Базы и банки данных

СОДЕРЖАНИЕ

 

1. Базы и банки данных…………………………………………………………………………………..……….………2 

1.1.  Понятие базы и банка даны……………………………………………………………………….………2

2. Компоненты банка данных…………………………………………………………………………………….……4

2.1.  Информационная база………………………………………………………………………………….……4

2.2.  Лингвистические средства……………………………………………………………………..….………5

2.3.  Программные средства…………………………………………………………………………….….……6

2.4.  Технические средства……………………………………………………..……………………….……..…7

2.5.      Организационно-административные подсистемы……..……………..………...………8

3. Пользователи  баз данных…………………………………………………………………………….……..………8

4. Типология  баз данных………………………………………………………………………………….………………8

4.1. Типология  баз данных с точки зрения  информационных процессов….…………...9

5. Семантика  баз данных……………………………………………………………………………………….………10

6. Типология  моделей…………………………………………………………………………………………...………11

7. Модели  и структуры данных……………………………………………………………..…………….…..……15

8. Литература………………………………………………………………………………………………………….………17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Базы и банки данных

1.1.  Понятие базы и банка данных  

 

Развитие вычислительной техники  и появление емких внешних  запоминающих устройств прямого доступа предопределило интенсивное развитие автоматических и автоматизированных систем разного назначения и масштаба, в первую очередь заметное в области бизнес приложений. Такие системы работают с большими объемами информации, которая обычно имеет достаточно сложную структуру, требует оперативности в обработке, часто обновляется и в то же время требует длительного хранения. Примерами таких систем являются автоматизированные системы управления предприятием, банковские системы, системы резервирования и продажи билетов и т. д. (рис. 1.1)

Другими направлениями, стимулировавшими развитие, стали, с одной стороны, системы управления физическими  экспериментами, обеспечивающими сверхоперативную обработку в реальном масштабе времени  огромных потоков данных от датчиков, а с другой — автоматизированные библиотечные информационно поисковые  системы. 

 

 

 

 

 

Это привело к появлению новой  информационной технологии интегрированного хранения и обработки данных — концепции баз данных, в основе которой лежит механизм предоставления обрабатывающей программе из всех хранимых данных только тех, которые ей необходимы, и в форме, требуемой именно этой программе. При этом сама форма (структура данных и форматы полей, входящих в эту структуру) описывается на логическом, т. е. «видимом» из программы, уровне. Более того, поскольку различные программы могут по-разному «видеть» (а следовательно, и использовать) одни и те же данные, то система должна сделать «прозрачными» для программы все данные, кроме тех, которые для нее являются «своими».

Банк  данных (БнД) — это система специально организованных данных, программных, языковых, организационных и технических средств, предназначенных для централизованного накопления и коллективного многоцелевого использования данных.

Под базой данных (БД) обычно понимается именованная совокупность данных, отображающая состояние объектов и их отношений в рассматриваемой предметной области. Характерной чертой баз данных является постоянство: данные постоянно накапливаются и используются; состав и структура данных, необходимых для решения тех или иных прикладных задач, обычнопостоянны и стабильны во времени; отдельные или даже все элементы данных могут меняться — но и это есть проявление постоянства — постоянная актуальность.

Система управления базами данных (СУБД) — это совокупность языковых и программных средств, предназначенных для создания, ведения и совместного использования БД многими пользователями.

Иногда в составе банка данных выделяют архивы. Основанием для этого является особый режим использования данных, когда только часть данных находится под оперативным управлением СУБД. Все остальные данные (собственно архивы) обычно располагаются на носителях, оперативно не управляемых СУБД. Одни и те же данные в разные моменты времени могут входить как в базы данных, так и в архивы. Банки данных могут не иметь архивов, но если они есть, то в состав банка данных может входить и система управления архивами.

Проблемы совместного использования  данных и периферийных устройств  компьютеров и рабочих станций  быстро породили модель вычислений, основанную на концепции файлового сервера  — сеть создает основу для коллективной обработки, сохраняя простоту работы с персональным компьютером, позволяет совместно использовать данные и периферию.

В этом смысле главной отличительной  чертой баз данных является использование  централизованной системы управления данными, причем как на уровне файлов, так и на уровне элементов данных. Централизованное хранение совместно  используемых данных приводит не только к сокращению затрат на создание и  поддержание данных в актуальном состоянии, но и ксокращению избыточности информации, упрощению процедур поддержания непротиворечивости и целостности данных.

Эффективное управление внешней памятью  является основной функцией СУБД. Эти  обычно специализированные средства настолько  важны с точки зрения эффективности, что при их отсутствии система  просто не сможет выполнять некоторые  задачи уже потому, что их выполнение будет занимать слишком много  времени. При этом ни одна из таких  специализированных функций, как построение индексов, буферизация данных, организация  доступа и оптимизация запросов, не является видимой для пользователя и обеспечивает независимость между  логическим и физическим. уровнями системы: прикладной программист не должен писать программы индексирования, распределять память на диске и т. д.

Развитие теории и практики создания информационных систем, основанных на концепции баз данных, создание унифицированных  методов и средств организации  и поиска данных позволяют хранить  и обрабатывать информацию о все более сложных объектах и их взаимосвязях, обеспечивая много аспектные информационные потребности различных пользователей. Основные требования, предъявляемые к банкам данных, можно сформулировать следующим образом [14].

Многократное  использование данных: пользователи должны иметь возможность использовать данные различным образом.

Простота: пользователи должны иметь возможность легко узнать и понять, какие данные имеются в их распоряжении.

Легкость  использования: пользователи должны иметь возможность осуществлять (процедурно) простой доступ к данным, при этом все сложности доступа к данным должны быть скрыты в самой системе управления базами данных.

Гибкость  использования: обращение к данным или их поиск должны осуществляться с помощью различных методов доступа.

Быстрая обработка запросов на данные: запросы на данные, в том числе незапланированные, должны обрабатываться с помощью высокоуровневого языка запросов, а не только прикладными программами, написанными с целью обработки конкретных запросов (разработка таких программ в каждом конкретном случае связана с большими затратами времени). Пользователь должен иметь возможность кратко выразить нетривиальные запросы (в нескольких словах или несколькими нажатиями клавиш мыши). Это означает, что средство формулирования должно быть достаточно «декларативным», т. е. упор должен быть сделан на «что», а не на «как». Кроме того, средство обработки запросов не должно зависеть от приложения, т. е. оно должно работать с любой возможной базой данных.

Язык  взаимодействия конечных пользователей  с системой должен обеспечивать конечным пользователям возможность получения данных без использования прикладных программ.

База  данных — это основа для будущего наращивания прикладных программ: базы данных должны обеспечивать возможность быстрой и дешевой разработки новых приложений.

Сохранение  затрат умственного труда: существующие программы и логические структуры данных (на создание которых обычно затрачивается много человек лет) не должны переделываться при внесении изменений в базу данных.

Наличие интерфейса прикладного программирования: прикладные программы должны иметь возможность просто и эффективно выполнять запросы на данные; программы должны быть изолированы от расположения файлов и способов адресации данных.

Распределенная  обработка данных: система должна функционировать в условиях вычислительных сетей и обеспечивать эффективный доступ пользователей к любым данным распределенной БД, размещенным в любой точке сети.

Адаптивность  и расширяемость: база данных должна быть настраиваемой, причем настройка не должна вызывать перезаписи прикладных программ. Кроме того, поставляемый с СУБД набор предопределенных типов данных должен быть расширяемым — в системе должны иметься средства для определения новых типов и не должно быть различий в использовании системных и определенных пользователем типов.

Контроль  за целостностью данных: система должна осуществлять контроль ошибок в данных и выполнять проверку взаимного логического соответствия данных.

Восстановление  данных после сбоев: автоматическое восстановление без потери данных транзакции. В случае аппаратных или программных сбоев система должна возвращаться кнекоторому согласованному состоянию данных.

Вспомогательные средства должны позволять разработчику или администратору базы данных предсказать и оптимизировать производительность системы.

Автоматическая  реорганизация и перемещение: система должна обеспечивать возможность перемещения данных или автоматическую реорганизацию физической структуры. 

 

2. Компоненты банка данных 

 

Определение банка данных предполагает, что с функционально-организационной  точки зрения банк данных является сложной человеко-машинной системой, включающей в себя все подсистемы, необходимые для надежного, эффективного и продолжительного во времени функционирования.

В структуре банка данных выделяют следующие компоненты (подсистемы):

• информационная база;

• лингвистические средства;

• программные средства;

• технические средства;

• организационно-административные подсистемы и нормативно-методическое обеспечение. 

 

2.1.  Информационная база 

 

Данные, отражающие состояние определенной предметной области и используемые информационной системой, принято называть информационной базой. Информационная база состоит из двух компонент: 1) коллекции записей собственно данных; 2) описания этих данных — метаданных.

Данные отделены от описаний, но в  то же время данные не могут использоваться без обращения к соответствующим  описаниям.

Уже из определения базы данных и  приведенных ранее основных требований следует, что данные могут использоваться (т. е. представляться) по-разному. С  одной стороны, разные прикладные задачи требуют разных наборов данных, в  совокупности обеспечивающих функциональную полноту информации, а с другой — они должны быть различны для  различных категорий субъектов (разработчиков  или пользователей). Также должны быть различными и, способы описания самих данных, их природы, формы хранения, условий взаимной непротиворечивости.

В литературе по базам данных упоминаются  три уровня представления данных — концептуальный, внутренний и  внешний (рис. 1.2).

Эти уровни представлений введены  исходя из различного рассмотрения БД. Например, прикладному программисту требуются не все данные БД, а  только некоторая их часть, используемая в его программе. Внешний уровень  представления обеспечивает именно  эту форму обмена данными.

Внутренний уровень — глобальное представление БД, определяет необходимые  условия для организации хранения данных на внешних запоминающих устройствах.

Описание БД на концептуальном уровне представляет собой обобщенный взгляд на данные с позиций предметной области (разработчика приложений, пользователя или внешней информационной системы).

Внешний уровень представления  данных не затрагивает физической организации (размещения) данных во внешней памяти, поэтому его называют иногда логическим уровнем. Соответственно внутренний уровень  называют физическим уровнем. 

 

 

2.2.  Лингвистические средства  

 

Многоуровневое представление  БД предполагает соответствующие описания данных на каждом уровне и согласование одних и тех же данных на разных уровнях. С этой целью в состав СУБД включаются специальные языки для описания представлений внутреннего и внешнего уровней. Кроме того, СУБД должна включать в себя язык манипулирования данными (ЯМД). Желательно также наличие тех или иных дополнительных сервисных средств, например средств генерации отчетов.

Работа с базами данных предполагает несколько этапов:

• описание БД;

• описание частей БД, необходимых для конкретных приложений (задач, групп задач);

• программирование задач или описание запросов в соответствии с правилами конкретного языка и использованием языковых конструкций для обращения к БД;

• загрузка БД и т. д.

Для выражения обобщенного взгляда  на данные применяют язык описания данных (ЯОД) внутреннего уровня, включаемый в состав СУБД. Описание представляет собой модель данных и их отношений, т. е. структур, из которых образуется БД.