Принципы построения баз данных

Восприятие реального мира можно соотнести с последовательностью разных, хотя иногда и взаимосвязанных, явлений. С давних времен люди пытались описать эти явления (даже тогда, когда не могли их понять). Такое описание называют данными.

Традиционно фиксация данных осуществляется с помощью конкретного средства общения, например, с помощью естественного языка на конкретном носителе.

В настоящее время успешное функционирование различных фирм, организаций и предприятий просто не возможно без развитой информационной системы, которая позволяет автоматизировать сбор и обработку данных. Обычно для хранения и доступа к данным, содержащим сведения о некоторой предметной области, создается база данных.

База данных (БД) — именованная совокупность данных, отражающая состояние объектов и их отношений в рассматриваемой предметной области.

Под предметной областью принято понимать некоторую область человеческой деятельности или область реального мира, подлежащих изучению для организации управления и автоматизации, например, предприятие, вуз и.т.д.

Система управления базами данных (СУБД) — совокупность языковых и программных средств, предназначенных для создания, наполнения, обновления и удаления баз данных.

Программы, с помощью которых пользователи работают с БД, называются приложениями.

1. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ БАЗ ДАННЫХ

К современным базам данных, а, следовательно, и к СУБД, на которых они строятся, предъявляются следующие основные требования.

1. Высокое быстродействие (малое время отклика на запрос).

Время отклика - промежуток времени от момента запроса к БД до фактического получения данных. Похожим является термин время доступа - промежуток времени между выдачей команды записи (считывания) и фактическим получением данных. Под доступом понимается операция поиска, чтения данных или записи их. Часто операции записи, удаления и модификации данных называют операцией обновления.

2. Простота обновления данных.

3. Независимость данных.

4. Совместное использование данных многими пользователями.

5. Безопасность данных - защита данных от преднамеренного или непреднамеренного нарушения секретности, искажения или разрушения.

6. Стандартизация построения и эксплуатации БД (фактически СУБД).

7. Адекватность отображения данных соответствующей предметной области.

8. Дружелюбный интерфейс пользователя.

Важнейшими являются первые два противоречивых требования: повышение быстродействия требует упрощения структуры БД, что, в свою очередь, затрудняет процедуру обновления данных, увеличивает их избыточность.

Независимость данных - возможность изменения логической и физической структуры БД без изменения представлений пользователей.

Независимость данных предполагает инвариантность к характеру хранения данных, программному обеспечению и техническим средствам. Она обеспечивает минимальные изменения структуры БД при изменениях стратегии доступа к данным и структуры самих исходных данных. Это достигается «смещением» всех изменений на этапы концептуального и логического проектирования с минимальными изменениями на этапе физического проектирования.

Безопасность данных включает их целостность и защиту.

Целостность данных - устойчивость хранимых данных к разрушению и уничтожению, связанных с неисправностями технических средств, системными ошибками и ошибочными действиями пользователей.

Она предполагает:

1. отсутствие неточно введенных данных или двух одинаковых записей об одном и том же факте;

2. защиту от ошибок при обновлении БД;

3. невозможность удаления (или каскадное удаление) связанных данных разных таблиц;

4. неискажение данных при работе в многопользовательском режиме и в распределенных базах данных;

5. сохранность данных при сбоях техники (восстановление данных).

Целостность обеспечивается триггерами целостности – специальными приложениями-программами, работающими при определенных условиях. Защита данных от несанкционированного доступа предполагает ограничение доступа к конфиденциальным данным и может достигаться:

1. введением системы паролей;

2. получением разрешений от администратора базы данных (АБД);

3. запретом от АБД на доступ к данным;

4. формирование видов - таблиц, производных от исходных и предназначенных конкретным пользователям.

Три последние процедуры легко выполняются в рамках языка структуризованных запросов Structured Query Language - SQL, часто называемого SQL2.

Стандартизация обеспечивает преемственность поколений СУБД, упрощает взаимодействие БД одного поколения СУБД с одинаковыми и различными моделями данных. Стандартизация (ANSI/SPARC) осуществлена в значительной степени в части интерфейса пользователя СУБД и языка SQL. Это позволило успешно решить задачу взаимодействия различных реляционных СУБД как с помощью языка SQL, так и с применением приложения Open DataBase Connection (ODBC). При этом может быть осуществлен как локальный, так и удаленный доступ к данным (технология клиент/сервер или сетевой вариант)

2. КОНЦЕПЦИЯ ПОСТРОЕНИЯ БАЗЫ ДАННЫХ

Существует два подхода к построению БД, базирующихся на двух подходах к созданию автоматизированной системы управления (АСУ).

Первый из них, широко использовавшийся в 80-е годы и потому получивший название классического (традиционного), связан с автоматизацией документооборота (совокупность документов, движущихся в процессе работы предприятия). Исходными и выходными координатами являлись документы, как это видно из примера1.

Использовался следующий тезис. Данные менее подвижны, чем алгоритмы, поэтому следует создать универсальную БД, которую затем можно использовать для любого алгоритма. Однако вскоре выяснилось, что создание универсальной БД проблематично. Господствовавшая до недавнего времени концепция интеграции данных при резком увеличении их объема оказалась несостоятельной. Более того, стали появляться приложения (например, текстовые, графические редакторы), базирующиеся на широко используемых стандартных алгоритмах.

К 90-м годам сформировался второй, современный подход, связанный с автоматизацией управления. Он предполагает первоначальное выявление стандартных алгоритмов приложений (алгоритмов бизнеса в зарубежной терминологии), под которые определяются данные, а стало быть, и база данных. Объектно-ориентированное программирование только усилило значимость этого подхода.

В работе БД возможен одно- и многопользовательский (несколько пользователей подключаются к одному компьютеру через разные порты) режимы.

Используют восходящее и нисходящее проектирование БД. Первое применяют в распределенных БД при интеграции спроектированных локальных баз данных, которые могут быть выполнены с использованием различных моделей данных. Более характерным для централизованных БД является нисходящее проектирование.

22. Использование баз данных в профессиональной деятельности
Широкое внедрение информационных технологий в жизнь современного общества привело к появлению ряда общих проблем информационной безопасности:

- необходимо гарантировать непрерывность и корректность функционирования важнейших информационных систем (ИС), обеспечивающих безопасность людей и экологической обстановки;

- необходимо обеспечить защиту имущественных прав граждан, предприятий и государства в соответствии с требованиями гражданского, административного и хозяйственного права (включая защиту секретов и интеллектуальной собственности);

- необходимо защитить гражданские права и свободы, гарантированные действующим законодательством (включая право на доступ к информации).

Требования по обеспечению безопасности в различных ИС могут существенно отличаться, однако они всегда направлены на достижение трех основных свойств:

- целостность – информация, на основе которой принимаются решения, должна быть достоверной и точной, защищенной от возможных непреднамеренных и злоумышленных искажений;

- доступность (готовность) – информация и соответствующие автоматизированные службы должны быть доступны, готовы к работе всегда, когда в них возникает необходимость;

- конфиденциальность – засекреченная информация должна быть доступна только тому, кому она предназначена.

Для решения проблем информационной безопасности необходимо сочетание законодательных, организационных, технологических и стандартизационных мероприятий.

Основное внимание в теории и практике обеспечения безопасности применения информационных технологий и систем сосредоточено на защите от злоумышленных разрушений, искажений и хищений программных средств и информации баз данных. Для этого разработаны и развиваются проблемно-ориентированные методы и средства защиты:

- от несанкционированного доступа;

- от различных типов вирусов;

- от утечки информации по каналам электромагнитного излучения

и т. д. При этом подразумевается наличие лиц, заинтересованных в доступе к программам и данным с целью их несанкционированного использования, хищения, искажения или уничтожения.

Рассмотрим современные методы выявления и предотвращения непредумышленных угроз безопасности функционирования программных средств (ПС) и баз данных (БД), снижения соответствующих рисков до допустимого уровня и определения реального достигнутой степени безопасности использования ИС. В связи с этим будем говорить об алгоритмической и программно-технологической безопасности, используя для краткости термины "технологическая безопасность" или просто "безопасность". В качестве основной непредумышленной угрозы будет рассматриваться наличие внутренних дефектов ПС и БД, вызванных ошибками проектирования и реализации.

Факторы, определяющие технологическую безопасность сложных информационных систем:

- показатели, характеризующие технологическую безопасность информационных систем;

- требования, предъявляемые к архитектуре ПС и БД для обеспечения безопасности ИС;

- ресурсы, необходимые для обеспечения технологической безопасности ИС;

- внутренние и внешние дестабилизирующие факторы, влияющие на безопасность функционирования программных средств и баз данных;

- методы и средства предотвращения и снижения влияния угроз безопасности ИС со стороны дефектов программ и данных;

- оперативные методы и средства повышения технологической безопасности функционирования ПС и БД путем введения в ИС временной, программной и информационной избыточности;

- методы и средства определения реальной технологической безопасности функционирования критических ИС.

Использование баз данных характеризуется следующими свойствами:

1. ОПЕРАТИВНОСТЬ: средства вычислительной техники позволяют осуществлять оперативный доступ к информации;

2. ПОЛНАЯ ДОСТУПНОСТЬ: вся информация, содержащаяся в БД, доступна для использования;

3. ГИБКОСТЬ: имеется возможность легко изменять состав и форму выдачи, интересующих пользователя данных, изменения в БД вносятся также достаточно просто;

4. ЦЕЛОСТНОСТЬ (данных): минимизируется дублирование данных, предоставляется возможность упорядочения и согласованности данных а также работ по их обновлению.

С общими характеристиками БД связан также ряд взаимозависимых понятий:

- Целостность БД [database integrity] - состояние БД, при котором все значения данных правильно отражают предметную область (в пределах заданных ограничений по точности и согласованности во времени) и подчиняются правилам взаимной непротиворечивости, Поддержание целостности БД предполагает ее проверку и восстановление или корректировку из любого неправильного состояния, которое может быть обнаружено. Это входит в функции администратора БД, который пользуется средствами системы управления БД. Аналогичным образом можно говорить и о целостности файла, хотя в типичных случаях файлы подвергаются менее обширным проверкам на целостность.

- Защищенность БД [database security] - Наличие и характеристика средств (аппаратных, программных, организационных, технологических, юридических и т.п.) обеспечивающих предотвращение или исключение:

- Доступа к информации лиц, не получивших на то соответствующего разрешения.

- Умышленного или непредумышленного разрушения или изменения данных.

- Безопасность БД [database safety] - свойство БД, которое заключается в том, что содержащиеся в ней данные не причинят вреда пользователю при правильном их применении для решения любых функциональных задач системы, для которой она была создана. Часто понятия "безопасность" и "защита" БД рассматриваются как синонимичные.

- Эффективность БД [database efficiency] -

- степень соответствия результатов использования БД затратам на ее создание и поддержание в рабочем состоянии, в случае оценки этого показателя в денежном выражении он носит наименование экономической эффективности БД;

- обобщающий показатель качества состояния и использования БД по совокупности признаков (в том числе - скорость, доступность, гибкость, целостность, защищенность, безопасность и др.) - техническая эффективность БД Эффективность БД принято оценивать применительно к условиям их использования в конкретных автоматизированных системах.

Наиболее распространенными угрозами безопасности для баз данных являются следующие:

- несанкционированный доступ к данным через сеть Интернет;

- похищение информации запросом вида SELECT *. Обеспечить защиту от угроз такого типа весьма сложно, так как их производят, в основном, аналитики, взаимодействующие с ядром БД и имеющие привилегии на всевозможные выборки данных из всех таблиц базы;

- резервное копирование с целью воровства БД.

В состав типовой модели защиты БД необходимо включить следующие элементы: организационные меры по обеспечению доступа к серверу (желательно только локально); ограничения доступа к корпоративной сети; защита доступа к СУБД; ограничения на использование прикладного программного обеспечения конкретным пользователем.

Для решения рассмотренных проблем можно использовать наиболее распространенные методы защиты БД: защита паролем, встроенные в СУБД средства защиты информации и мониторинга действий пользователей, идентификация пользователя и проверка его полномочий.

Каждый из этих способов имеет свои достоинства, но надо понимать, что абсолютную защиту данных обеспечить невозможно.

Также можно применить и наиболее классический способ защиты данных – зашифровать все таблицы БД при помощи достаточно стойкого крипто- алгоритма. Но это решение также имеет ряд недостатков, например, таких как потеря времени при шифровании/дешифровании данных, невозможность индексирования полей, практическая невозможность полного восстановления при системных сбоях и др.