Преимущества организации СУБД.

ВВЕДЕНИЕ.

Развитие ВТ обещает упростить и облегчить нашу жизнь. Доступность информации, объем и скорость ее обработки становятся решающими факторами развития производственных сил государства, науки, культуры, общественных институтов и т.д. Установлено, что объем информации растет примерно пропорционально квадрату развития производительных сил. Информация и данные все чаще рассматриваются как жизненно важные ресурсы, которые должны быть организованы так, чтобы ими можно было легко пользоваться.

Переработка информации вплоть до конца 70-х годов осуществлялась на больших и средних ЭВМ. В них создавались большие банки данных, а ввод и вывод информации осуществлялся операторами с удаленных терминалов. По существу весь процесс переработки информации выполнялся профессионалами, а конечные пользователи чаще всего не имели доступа.

Разработка и бурное развитие с конца 70-х годов ПЭВМ не только приблизило конечных пользователей к процессу переработки информации, но и позволило активно в него включиться.

Эволюция СУБД происходит на фоне беспрецедентного роста числа разнообразных применений ЭВМ, а технология БД в свою очередь обеспечивает необходимый фундамент такого роста. Технология управления БД сформировалась на основе опыта разработки и применения сотен типов СУБД, многих МД, языков определения данных и манипулирования данными. Одновременно создавалась теория БД, в которой были развиты такие разделы, как теория моделей данных и методы их эквивалентных преобразований, теория функциональных зависимостей в БД, методы эквивалентных представлений БД и их схем, проблемы полноты и эквивалентности в реляционном исчислении, теория БД с неполной информацией, методы обеспечения целостности БД в условиях потока конкурентных запросов, методы структурирования памяти для хранения разнообразных данных.

Прежде чем приступить к изучению СУБД, введем понятие информации и информационной системы.

 

 

ИНФОРМАЦИЯ И ДАННЫЕ.

Информация – это любые сведения о каком-либо объекте, событии или процессе, над которыми выполняются действия: восприятия, передачи, преобразования, хранения и использования.

Понятие об информации как о знании сложилось у человека очень давно. Информация используется во всех областях человеческой деятельности, человек научился собирать информацию, обрабатывать и передавать ее по назначению. С понятием информации неразрывно связано понятие данные, которое можно определить как информацию, фиксированную в определенной форме, пригодной для последующей обработки, хранения и передачи. Системы, служащие для регистрации, обработки, хранения и передачи информации, называют информационными системами. Выделяют различные классы автоматизированных информационных систем: информационно-справочные, информационно-поисковые, информационно-логические и т.п.

Соотносительно двум понятиям – информация и данные, различают два аспекта при проектировании информационных систем: инфологический и даталогический.

1. Инфологический аспект употребляется при рассмотрении вопросов, связанных со смысловым содержанием данных, независимо от способов их представления в памяти системы. На этапе инфологического проектирования информационной системы должны быть решены вопросы:

- о каких объектах или явлениях реального мира требуется накапливать и обрабатывать информацию в системе;

- какие их основные характеристики и взаимосвязи между собой будут учитываться;

- уточнения вводимых в информационную систему понятий об объектах и явлениях, их характеристиках и взаимосвязях.

Таким образом, на этапе инфологического проектирования выделяется часть реального мира, определяющая информационные потребности системы, т.е. ее предметная область.

2. Даталогический аспект употребляется при рассмотрении вопросов представления данных в памяти информационной системы. При даталогическом проектировании разрабатываются соответствующие формы представления информации в системе посредством данных, а также приводятся модели и методы представления и преобразования данных, формулируются правила смысловой интерпретации данных, т.е. формируется семантика данных. Данные, выражающие семантику данных, называются метаданными.

В настоящее время информационные системы разрабатываются в основном как банки данных и знаний.

Банк данных (БнД) – это система специальным образом организованных данных, программных, технических, языковых, организационно-методических средств, предназначенных для обеспечения централизованного накопления и коллективного многоцелевого использования этих данных.

Банк данных (БнД) – это автоматизированная информационная система, включающая в свой состав комплекс специальных методов и средств (математических, информационных, программных, языковых, организационных и технических) для поддержания динамической информационной модели ПО с целью обеспечения его информационных запросов пользователей.

С БнД в процессе его создания и эксплуатации взаимодействуют пользователи разных категорий:

1) Конечные пользователи – это специалисты, работающие в данной ПО, для удовлетворения информационных потребностей которых и создаются БнД. Понятием конечный пользователь определяется не только отдельное лицо или группа лиц, но и вычислительные процессы, задачи, а иногда и целые системы, взаимодействующие с БнД.

2) Программисты (прикладные), которые играют роль посредников между БнД и конечными пользователями. Современные тенденции в развитии информационных систем должны привести к существенному сокращению численности этих пользователей БнД, вплоть до полного их устранения.

3) Администраторы БнД и обслуживающие персонал. Службой администратора БнД называют структурное подразделение организации вычислительных центров или отделов АСУ, которое несет ответственность за создание БнД и его надежное функционирование, за соблюдение регламента к хранимым данным.

Предпосылками создания БнД являются следующие условия:

1) Объекты ПО находятся в сложной взаимосвязи между собой

2) Информационные потребности различных конечных пользователей пересекаются;

3) При решении любой задачи, поставленной конечным пользователем, выполняется отбор данных, предварительно собранных и зафиксированных в информационной системе. Функции предоставления нужной информации конечному пользователю являются общими для разных задач.

БнД

Состав БнД:

 

 

Основными компонентами БнД являются БД и СУБД. Существует довольно много определений БД. Наиболее общее дано Коддом:

База данных (БД) – это поименованная, структурированная совокупность взаимосвязанных данных, относящихся к конкретной ПО.

Система управления баз данных (СУБД) представляет собой специальный пакет программ, с помощью которых реализуется централизованное управление БД и обеспечивается доступ к данным.

Функционирование БнД невозможно без участия специалистов, обеспечивающих создание и поддержку БД, организованный и контролируемый доступ к данным различных пользователей. Поэтому в состав БнД включен обслуживающий персонал и администратор БД.

В зависимости от конкретной СУБД и разработанного на ее основе БнД состав технических средств может быть различен. В последнее время наряду с универсальными техническими средствами стали создаваться специальные машины баз данных.

Говоря о БнД, различают администратора данных и АБД. Администратор баз данных (не обязательно специалист в области СУБД) должен принимать решения, какие данные нужно вносить в БД в первую очередь, обеспечивать порядок при обслуживании данных и использовании их после занесения в БД. АД работает как управляющий, а не специалист по техническим вопросам.

АБД – это профессиональный специалист в области информационных технологий. Он должен:

- создавать БД;

- осуществлять технический контроль;

- обеспечивать необходимое быстродействие системы и ее техническое обслуживание.

Функции АБД выполняются несколькими специалистами (системными программистами).

Словарь данных содержит метаданные, т.е. определение других объектов системы. Словарь может включать ссылки, показывающие, какие программы какую часть БД используют, какие отчеты требуются пользователю. Словарь данных – централизованное хранилище информации о самом БнД. Словарь данных состоит из базы метаданных и набора программ, разработанных для решения задач, связанных с ведением и использованием этих данных.

 

Цель информационного проектирования – создать точное и полное отображение реального мира, используемое в дальнейшем в качестве источника информации для построения БД. Информационная модель должна отвечать следующим требованиям:

- обеспечить адекватность отображения ПО и, как следствие, давать возможность получить интегрированное представление о ПО;

- описываться на языке, понятном конечному пользователю и администратору БД;

- содержать информацию о ПО, достаточную для дальнейшего проектирования;

- гарантировать однозначное трактование модели;

- быть динамичной.

Для информационной модели используются как аналитические, так и графические способы ее представления.

 

Жизненный цикл БнД.

проектирование создание эксплуатация

 

анализ ПО генерация реорганизация

схем БД БД разграничение

интеграция доступа

пользоват-х подготовка организация

представлений среды доступа к

хранения данным поиск и

выбор средств обновление

реализации ввод и конт- контроль

роль данных состояния БД

логическое

проектирование загрузка и копир. сбор и контроль

корректировка и восст. анализ целостн.

физическое БД стат-ки

проектирование

 

Классификация БнД.

1. По используемому языку общения.

а) с базовым языком (замкнутая система);

б) с включаемым языком (открытая система).

Замкнутые системы имеют собственный самостоятельный язык общения с БД, который кроме операций манипулирования данными может выполнять арифметические операции, операции ввода-вывода. С включаемым языком – в качестве последнего выбран один из общепринятых алгоритмических языков (Ассемблер, Кобол), на котором пишется прикладная программа.

Жесткой границы между открытыми и замкнутыми системами нет. В настоящее время разрабатываемые системы все в большей степени наделяются свойством замкнутых систем.

2.В зависимости от особенностей моделей, поддерживаемых СУБД, различают системы:

а) со структурированными БД – ориентированы на предварительную классификацию объектов реального мира, на установление свойств и связей между ними, которые будут фиксироваться в БД (БД с детерминированной схемой);

б) с не структурированными – совокупность видов свойств и видов взаимосвязей объекта с другими объектами определяется только в момент появления каждого реального объекта;

в) с частично структурированными.

Среди детерминированных систем в зависимости от типа МД, поддерживаемой СУБД, различают иерархические, сетевые и реляционные БнД. Системы, которые поддерживают одновременно несколько различных моделей, называются мультимодельными.

Смешанные системы – возможность связывания между собой деревьев делает структуру ограниченной сетью, в то время как идеология обработки данных и особенности используемых языковых средств сохраняют черты, присущие иерархическим системам.

3. По выполняемым функциям.

а) информационные – позволяют организовать хранение данных, поиск и выдачу нужных данных из БД, поддерживают их целостность и актуальность;

б) операционные – кроме того, осуществляется иная обработка по получению информации, не хранящейся в явном виде в БД. Свойства «операционности» могут быть заложены в СУБД (автоматически получать сводные показатели, выполнять различные группировки) или обеспечиваться ПП.

4. По сфере применимости.

а) универсальные – настраиваются на ту или иную ПО путем создания соответствующих БД и ПП;

б) проблемно-ориентированные – могут быть обусловлены различными причинами: особенностями используемых языковых средств, включением в СУБД процедур обработки данных, присущих определенной области применения.

5. По допустимым режимам работы.

а) режим пакетной обработки;

б) диалоговый режим.

6. По характеру хранимой информации. БД для:

а) экономической;

б) научно-технической;

в) социально-политической;

г) технологической;

б) библиографической и т.п..

7. По способу организации обработки данных.

а) БД с локальным доступом;

б) с сетевым доступом:

1. клиент-сервер;

2. файл-сервер;

в) распределенные БД (РБД).

РБнД при использовании должны быть разъединены только физически, но не логически. Логическая интеграция означает, что вся БД потенциально доступна из любого узла. В системах с РБнД кроме понятия схема вводится понятие «суперсхема» – описание РБД как логически целой информационной совокупности.

б) – БнД реализуется на нескольких ЭВМ в сети (ЛВС). Файлы БД находятся на сервере, а программы обработки на рабочей станции.

в) – если файлы БД произвольно распределены по компьютерам ЛВС.

Существует много способов распределения данных по узлам сети. Крайними вариантами являются полностью убыточные системы, в которых информация дублируется в каждом узле; разделенные системы – информация не хранится более чем в одном узле. Промежуточное положение занимает частично-избыточные системы.

 

Недостатки организации БД.

1. Увеличивается сложность создаваемых ИС; проектирование БнД требует выполнения большого числа ручных операций и высокой квалификации разработчиков.

2. Применение сложных структур данных увеличивает долю служебной информации в общем объеме хранимых данных. БнД предъявляет повышенные требования к применяемым в системе техническим и программным средствам. Часть ресурсов ПЭВМ, иногда довольно значительная, расходуется собственно на нужды самой системы управления БнД.

3. Последствия сбоев становятся более чувствительными и их труднее исправлять по сравнению с традиционной файловой обработкой.

4. Обеспечение независимости прикладных программ от изменений в хранимых данных становится насущной необходимостью. В противном случае требуется выполнять трудоемкие ручные операции по внесению соответствующих изменений в прикладные программы.

 

 

ПРОЕКТИРОВАНИЕ БД.

(общий подход)

Процесс проектирования БД начинается с описания ПО. Модель описания ПО называется концептуальной моделью. В зависимости от ширины охвата ПО различают глобальные и локальные модели: глобальные – это описание ПО в целом; локальные – описание ПО с точки зрения конкретного пользователя.

Данный этап проектирования БД соответствует инфологическому аспекту рассмотрения БнД и соответственно называется инфологическим проектированием.

Далее модель ПО отображается на МД, совместимую с выбранной СУБД. Такие модели также называются также логическими МД. Описание состава и логической организации БД называется схемой; а соответствующий язык называется языком описания данных (ЯОД). Описание части БД, представляющей интерес для конкретных пользователей, называется подсхемой или внешней моделью.

Любая СУБД поддерживает конкретную логическую МД, эту модель определяют в совокупности с ЯОД и ЯМД данной СУБД. ЯМД (или язык запросов) – это средство, позволяющее обращаться к БД. Данный этап есть даталогическое проектирование; когда учитываются возможности имеющихся технических и программных средств.

И последний этап – отображение логической модели в физическую модель, специфицирующую размещение данных и методы доступа к ним. Эти модели называются внутренними моделями. Внутренняя модель строится с учетом ограничений СУБД и ОС.

Проектирование всех 3-х моделей является важнейшими функциями АБД. Мы будем рассматривать первые два этапа проектирования БД, т.к. выбор конкретной СУБД позволяет прикладным программам не задумываться о внутренней модели. Ее создание берет на себя СУБД.

Ограничение типов логической МД позволяет при проектировании БД вначале сделать оценку и выбор подходящего типа МД, а затем уже выбирать конкретную СУБД, и закончить этот этап проектирования БД, используя уже МД конкретной выбранной СУБД.

Проектирование БД во многом зависит от опыта проектировщика.

ЯМД

ЯОД

Логическ. Проек-е

Физич. Проек-е

	Концепт. Проек-е

 

 

Инфологическое Даталогическое

проектирование проектирование

 

 

Инфологические МД.

МД выступает в качестве коммуникационного посредника. В этом случае универсальным средством описания представления является естественный язык.

МД, которую поддерживают конструкции, согласующиеся с восприятием, свойственным человеку, и базирующиеся на высказываниях как формах коммуникации, соответствуют требованиям естественности.

Инфологическая модель – отображение реального мира в некоторые естественные для человека базовые концепции.

Помимо инфологических МД существуют другие более общие модели, так же ориентированные на представление структур и данных реального мира. Это естественный язык, но его применение ограничено в силу неоднозначности.

ИМД должна обеспечивать возможность правильного представления наших восприятий.

ЛОГИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ.

Исторически сложилось 3 вида моделей:

– иерархическая;

– сетевая;

– реляционная.

В основу иерархической модели данныхположено понятие дерево.

Дерево – это неориентированный граф. Вершины графа – сущности, ребра графа – связи между сущностями. Одну из вершин, в которую не ведут никакие другие ребра, называют корнем. Граф будет ориентированным и будет удовлетворять следующим условиям: в каждую вершину может заходить только 1 дуга, а выходить несколько. Это граф, который не имеет цикла.

– корень; – тоже является деревом.

Вершины, из которых не выходит ни одна дуга, называются листьями дерева.

Говорят о степени узла. Это количество поддеревьев, которые выходят из данного узла. Лист имеет 0-ю степень. Остальные узлы, которые не являются ни листьями, ни корнями являются узлами.

Иерархическая древовидная структура – иерархическая модель:

1. Иерархия начинается с корневого узла (1-й или 0-й уровень).

2. На следующих уровнях иерархии находятся порожденные узлы.

3. Каждый порожденный узел, находящийся на i-м уровне иерархии связан только с одним исходным узлом, находящимся на i-1-м уровне иерархии.

4. Каждый узел, кроме листа может иметь несколько порожденных узлов, которые называются подобными узлами.

5. Доступ к каждому узлу, кроме корневого, возможен только через корневой узел и через те узлы, для которых он является порожденным. Этот путь единственный.

 

Графическая интерпретация БД называется деревом определения.

Преимущества: очень простая модель; подходит именно для иерархических структур.

Недостатки: не поддерживает связь М:М; из-за строгой иерархической упорядоченности объектов операции удаления и включения данных являются достаточно сложными; затруднен поиск данных: может быть только последовательный поиск.

Пример:

М:М

студент преподаватель

Преобразуем в М:1:

студент (ФИО; № зачетной книжки; группа)

 

преподаватель (№ контракта; ФИО; дата; дисциплина)

Преобразуем в 1:М:

преподаватель (…)

 

 

студент (…)

Преобразуем в М:М:

студент (№ зач. кн.; ФИО; гр.) преподаватель (№ контракта; ФИО)

 

дисциплина (дата; название) дисциплина (дата; название)

 

 

Сетевая модель данных.

На развитие сетевой модели данных (СМД) большое влияние оказала рабочая группа CODASYL. СМД основана на графовом представлении, где вершины – сущности концептуальной модели, дуги – связи между сущностями. Основными понятиями СМД являются запись, набор и область.

Запись – это поименованная совокупность элементов данных. Элемент данных – наименьшая поименованная единица данных. Набор – поименованная совокупность записей, образующих 2-х уровневую иерархическую структуру. Область – это поименованная совокупность данных, содержащая экземпляры записей, наборов или частей одного и того же набора.

Графически часто представляют сетевую структуру в виде прямоугольников и стрелок (предложено Бахманом).

Различают тип записи и экземпляр записи. Любой тип записи может создать 1 поле, несколько полей или вообще ни одного поля.

 

 

 

Тип записи, из которой идет стрелка, называется владельцем, а куда идет стрелка – членом набора. Набор характеризуется типом и экземплярами.

 

 

РЕЛЯЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ДАННЫХ.

Предложена Коддом в 1970 году.

В основу РМД положено понятие отношение. Это подмножество декартова произведения: где - домены:

=

….

=

=

– называется кортежем: = , = = , – арность.

Таблица представляет собой n-арное отношение R, обладающее следующими свойствами:

1. одинаковые строки отсутствуют;

2. порядок строк безразличен;

3. порядок столбцов фиксирован;

4. строки и столбцы могут обрабатываться в любой последовательности.

Для того чтобы не фиксировать столбцы, их именуют, имена столбцов – атрибуты отношения R. Для каждого атрибута ставится в соответствие домен , который содержит значение данного атрибута.

Схема отношения – это отношение, заданное вместе со своими атрибутами: .

Ключом отношения R называется подмножество схемы отношения такое, что не существует 2-х одинаковых кортежей, принимающих одинаковые значения на данном ключе:

: (K) (K)

Ключи задаются со схемой. Если их несколько, то они перечисляются:

=

Один из ключей называется первичнымключом. Первичный ключ (суперключ) – это такой ключ К, что не существует подмножества такого, что : и = .

Также могут быть неявные ключи, которые образуются каким-то образом из выделенных ключей.

Схему отношений можно описать: R_сх(А, К).

Схема реляционной БД: пусть задано множество всевозможных атрибутов U: . Схемой реляционной БД называется множество всевозможных схем отношений, заданных на данном множестве атрибутов: {R¹_сх, R²_сх,…, R^к_сх}; Rⁱ_сх(Aⁱ, Kⁱ) .

 

 

ПЛОСКИЙ ФАЙЛ.

Часто эффективность той или иной модели сравнивают с тем, как эта модель укладывается в понятие плоского файла. Файл, содержащий записи, имеющие одну и ту же структуру, называется плоским. В понятие плоского файла хорошо укладывается реляционная модель данных.

 

ОПЕРАЦИИ НАД ДАННЫМИ.

Модель данных определяет правила, в соответствии с которыми данные структурированы. Это не дает полного описания данных. В общем случае модель данных: , где G – множество правил вхождения, О – множество операций.

G – описывает синтаксис данных и соотносится с языком описания данных. О – соотносится с языком манипулирования данными.

Операции над данными определяют в терминах действия и селекции. Действие показывает, что с данными нужно сделать, а селекция – какие данные нужно выбрать для данного действия. Традиционно действие выражается через одну из следующих операций, или их комбинацию:

1. установка текущей;

2. обновление;

3. удаление;

4. добавление;

5. выбор данных.

Селекция:

1. по логической позиции – дает выбор 1-й, последней и т.д. записи;

2. по значению данных – выбираем данные, атрибут которых равен какому-либо значению;

3. по средствам связи между данными – выбираем данные, для которых установлена связь.

Существенный признак, по которому различаются языки манипулирования данными (ЯМД) определяется характером результата единичного действия над ними. Следовательно, они делятся на навигационные и спецификационные. Навигационные – новые объекты не получаем, а спецификационные – дают в результате новый объект на основе существующих.

Говорят о процедурах БД. Процедура включает в себя:

1) вычисления по данным;

2) вычисление значения атрибута по значениям других атрибутов;

3) получение статистических данных.

Спецификационные операции включают в себя операции реляционной алгебры (РА), операции реляционного исчисления с переменными кортежами, реляционное исчисление с переменными на доменах (это ЯМД).

РЕЛЯЦИОННАЯ АЛГЕБРА.

Реляционную алгебру определим как:

РА=<U, D, F, R_сх, O>,

где U – множество всех возможных атрибутов, называемое универсумом;

D – множество доменов;

F: U → D;

R_сх – множество всех возможных схем отношений, заданных на данном множестве атрибутов;

О – множество операций, заданных на отношениях со схемами из R_сх:

↓

РА с операцией дополнения.

Операции РА определил Кодд (за исключением операции переименования). Min O_РА< O, т.к. можем определить через другие операции.

Цель РА – описать выражение для получения нового отношения (это выражение РА). Выражением РА называется любое выражение, правильно построенное (согласующееся с ограничениями, наложенными на операторы) из отношений, использующих операторы из О. В выражении могут быть круглые скобки, именно они определяют порядок выполнения операций, т.к. все операции, за исключением , равноправны.

Отсюда следует свойство замкнутости: т.к. результатом каждой реляционной операции является одно отношение, то каждое выражение РА определяет функцию, которая отображает множество отношений, входящих в выражение РА, в одно отношение.

Схема полученного отношения будет зависеть от схем множества отношений, составляющих алгебру выражения . – схема алгебраического выражения . Схему алгебраического выражения можно определить рекурсивно:

1. Если выражение Е состоит из одного отношения R_i, то ;

2. Если выражение , где – некоторое множество условий, то ;

3. Если , то ;

4. Если , то ;

5. Если , то ;

6. Если , то .

 

Реляционная алгебра с дополнением: если к множеству операций О добавить дополнение. Алгебраические выражения, содержащие дополнение, отображают множество отношений в бесконечное отношение.

Восемь операторов Кодда не представляют минимального набора операторов, т.к. не все из них примитивны. Например, естественное соединение – это проекция выборки декартового произведения. Фактически 3 операции из этого набора (соединение, пересечение, деление) можно определить через оставшиеся 5. Следовательно, эти 5 операций можно рассматривать как примитивные и составляющие минимальный набор.

РА представляет собой в явном виде набор операций, которые можно использовать, чтобы сообщить системе, как в БД из заданных отношений реально построить новое отношение.

РИ представляет собой систему обозначений для определения нового отношения в терминах данных отношений.

 

Возможные применения выражений РА:

1) определение области выборки, т.е. определение данных для их выбора как результата операции выборки;

2) определение области обновления, т.е. определение данных для их вставки, изменения или удаления, как результата операции обновления;

3) определение именованных (виртуальных) отношений, т.е. определение данных для их визуализации через представления;

4) определение снимка, т.е. определение данных для сохранения их в виде мгновенного снимка отношения;

5) определение правил безопасности, т.е. определение данных, для которых осуществляется контроль доступа;

6) определение требований устойчивости, т.е. определение данных, которые входят в область для некоторых операций управления одновременным доступом;

7) определение правил целостности, т.е. некоторых особых правил, которым должна удовлетворять БД.

Выражения РА служат для символического высокоуровневого представления намерений пользователя.

Дейт, ссылаясь на работы Тодда и Дарвена, предложил новые алгебраические операторы: расширение и подведение итогов. Оператор расширения обеспечивает возможность горизонтального или построчного вычисления в алгебре. Оператор подведения итогов выполняет аналогичную функцию для вертикальных вычислений.

В описанной алгебре нет средств для скалярных вычислений. На практике это часто используется. Для этих целей и вводится оператор расширения:

Расш.(R)

– арифметическое выражение, операндами которого являются атрибуты отношения .

Новое отношение похоже на исходное , но содержит дополнительный атрибут, значения которого получены посредством некоторых скалярных вычислений. В качестве может быть взята функция:

Операция подведения итогов: