ВОПРОСЫ:

1. Банк данных, его состав и особенности
2. Модели данных
3. Назначение, основные средства и характеристики СУБД
4. Классификация СУБД
   1. БАНК ДАННЫХ, ЕГО СОСТАВ И ОСОБЕННОСТИ

Банк данных – это современная форма организации, хранения и поиска информации. БнД является одним из основных компонентов современных информационных систем.

БАНК ДАННЫХ – это автоматизированная система специальным образом организованных данных (баз данных), программных, технических, языковых, организационно-методических средств и персонала, предназначенных для обеспечения централизованного накопления и коллективного многоцелевого использования данных.

Банк данных призван обеспечивать интегрированность и целостность баз данных, независимость и минимальную избыточность хранимых данных, их защиту от несанкционированного доступа или случайного уничтожения.

Информационная компонента.

Основной частью информационной компоненты (ядром) является база данных. Как правило, база данных содержит не только данные о предметной области, но и описание самой базы данных. Описание же самой структуры называется схемой.

БД – это поименованная совокупность данных, относящихся к некоторой предметной области, организованных в виде интегрированной совокупности файлов (определенным образом) на материальном носителе средствами СУБД.

Если в состав БнД входит одна БД, банк принято называть локальным, если БД несколько – интегрированным.

Под предметной областью понимают информацию об объектах, процессах и явлениях окружающего мира, которая с точки зрения потенциальных пользователей должна храниться и обрабатываться в информационной системе (напр. предприятие, вуз и т.д.). Объектом называется элемент предметной области, информацию о котором необходимо сохранить. Объект может быть реальным, напр., человек, изделие или населенный пункт, и абстрактным – напр., событие, счет покупателя или изучаемый студентами курс. В качестве примера предметной области возьмем продажу автомобилей. Примерами объектов в этой предметной области могут служить МАРКА АВТОМОБИЛЯ, ПОКУПАТЕЛЬ И СЧЕТ. Другая предметная область – товарный склад. Объектами являются ПОСТАВЩИКИ, ТОВАРЫ, ОТПРАВИТЕЛИ….

Создавая БД, пользователь стремится упорядочить информацию по различным признакам и быстро производить выборку с произвольным сочетанием признаков. Большое значение при этом приобретает структурирование данных.

Структурирование данных – это ведение соглашений о способах представления данных.

Неструктурированными наз. данные, записанные, напр., в текстовом файле (привести пример о личных делах студентов). Чтобы автоматизировать поиск и систематизировать эти данные необходимо выработать определенные соглашения о способах представления данных, т.е. дату рождения нужно записывать одинаково для каждого студента, она должна иметь одинаковую длину и определенное место среди другой информации. Эти же замечания справедливы и для других данных.

Программные средства банка данных обеспечивают взаимодействие всех частей информационной системы при ее функционировании.

Основа программных средств — СУБД. Ее ядро обеспечивает ввод, вывод, обработку и хранение данных, а также настройку и тестирование системы.

Система управления базой данных (СУБД) – это комплекс программных и языковых средств, предназначенных для создания, ведения и совместного использования БД многими пользователями.

Трансляторы, входящие в состав СУБД, обеспечивают компиляцию и интерпретацию используемых СУБД языковых средств.

Утилиты выполняют вспомогательные функции — такие как восстановление БД, сбор статистики о функционировании банка данных и другие.

СУБД работает в среде какой-либо операционной системы и взаимодействует с ней при обработке обращений к банку данных.

Прикладные программы обрабатывают запросы к базе данных в соответствии с решаемыми задачами.

Языковые средства банка данных.

Это важнейшая компонента банка данных, т.к. они обеспечивают интерфейс пользователей с банком данных.

Языковые средства СУБД относятся к высокоуровневым языкам, среди которых выделяют:

• языки описания данных (ЯОД) (с его помощью описываются типы данных, их структура и связи);
• языки манипулирования (управления) данными (ЯМД) (его часто называют языком запросов к БД), предназначенный для организации работы сданными в интересах всех типов пользователей.

Технические средства банка данных.

Применяемые технические средства определяются объемом базы данных и ее структурой. Представляют собой совокупность взаимоувязанных и согласованно действующих компьютеров и других устройств, обеспечивающих автоматизацию процессов приема, обработки и выдачи информации пользователям.

Организационно-методические средства банка данных (документация).

К ним относятся инструктивные методические и регламентирующие материалы, предназначенные для пользователей различных категорий, взаимодействующих с банком данных.

Администратор банка данных.

Один или группа специалистов, обеспечивающих создание, функционирование и развитие банка данных.

Режимы функционирования банка данных в производственных условиях включают:

• режим начальной загрузки, в котором исходная информация вводится в соответствующие структуры баз данных (БД);
• режим корректировки, в котором осуществляется обновление, добавление и удаление информации, находящейся в банке данных;
• режим диалога, в котором пользователи обращаются к банку данных, и производится обработка запросов;
• режим реорганизации и анализа, в котором выполняются операции, связанные с поддержанием банка данных в актуальном состоянии (рабочем).

 

2. МОДЕЛИ ДАННЫХ.

Организация данных в базе требует предварительного моделирования, т.е. построения логической модели данных.

С помощью модели данных могут быть представлены объекты предметной области и взаимосвязи между ними. Т.о. основой любой БД является модель данных.

Модель данных – совокупность структур данных и операций по их обработке.

Назначение модели данных – систематизация разнообразной информации и отражение ее свойств по содержанию, структуре, объему, связям, динамике с учетом удовлетворения информационных потребностей всех категорий пользователей.

К классическим моделям представления данных относят иерархическую, сетевую и реляционную. Иерархическая и сетевая модели данных стали применяться в системах управления базами данных в начале 60-х годов. В начале 70-х годов была предложена реляционная модель данных. Эти три модели  различаются в основном способами представления взаимосвязей между объектами.

Основные модели представления данных:

1. Иерархическая модель данных представляет информационные отображения объектов реального мира – сущности и их связи в виде ориентированного графа или дерева. Узлы и ветви образуют иерархическую древовидную структуру. Узел является совокупностью атрибутов, описывающих объект. Наивысший в иерархии узел называется корневым (это главный тип объекта). Корневой узел находится на первом уровне. Зависимые узлы (подчиненные типы объектов) находятся на втором, третьем и др. уровнях. В такой модели у каждого объекта есть только один исходный (за исключением корневого объекта), но в принципе может быть несколько зависимых (порожденных). Информация в иерархической базе организована по принципу древовидной структуры, в виде отношений «предок-потомок». Каждая запись может иметь не более одной родительской записи и несколько подчиненных. Связи записей реализуются в виде физических указателей с одной записи на другую.

Иерархическая модель данных строится по принципу иерархии типов объектов, т.е. один тип объекта является главным, а остальные, находящиеся на низших уровнях иерархии – подчиненными. Между главными и подчиненными типами объектов устанавливаются взаимосвязь «один – ко – многим». Иными словами, для данного главного типа объекта существует несколько подчиненных типов объектов. В тоже время для каждого экземпляра главного объекта может быть несколько экземпляров подчиненных типов объектов.

Рис.1. Структура иерархической модели

Ветви между объектами отображают наличие некоторого отношения, причем название отношения пишется на ребре. Например, между объектами «клиент» и «заказ» может быть отношение, которое называется «делает», а между «заказ» и «товары» — отношение «состоит из». Этот тип модели отражает вертикальные связи, подчинение нижнего уровня верхнему, т.е. к каждой записи БД есть только один (иерархический) путь от корневой записи.

Примером такой модели может служить БД, содержащая сведения о факультете.

Иерархической базой данных является Каталог папок Windows, с которым можно работать, запустив Проводник

2. Сетевая модель – является расширением иерархической модели, но в отличие от нее присутствуют горизонтальные связи (рис. 2). В данной модели данных любой объект может быть и главным и подчиненным. Структура называется сетевой, если в отношениях между данными порожденный элемент имеет более одного исходного. Сетевая модель предоставляет большие возможности по сравнению с иерархической, однако она сложнее в реализации и использовании. Примером может служить структура БД, содержащей сведения о студентах, участвующих в НИРС. Возможно участие одного студента в нескольких темах, а также нескольких студентов в разработке одной темы.

 

Рис. 2. Представление связей в сетевой модели

3. Реляционная модель. Понятие реляционной модели данных (от английского relation – отношение) связано с разработками Е.Кодда. Эти модели характеризуются простотой структуры данных, удобным для пользователя табличным представлением и возможностью использования формального аппарата реляционной алгебры и реляционного исчисления для обработки данных.

Реляционная модель ориентирована на организацию данных в виде  двумерных таблиц. Реляционная таблица представляет собой двумерный массив и обладает следующими свойствами:

• таблица должна иметь имя;
• каждый элемент таблицы – один элемент данных;
• все столбцы в таблице однородные, т.е. все элементы в столбце имеют одинаковый тип (числовой, символьный или другой) и длину;
• каждый столбец имеет уникальное имя;
• одинаковые строки в таблице отсутствуют;
• порядок следования строк и столбцов может быть произвольным;
• таблица должна быть простой, т.е. не содержать составных столбцов;
• должен быть известен первичный ключ.

Реляционная организация БД в виде таблицы СТУДЕНТЫ представлена на рис. 3.

Рис. 3. Содержимое файла (таблицы) СТУДЕНТЫ баз данных

Каждая таблица представляет один объект (сущность) состоит из строк и столбцов.

Т.о., реляционная модель – это множество нормализованных взаимосвязанных таблиц.

Нормализация отношений – это процесс построения оптимальной структуры таблиц и связей в реляционной базе данных.

Связи между таблицами поддерживаются с помощью либо первичных ключей этих таблиц, либо первичного ключа одной таблицы и не ключевых реквизитов другой таблицы.

Поле, каждое значение которого однозначно определяет соответствующую запись, называется простым ключом. Если записи однозначно определяются значениями нескольких полей, то такая таблица базы данных имеет составной ключ.

Нормализация таблиц позволяет производить над ними операции реляционной алгебры, т.е. операции выбора, соединения, объединения, разности, пересечения и т.д. Благодаря своей простоте и естественности представления реляционная модель получила наибольшее распространение. В последние годы появились новые модели данных:

• постреляционная;
• многомерная;
• объектно-ориентированная;
• объектно-раляционные;
• семантические и др.

Преимущества реляционной модели:

1. Устраняется дублирование информации. Все необходимые данные можно хранить только в одной таблице. Например, в таблице СЕССИЯ нет необходимости хранить ФИО каждого студента, сдающего экзамены, достаточно задать связь с таблицей СТУДЕНТ.
2. Легко производить изменения. Если в таблице СЕССИЯ изменить какие-нибудь значения, то правильная информация автоматически будет связана с другими таблицами, ссылающимися на первую, напр., табл. СТИПЕНДИЯ.
3. Удается легко избежать установления ошибочных связей между различными таблицами данных, а необходимый объем памяти сокращен до минимума.
4. Максимально возможная компактность хранения данных;
5. Возможность извлечения из базы данных разнообразной информации в определенной предметной области;
6. Удобные для пользователя вид и форма извлекаемой информации;
7. Высокая скорость доступа к данным;
8. Надежность хранения информации и возможность предоставления санкционированного доступа к данным для отдельных пользователей;
9. Удобство и простота конструирования пользователем запросов, форм и отчетов для выборки данных.

СТРУКТУРНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ БД:

1. Поле – элементарная единица логической организации БД, которая соответствует неделимой единице информации — реквизиту. Поле идентично столбцу в таблице. Для описания поля используются следующие характеристики:
   • — имя;
   • — тип (числовой, текстовый);
   • — длина.
2. Запись – совокупность логически связанных полей.
3. Экземпляр записи – отдельная реализация записи, содержащая конкретные значения ее полей. Запись идентична строке в таблице. Запись соответствует составной единице информации – документу (разовый), или строке документа (накопительный).
4. Файл (таблица) – именованная совокупность одинаковых по структуре экземпляров записей.

Каждый экземпляр записи однозначно идентифицируется уникальным ключом записи.

В структуре записи файла указываются поля, значения которых являются ключами: первичными (они идентифицируют экземпляр записи) и вторичными (они выполняют роль поисковых или группировочных признаков).

Файл (таблица) соответствует составной единице информации – информационному массиву.

Описать логическую структуру – означает указать последовательность расположения полей записей и их основные характеристики (тип, длина).

5. Ключевое поле – это поле, значение которого однозначно идентифицирует запись.
   3. НАЗНАЧЕНИЕ, ОСНОВНЫЕ СРЕДСТВА И

ХАРАКТЕРИСТИКИ СУБД

Создание базы данных, ее поддержка и обеспечение доступа пользователей к ней осуществляется с помощью специального программного инструмента — системы управления базами данных.

СУБД представляет собой пакет программ, посредством которых реализуется централизованное управление базой данных и обеспечивается доступ к данным. СУБД выступает в качестве интерфейса между пользователями и БД.

СУБД обеспечивает программные средства для создания, загрузки, запроса и обновления данных, контролирует действия, связанные с вводом-выводом данных, решает вопросы совместного их использования и защиты.

СУБД служит для поддержания БД в актуальном состоянии и обеспечивает эффективный доступ пользователей к данным.

Система управления базой данных (СУБД) – это комплекс программных и языковых средств, предназначенных для создания, ведения и совместного использования БД многими пользователями.

СУБД различают по используемой модели данных. Они обеспечивают многоцелевой характер использования БД, защиту и восстановление данных. Наличие развитых диалоговых средств и языка запросов делает СУБД удобным средством для конечного пользователя.

Основные средства СУБД:

1. Средства описания структуры БД;
2. Средства конструирования экранных форм, предназначенных для ввода данных, просмотра и их обработки в диалоговом режиме;
3. Средства создания запросов для выборки данных при заданных условиях, а также выполнения операций по их обработке;
4. Средства создания отчетов из БД для вывода на печать результатов обработки в удобном для пользователя виде.

Примеры СУБД: Dbase,  Sybase,  FoxPro,  Paradox,  Oracle, MS  SQL  Server,   MS  Access.

ХАРАКТЕРИСТИКИ СУБД:

1. Производительность (время выполнения запросов, скорость поиска информации, время импортирования баз данных из других форматов, скорость выполнения операций, таких как обновление, вставка, удаление, время генерации отчета);
2. Обеспечение безопасности данных (шифрование прикладных программ, шифрованием данных, защита данных паролем, ограничением доступа к базе данных;
3. Обеспечение целостности данных подразумевает наличие средств, позволяющих удостовериться, что информация в базе данных всегда остается корректной и полной (непротиворечивой). Целостность данных должна обеспечиваться независимо от того, каким образом данные заносятся в память (в интерактивном режиме, посредством импорта или с помощью специальной программы). Целостность данных достигается набором правил и наличием средств: назначение первичного ключа; поддержка ссылочной целостности; каскадное обновление или удаление связанных записей;
4. Наличие развитых диалоговых средств конструирования таблиц, форм, запросов, отчетов, макросов и средств работы с БД;
5. Возможность работы с нетрадиционными данными в корпоративных сетях (страницы HTML, сообщения электронной почты, звуковые файлы, изображения и др.);
6. Специальные средства, автоматизирующие работу, например, многочисленные мастера в Access;
7. Уровень использования – локальная СУБД (для настольных систем), архитектура клиент-сервер, многопроцессорная СУБД (с параллельной обработкой данных);
8. Использование объектной технологии OLE — связывание и внедрение объектов;
9. Наличие собственного языка программирования (SQL, Visual Basic), его переносимость в другие приложения.

Выбор СУБД зависит от многих факторов, но главным является возможность работы с конкретной моделью данных (иерархической, сетевой и реляционной).

4. Классификация БД и СУБД

Классификация СУБД:

1. По технологии обработки данных различают:

• Централизованные (локальные) БД – хранятся в памяти одной вычислительной системы (на одном компьютере). Назначение – организация более простого и дешевого способа информационного обслуживания пользователей при работе с небольшими объемами данных и решении несложных задач. Развитие информационной системы с такой БД ограничено техническими параметрами ПК (объем оперативной памяти, объем дисковой памяти для БД, надежность работы компьютера и программного обеспечения) и производительностью центрального процессора (влияет на своевременность обработки всех приложений).
• Распределенные БД и БнД состоят из нескольких, возможно пересекающихся или даже дублирующих друг друга частей, хранимых на нескольких ПК вычислительной сети. Ра-бота с такой базой осуществляется с помощью системы управления распределенной базой данных. Назначение – предоставление более гибких форм обслуживания множеству удаленных пользователей при работе со значительными объемами информации в условиях географической или структурной разобщенности. Т.е. каждый компонент БД располагается по месту наличия техники и ее обработки.

2. По способу доступа к данным различают:

• БД с локальным доступом,
• БД с удаленным (сетевым) доступом: (предполагают различную архитектуру ИС)

Централизованные БД с сетевым доступом предполагают следующие архитектуры систем:

1. Файл-сервер – В файл-серверных СУБД файлы данных (БД) располагаются централизованно на файл-сервере. СУБД располагается на каждом клиентском компьютере (рабочей станции). Доступ СУБД к данным осуществляется через локальную сеть. На рабочих станциях выполняется обработка данных. Достоинство архитектуры «файл-сервер» — низкая нагрузка на ЦП сервера Недостатки:

• обмен на уровне файлов, доступ к которым в режиме корректировки блокируется для других пользователей;
• перегрузка трафика сети (высокая загрузка локальной сети);
• затруднённость обеспечения таких важных характеристик как высокая надёжность, высокая доступность и высокая безопасность;
• затруднённость централизованного управления;
• высокие требования к техническому оснащению рабочих станций, на которых выполняется содержательная обработка данных.

Примеры: Microsoft Access, Paradox, dBase, FoxPro, Visual Fox-Pro.

2. Клиент-сервер. СУБД располагается на сервере вместе с БД и осуществляет доступ к БД непосредственно, в монопольном режиме. Все клиентские запросы на обработку данных обрабатываются клиент-серверной СУБД централизованно (Все рабочие станции (клиенты) посылают запросы на данные к серверу, который осуществляет извлечение и предварительную обработку данных). Результат исполнения запроса отправляется клиенту для просмотра и использования. Т.е. единицей обмена является запрос и выборка данных из БД. Достоинства: существенно уменьшается трафик сети (более низкая загрузка локальной сети), удобство централизованного управления; удобство обеспечения таких важных характеристик как высокая надёжность, высокая доступность (снимаются ограничения на доступность данных БД различным приложениям) и высокая безопасность. Недостаток- наличие очень высоких требований к техническому комплексу сервера БД, который определяет ее надежность.

Примеры: Oracle, Interbase, Informix, MS SQL Server, Sybase Adaptive Server Enterprise, ЛИНТЕР.

3. Встраиваемые – это СУБД, которые могут поставляться как составная часть некоторого программного продукта, не требуя процедуры самостоятельной установки. Встраиваемая СУБД предназначена для локального хранения данных своего приложения и не рассчитана на коллективное использование в сети. Физически встраиваемая СУБД чаще всего реализована в виде подключаемой библиотеки. Доступ к данным со стороны приложения может происходить через SQL либо через специальные программные интерфейсы. Примеры: OpenEdge, SQLite, BerkeleyDB, Firebird Embedded, Sav Zigzag, Microsoft SQL Server Compact, ЛИНТЕР.
4. По характеру хранимой информации.

• Фактографические – содержат краткие сведения об описываемых объектах, представленных в строго определенном формате. Например: БД книжного фонда библиотеки хранит следующие данные о книге: год издания, автор, название. Сам текст книги в БД содержаться не будет. Т. е. фактографические БД – это картотеки.
• Документальные – содержат обширную информацию самого разного типа: текстовую, графическую, звуковую, мультимедийную. Документальные БД – архивы.

5. По выполняемым функциям СУБД подразделяются на операционные и информационные;

• Информационные СУБД позволяют организовать хранение информации и доступ к ней. Для выполнения более сложной обработки необходимо писать специальные программы.
• Операционные СУБД выполняют достаточно сложную обработку, например, автоматически позволяют получать агрегированные показатели, не хранящиеся непосредственно в базе данных, могут изменять алгоритмы обработки и т. д.

6. По степени универсальности различают два класса СУБД: общего назначения и специализированные системы

• СУБД общего назначения – это сложные программные комплексы, предназначенные для выполнения всей совокупности функций, связанных с созданием и эксплуатацией базы данных информационной системы. Они ориентированы на какую-либо предметную область или на потребности пользователей. Каждая система такого рода реализуется как программный продукт, способный функционировать в определенной операционной системе;
• Специализированные СУБД создаются при невозможности или нецелесообразности использования СУБД общего назначения

7. По используемому языку общения СУБД подразделяются на замкнутые, имеющие собственные самостоятельные языки общения пользователей с базами данных, и открытые — это системы, в которых для обращения к базам данных используются универсальные языки программирования;
8. По числу поддерживаемых уровней моделей данных СУБД подразделяются на одно-, двух-, трехуровневые системы. В принципе возможно выделение и большего числа уровней;