Архитектура информационной системы

Базы данных

30. Основные понятия и определения.

Одним из важнейших условий обеспечения эффективного функционирования лю­бой организации является наличие развитой информационной системы.

Информационная система представляет собой систему, реализующую автоматизиро­ванный сбор, обработку и манипулирование данными и включающая технические сред­ства обработки данных, программное обеспечение и обслуживающий персонал.

Современной формой информационных систем являются банки данных, которые включают в свой состав вычислительную систему, одну или несколько баз данных (БД), систему управления базами данных (СУБД) и набор прикладных программ (ПП). Основ­ными функциями банков данных являются:

• хранение данных и их защита;

• изменение (обновление, добавление и удаление) хранимых данных;

• поиск и отбор данных по запросам пользователей;

• обработка данных и вывод результатов.

База данных обеспечивает хранение информации и представляет собой поименован­ную совокупность данных, организованных по определенным правилам, включающим общие принципы описания, хранения и манипулирования данными.

Система управления базами данных представляет собой пакет прикладных программ и совокупность языковых средств, предназначенных для создания, сопровождения и ис­пользования баз данных.

Прикладные программы (приложения) в составе банков данных служат для обработки данных, вычислений и формирования выходных документов по заданной форме.

31. Процесс создания информационной системы обычно включает следующие этапы:

• проектирование БД;

• создание файла проекта БД;

• создание БД (формирование и связывание таблиц, ввод данных);

• создание меню приложения;

• создание запросов;

• создание экранных форм, отчетов;

• генерация приложения как исполняемой программы.

Приведенный перечень этапов не является строгим в смысле очередности и обяза-

- льности. В частности, этап создания файла проекта БД поддерживается не всеми СУБД является не обязательным. Процесс создания информационной системы, как правило,

-1еет итерационный характер Приложение представляет собой программу или комплекс программ, использующих БД и

•еспечивающих автоматизацию обработки информации из некоторой предметной области. эиложения могут создаваться как в среде СУБД, так и вне СУБД — с помощью системы про-эммирования, к примеру, Delphi или C++ Builder, использующей средства доступа к БД. Для работы с базой данных во многих случаях можно обойтись только средствами

•'БД, скажем, создавая запросы и отчеты. Приложения разрабатывают главным обра-?w в случаях, когда требуется обеспечить удобство работы с БД неквалифицированным льзователям или интерфейс СУБД не устраивает пользователя.

Модели данных

Хранимые в базе данные имеют определенную логическую структуру, то есть пред­ставлены некоторой моделью, поддерживаемой СУБД. К числу важнейших относятся сле­дующие модели данных:

• иерархическая;

• сетевая;

• реляционная;

• объектно-ориентированная.

В иерархической модели данные представляются в виде древовидной (иерархичес­кой) структуры. Она удобна для работы с иерархически упорядоченной информацией и громоздка для информации со сложными логическими связями.

Сетевая модель означает представление данных в виде произвольного графа. Достоинством сетевой и иерархической моделей данных является возможность их эффективной реализации по показателям затрат памяти и оперативности. Недостатком сетевой модели является высокая сложность и жесткость схемы БД, построенной на ее основе ре ляционная модель данных (РМД). Ее предложил в 70-е годы сотрудник фирмы IBM Эдгар Кодд. При задании определенных условий отношение представляется в виде двумерной таблицы привычной для человека. Большинство современных БД для персональных ЭВМ являются реляционными.

-достоинствами реляционной модели данных являются ее простота, удобство реализации на ЭВМ, наличие теоретического обоснования и возможность формирования гибкой системы БД, допускающей настройку при формировании запросов.

-реляционная модель данных используется в основном в БД среднего размера.

Определенные проблемы использования РМД возникают при создании систем со сложными данными, например, систем автоматизации проектирования. Объектно-ориентированные БД используются для создания крупных БД со сложными структурами данных.

Реляционная модель данных

Модель данных в общем случае описывает набор базовых признаков, которыми должны обладать все конкретные СУБД и управляемые ими БД, основанные на этой модели.

Элементы реляционной модели

Реляционная модель данных (РМД). При создании информационной системы

совокупность отношений позволяет хранить данные об объектах предметной области,

моделировать связи между ними. Элементы РМД и формы их представления приведены в табл. 19.1.

Таблица 19.1 Элементы реляционной модели

Элемент реляционной модели	Форма представления
Отношение	Таблица
Схема отношения	Строка заголовков таблицы
Кортеж	Строка таблицы
Сущность	Описание свойств объекта
Атрибут	Заголовок столбца таблицы
Первичный ключ	Один или несколько атрибутов
Тип данных	Тип значений элементов таблицы

-важнейшим является понятие отношения, которое представляет собой двумерную таблицу, содержащую некоторые данные.

-Сущность есть объект любой природы.

-Атрибуты представляют собой свойства, характеризующие сущность.

 

Ограничения и операции над отношениями

Приведем условия и ограничения, накладываемые на отношения, выполнение кото­рых позволяет таблицу считать отношением.

 

Все строки таблицы должны быть уникальны, т. е. не может быть строк с одинако­выми первичными ключами.

В таблице не должно быть столбцов с повторяющимися именами. Все строки одной таблицы должны иметь одну структуру, соответствующую именам и типам столбцов.

-Имена столбцов таблицы должны быть различны, а значения их простыми. Порядок размещения строк в таблице может быть произвольным, отношениям можно применять систему операций. Например, результатом запроса к реляционной БД может быть новое значение, вычисленное на основе хранящихся в базе отношений.

Операции, выполняемые над отношениями, можно разделить на две группы.

Первую группу составляют операции над множествами, к которым относятся операции пересечения, разности, деления и декартова произведения.

Вторую группу составляют специальные операции над отношениями, к которым относятся операции: проекции, соединения, выбора.

Для различных СУБД реализована некоторая часть этих операций, определяющая в ка­мере возможности данной СУБД и сложность реализации запросов к БД.

Проектирование БД методом нормальных форм

Проектирование БД является одним из этапов жизненного цикла информационной задачей, решаемой в процессе проектирования БД, является задача нормальных отношений. Рассматриваемый ниже метод нормальных форм является классическим видом проектирования реляционных БД. Этот метод основан на фундаментальном в реляционных баз данных понятии зависимости между атрибутами отношений.

Нормальные формы

•Процесс проектирования БД с использованием метода нормальных форм является трад иционным и заключается в последовательном переводе отношений из первой нормальной формы в нормальные формы более высокого порядка по определенным правилам.

Выделяют следующую последовательность нормальных форм:

первая нормальная форма (1НФ);

вторая нормальная форма (2НФ);

третья нормальная форма (ЗНФ);

усиленная третья нормальная форма, или нормальная форма Бойса-Кодда (БКНФ)

четвертая нормальная форма (4НФ);

пятая нормальная форма (5НФ).

Первая нормальная форма. Отношение находится в 1 НФ, если все его атрибуты яв-

: простыми (имеют единственное значение). Исходное отношение строится таким

м, чтобы оно было в 1 НФ.

Перевод отношения в следующую нормальную форму осуществляется методом де­композиции без потерь. Такая декомпозиция должна обеспечить то, что запросы (выбор­ка данных по условию) к исходному отношению и к отношениям, получаемым в резуль­тате декомпозиции, дадут одинаковый результат.

Основной операцией метода является операция проекции. Поясним ее на примере. Предположим, что в отношении R(A,B,C,D,E...) устранение функциональной зависимо­сти C->D позволит перевести его в следующую нормальную форму. Для решения этой задачи выполним декомпозицию отношения R на два новых отношения R1 (А,В,С,Е...) и R2(C,D). Отношение R2 является проекцией отношения R на атрибуты С и D.

Исходное отношение ПРЕПОДАВАТЕЛЬ, используемое для иллюстрации метода, имеет составной ключ ФИО. Предм. Группа и находится в 1НФ, поскольку все его атри­буты простые.

В этом отношении, в соответствии с рис. 19.8 б, можно выделить частичную зависимость атрибутов Стаж, Д_Стаж, Каф, Должн, Оклад от ключа — указанные атрибуты находятся в функциональной зависимости от атрибута ФИО, являющегося частью составного ключа.

Эта частичная зависимость от ключа приводит к следующему:

1. В отношении присутствует явное и неявное избыточное дублирование данных, на­пример:

• повторение сведений о стаже, должности и окладе преподавателей, проводящих за­нятия в нескольких группах и/или по разным предметам;

• повторение сведений об окладах для одной и той же должности или о надбавках за одинаковый стаж.

2. Следствием избыточного дублирования данных является проблема их редактиро­вания. Например, изменение должности у преподавателя Иванова И. М. потребует про­смотра всех кортежей отношения и внесения изменений в те из них, которые содержат сведения о данном преподавателе.

Часть избыточности устраняется при переводе отношения в 2НФ.

Вторая нормальная форма. Отношение находится в 2НФ, если оно находится в 1 НФ и каждый неключевой атрибут функционально полно зависит от первичного ключа (со­ставного).

Для устранения частичной зависимости и перевода отношения в 2НФ необходимо, используя операцию проекции, разложить его на два отношения следующим образом:

• построить проекцию без атрибутов, находящихся в частичной функциональной за­висимости от первичного ключа;

• построить проекции на части составного первичного ключа и атрибуты, зависящие от этих частей.

В результате получили два отношения R1 и R2 в 2НФ (рис. 19.9).

В отношении R1 первичный ключ является составным и состоит из атрибутов ФИО. Предм. Группа. Напомним, что данный ключ в отношении R1 получен в предположе­нии, что каждый преподаватель в одной группе по одному предмету может либо читать лекции, либо проводить практические занятия. В отношении R2 ключ ФИО.

Исследование отношений R1 и R2 показывает, что переход к 2НФ позволил исклю­чить явную избыточность данных в таблице R2 — повторение строк со сведениями о пре­подавателях. В R2 по-прежнему имеет место неявное дублирование данных.

Часть 5. Базы данных

 

ФИО

Каф)

	Предм	Группа	ВидЗан
зИ.М.	СУБД		Практ
зИ.М.	ПЛ/1		Практ
зМ.И.	СУБД		Лекция
зМ.И.	Паскаль		Практ
IDB Н. Г.	ПЛ/1		Лекция
эв Н. Г.	Паскаль		Лекция
В. В.	ПЭВМ		Лекция
	Должн	Оклад	Стаж	Д Стаж	Каф
• и.м.	преп
ьМ.И.	ст.преп
эв Н. Г.	преп
В. В.	преп

Рис. 19.9. Отношения БД в 2НФ

дальнейшего совершенствования отношения необходимо преобразовать его в ЗНФ. Третья нормальная форма. Отношение находится в ЗНФ, если оно находится в 2НФ

-и неключевой атрибут нетранзитивно зависит от первичного ключа.

: в отношении R1 транзитивные зависимости отсутствуют, то в отношении R2

ФИО->Должн -> Оклад,

ФИО->Оклад ->Должн,

Ф И О - > Стаж - > Д_Стаж

зитивные зависимости также порождают избыточное дублирование информа-~ношении. Устраним их. Для этого используя операцию проекции на атрибуты, неся причиной транзитивных зависимостей, преобразуем отношение R2, полу-этом отношения R3, R4 и R5, каждое из которых находится в ЗНФ (рис. 19.10 а), ски эти отношения представлены на рис. 19.10 б.

рактике построение ЗНФ схем отношений в большинстве случаев является дос-»! и приведением к ним процесс проектирования реляционной БД заканчивает -твительно, приведение отношений к ЗНФ в нашем примере привело к устране-ыточного дублирования, в отношении имеется зависимость атрибутов составного ключа от неключевых атрибу-

- обходимо перейти к усиленной ЗНФ

энная ЗНФ, или нормальная форма Бойса-Kodda (БКНФ).

шение находится в БКНФ, если оно находится в ЗНФ и в нем отсутствуют зависи-

- ючей (атрибутов составного ключа) от неключевых атрибутов.

19. Основы построения баз данных

а) R3		R4		R5
ФИО	Должн	Стаж	Каф	Должн	Оклад	Стаж	Д_Стаж
Иванов И.М.	преп			преп
Петров МИ.	ст.преп			ст.преп
Сидоров Н.Г.	преп
Егоров В. В.	преп

 

Рис. 19.10. Отношения БД в ЗНФ

У нас подобной зависимости нет, поэтому процесс проектирования на этом заканчивается. Результатом проектирования является БД, состоящая из следующих таблиц: R1, R3, R4, R5. В полученной БД имеет место необходимое дублирование данных, но отсутствует избыточное.

Итак, процесс нормализации отношений методом нормальных форм предполагает после­довательное удаление из исходного отношения следующих межатрибутных зависимостей:

• частичных зависимостей неключевых атрибутов от ключа (2НФ);

• транзитивных зависимостей неключевых атрибутов от ключа (ЗНФ);

• зависимости ключей (атрибутов составных ключей) от неключевых атрибутов (БКНФ).

Кроме метода нормальных форм Кодда, используемого для проектирования небольших БД, применяют и другие методы, например, метод ER-дшграмм (метод «Сущность-связь»). Этот метод используется при проектировании больших БД, на нем основан ряд средств про­ектирования БД. Суть метода ER-диаграмм состоит в том, что из предметной области реша­емой задачи выделяются объекты (сущности). Информация о каждом из них представляет­ся в виде объектного отношения. На основе ряда правил объектные отношения могут связы­ваться между собой с помощью связных отношений или непосредственно друг с другом.

На последнем этапе метода ER-диаграмм отношения, полученные в результате проек­тирования, проверяются на принадлежность их к БКНФ. Этот этап может выполняться уже с использованием метода нормальных форм.

После завершения проектирования БД создается с помощью СУБД.

Обеспечение целостности БД

Обеспечение целостности БД означает выполнение ряда ограничений, соблюдение которых необходимо для поддержания непротиворечивости хранимых данных. Среди ограничений целостности можно выделить ограничения диапазонов значений атрибутов отношений и структурные ограничения на кортежи отношений.

Первый тип ограничений целостности предполагает контроль значений атрибутов значений. Например, значения атрибута Дата_рождения не могут превышать значения атрибута Дата_приема в записях отношений о кадрах. структурные ограничения фиксируют два требования целостности, которые должны придерживаться реляционными СУБД: требование целостности сущностей и целост-лылок. Каждому экземпляру сущности, представленному в отношении, соответ-

-олько один его кортеж. Первое требование состоит в том, что любой кортеж от-я должен быть отличим от любого другого кортежа этого отношения, иными

-з, любое отношение должно обладать первичным ключом.

:мулировка второго требования тесно связана с понятием внешнего ключа. Напом-

э внешние ключи служат для связи отношений (таблиц БД) между собой. При этом

одной таблицы, назовем ее родительской, служащий для связи ее с другой табли- эчерней, в которой он является первичным ключом — называется внешним ключом

отношения (таблицы). Говорят, что отношение, в котором определен внешний ключ,

- ся на отношение, в котором этот же атрибут является первичным ключом.

-ование целостности по ссылкам состоит в том, что для каждого значения внеш-

-оча родительской таблицы должна найтись строка в дочерней таблице с таким «нием первичного ключа. Например, если в отношении R1 (рис. 19.11) содержат-

-гсельская таблица Дочерняя таблица

R2

 

Должн	Оклад
преп
ст.преп

Ключ

ю	Должн	Каф	Стаж
нов И.М.	преп		5
зов М.И.	ст.преп		1
оров Н.Г.	преп
зов В. В.	преп

Внешний ключ

Рис. 19.11. Связь отношений с помощью внешнего ключа

=ния о сотрудниках кафедры, а атрибут этого отношения Должн является первич-

•очом отношения R2, то в этом отношении для каждой должности из R1 должна 3>ока с соответствующим ей окладом.

Языки запросов QBE и SQL

яимые в базе данные можно обрабатывать (просматривать и редактировать) «вруч-

- с помощью имеющихся в каждой СУБД средств просмотра и редактирования в таблицах. Для повышения эффективности множественной обработки данных

зфования и выбора данных из таблиц) создаются и выполняются запросы.

эос представляет собой специальным образом описанное требование, определяющее

сроизводимых над БД операций по выборке или модификации хранимых данных, подготовки запросов с помощью различных СУБД, как правило, используются

овных языка описания запросов:

Базы данных

30. Основные понятия и определения.

Одним из важнейших условий обеспечения эффективного функционирования лю­бой организации является наличие развитой информационной системы.

Информационная система представляет собой систему, реализующую автоматизиро­ванный сбор, обработку и манипулирование данными и включающая технические сред­ства обработки данных, программное обеспечение и обслуживающий персонал.

Современной формой информационных систем являются банки данных, которые включают в свой состав вычислительную систему, одну или несколько баз данных (БД), систему управления базами данных (СУБД) и набор прикладных программ (ПП). Основ­ными функциями банков данных являются:

• хранение данных и их защита;

• изменение (обновление, добавление и удаление) хранимых данных;

• поиск и отбор данных по запросам пользователей;

• обработка данных и вывод результатов.

База данных обеспечивает хранение информации и представляет собой поименован­ную совокупность данных, организованных по определенным правилам, включающим общие принципы описания, хранения и манипулирования данными.

Система управления базами данных представляет собой пакет прикладных программ и совокупность языковых средств, предназначенных для создания, сопровождения и ис­пользования баз данных.

Прикладные программы (приложения) в составе банков данных служат для обработки данных, вычислений и формирования выходных документов по заданной форме.

31. Процесс создания информационной системы обычно включает следующие этапы:

• проектирование БД;

• создание файла проекта БД;

• создание БД (формирование и связывание таблиц, ввод данных);

• создание меню приложения;

• создание запросов;

• создание экранных форм, отчетов;

• генерация приложения как исполняемой программы.

Приведенный перечень этапов не является строгим в смысле очередности и обяза-

- льности. В частности, этап создания файла проекта БД поддерживается не всеми СУБД является не обязательным. Процесс создания информационной системы, как правило,

-1еет итерационный характер Приложение представляет собой программу или комплекс программ, использующих БД и

•еспечивающих автоматизацию обработки информации из некоторой предметной области. эиложения могут создаваться как в среде СУБД, так и вне СУБД — с помощью системы про-эммирования, к примеру, Delphi или C++ Builder, использующей средства доступа к БД. Для работы с базой данных во многих случаях можно обойтись только средствами

•'БД, скажем, создавая запросы и отчеты. Приложения разрабатывают главным обра-?w в случаях, когда требуется обеспечить удобство работы с БД неквалифицированным льзователям или интерфейс СУБД не устраивает пользователя.

Архитектура информационной системы

Эффективность функционирования информационной системы во многом зависит от

архитектуры. В настоящее время перспективной является архитектура клиент-сервер. В

этом распространенном варианте она предполагает наличие компьютерной сети и

определенной базы данных, включающей БД корпоративную (БДК) и БД персональные

ЦП). БДК размещается на компьютере-сервере, БДП размещаются на компьютерах подразделений, являющихся клиентами корпоративной БД.

Сервером определенного ресурса в компьютерной сети называется компьютер (программа), управляющий этим ресурсом, клиентом — компьютер (программа), используют этот ресурс. В качестве ресурса компьютерной сети могут выступать, к примеру, базы

1ных, файловые системы, службы печати, почтовые службы. Тип сервера определяется

сом ресурса, которым он управляет. Например, если управляемым ресурсом является

а данных, то соответствующий сервер называется сервером базы данных.

„Достоинством организации информационной системы по архитектуре клиент-сервер

является удачное сочетание централизованного хранения, обслуживания и коллективного доступа к общей корпоративной информации с индивидуальной работой над персональной информацией.

Рис. 19.1. Структура распределенной БД

• компьютер-сервер и персональные компьютеры с БДП;

• несколько компьютеров-серверов и персональных компьютеров с БДП.

Использование архитектуры клиент-сервер дает возможность постепенного наращивания информационной системы предприятия, во-первых, по мере разви­тия предприятия; во-вторых, по мере развития самой информационной системы.

Разделение общей БД на корпоративную БД и персональные БД позволяет умень­шить сложность проектирования БД по сравнению с централизованным вариантом, а значит, снизить вероятность ошибок при проектировании и стоимость проектирования.

Важнейшим достоинством применения БД в информационных системах является обеспечение независимости данных от прикладных программ. Это позволяет не обреме­нять пользователей проблемами представления данных на физическом уровне: разме­щения данных в памяти, методов доступа к ним и т. д.

Такая независимость достигается поддерживаемым СУБД многоуровневым представлением данных в БД на логическом (пользовательском) и физическом уровнях. Иными словами, благо­даря СУБД и наличию логического уровня представления данных обеспечивается отделение кон­цептуальной (понятийной) модели БД от ее физического представления в памяти ЭВМ.

Модели данных

Хранимые в базе данные имеют определенную логическую структуру, то есть пред­ставлены некоторой моделью, поддерживаемой СУБД. К числу важнейших относятся сле­дующие модели данных:

• иерархическая;

• сетевая;

• реляционная;

• объектно-ориентированная.

В иерархической модели данные представляются в виде древовидной (иерархичес­кой) структуры. Она удобна для работы с иерархически упорядоченной информацией и громоздка для информации со сложными логическими связями.

Сетевая модель означает представление данных в виде произвольного графа. Достоинством сетевой и иерархической моделей данных является возможность их эффективной реализации по показателям затрат памяти и оперативности. Недостатком сетевой модели является высокая сложность и жесткость схемы БД, построенной на ее основе ре ляционная модель данных (РМД). Ее предложил в 70-е годы сотрудник фирмы IBM Эдгар Кодд. При задании определенных условий отношение представляется в виде двумерной таблицы привычной для человека. Большинство современных БД для персональных ЭВМ являются реляционными.

-достоинствами реляционной модели данных являются ее простота, удобство реализации на ЭВМ, наличие теоретического обоснования и возможность формирования гибкой системы БД, допускающей настройку при формировании запросов.

-реляционная модель данных используется в основном в БД среднего размера.

Определенные проблемы использования РМД возникают при создании систем со сложными данными, например, систем автоматизации проектирования. Объектно-ориентированные БД используются для создания крупных БД со сложными структурами данных.