Тема: БД, СУБД, компоненты банков данных, уровни представления данных в БД.

Цель: формирование представлений о базах данных, СУБД, банках данных; знаний основных компонентов банков данных, уровней представления данных в БД.

План:

1. Банки данных. Основные компоненты системы.
2. Базы данных, СУБД. Классификация СУБД.

1. Банки данных. Основные компоненты системы.

Банк данных является разновидностью ИС, в которой реализованы фун­кции централизованного хранения и накопления обрабатываемой инфор­мации, организованной в одну или несколько баз данных.

Банк данных (БнД) в общем случае состоит из следующих компонентов: базы (нескольких баз) данных, системы управления базами данных, слова­ря данных, администратора, вычислительной системы и обслуживающего персонала. Вкратце рассмотрим названные компоненты и некоторые свя­занные с ними важные понятия.

База данных (БД) представляет собой совокупность специальным обра­зом организованных данных, хранимых в памяти вычислительной систе­мы и отображающих состояние объектов и их взаимосвязей в рассматрива­емой предметной области.

Логическую структуру хранимых в базе данных называют моделью представления данных. К основным моделям представления данных (моделям данных) относятся следующие: иерархическая, сетевая, ре­ляционная, постреляционная, многомерная и объектно-ориентирован­ная.

По способу организации доступа к данным базы данных подразделяют на централизованные и распределенные.

Централизованные БД хранятся в памяти одной машины, но возможен распределенный доступ к ней с различных рабочих станций сети.

Распределенная БД состоит из нескольких частей, хранимых на разных ЭВМ вычислительной сети.

Система управления базами данных (СУБД) — это комплекс языковых и программных средств, предназначенный для создания, ведения и совмест­ного использования БД многими пользователями. Обычно СУБД различа­ют по используемой модели данных. Так, СУБД, основанные на использова­нии реляционной модели данных, называют реляционными СУБД.

Одними из первых СУБД являются следующие системы: IMS (IBM, 1968 г.), IDMS (Cullinet, 1971 г.), AD ABAS (Software AG, 1969 г.) и ИНЭС (ВНИИСИ АН СССР, 1976 г.). Количество современных систем управления базами данных исчисляется тысячами.

Приложение представляет собой программу или комплекс программ, обеспечивающих автоматизацию обработки информации для прикладной задачи. Прило­жения могут создаваться в среде или вне среды СУБД — с помощью систе­мы программирования, использующей средства доступа к БД, к примеру Delphi или C++ Builder. Приложения, разработанные в среде СУБД, часто называют приложениями СУБД, а приложения, разработанные вне СУБД, — внешними приложениями.

Для работы с базой данных зачастую достаточно средств СУБД и не нуж­но использовать приложения, создание которых требует программирова­ния. Приложения разрабатывают главным образом в случаях, когда требу­ется обеспечить удобство работы с БД неквалифицированным пользователям или интерфейс СУБД не устраивает пользователей.

Словарь данных (СД) представляет собой подсистему БнД, предназна­ченную для централизованного хранения информации о структурах дан­ных, взаимосвязях файлов БД друг с другом, типах данных и форматах их представления и т.п.

базы данных (ПБД). КБД размещается на компьютере-сервере, ПБД разме­щаются на компьютерах сотрудников подразделений, являющихся клиен­тами корпоративной БД.

представления, принадлежности данных пользователям, кодах защиты и разграничения доступа и т. п.

Администратор базы данных (АБД) есть лицо или группа лиц, отве­чающих за выработку требований к БД, ее проектирование, создание, эффективное использование и сопровождение. В процессе эксплуата­ции АБД обычно следит за функционированием информационной сис­темы, обеспечивает защиту от несанкционированного доступа, контро­лирует избыточность, непротиворечивость, сохранность и достоверность хранимой в БД информации.

Вычислительная система (ВС) представляет собой совокупность взаимосвязанных и согласованно действующих ЭВМ или процессоров и других устройств, обеспечивающих автоматизацию процессов приема, обработки и выдачи информации потребителям.

Обслуживающий персонал выполняет функции поддержания техниче­ских и программных средств в работоспособном состоянии. Он проводит профилактические, регламентные, восстановительные и другие работы по планам, а также по мере необходимости.

1. Базы данных, СУБД. Классификация СУБД.

В качестве основных классификационных при­знаков можно использовать следующие: вид программы, характер исполь­зования, модель данных. Названные признаки существенно влияют на целевой выбор СУБД и эффективность использования разрабатываемой информационной системы.

Классификация СУБД. В общем случае под СУБД можно понимать лю­бой программный продукт, поддерживающий процессы создания, ведения и использования БД.

Рассмотрим, какие из имеющихся на рынке программ имеют отношение к БД и в какой мере они связаны с базами данных.

К СУБД относятся следующие основные виды программ:

•полнофункциональные СУБД;

•серверы БД;

•клиенты БД;

•средства разработки программ работы с БД.

Полнофункциональные СУБД (ПФСУБД) представляют собой тради­ционные СУБД. Из числа всех СУБД современные ПФСУБД являются наиболее многочисленными и мощными по своим возможностям. К ПФСУБД относятся, например, такие пакеты, как Clarion Database Developer, DataEase, Dataplex, dBase IV, Microsoft Access, Microsoft FoxPro и Paradox R:BASE.

Обычно ПФСУБД имеют развитый интерфейс, позволяющий с помо­щью команд меню выполнять основные действия с БД: создавать и моди­фицировать структуры таблиц, вводить данные, формировать запросы, раз­рабатывать отчеты, выводить их на печать и т. п. Для создания запросов и отчетов не обязательно программирование, а удобно пользоваться языком QBE (Query By Example — формулировки запросов по образцу). Многие ПФСУБД включают средства программирования для про­фессиональных разработчиков.

Серверы БД предназначены для организации центров обработки данных в сетях ЭВМ. Эта группа БД в настоящее время менее многочисленна, но их количество постепенно растет. Серверы БД реализуют функции управле­ния базами данных, запрашиваемые другими (клиентскими) программами обычно с помощью операторов SQL.

Примерами серверов БД являются следующие программы: NetWare SQL (Novell), MS SQL Server (Microsoft), InterBase (Borland), SQLBase Server (Gupta), Intelligent Database (Ingress).

В роли клиентских программ для серверов БД в общем случае могут использоваться различные программы: ПФСУБД, электронные таблицы, текстовые процессоры, программы электронной почты и т. д. При этом эле­менты пары «клиент — сервер» могут принадлежать одному или разным производителям программного обеспечения.

В случае, когда клиентская и серверная части выполнены одной фир­мой, естественно ожидать, что распределение функций между ними вы­полнено рационально.

Средства разработки программ работы с БД могут использоваться для создания разновидностей следующих программ:

• клиентских программ;

•серверов БД и их отдельных компонентов;

• пользовательских приложений.

Программы первого и второго вида довольно малочисленны, так как пред­назначены, главным образом, для системных программистов. Пакетов тре­тьего вида гораздо больше, но меньше, чем полнофункциональных СУБД.

К средствам разработки пользовательских приложений относятся систе­мы программирования, например Clipper, разнообразные библиотеки про­грамм для различных языков программирования, а также пакеты автомати­зации разработок (в том числе систем типа клиент-сервер). В числе наиболее распространенных можно назвать следующие инструментальные системы: Delphi и Power Builder (Borland), Visual Basic (Microsoft), SILVERRUN (Computer Advisers Inc.), S-Designor (SDP и Powersoft) и ERwin (LogicWorks).

По характеру использования СУБД делят на персональные и многополь­зовательские.

Персональные СУБД обычно обеспечивают возможность создания пер­сональных БД и недорогих приложений, работающих с ними. Персональ­ные СУБД или разработанные с их помощью приложения зачастую могут выступать в роли клиентской части многопользовательской СУБД. К пер­сональным СУБД, например, относятся Visual FoxPro, Paradox, Clipper, dBase, Access и др.

Многопользовательские СУБД включают в себя сервер БД и клиент­скую часть и, как правило, могут работать в неоднородной вычислительной среде (с разными типами ЭВМ и операционными системами). К многополь­зовательским СУБД относятся, например, СУБД Oracle и Informix.

По используемой модели данных СУБД (как и БД), разделяют на иерархические, сетевые, реляционные, объектно-ориентированные и другие типы. Некоторые СУБД могут одновременно поддерживать не­сколько моделей данных.

С точки зрения пользователя, СУБД реализует функции хранения, из­менения (пополнения, редактирования и удаления) и обработки информа­ции, а также разработки и получения различных выходных документов.

Для работы с хранящейся в базе данных информацией СУБД предостав­ляет программам и пользователям следующие два типа языков:

- язык описания данных — высокоуровневый непроцедурный язык дек­ларативного типа, предназначенный для описания логической структуры данных;

- язык манипулирования данными — совокупность конструкций, обес­печивающих выполнение основных операций по работе с данными: ввод, модификацию и выборку данных по запросам.

Названные языки в различных СУБД могут иметь отличия. Наиболь­шее распространение получили два стандартизованных языка: QBE (Query By Example) — язык запросов по образцу и SQL (Structured Query Language) — структурированный язык запросов. QBE в основном обладает свойства­ми языка манипулирования данными, SQL сочетает в себе свойства языков обоих типов — описания и манипулирования данными.

Перечисленные выше функции СУБД, в свою очередь, используют сле­дующие основные функции более низкого уровня, которые назовем низко­уровневыми:

Буферы представляют собой области оперативной памяти, предназна­ченные для ускорения обмена между внешней и оперативной памятью. В буферах временно хранятся фрагменты БД, данные из которых предпо­лагается использовать при обращении к СУБД или планируется записать в базу после обработки.

Механизм транзакций используется в СУБД для поддержания целостно­сти данных в базе. Транзакцией называется некоторая неделимая последо­вательность операций над данными БД, которая отслеживается СУБД от начала и до завершения. Если по каким-либо причинам (сбои и отказы обо­рудования, ошибки в программном обеспечении, включая приложение) тран­закция остается незавершенной, то она отменяется.

Транзакции присущи три основных свойства:

• атомарность (выполняются все входящие в транзакцию операции или ни одна);

• сериализуемость (отсутствует взаимное влияние выполняемых в одно и то же время транзакций);

• долговечность (даже крах системы не приводит к утрате результатов зафиксированной транзакции).

Примером транзакции является операция перевода денег с одного сче­та на другой в банковской системе. Здесь необходим, по крайней мере, двухшаговый процесс. Сначала снимают деньги с одного счета, затем до­бавляют их к другому счету. Если хотя бы одно из действий не выпол­нится успешно, результат операции окажется неверным и будет нару­шен баланс между счетами.

Контроль транзакций важен в однопользовательских и в многополь­зовательских СУБД, где транзакции могут быть запущены параллель­но.

Ведение журнала измененийв БД (журнализация изменений) выполняет­ся СУБД для обеспечения надежности хранения данных в базе при наличии аппаратных сбоев и отказов, а также ошибок в программном обеспечении.

Журнал СУБД — это особая БД или часть основной БД, непосред­ственно недоступная пользователю и используемая для записи инфор­мации обо всех изменениях базы данных. В различных СУБД в журнал могут заноситься записи, соответствующие изменениям в СУБД на разных уровнях: от минимальной внутренней операции модификации страницы внешней памяти до логической операции модификации БД (например, вставки записи, удаления столбца, изменения значения в поле) и даже транзакции.

Для эффективной реализации функции ведения журнала изменений в БД необходимо обеспечить повышенную надежность хранения и поддер­жания в рабочем состоянии самого журнала. Иногда для этого в системе хранят несколько копий журнала.

Обеспечение целостности БД составляет необходимое условие успеш­ного функционирования БД, особенно для случая использования БД в сетях.

Целостность БД есть свойство базы данных, означающее, что в ней содержится полная, непротиворечивая и адекватно отражающая предметную область информация. Поддержание целостности БД вклю­чает проверку целостности и ее восстановление в случае обнаружения противоречий в базе данных. Целостное состояние БД описывается с помощью ограничений целостности в виде условий, которым должны удовлетворять хранимые в базе данные. Примером таких условий может служить ограничение диапазонов возможных значений атрибутов объек­тов, сведения о которых хранятся в БД, или отсутствие повторяющихся записей в таблицах реляционных БД.

Обеспечение безопасностидостигается в СУБД шифрованием при­кладных программ, данных, защиты паролем, поддержкой уровней до­ступа к базе/данных и к отдельным ее элементам (таблицам, формам, отчетам и т. д).

Контрольные вопросы:

1. Что представляет собой банк данных и какие компоненты входят в его состав?
2. Что такое СУБД? Каково назначение СУБД?
3. Назовите основные модели данных.
4. Дайте определение приложения, укажите, в каких случаях оно разрабатывается.
5. Укажите назначение словаря данных.
6. Перечислите функции администратора базы данных.
7. Что представляет собой вычислительная система?
8. По каким признакам классифицируют СУБД?
9. Охарактеризуйте основные виды программ, относящиеся к СУБД.
10. Для чего необходимо обеспечивать целостность в базе данных?
11. Что такое транзакция? Перечислите основные свойства транзакции.
12. Перечислите низкоуровневые функции СУБД.
13. Чем отличаются персональные СУБД от многопользовательских?
14. Укажите назначение журнала СУБД.