Базы данных и управление ими

1. Введение. Базы данных  и управление ими

1.1. Предмет курса и задачи  курса

Использование баз данных и информационных систем становится неотъемлемой составляющей деловой деятельности современного человека и функционирования преуспевающих  организаций. В связи с этим большую актуальность приобретает освоение принципов построения и эффективного применения соответствующих технологий и программных продуктов: систем управления базами данных, CASE-систем автоматизации проектирования и других.

В рамках курса Управление данными будут даны теоретические основы построения баз данных, возможностей современных систем управления баз данных, технологии применения их для разработки и использования информационных систем.

В основе решения многих задач лежит  обработка информации с помощью различных информационных систем (ИС). Автоматизированными называют ИС, в которых применяют технические средства, в частности ЭВМ.

В широком понимании под определение ИС подпадает любая система обработки информации. По области применения ИС можно разделить на системы, используемые в производстве, образовании, здравоохранении, науке, военном деле, социальной сфере, торговле и других отраслях.  По целевой функции ИС можно условно разделить на следующие основные категории: управляющие, информационно-справочные, поддержки принятия решений.

В более узкой трактовке понятие ИС рассматривается как совокупность аппаратно-прикладных средств, задействованных для решения некоторой прикладной задачи, например, учета кадров, учета материально-технических средств, расчета с поставщиками и заказчиками, бухгалтерского учета и т.п.

1.2. Система баз данных: данные, аппаратное обеспечение

 

Банк данных (БнД) является разновидностью ИС, в которой реализованы функции централизованного хранения и накопления обрабатываемой информации, организованной в одну или несколько баз данных. Банк данных в общем случае состоит из следующих компонентов: базы (нескольких баз) данных, системы управления базами данных, словаря данных, администратора, вычислительной системы и обслуживающего персонала.

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 (модель данных МД). К основным МД  относятся следующие: иерархическая, сетевая, реляционная, постреляционная, многомерная и объектно-ориентированная.

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.

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.

Словарь данных (СД) представляет собой подсистему БнД, предназначенную для централизованного хранения информации о структурах данных, взаимосвязях файлов БД друг с другом, типа данных и форматах их представления, принадлежности данных пользователям, кодах защиты, 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 ИС, обеспечивает защиту от несанкционированного доступа, контролирует избыточность, непротиворечивость, сохранность и достоверность хранимой в БД информации. В вычислительной сети АБД, как правило, взаимодействует с администратором сети.

Вычислительная  система (ВС) представляет собой совокупность взаимосвязанных и согласованно действующих ЭВМ или процессоров и других устройств, в том числе и считывающих устройств, обеспечивающих автоматизацию процессов приема, обработки и выдачи информации потребителям. Используемая ВС должна иметь приемлемую мощность центральных процессоров (ЦП), достаточный объем оперативной и внешней памяти прямого доступа.

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.

2. Архитектура информационной  системы 

2.1. Компоненты систем баз данных

В интегрированной системе баз  данных данные не привязаны к какому-либо приложению и не контролируются им (рис. 2.1.). Кроме того, возможно многократное и разнообразное использование одних и тех же данных различными приложениями. СУБД является посредником между пользователями приложений и данными.

Пользователь 1 Пользователь 2 Пользователь 3 Пользователь 4

 

  Приложение 1  Приложение 2 Приложение 3

 

   Система управления базой данных

 

Данные

Рис. 2.1. Интегрированная система БД

 

Например, в БД имеются файлы, содержащие сведения о следующих объектах: клиенты, заказы, товары и запасы. Пусть приложение 1 связано с управлением запасами, приложение 2 – с обработкой заказов, а приложение 3 является финансовой системой. Различные приложения получают доступ к различным частям общего множества файлов данных. Например, система управления запасами будет работать только с файлом запасов, а система обработки заказов будет обращаться к файлам заказов, запасов, клиентов и счетов. То есть, каждое приложение использует некоторое подмножество множества данных, контролируемых системой.

Подмножество БД, необходимое конкретному  приложению, называется представлением (view). Отдельные элементы данных могут иметь различное оформление в зависимости от того, с помощью какого представления производится обращение к ним. Данные, являющиеся в одном представлении десятичным числом, могут трактоваться как целое в другом и иметь при этом одинаковые или различные имена. СУБД должна поддерживать эти разнообразные представления множества данных.

Концепция интегрированного использования  данных предполагает не только использование  одних и тех же данных множеством приложений, но и то, что эти данные могут использоваться разными приложениями в одно и то же время. Этот процесс называется параллелизмом. СУБД должна предоставлять возможность параллельного доступа и управлять им.

Кроме того, СУБД должна обеспечивать гарантии безопасности и целостности  базы данных, чтобы защитить данные от несанкционированного доступа, а также восстановить их в случае системных сбоев.

В целом СУБД обеспечивает следующие возможности.

1. Интеграцию и совместное использование данных различными приложениями.
2. Способность поддерживать разнообразные представления одних и тех же данных.
3. Управление параллельным доступом к данным.
4. Гарантию безопасности и целостности данных.

 

Система базы данных состоит из следующих компонентов.

1. Пользователи – люди, использующие данные.
2. Приложения – программы пользователей, с помощью которых пользователи обращаются к системе за требуемыми данными.
3. СУБД – программное обеспечение, которое управляет доступом к данным и обеспечивает безопасность и целостность данных, а также параллельный доступ к ним.
4. Система-хост – программное обеспечение, осуществляющее доступ к файлам, в которых хранятся строки данных.
5. Данные – строки данных, хранящиеся в файлах.

СУБД генерирует запросы, позволяющие  использовать функциональные возможности  системы-хоста для обслуживания различных приложений. СУБД – это дополнительный уровень программного обеспечения, надстроенный над программным обеспечением системы-хоста.

Система базы данных имеет следующие  уровни:

Пользователи

 

Приложения

 

Система управления базой данных

 

Система-хост

Хранящиеся данные

 

 

На нижнем уровне находятся данные, хранящиеся в множестве физических файлов (физическая память базы данных). На верхнем уровне находятся приложения с их собственными представлениями  одних и тех же данных (рис. 2.2). Каждое представление БД – это определенная логическая структура, построенная из физических данных. Связь между физической памятью БД и ее разнообразными логическими версиями состоит из трех уровней.

2.2. Три уровня архитектуры: внешний,  концептуальный и внутренний

 

В любой ИС базы данных есть концептуальный уровень – логическое описание всех данных системы. Этот уровень занимает центральное место. Концептуальный уровень характеризуется независимостью и полнотой. То есть он не зависит от того, как данные хранятся в действительности, и содержит описание всех данных, хранящихся в системе. Концептуальный уровень БД состоит из описаний всех объектов БД, доступных пользователям и их приложениям. Объект БД – это ее определенный логический элемент: файл, набор записей, поле, множество полей и т.п. СУБД ведет словарь данных, в котором хранится, помимо прочей информации, список существующих в настоящий момент объектов БД, их свойства и связи. Каждому объекту соответствует один и только один элемент в словаре данных.

Полное описание логических объектов базы данных, сохраняемых в словаре данных, носит название концептуальной схемы.

Концептуальный уровень является самым низкоуровневым представлением, доступным пользователю БД. От решения  вопросов о том, как в действительности хранятся данные на физическом уровне, пользователи БД намеренно полностью отстранены.

Одно и то же множество объектов БД может отображаться в различных  представлениях. Описание соответствия между представлением и множеством объектов БД называется определением. Все определения представлений хранятся в словаре данных и являются полноправными объектами БД. Это дает возможность нескольким приложениям использовать одно и то же представление. Множество всех определений представлений образует так называемый внешний уровень БД – интерфейс между БД и ее пользователями. Если концептуальная схема БД модифицируется, то все определения представлений, затронутых этой модификацией, необходимо переписать, чтобы представление осталось для своих пользователей неизменным даже в том случае, когда оно основывается на совершенно иной части логической базы данных. Таким образом, пользователи и приложения отстраняются от модификации БД на логическом уровне. Это называется логической независимостью данных.

Существует также физическая независимость данных. Она заключается в отстранении пользователей и приложений от изменения физического хранилища баз данных.

На самом нижнем уровне СУБД устанавливает  соответствие между представлением БД в виде концептуальной схемы и  ее физическим представлением. Это отображение называется внутренним уровнем системы базы данных. Внутренний уровень - это интерфейс между СУБД и системой компьютера, на которой ИС выполняется. Если физическое хранилище базы данных изменяется, то СУБД должна на внутреннем уровне переустановить соответствие концептуальной схемы новому физическому представлению. Сама концептуальная схема должна остаться неизменной.  Это позволяет приложениям продолжать работать так, словно ничего не изменилось.

Таким образом, СУБД состоит из трех уровней:

• Множество отображений концептуального уровня в представления пользователей;
• Сам концептуальный уровень и
• Отображение концептуального уровня в физическое хранилище.

Эти уровни называются внешним, концептуальным и внутренним уровнем соответственно (рис. 2.3).

В целях дальнейшего повышения  производительности СУБД зачастую сами выполняют многие операции, не обращаясь  к средствам системы-хоста. Некоторые  ИС полностью игнорируют систему-хост. В этом случае СУБД непосредственно  получает доступ к данным, хранящимся на диске, и осуществляет их организацию.

     Представления  пользователей и приложений

Отображения   Внешний уровень

 

Концептуальная схема   Концептуальный уровень

Отображение   Внутренний уровень

 

Система-хост

 

Хранилище данных

 

Рис. 2.3. Уровни СУБД