ВВЕДЕНИЕ

На протяжении всей истории человечества одной из проблем в информационной сфере было создание систем хранения и обработки информации. Для решения этой проблемы применялись разные механизмы, создавались системы хранения и поиска информации, которые впоследствии привели к созданию информационных систем. Современные информационные системы характеризуются огромными объемами хранимых данных, сложной организацией, необходимостью удовлетворять разнообразные требования многочисленных пользователей.

При автоматизации деятельности человека происходит перенос реального мира в электронный формат. Для этого выделяется какая-то часть этого мира и анализируется на предмет возможности автоматизации. Она называется предметной областью и строго очерчивает круг объектов, которые изучаются, измеряются, оцениваются и т.д. В результате этого процесса выделяются объекты автоматизации и определяются реквизиты, по которым данные объекты оцениваются.

Результатом данного процесса становится база данных, которая описывает конкретную часть реального мира со строго определенных позиций.

1. Основные понятия

Исторически возникновение и создание БД предшествовало появление и разработка файловых систем.

ФС - набор программ, выполняющих некоторые операции по заданиям пользователя (создание форм, отчетов), каждая из которых определяет свои собственные данные и управляет ими.

Пример:

Недостатки ФС:

1. разделение и изоляция данных (т.к. находятся в разных файлах);

2. дублирование данных (ФИО,№ уч.группы и т.п.);

3. зависимость от данных (изменение размера поля влечет резкое изменение кода программы);

4. несовместимость форматов файлов (зависит от языка программирования приложения);

5. организация только фиксированных запросов (5 и 6 из-за зависимости от программиста, который создает запросы и приложения);

6. быстрое увеличение количества приложений.

Для повышения эффективности функционирования ИС необходимо использование других подходов – БД и СУБД.

БД – единое хранилище данных, которое однократно определяется, а затем используется многими пользователями в своих предметных областях.

В отличие от ФС с разрозненными файлами, в БД все данные собраны вместе с минимальной долей избыточности.

Основным назначением БД в первую очередь является быстрый поиск содержащейся в ней информации.

Пользователями базы данных могут быть различные прикладные программы, программные комплексы, а также специалисты предметной области, выступающие в роли потребителей или источников данных, называемые конечными пользователями (программисты, конечные пользователи, администраторы БД).

В общем виде БД являются специальным образом организованные один или несколько файлов, для работы с которыми используется СУБД.

СУБД

Вторым важным элементом является автоматизации обработки информации - система управления базой данных (СУБД).

В современной технологии баз данных предполагается, что создание базы данных, ее поддержка и обеспечение доступа пользователей к ней осуществляются централизованно с помощью специального программного инструментария - системы управления базами данных.

СУБД - комплекс языков и программного обеспечения, позволяющий создавать БД и управлять ее функционированием, с помощью которого пользователи могут определять, создавать и поддерживать БД, а также осуществлять к ней контролируемый доступ.

К функциям СУБД относят следующие:

· управление данными непосредственно в БД - функция, обеспечивающая хранение данных, непосредственно входящих БД и служебной информации, обеспечивающей работу СУБД.

· управление данными в памяти компьютера – функция, связанная в первую очередь с тем, что СУБД работает с БД большого размера. В целях ускорения работы СУБД используется буферизация данных в оперативной памяти компьютера, т.е. пользователь СУБД использует только необходимую для его конкретной задачи часть БД, а при необходимости получает новую порцию данных.

· управление транзакциями.

Транзакция – короткий во времени цикл взаимодействия объектов, включающий запрос, выполнение задания, ответ.

Если транзакция (манипуляция над данными) успешно выполняется, то СУБД вносит соответствующие изменения в БД. В противном случае ни одно из сделанных изменений никак не влияет на состояние БД.

· управление изменениями в БД и протоколирование – функция, связанная с надежностью хранения данных, т.е. возможностью восстанавливать состояние БД в аварийных ситуациях (при случайном выключении питания). Т.е. ведется протокол изменений БД, в который перед манипуляциями с данными делается соответствующая запись. Для восстановления БД после сбоя СУБД используется протокол и архивная копия БД – полная копия БД к моменту начала заполнения протокола.

· поддержка языков БД – для работы с БД используются специальные языки, которые называются языками баз данных. В СУБД поддерживается единый язык, содержащий все необходимые средства – от создания БД до обеспечения пользовательского интерфейса при работе с данными. Наиболее распространенный – SQL (Structured Query Language) язык структурированных запросов.

Таким образом, СУБД является универсальным программным средством для создания базы данных.

Основными средствами СУБД являются:

· средства задания или описания структуры базы данных;

· средства конструирования форм;

· средства для ввода данных;

· средства обработки в диалоговом режиме

· средства для просмотра.

· средства создания запросов по определенному критерию.

· средства создания отчетов на основании базы данных и вывода на печать или на экран,

· языковые средства для создания макросов, дополнительных программных модулей,

· средства для создания приложения пользователя, которые позволяют объединять различные операции с базой данных в один технологический процесс.

Создавая базу данных, пользователь стремится упорядочить информацию по различным признакам и быстро извлекать выборку с произвольным сочетанием признаков. Сделать это возможно, только если данные структурированы.

Структурирование – это ведение соглашений о способах представления данных в записях. Неструктурированные данные – не выстроены в запись, поэтому по ним трудно получить подробную информацию Неструктурированными называют данные, записанные, например, в текстовом файле.

Например, Сведения о студентах:

Личное дело № 11765, Иванов Петр Петрович, дата рождения 1 12.76г.; личное дело №11865 Петров Иван Иванович, дата рождения 14 апреля 1976 и т.д.

Упорядочить подобную информацию практически нельзя.

Чтобы автоматизировать поиск и систематизировать данные необходимо выработать определенные соглашения о способах представления данных т.е.

Дату рождения нужно записать одинаково для каждого студента, она должна иметь одинаковую длину и определенное место среди остальной информации. Эти же замечания справедливы и для остальных данных. Данные о студентах записываются в таблицу, имеющую строгую структуру данных.

Информация внутри таблицы состоит из полей имеющих свое имя. В нашем примере это поля предназначенные для :

Номера личного дела, Фамилии, имя, отчества, дата рождения

А каждую строку таблицы нужно рассматривать как запись, при этом информация заносится в соответствующие поля. В тоже время все записи состоят из одинаковых полей, а характер информации для одного поля во всех записях одинаковый, но разные люди имеют разный характер хранимых данных.

СТРУКТУРА БАЗЫ ДАННЫХ

Понятие архитектуры и структуры является одним из важнейших в теории БД и служит основой для понимания возможностей современных СУБД.

Архитектура БД – концепция, определяющая модель, структуру, выполняемые функции и взаимосвязь компонентов БД.

Архитектуру БД можно представить тремя уровнями: внутренним, концептуальным и внешним.

Различают три уровня архитектуры БД:

1. Внутренний уровень - уровень физического представления БД в ЭВМ, описывающий, как данные хранятся в базе данных. Для пользователя БД внутренний уровень не доступен к просмотру и тем более модификации.

2.Внешний уровень – уровень представления БД с точки зрения пользователей. описывающий ту часть БД, которая относится к каждому пользователю. На этом уровне пользователю предоставляется возможность манипуляции данными в СУБД с помощью специального языка.

3.Концептуальный уровень – уровень обобщающего представления БД, описывающий какие данные хранятся в БД, а также связи, существующие между ними. На этом уровне отражаются все особенности информации, которые используются в каждом приложении.

Основным назначением трехуровневой архитектуры является обеспечение независимости от данных, которая означает, что изменение на нижних уровнях не влияет на верхние уровни. Такая система позволяет обеспечивать логическую и физическую независимость при работе с данными.

Логическая независимость от данных означает полную защищенность внешних схем от изменений, вносимых в концептуальную схему. Логическая независимость от данных наблюдается между 2 и 3–м уровнем.

Физическая независимость от данных означает защищенность концептуальной схемы от изменений, вносимых во внутреннюю схему. возникает между 1 и 3-м уровнем – предполагает возможность переноса хранимых данных с одних носителей на другие.

При этом сохраняется работоспособность всех приложений.

Таким образом структура БД не должна модифицироваться до тех пор, пока изменения в реальном мире не потребуют соответствующей корректировки в ней для того чтобы эта модель продолжала соответствовать предметной области БД.

2.Классификация баз данных.

Классификация объектов – это система распределения предметов, явлений, процессов, понятий по классам в соответствии с определенными признаками.

СУБД и операционная система позволяет классифицировать базы данных по следующим критериям:

По способу доступа к данным разделяются на базы данных:

– с локальным доступом. При локальном доступе база данных находится на ПК и в этом случае информационный доступ к база данных не доступен другим пользователям.

- с удаленным (сетевым) доступом. Удаленный доступ – это многопользовательских режим. В данном случае база данных хранится на сервере и каждый пользователь со своей рабочей станции имеет доступ к этой базе данных. Также каждый пользователь может создавать свою локальную базу данных для решения конкретной задачи.

Системы централизованных баз данных с сетевым доступом предполагают две различные архитектуры. (Однако в зависимости от конфигурации технических средств, программного обеспечения при сетевом режиме возможно 2 подхода):

- Файл-сервер;

- Клиент-сервер.

Файл-сервер. Архитектура систем БД с сетевым доступом предполагает наличие одного компьютера, который выделяется как файловый сервер. На таком компьютере хранится совместно используемая централизованная БД. (Здесь хранится ядро операционной системы и централизовано хранятся файлы) Все остальные рабочие станции. В этом случае изменение или обновление файла выполняется одним пользователем и одновременно файл блокируется для доступа другим пользователям. Файлы базы данных, в соответствии с пользовательскими запросами, передаются на РС, где производится их обработка, после чего обратно отправляется на сервер.

При большой интенсивности доступа к одним и тем же данным производительность информационной системы падает.

Архитектура Клиент-сервер – предполагает разделение функций между клиентом и сервером.

- это разделение вычислительной нагрузки между отдельными системами: клиентом и сервером.

Основой такой системы является сервер БД. Представляющий собой приложение, осуществляющее комплекс действий по управлению данными – выполнение запросов, хранение и резервное копирование данных, отслеживание целостности, проверку прав пользователей, ведение журнала транзакций.

В качестве РС может быть использован обычный персональный компьютер.

Информационная система построенная по принципу клиент-сервер состоит из 3 компонентов

1.Сервер БД, который и является собственно СУБД и управляет хранением данных, доступом, защитой, выполняет запросы клиента и т.д.

2.Клиенты - собой различные приложения пользователей и выполняющие запросы к серверу, проверяющие доступность данных и получающие ответы от него.

3.Сеть и коммуникационное программное обеспечение, осуществляющее взаимодействие между клиентом и сервером с помощью сетевых протоколов.

По запросу клиента сигнал поступает на сервер отыскивается требуемая информация, обрабатываются данные и в обработанном виде поступают на рабочую станцию.

Пользователь обращается к серверу, на котором хранится БД. Основной объем обработки данных осуществляется на сервере. По запросу с РС в БД осуществляется поиск и обработка данных на сервере. Т.е. теперь сервер это и хранение и обработка данных. Извлеченные данные по запросу передаются от сервера к клиенту.

Спецификой архитектуры клиент-сервер является использование запросов SQL.

SQL (Structure Query Language) - специальный структурированный язык запросов, который позволяет обеспечить работу РС, работающих с различными приложениями.

Преимущество в архитектуре файл-сервер:

Во время работы с файлами БД вся база доступна для других пользователей Р.С.

Недостатки:

Р.С. должна иметь мощное ПО и технические средства.

Преимущество в архитектуре клиент-сервер:

- снижение количества передаваемой информации. Это происходит от того, что при выборке из большой БД нескольких записей сервер обрабатывает запрос и в качестве результата передает клиенту только интересующую информацию, а не всю БД.

-РС может иметь скромные технические характеристики и может иметь слабое ПО.

Недостатки этой архитектуры:

При обработке в БД запроса с одной РС, доступ других РС к БД блокируется.

(Возвращаясь к классификации) По технологии обработки базы данных подразделяются на централизованные и распределенные.

Централизованная база данных хранятся в памяти одной информационной системы (данные хранятся в памяти одной вычислительной системы) такой способ применяется в локальных вычислительных сетях и основной режим работы режим разделения времени.

Распределенная база данных состоит из нескольких дублирующих друг друга частей. Они могут пересекаться, но хранятся в различных компьютерах вычислительной сети. Работа с такой базой данных осуществляется с помощью специальной системы управления распределенной базы данных (СУРБД).

3. Модели организации баз данных.

Понятие информационной модели

Информация выступает для компьютера в качестве сырья для переработки. Как скажем, металлическая руда является сырьем для металлургического производства. Но любое сырье нуждается в предварительной подготовке, чтобы его переработка была наиболее эффективной. В полной мере это относится к информации. Итак, у нас есть какое-то явление к изучению которого мы хотим привлечь вычислительную технику. Первое, что мы делаем начинаем сбор информации об интересующим нас явлении, затем проводим систематизацию и классификацию полученной информации. После чего приступаем к построёнию модели, описывающей данное явление. Модель - слово имеет, французские корни и первоначально означало, образец, дающий наглядное представление о каком либо физическом объекте или явлении.

Мы используем не физическую, а информационную модель, которая представляет собой описание явления при помощи специального математического аппарата, графиков, диаграмм. Модель позволяет выявить наиболее характерные признаки и особенности явления и пренебречь остальными.

Ядром любой БД является модель данных

Модель данных – совокупность структур данных и операций их обработки.

Модель является представление реального мира объектов и событий, а также существующих между ними связей.

В настоящее время в большинстве БД используются реляционные (от английского relation - отношение) модели данных о них позже, а сейчас для начала кратко рассмотрим прочие основные модели данных, а именно: иерархическую и сетевую.

Иерархический подход к организации баз данных.

Первые модели это иерархические БД.

Самый простой пример

уровень 2 папа мама (узел или элемент)

уровень 3 дедушка бабушка

Здесь соблюдается принцип предок – потомок.

Иерархические базы данных имеют форму деревьев с дугами-связями и узлами-элементами данных. Таким образом, к основным понятиям иерархической структуры относятся – уровень, элемент (узел), связь.

Узел - это совокупность атрибутов данных, описывающих некоторый объект.

На схеме иерархического дерева узлы представлены вершинами. Каждый узел на более низком уровне связан только с одним узлом, находящимся на более высоком уровне.

Иерархическая структура предполагает неравноправие между данными – одни жестко подчинены другим.

Принцип построения этих моделей – объект подчиняется только одному объекту вышестояшего уровня.

Чтобы получить доступ к информации о каком-либо объекте БД необходимо пройти путь снизу вверх или сверху вниз (т.е. перебор) В данном случае, чтобы найти данные необходимо выполнить путь от вершины до конца.

Подобные структуры, безусловно, четко удовлетворяют требованиям многих, но далеко не всех реальных задач.

Сетевая модель. В сетевой модели сохраняются те же понятия (уровень, узел, связь) В сетевой модели каждый объект может быть связан с несколькими объектами.

Топология этой модели следующая (виды связей)

Возможно участие курсанта в нескольких НИР, а также участие нескольких студентов в разработке одной НИР.

Реляционная модель базы данных

Реляционные модели данных, как уже было сказано, в настоящее время приобрели наибольшую популярность и практически все современные СУБД ориентированы именно на такое представление данных.

Реляционную модель можно представить как особый метод рассмотрения данных, содержащий и собственно данные (в виде таблиц) и способы работы и манипуляции с ними (в виде связей).

Реляционная модель основана на математическом понятии отношения, физическом представлением которого является таблица.

Отношение – это плоская таблица, состоящая из столбцов и строк.

В любой реляционной СУБД предполагается, что пользователь воспринимает БД как набор таблиц с определенными атрибутами. В реляционной модели БД отношения используются для хранения информации об объектах, она имеет вид двумерной таблицы, в которой строки соответствуют отдельным записям, а столбцы – атрибутам.

Атрибут – это поименованный столбец отношения. При этом атрибуты (поля) имеют уникальные имена (в пределах отношения).

Пример:

Отношение – «Студенты».

Атрибуты – «Фамилия», «Имя», «Отчество», «Дата рождения» и т.п.

Каждый атрибут реляционной БД определяется на некотором домене.

Домен это множество допустимых однородных значений для того или иного атрибута.

Пример: 111, 112, 113, 114, - множество всех номеров взводов 1 курса.

Т.о. домены являются общими совокупностями значений из которых берутся реальные значения атрибутов.

Кортеж – соответствует строке таблицы, а атрибут – столюцу.

Количество кортежей в таблице называют кардинальным числом, а количество атрибутов – степенью. (Отношение с одним атрибутом имеет степень 1, с двумя -2 и.т.д.)

Для отношения предусматривают уникальный идентификатор, то есть один или несколько атрибутов (полей), значения которых в одно и то же время не бывают одинаковыми. Идентификатор называют первым ключом.

Отношение содержит две части – заголовок и собственно содержательную часть.

Заголовок содержит конечное множество атрибутов (столбцов).

А содержательная часть (тело отношения) – множество пар имени атрибута и его значения.

Например, фамилия и сумма стипендии, содержащиеся в заголовке, являются атрибутами. А скажем, пары сумма стипендии 300 руб и № зачетной книжки 111234 являются элементами тела отношения.

Отношения имеют ряд свойств, а именно:

1.В отношении не бывает двух одинаковых кортежей (записей). Поскольку в отношении имеет место первичный ключ, то одинаковые кортежи исключены.

2.кортежи (записи) не упорядочены сверху вниз – в отношении отсутствует понятие позиционного номера, т.е. кортежи можно расположить в любом порядке.

3.атрибуты(столбцы) не упорядочены слева напрово – атрибуты в заголовке отношения можно располагать в любом порядке, поэтому понятия позиционного номера в отношении атрибута тоже не существует.

4.значения атрибутов состоит из логически неделимых единиц

Реляционные модели характеризуются простотой структуры данных, удобным для пользователя табличным представлением и возможностью использования формального аппарата алгебры отношений и реляционного исчисления для обработки данных.

В этой модели данные представлены в виде двумерных таблиц.

Реляционная БД, представляет собой некоторое множество таблиц, которые связаны между собой определенным типом связи.

Пример: Реляционной таблицей можно представить информацию о студентах, обучающихся в вузе

Поля таблицы, а точнее поля БД, т.к. БД может содержать 1 таблицу, определяет структуру БД, а также определяют групповые свойства данных, которые записаны в конкретных полях.

Каждое поле обладает следующими свойствами:

1. каждый элемент таблицы — один элемент данных;

2. все поля (столбцы) в таблице однородные, т.е. все элементы, которые содержатся в данном поле (столбце) имеют одинаковый тип (числовой, текстовый и т.д.), и длину т.е. размер поля, определяет предельный размер данных в символах..

3. каждый столбец имеет уникальное имя; которое позволяет обращаться к данным

Например, берем 1 поле № личного дела:

здесь имя - № личного дела, тип данных – текстовый, размер – 5 знаков.

Следующее свойство

4. Формат поля – способ форматирования данных в ячейках.

5.одинаковые строки в таблице отсутствуют;

6.порядок следования строк и столбцов может быть произвольным.

Для установки связи между таблицами выделяются ключевые поля.

Каждый экземпляр однозначно обозначается уникальным ключом записи.

Например, у студента № личного дела

Ключи записи бывают 2 типов:

Первичный ключ (поле) – это одно или несколько полей однозначно идентифицирующие запись.

Поле, каждое значение которого однозначно определяет соответствующую запись, на­зывается простым ключом (ключевым полем).

Если записи однозначно определяются значениями нескольких полей, то такая таблица базы данных имеет составной ключ. В показанном примере, ключевым полем таблицы является "№ личного дела".

Вторичный ключ, это такое поле значение которого может повторятся в нескольких записях, он не является уникальным.

Если по первичному ключу можно найти только одну запись, то по вторичному ключу – несколько записей. Ключ используется для доступа к записям.

Ключи используются для установления отношений между таблицами.

Чтобы связать две реляционные таблицы, необходимо ключ первой таблицы ввести в состав ключа второй таблицы (возможно совпадение ключей); в противном случае нужно ввести в структуру первой таблицы внешний ключ — ключ второй таблицы.

Например, для установления связи 1:М используется в 1 таблице первичный ключ, а в других вторичный ключ.

Цель

При разработке исключить дублирование данных, т.е. при разбиении данных на таблицы, желательно максимально исключить дублирование информации.

Процесс разделения информации на структурные единицы, т.е. на таблицы с целью исключения дублированных данных называется нормализацией.

Например, три таблицы СЕССИЯ, СТУДЕНТ, СТИПЕНДИЯ.

СТУДЕНТ (фамилии, имена, номер ЗЧ и т.д.)

СЕССИЯ (Номер, Оценка!, Оценка2, ОценкаЗ, Оценка4, Результат); СТИПЕНДИЯ (Результат, Процент).

Таблицы СТУДЕНТ И СЕССИЯ имеют совпадающие ключи (Номер личного дела), что дает возможность легко организовать связь между ними. Таблица СЕССИЯ имеет первичный ключ Номер и содержит внешний ключ Результат, который обеспечивает ее связь с таблицей СТИПЕНДИЯ.

Вопрос 4.Этапы разработки (проектирования) БД

Создание базы данных проходит ряд стадий:

-Проектирование

-Реализация

-Эксплуатация, модернизация и ликвидация (полная реорганизация).

Естественно что проектирование БД начинают с анализа предметной области и выявления требований к ней конечных пользователей

На каждом этапе имеются свои пользователи. Выделяется 3 категории:

1. Конечные пользователи в интересах, которых создается база данных.

2. Администраторы, которые отвечают за работу базы данных и обеспечивают работу конечных пользователей.

3. Разработчики, которые разрабатывают структуру и содержание базы данных т.е. приложения.

Проектирование БД состоит в построении комплекса взаимосвязанных моделей данных.

Проектирование БД является очень важным этапом, от которого зависят последующие этапы разработки СУБД. Время, затраченное разработчиком на проектирование БД, обычно окупается высокой скоростью реализации проекта.

Перед созданием БД необходимо располагать описанием выбранной предметной области, которое должно охватывать реальные объекты и процессы.

Проектирование включает в себя следующие этапы:

1.Системный анализ описания информационных объектов предметной области.

2.Построение инфологической модели предметной области.

3.Выбор СУБД и выполнение логического проектирования базы данных, т.е. построение инфологической модели. (Инфологическая это всего на всего обозначает объединенных два слова информационно-логическая модель).

Инфологическая модель отображает данные предметной области в виде совокупности информационных объектов и связей между ними. Эта модель представляет данные, подлежащие хранению в базе данных.

4.Физическое проектирование баз данных, т.е. выбор внешних носителей и эффективное размещение на внешнем носителе

Задача. Имеется торговая фирма, которая закупает товары и продает, оформляет сделки по покупке и продаже, естественно оформляют сотрудники фирмы. Необходимо создать БД для решения следующей задачи:

Ведение учета сделок, которые выполняли сотрудники фирмы.

Получение информации о работе с поставщиками и заказчиками.

Формирование отчетов о работе фирмы.

Для изучения предметной области используются 2 подхода.

В первом подходе сначала определяются основные задачи, для решения которых строится база, и выявляются потребности задач данных (потребность данных для решения этих задач).

Во втором подходе сразу устанавливаются типовые объекты предметной области. (Производится анализ данных, которые циркулируют в предметной области, изучаются информационные потоки и на основании этого выделяются типовые объекты предметной области, т.е. информационные объекты)

Информационные объекты – это информационное описание некоторой сущности- реального мира, процесса, явления или события.

Инф.объект образуется совокупностью логически взаимосвязанных реквизитов, представляющих качественные и количественные характеристики некоторой сущности предметной области. Примерами информационных объектов (в нашей задаче) будут: заказчик, фирма приобретающая товар, фирма поставляющая товар, сотрудники или персонал оформляющие сделки, сам товар т.е. предмет купли-продажи, закупка товара - это акт приобретения товара и продажа – это акт продажи товаров заказчику.

На 2-ом этапе создается инфологическая модель, инфологическое проектирование предполагает представить семантику (семантика – (обозначающий)- смысловая сторона языка, отдельных слов или частей слова) предметной области в модели базы данных. При этом не решается задача выбора СУБД.

На 3-ем этапе с учетом имеющейся техники, программного обеспечения, опыта программиста выбирается СУБД на основе которой будет создана база данных.