необходимо внимательное относится к изменению значений связующих полей

3. При добавлении новой записи в отношении в котором осуществляется ссылка на значение в другом отношении, необходимо проверить наличие связующих полей в отношении на которое осуществляется ссылка

Изменения первичного ключа в родительском отношении разрешены:

1. При изменении значений полей первичного ключа в родительском отношении автоматически осуществляется каскадное изменение всех соответствующих значений в дочернем отношении

2. Не позволяется изменять значения полей первичного ключа в родительском отношении, если в дочернем отношении имеется хотя бы 1 запись содержащая ссылку на изменяемую запись

3. Позволяется изменять значения полей первичного ключа в родительском отношении независимо от существования связанных записей в дочернем отношении. Целостность данных при этом не поддерживается.

При удалении записи в родительском отношении то же самое что при изменении, только вместо изменения будет удаление.

При добавлении новой записи в дочернее отношение или редактирование в нём существующей записи, возможно, выбрать 1 из вариантов:

1. Не позволяет изменить запись, если значение индексного выражения дочернего отношения не соответствует одной из записей в родительском отношении

2. При вводе данных дочерние отношения не анализируются значение индексного выражения. Целостность данных при этом не поддерживается.

Основы реляционной алгебры

1. Объединение: имеется r и s. t=r(объединение)s

 

A	B	C
P	1	A
P	2	O
Q	2	C
Q	3	A

2. Пересечение

3. Разность

4. Произведение – t=r*s k=k₁+k₂

A	B	C	D	E	F
P	1	C	Q	2	c
P	1	C	Q	3	a
P	2	C	Q	2	c
P	2	6	Q	3	a
Q	2	C	Q	2	c
Q	Q	C	Q	3	a

 

ràстуденты (номер зачётной книжки, фио)

sàэкзамены (код, название, дата, оценка)

тогда r*s=экзамная ведомость (

Номер зачётной  книжки ФИО 02-01 Иванов И.И 02-02 Смирнов С.С 02-05 Петров П.П

Код Название Дата Оценка 01 Математика 10.11.11   02 Физика 15.11.13   03 Ин. язык 20.11.17

Студенты                                                                                      Экзамены

 

 

Номер зачётной книжки ФИО Название Дата Оценка 02-01 Иванов И.И Математика 10.11.11   02-02 Смирнов С.С Физика 15.11.13   02-05 Петров П.П Ин. язык 20.11.17

                                                           Экзам вед

 

5. Проекция. Пусть в отношении r выделено некоторое множество атрибутов Y, тогда отношение t=P_y(r) называется проекция отношения P k r

P_AC(r)

A	C
P	a
P	B
Q	C

P_EF(r)

E	F
3	a
2	c

 

6. Выбор или Селекция. Результатом селекции отношения r по некоторому О будем считать отношение t=бO(r) которое включает в себя кортежи отношения r малая. Условия О это формула по которой определяется выборка. Операндами в такой формуле являются атрибуты отношения t, а знаками операции логические и операции отношений

 

Для функционирования СУБД необходимо хранить:

1. Сроки отношений

2. Управляющие структуры

3. Журнальную информацию

4. Служебную информацию

Технология доступа к БД:

1. Определяется искомая запись, для извлечения которой вызывается диспетчер файлов

2. Диспетчер файлов определяет страницу, на которой находится искомая запись и для извлечения запрашивает диспетчер дисков

Страничная организация файлов СУБД

Физическая схема

Чанки

Страницы

Строки

Экстенты

Страницы Blob-объектов

 

 

Страницы – основная единицы осуществления операция ввода/вывода

Чанки – представляет собой часть диска, физическое пространство, на диске которое, ассоциировано 1 процессу

Экстенты – непрерывная область дисковой памяти

Страницы Blob-объектов – предназначены для хранения слабоструктурированной информации содержащей тексты большого объёма, графическую информацию двоичные коды

Индексный файл – это файл особого типа, в котором каждая запись состоит из 2 значений данных и указателя. Данные предоставляют поле, по которому производится индексирование, а указатель осуществляет связывание с соответствующим кортежем индексированного файла. Если индексирование производится по ключевому полю, то индекс называется первичным и не содержит дубликатов ключа.

Основное преимущества использования индексов заключается в значительном ускорении процесса выборки данных.
Основной недостаток замедления процесса обновления данных.

1. Индексы позволяют осуществлять последовательный доступ к индексированному файлу в соответствии со значением индексного поля для составления запросов на поиск наборов записей.

2. Осуществлять прямой доступ к отдельным записям индексированного файла на основе заданного значения индексного поля для составления запросов для заданных значений индекса

3. Организовать запросы не требующие обращения к индексированному файлу, а лишь приводящие проверки наличия данного значения в индексном файле

В зависимости от организации индексной и основной областей различают 2 вида файлов:

1. Индексно-прямые файлы

2. Индексно-последовательные файлы

Организация индекса в виде B деревьев

Инфологические модели

Модели представления хорошо структурированной информации	Модели представления слабо структурированной информации
IDEF – модели	Дескрипторные модели
Диаграммы потоков данных	Семантические сети. Тезаурусы
ER - модели	Фреймы

 

Методы сбора фактов

1. Изучение документации

2. Собеседование

3. Наблюдение за работой предприятия

4. Проведение исследований

5. Проведение анкетирования

Сбор и анализ требований пользователей

Спецификация требований к приложению БД:

· Описание применяемых или вырабатываемых данных

· Подробные сведенья о способах применения или выработки данных

· Все дополнительные требования к создаваемому приложению БД

Методы составления спецификаций требований:

· Технология структурного анализа и проектирования (SAD)

· Диаграммы массивов данных (DFD)

· Графики «вход-процесс-выход» (HIPO)

Модель «сущность – связь»

Модель «сущность – связь»

Сущность                         Свойство сущности                                          Связь

Семантическая основа ER модели:

1. Совокупность взаимосвязанных объектов, сведенья которых должны быть помещены в БД может быть представлена как совокупность сущностей

2. Каждая сущность обладает характеристическим свойствами (атрибутами), отличающими её от других сущностей и позволяющими её идентифицировать.

3. Сущности можно классифицировать по типам сущностей

4. Систематизация представления, основанная на классах

5. Предполагает иерархическую зависимость типов (сущность типа А является подтипом сущности B, если каждый экземпляр типа А является экземпляром сущности типа B)

6. Взаимосвязи объектов могут быть представлены как связи – сущности, которые служат для фиксирования взаимозависимости 2 или нескольких сущностей

 

           

Свойство