Архитектура базы данных: понятие, определение, уровни. Архитектура и типы субд
| Наименование параметра | Значение |
| Тема статьи: | Архитектура СУБД |
| Рубрика (тематическая категория) | Компьютеры |
Основные положения
Системы управления базами данных (СУБД)
Основные идеи современной информационной технологии базируются на концепции баз данных (БД). Согласно этой концепции основой информационной технологии являются данные, организованные в БД, адекватно отражающие реалии действительности в какой-либо предметной области. Первые БД появились уже при 1-м поколении ВТ, представляя собой отдельные файлы данных или их простые совокупности. В конце 60-х годов появились первые коммерческие СУБД, поддерживающие организацию и ведение БД.
БД представляют из себясовокупность взаимосвязанных файлов данных определенной организации. Каждый файл, входящий в БД, содержит определенное число однотипных записей , отражающих ту или иную сторону предметной области, на которую ориентирована БД. Записи, в свою очередь, состоят из полей , представляющих определенные типы информации об объектах. Поле является наименьшей информационной единицей, непосредственно доступной в записи.
Пользователями БД являются четыре основные категории потребителей ее информации и/или поставщиков информации для нее:
· конечные пользователи;
· программисты или системные аналитики;
· персонал поддержки БД в рабочем состоянии;
· администратор БД.
Конечным пользователям для обеспечения доступа к информации БД предоставляется графический интерфейс в виде системы окон с функциональными меню, позволяющими легко получать необходимую информацию на экран и/или принтер в виде удобно оформленных отчетов.
Для определения и обращения к файловой совокупности используются средства системы управления БД (СУБД). Она представляет собой совокупность лингвистических и программных средств, предназначенных для создания, ведения и совместного использования БД многими пользователями. СУБД является средством обработки на языке базы данных обращений к БД от прикладных программ и/или конечных пользователей. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, СУБД имеет свойства, характерные как для компиляторов, так и для ОС.
Большинство современных СУБД включает пять базовых компонент:
1. Языки описания данных – описание структур файлов БД, записей файлов и их полей данных;
2. Языки работы с БД - получение ответа на санкционированный
запрос пользователей или БД-приложения;
3. Общие утилиты для БД – выполнение общих процедур по
поддержанию БД в актуальном состоянии;
4. Генераторы БД-приложений – создание модульных систем
решения задач пользователя по работе с БД;
5. Генераторы отчетов – вывод результатов работы в виде отчетов
Каждая СУБД поддерживает определенные типы даталогических моделей (модели данных).
Архитектура СУБД - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Архитектура СУБД" 2017, 2018.
Как называется совокупность основных структурных, функциональных компонентов различных БД, Этот комплекс в информационной науке принято называть архитектурой Предлагаем вам досконально разобрать это понятие, типы подобных комплексов, их трехуровневое разбиение.
Что это?
Архитектура базы данных - комплекс структурных компонентов БД, а также средств, обеспечивающих их взаимодействие как друг с другом, так и с конечным пользователем, системным персоналом.
Данное определение отражает одну из важнейших функций хранилищ информации - обеспечение возможности абстракции сведений БД. Она и формирует сложившийся в наши дни подход к архитектуре данных.
Отсюда возникает новый вопрос: в чем суть, предназначение абстракции данных? Предоставляемые системой, они (абстракции) будут основным средством поддержки независимости ведения хранилищ информации (другими словами, БД) разными группами конечных пользователей. По-иному это называется независимостью данных системы.
Виды БД
Управления базами данных будет различной в зависимости от разновидности последних. На сегодня выделяется два вида БД:
- централизованный;
- распределенный.
С особенностями каждой из разновидностей мы предлагаем читателю ознакомиться далее.
Централизованные базы данных
Главное отличие этих БД: они хранятся в памяти одной вычислительной системы. Но если база, в свою очередь, будет компонентом сетей ЭВМ, то становится возможным распределенный доступ к базам данных. То есть БД будет открытой для пользователей электронно-вычислительных машин, подключенных к данной сети. Подобное использование характерно для локальных систем ЭВМ, создаваемых на базе организаций, компаний.
Распределенные базы данных
Что важно знать об архитектуре распределенных баз данных? Такие БД состоят из нескольких частей, хранящихся в различных ЭВМ одной сети. Возможно, информация тут будет дублироваться, пересекаться. Что удобно, пользователю распределенной базы данных не нужно знать, каким образом элементы хранилища информации размещены в узлах подобной сети. Чаще всего он воспринимает этот комплекс сведений как единое целое.
Как осуществляется работа с подобной БД? С помощью системы управления распределенными базами данных (СУРБД). Ее системный справочник будет описывать информацию, содержащуюся в хранилище данных, основы ее размещения в сети. В свою очередь, сам справочник может быть декомпозирован, размещен в различных узлах общей сети.
Составные части распределенной БД размещаются на отдельных подключенных к ней ЭВМ. Ими управляют уже собственные (локальные) СУБД электронно-вычислительных устройств. Что важно отметить, подобные локальные системы управления хранилищами информации необязательно должны быть одинаковыми в различных узлах общей сети. Однако объединение таковых различных локальных баз данных в единую систему - весьма сложная научно-техническая задача. Для ее успешного решения потребовался целый комплекс экспериментальных мероприятий, теоретических разработок.
Типы БД по способу доступа к ним
Архитектура базы данных также будет различаться по способу доступа к находящейся в хранилище информации:
- Доступ локальный.
- Доступ удаленный (сетевой).
Последний тип доступа предполагает разделение архитектуры подобных систем еще на две вариации:
- Тип "файл-сервер".
- Тип "клиент-сервер".
Снова предлагаем читателю разобраться с представленными разновидностями подробнее.
БД "файл-сервер"
Подобная архитектура комплексов баз данных предполагает выделение одного из устройств сети ЭВМ в качестве центрального. Оно будет считаться сервером файлов. На главной машине хранится совместно используемая централизованная база данных. Другие же устройства сети выступают рабочими станциями, которые поддерживают пользовательский доступ к основной БД.
В системе "файл-сервер" каждый пользователь имеет возможность запускать приложение, находящееся на главной машине. Притом на его устройстве будет открываться только копия данной программы.
По пользовательским запросам файлы центральной базы данных (находящейся на сервере) передаются на компьютеры - рабочие станции. Там и происходит обработка информации. У пользователей, работающих с общей БД, на компьютерах появляется локальная ее копия. Последняя периодически обновляется по мере наполнения основного хранилища на сервере свежей информацией.
Подобная архитектура систем БД более всего характерна для сетей, к которым подключено небольшое число пользователей. Для ее реализации типично использование персональных СУБД (к примеру, Paradox, DBase). Недостатком архитектуры является критически низкая производительность системы при одновременном доступе нескольких пользователей к одним и тем же данным.
БД "клиент-сервер"
Здесь также предполагается наличие машины в сети, которая будет являться главной. Однако архитектура базы данных "клиент-сервер" имеет и собственную особенность. Главный компьютер не только хранит централизованную БД, но и обеспечивает основную часть обработки требуемых пользователю данных.
Технология разделяет систему на две части: серверную и клиентскую. Последняя будет обеспечивать интерактивный сервис, а серверная - разделение информации, управление данными, безопасность и администрирование.
Что предполагает архитектура клиент-серверных баз данных? Клиентское приложение здесь оформляет и отправляет запрос удаленному компьютеру-серверу, где расположено централизованное хранилище информации. Он (запрос) составлен на специальном языке SQL - стандарте доступа к серверу при использовании реляционных БД.
После получения запроса перенаправляет его SQL-серверу. Так называется программа, ответственная за управление удаленной базой данных. Она обеспечивает выполнение запроса, предоставляет клиенту требуемые результаты по нему.
Таким образом, вся обработка запросов здесь будет проходить на удаленном сервере. Чтобы реализовать подобную архитектуру, необходимо задействовать многоуровневые СУБД. Второе их название - промышленные. Такие СУБД способны организовать масштабную инфосистему, состоящую из большого числа пользователей.
Три уровня архитектуры БД
Архитектура баз данных подразделяется на три основных уровня - три степени описания элементов БД:
- Внешний. На данном уровне информация воспринимается пользователями.
- Внутренний. На этом уровне информация воспринимается операционными системами, СУБД (системами управления базами данных).
- Концептуальный. Здесь осуществляется отображение внешнего уровня архитектуры системы баз данных на внутренний, обеспечение необходимой их независимости друг от друга.
Предлагаем читателю более подробно познакомиться с каждой из вышепредставленных степеней.
Внешний уровень
Внешний уровень архитектуры систем баз данных - это предоставление информации с позиции людей-пользователей.
Что из этого следует? Уровень описывает пользовательскую часть баз данных (относящихся к каждому пользователю). В свою очередь, она будет состоять из нескольких внешних представлений хранилищ информации, БД.
Что удобно, каждый пользователь здесь имеет дело с таким образом "реального мира", который более всего адаптирован под него. Внешнее представление будет содержать в себе только те сущности, связи и атрибуты, что интересны и полезны конкретному "юзеру".
Не стоит полагать, что ненужные для пользователя атрибуты, сущности и связи не существуют в базе данных. Они есть, но "юзер" чаще всего не подозревает об их существовании.
Если обратиться к терминологии ANSI/SPARC (Американского национального института стандартов), то представление каждого отдельного пользователя здесь будет называться внешним. В него будет входить содержимое БД - такое, каким его видит конкретный "юзер". Каждое такое внешнее представление определяется посредством внешней системы. Она же состоит из определения записи каждого типа, присутствующего во внешнем представлении.
Концептуальный уровень
Продолжаем разбирать архитектуру сервера, баз данных. Следующий ее уровень - концептуальный. Он включает в себя обобщающее представление о хранилище информации. Будет описывать, какие именно сведения хранятся в базе данных, а также каковы связи, их объединяющие.
С точки зрения администратора, хранилище содержит в себе логическую структуру БД. Данный уровень архитектуры базы данных - это фактически полное представление требований информации со стороны компании, предприятия, которое не будет зависеть от любых соображений относительно способа, методики ее (информации) хранения.
Элементы концептуального уровня
Перечислим компоненты, представленных на концептуальном уровне архитектуры:
- Совокупность сущностей, их атрибутов, связей между ними.
- Ограничения, что могут быть наложены на данные.
- Семантическая информация о сведениях в БД (связанная с их смыслом и значением).
- Информация по мерам обеспечения безопасности хранения данных, общей поддержки их целостности.
Концептуальный уровень призван поддерживать каждое из внешних представлений. Любая доступная пользователю информация из БД должна содержаться (или может быть вычислена) именно на данном уровне. Однако следует помнить, что информация о методах хранения данных в системе здесь не хранится.
Внутренний уровень
И последняя ступень трехуровневой архитектуры базы данных. Тут находится физическое представление в компьютере БД. Что это значит? Уровень предназначен для описания физической реализации базы данных. Кроме того, с его помощью достигается оптимальная производительность, обеспечивается экономное использование дискового пространства компьютерной системы.
Содержит в себе описание структур данных, организации конкретных файлов, которые используются для реализации хранения информации на дисковых пространствах, запоминающих устройствах. Здесь, на внутреннем уровне, СУБД взаимодействует с методами, способами доступа операционных систем, вспомогательным функционалом хранения и извлечения записей сведений. Цель всего перечисленного: размещать информацию на запоминающих устройствах, извлекать данные, создавать индексы и проч.
Ниже данного будет находиться физический уровень. Его контролирует уже операционная система, однако все же под контролем СУБД.
Элементы внутреннего уровня
Внутренний уровень базы данных хранит в себе следующую информацию:
- О распределении дискового пространства для сохранения индексов и сведений.
- Подробное описание сохранения записи (где указываются реальные объемы сохраняемых данных).
- Информация о размещении записей.
- Сведения о сжатии данных, избранных методик их шифрования.
Вы познакомились с распространенными типами, видами архитектур систем баз данных. Также мы представили уровни архитектуры СУБД - внешний, внутренний и концептуальный, их характеристики и элементы.
Концептуальная, логическая и физическая модели предметной области
Трехуровневая архитектура СУБД
Предметная область представляет собой часть реального мира, которая исследуется или используется. Это может быть «Заказ» (см. пример в п. 1.3), «Изготовление изделий на заказ», «Сбыт готовой продукции», «Оформление заказов через Интернет» и др. Из-за сложности предметной области охватить ее аспекты в одноуровневой модели не представляется возможным. Поэтому используются три уровня: концептуальный (понятийный), логический и физический.
Концептуальный уровень отражает предметную область в самом общем виде. Он определяет содержание и структуру предметной области безотносительно к моделям данных (см. раздел 2) и типу используемой СУБД. Этот уровень должен быть понятен пользователю и полностью независим от того, как данные будут храниться в действительности. Изменения в этой модели должны производиться только при изменениях в реальном мире, чтобы эта модель продолжала быть отражением предметной области.
Логический уровень является промежуточным, на котором производится формализация модели. На этом уровне предметная область отображается в виде информационных объектов (сущностей) и связей между ними. Для реляционной модели сущности являются «прообразами» таблиц, а связи отображают отношения между ними. Логическая модель лежит в основе построения БД, в том числе и с использованием CASE-средств.
Физический уровень модели предметной области определяет способ реализации в среде выбранной СУБД. Одной логической модели может соответствовать несколько физических моделей (для разных СУБД). В CASE-средствах осуществляется автоматическое преобразование логической модели в физическую для выбранной конкретной СУБД. На основе физической модели осуществляется проектирование структуры базы данных. С использованием CASE-средств этот процесс происходит автоматически и называется прямым проектированием. CASE-средства позволяют также на основе существующей БД создавать физическую, а затем и логическую модели (обратное проектирование).
Первые попытки стандартизации общей архитектуры СУБД относятся к 1971 году, когда был предложен двухуровневый подход к архитектуре СУБД на основе использования системного представления, включающего понятие схемы базы данных и пользовательских представлений (подсхем).
В 1978 году комитетом ANSI/SPARC (ANSI, American National Standard Institute – Национальный институт стандартизации США; SPARC, Standard Planning and Requirements Committee – Комитет планирования стандартов и норм) официально зафиксировано различие между логическим и физическим представлением данных. В частности, была предложена обобщенная структура систем с базой данных.
Эта структура получила название трехуровневой архитектуры, включающей внутренний, концептуальный и внешний уровни (рис. 2.1).
Введение трехуровневой архитектуры БД позволило отделить пользовательское представление БД от ее физического представления.
Необходимость такого отделения обусловлена, прежде всего, следующими причинами:
· каждый пользователь должен иметь возможность обращаться к одним и тем же данным, используя собственное представление об этих данных, а также изменять его при необходимости, что не должно оказывать влияния на представление о данных других пользователей;
· обращение пользователя к БД на должно зависеть от особенностей хранения в ней данных;
· администратор БД может при необходимости изменять структуру хранения данных в базе, включая концептуальную структуру БД, причем данные действия не должны влиять на пользовательские представления данных;
· внутренняя структура хранения данных не должна зависеть от изменения физических устройств хранения информации.
Рис. 3.2. Трехуровневая архитектура СУБД
Таким образом, в трехуровневой модели СУБД :
Внутренний уровень – это уровень, определяющий физический вид БД, наиболее близкий к физическому хранению. Он связан со способами хранения информации на физических устройствах. К данному уровню имеют отношение дисководы, физические адреса, индексы, указатели и т.д. За работу данного уровня отвечают проектировщики физической БД, которые решают, какие физические устройства будут хранить данные, какие методы доступа к данным будут использоваться и какие меры следует принять для поддержания или повышения быстродействия СУБД. Для пользователей данный уровень закрыт.
Концептуальный уровень – структурный уровень, который дает представление о логической схеме БД. На данном уровне выполняется концептуальное проектирование БД, которое включает анализ информационных потребностей пользователей и определение нужных им элементов данных. Результатом концептуального проектирования является концептуальная схема БД, а также логическое описание всех элементов данных и отношений между ними. Как было сказано выше, концептуальная схема БД не связана напрямую с выбранной моделью данных и СУБД, в то время как логическая схема уже предполагает представление структуры данных в рамках выбранной модели (см. раздел 2).
Внешний уровень – структурный уровень БД, определяющий пользовательские представления данных. Каждый пользователь или группа пользователей получают свое собственное представление данных в БД. Такое пользовательское описание элементов данных и отношений между ними можно напрямую вывести из концептуальной схемы. Совокупность различных пользовательских представлений данных и образует внешний уровень .
В разделе 2.1 был показан пример схемы данных (рис. 2.1). Под схемой данных (схемой базы данных) понимается общее описание базы данных. В соответствии с трехуровневой архитектурой различают и три типа схем базы данных.
Внешнему уровню представления БД соответствуют, как правило, несколько внешних схем (подсхем) БД. Каждая из таких схем соответствует представлению данных определенной группы пользователей СУБД.
Концептуальная схема описывает все элементы данных, связи между ними, а также необходимые ограничения для поддержки целостности данных. Для каждой БД имеется только одна концептуальная схема данных.
Внутренняя схема является полным описанием внутренней модели данных и содержит определения хранимых записей, методы представления, описания полей данных, сведения об индексах и пр. Также как и для концептуальная схема, внутренняя схема для каждой БД только одна.
Исходя из различных схем БД в трехуровневой модели, следует, что СУБД должна устанавливать соответствие и следить за непротиворечивостью схем: внешними, концептуальной и внутренней.
Концептуальная схема - центральное связующее звено между каждой внешней схемой и внутренней схемой БД. Концептуальная схема связана с внутренней схемой посредством внутреннего концептуального отображения. Каждая внешняя схема, в свою очередь, связана с концептуальной схемой с помощью внешнего концептуального отображения, которое позволяет отображать пользовательское представление на соответствующую часть концептуальной схемы.
В теории и практике баз данных принято различать понятия «описание базы данных» и «база данных» .
Под описанием базы данных понимают схему БД, создаваемую в процессе проектирования БД, изменение которой предполагается в исключительных случаях.
Под базой данных понимается вся информация, содержащаяся в базе, которая может изменяться с течением времени. Совокупность информации, хранящейся в БД в любой определенный момент времени, называется состоянием базы данных . Таким образом, одной и той же схеме БД может соответствовать множество различных состояний БД. Состояние БД также называется детализацией .
Главное назначение трехуровневой архитектуры – обеспечение независимости от данных , т.е. любые изменения на нижних уровнях БД не должны влиять на верхние уровни.
Независимость бывает двух типов:
· логическая – полная защищенность внешних схем от изменений, которые вносятся в концептуальную схему;
· физическая – защищенность концептуальной схемы от изменений, которые вносятся во внутреннюю схему.
КОНСПЕКТ ОБЗОРНОЙ ЛЕКЦИИ
Для
студентов специальности
Т1002 «Программное обеспечение информационных технологий»
(Л.В. Рудикова, к.ф.-м.н., доцент)
Вопрос 31. АРХИТЕКТУРА СУБД. РЕЛЯЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ДАННЫХ
1. Понятие базы данных.
2. Трехуровневая архитектура базы данных.
3. Жизненный цикл базы данных.
4. Архитектура СУБД.
5. Реляционная модель данных.
6. Проектирование реляционных баз данных.
7. Нормальные формы отношений.
8. Реляционная алгебра.
1. Понятие базы данных.
Система с базой данных – это любая информационная система на базе компьютера, в которой данные могут совместно использоваться многими приложениями.
Информационная система – автоматическая система, организующая данные и выдающая информацию.
Информационно-управляющая система – система, обеспечивающая информационную поддержку менеджмента.
Данные – разрозненные факты.
Информация – организованные и обработанные данные.
Под базой данных понимается множество взаимосвязанных элементарных групп данных (информации), которые могут обрабатываться одной или несколькими прикладными системами. Система базы данных состоит из базы данных; программного обеспечения общего назначения, которая называется системой управления базой данных (СУБД) , и служит для управления базой данных; соответствующего оборудования и людей.
Каждая СУБД должна удовлетворять следующим требованиям:
· обеспечивать пользователю возможность создавать новые БД и определять их схему (логическую структуру данных) с помощью специального языка - языка определения данных ; поддерживать разнообразные представления одних и тех же данных;
· позволять «запрашивать » данные и изменять их с помощью языка запросов , или языка манипулирования данными ; допускать интеграцию и совместное использование данных различными приложениями;
· поддерживать хранение очень больших массивов данных, измеряемых гигабайтами и более, в течение долгого времени, защищая их от случайной порчи и неавторизованного использования, а также - обеспечивать модификацию БД и доступ к данным путем запросов, т.е. гарантировать безопасность и целостность данных;
· контролировать доступ к данным одновременно для многих пользователей; исключать влияние запроса одного пользователя на запрос другого и не допускать одновременный доступ, который может испортить данные, т.е. гарантировать управление параллельным доступом к данным.
Система с базой данных состоит из следующих компонентов:
· Пользователи, т.е. люди, которые используют данные.
· Приложения, т.е. программы пользователей, которым требуются данные из системы.
· СУБД – программное обеспечение, которое управляет доступом к данным и обеспечивает указанные функциональные возможности системы с базой данных.
· Данные, т.е. строки, хранящиеся в файлах.
· Система-хост – компьютерная система, в которой хранятся файлы. Доступ к строкам данных осуществляется системой-хостом. Роль СУБД состоит в том, чтобы генерировать запросы, позволяющие использовать функциональные возможности системы управления файлами системы-хоста для обслуживания различных приложений. СУБД – это дополнительный уровень программного обеспечения, надстроенный над программным обеспечением системы-хоста.
Таким образом, систему с БД можно представить в виде следующей последовательности уровней:
На самом нижнем уровне находятся данные, хранящиеся в физических файлах (физическая память БД). На верхнем уровне – приложений с их собственными представлениями одних и тех же физических данных. Каждой представление БД – это определенная логическая структура, построенная из лежащих в основе физических данных. Чтобы обеспечить интерфейс между физической памятью БД и ее разнообразными логическими версиями (множеством поддерживаемых представлений) СУБД, в свою очередь должна состоять из нескольких уровней.
2. Трехуровневая архитектура базы данных.
Различие между логическим и физическим представлением данных официально признано в 1978 году, когда комитет ANSI / SPARC предложил обобщенную структуру систем баз данных. Эта структура получила название трехуровневой архитектуры. Три уровня архитектуры следующие: внутренний, концептуальный и внешний.
Внутренний уровень – это уровень, определяющий физический вид базы данных, наиболее близкий к физическому хранению и связан со способами сохранения информации на физических устройствах хранения. С данным уровнем связаны дисководы, физические адреса, индексы, указатели и т.д. За этот уровень отвечают проектировщики физической БД, которые решают, какие физические устройства будут хранить данные, какие методы доступа будут использоваться для извлечения и обновления данных и какие меры следует принять для поддержания или повышения быстродействия системы управления базами данных. Пользователи не касаются этого уровня.
Концептуальный уровень – структурный уровень, определяющий логическую схему базы данных. На данном уровне выполняется концептуальное проектирование базы данных, которое включает анализинформационных потребностей пользователей и определение нужных им элементов данных. Результатом концептуального проектирования является концептуальная схема, логическое описание всех элементов данных и отношений между ними.
Внешний уровень – структурный уровень БД, определяющий пользовательские представления данных. Каждая пользовательская группа получает свое собственное представление данных в БД. Каждое такое представление данных дает ориентированное на пользователя описание элементов данных, из которых состоит представление данных, и отношений между ними. Его можно напрямую вывести из концептуальной схемы. Совокупность таких пользовательских представлений данных и дает внешний уровень.
|
Представления пользователей и приложений |
Внешний уровень |
|
Отображения |
|
|
Концептуальная схема |
Концептуальный уровень |
|
Отображение |
Внутренний уровень |
|
Система-хост |
|
|
Хранящиеся данные |
Рис. Уровни СУБД
3. Жизненный цикл базы данных.
Процесс проектирования, реализации иподдержания системы базы данных называется жизненным циклом базы данных (ЖЦБД). Процедура создания системы называется жизненным циклом системы (ЖЦС).
Понимание и правильный подход к ЖЦБД очень важен и требует детального рассмотрения, так как в его основе лежит подход, ориентированный на данные . Элементы данных более стабильны, чем выполняемые функции системы. Создание правильной структуры данных требует сложного анализа классов единиц данных и отношений между ними. Если построить логичную схему базы данных, то в дальнейшем можно создать любое количество функциональных систем, использующих эту схему. Функционально-ориентированный подход можно применять лишь для создания временных систем, которые рассчитаны на недолгое время функционирования.
ЖЦБД состоит из следующих этапов:
1. Предварительное планирование – планирование БД, выполняемое в процессе разработки стратегического плана БД. В процессе планирования собирается следующая информация:
· какие прикладные программы используются, и какие функции они выполняют;
· какие файлы связаны с каждым из этих приложений;
· какие новые приложения и файлы находятся в процессе работы.
Данная информация помогает определить, как используется информация приложений, определить будущие требования к системе БД.
Информация этого этапа документируется в виде обобщенной модели данных.
2. Проверка осуществимости . Здесь определяется технологическая, операционная и экономическая осуществимость плана создания БД, т. е.:
· технологическая осуществимость – есть ли технология для реализации запланированной БД?
· операционная осуществимость – есть ли средства и эксперты, необходимые для успешного осуществления плана создания БД?
· экономическая целесообразность – можно ли определить выводы? Окупится ли запланированная система? Можно ли оценить издержки и выгоду?
3. Определение требований включает выбор целей БД, выяснение информационных требований к системе и требований к оборудованию и программному обеспечению. Таким образом, на данном этапе сбора данных и определения требований создаётся общая информационная модель , выражающаяся в следующих задачах:
· Определяются цели системы путём анализа информационных потребностей. Здесь также обязательно указывается, какую именно БД следует создавать (распределённую, целостную) и какие коммуникационные средства необходимы. Выходной документ – комментарий, описывающий цели системы.
· Определение пользовательских требований: документация в виде обобщённой информации (комментарии, отчёты, опросы, анкеты и т. д.); фиксация функций системы и определение прикладных систем, которые будут выполнять эти требования. Данные представляются в виде соответствующих документов.
· Определение общих требований к оборудованию и программному обеспечению, связанных с поддержанием желаемого уровня быстродействия. (Выяснение количества пользователей системы, числа входных сообщений в день, количество распечаток). Данная информация используется для выбора типов компьютеров и СУБД, объёма дисков, количества принтеров. Данные этого этапа излагаются в отчёте, содержащем примерные конфигурации оборудования и программного обеспечения.
· Разработка плана поэтапного создания системы, включающий выбор исходных приложений.
4. Концептуальное проектирование – создание концептуальной схемы БД. Спецификации разрабатываются в той степени, которая необходима для перехода к реализации.
Основным выходным документом является единая инфологическая модель (или схема БД на концептуальном уровне ). При разработке данной модели используются информация и функции, которые должна выполнить система, определённые на этапе сбора и определения требований к системе. На данном этапе желательно также определить: 1) правила для данных; 2) правила для процессов; 3) правила для интерфейса.
5. Реализация – процесс превращения концептуальной модели в функциональную БД. Он включает в себя следующие этапы.
1) Выбор и приобретение необходимой СУБД.
2) Преобразование концептуальной (инфологической) модели БД в логическую и физическую модель данных:
· на основе инфологической модели данных строится схема данных для конкретной СУБД, при необходимости реализуется денормализация БД с целью ускорения обработки запросов во всех критичных по времени приложениях;
· определяются, какие прикладные процессы необходимо реализовать в схеме данных как хранимые процедуры;
· реализовать ограничения, предназначенные для обеспечения целостности данных и реализации правил для данных;
· спроектировать и сгенерировать триггеры для реализации всех централизованно определённых правил для данных и правил целостности данных, которые не могут быть заданы как ограничения;
· разработать стратегию индексирования и кластеризации; выполнить оценку размеров всех таблиц, кластеров и индексов;
· определить уровни доступа пользователей, разработать и внедрить правила обеспечения безопасности и аудита. Создать роли и синонимы для обеспечения многопользовательского доступа с согласованными уровнями полномочий доступа.
· разработать сетевую топологию БД и механизм бесшовного доступа к удалённым данным (реплицированная или распределённая БД).
3) Построение словаря данных, который определяет хранение определений структуры данных БД. Словарь данных также содержит информацию о полномочиях доступа, правилах защиты данных и контроля данных.
4) Заполнение базы данных.
5) Создание прикладных программ, контроль управления.
6) Обучение пользователей.
6. Оценка и усовершенствование схемы БД. Включает опрос пользователей с целью выяснения функциональных неучтенных потребностей. При необходимости вносятся изменения, добавление новых программ и элементов данных по мере изменения и расширения потребностей.
Таким образом, ЖЦБД включает в себя:
· Изучение предметной области и представление соответствующей документации (1-3).
· Построение инфологической модели (4).
· Реализация (5).
· Оценка работы и поддержка БД (6).
4. Архитектура СУБД.
Рис. Главные компоненты СУБД
Данные, метаданные - содержат не только данные, но и информацию о структуре данных (метаданные ). В реляционной СУБД метаданные включают в себя системные таблицы (отношения), имена отношений, имена атрибутов этих отношений и типы данных этих атрибутов.
Часто СУБД поддерживает индексы данных. Индекс - это структура данных, которая помогает быстро найти элементы данных при наличии части их значения (например, индекс, который находит кортежи конкретного отношения, имеющие заданное значение одного из атрибутов). Индексы - часть хранимых данных, а описания, указывающие, какие атрибуты имеют индексы - часть метаданных.
Менеджер памяти -получает требуемую информацию из места хранения данных и изменяет в нем информацию по требованию расположенных выше уровней системы.
В простых системах БД менеджером памяти может служить система файлов операционной системы. Однако для повышения эффективности, СУБД обычно осуществляет прямой контроль памяти. Менеджер памяти состоит из двух компонентов:
· Менеджер файлов контролирует расположение файлов на диске и получает блок или блоки, содержащие файлы, по запросу менеджера буфера (диск в общем случае делится на дисковые блоки - смежные области памяти, содержащие от 4000 до 16000 байт).
· Менеджер буфера управляет основной памятью. Он получает блоки данных с диска через менеджер файлов и выбирает страницу основной памяти для хранения конкретного блока. Он может временно сохранять дисковый блок в основной памяти, но возвращает его на диск, когда страница основной памяти нужна для другого блока. Страницы также возвращаются на диск по требованию менеджера транзакций.
Процессор «запроса» - обрабатывает запросы и запрашивает изменения данных или метаданных. Он предлагает лучший способ выполнения необходимой операции и выдает соответствующие команды менеджеру памяти.
Процессор (менеджер) запросов превращает запрос или действие с БД, которые могут быть выполнены на очень высоком уровне (например, в виде запроса SQL ), в последовательность запросов на хранимые данные типа отдельных кортежей отношения или частей индекса на отношении. Часто самой трудной частью обработки запроса является его организация , т. е. выбор хорошего плана запроса или последовательности запросов к системе памяти, отвечающей на запрос.
Менеджер транзакций - отвечает за целостность системы и должен обеспечить одновременную обработку многих запросов, отсутствие интерференции запросов (сложение, min , max ) и защиту данных в случае выхода системы из строя. Он взаимодействует с менеджером запросов, т. к. должен знать, на какие данные воздействуют текущие запросы (для избежания конфликтных ситуаций), и может отложить некоторые запросы и операции для избежания конфликтов. Менеджер транзакций взаимодействует также с менеджером памяти, т. к. схемы защиты данных обычно включают в себя хранение файла регистрации изменений данных. При правильном порядке выполнения операции файл регистрации будет содержать запись изменений, поэтому можно заново выполнить даже те изменения, которые не достигли диска из-за сбоя в системе.
Типичные СУБД позволяют пользователю сгруппировать несколько запросов и/или изменений в одной транзакции. Транзакция - это группа операций, которые необходимо выполнить последовательно, как одно целое.
Как правило, система БД поддерживает одновременно множество транзакций. Именно правильное выполнение всех таких транзакций и обеспечивает менеджер транзакций . Правильное выполнение транзакций обеспечивается ACID -свойствами (atomicity , consistency , isolation , durability ):
· атомарность - выполнение либо всех транзакций, либо ни одной из них (например, изъятие денег из банкомата и внесение соответственного дебета в счет клиента должны быть единственной атомарной транзакцией, не допускается выполнение каждой из этих операций по отдельности);
· непротиворечивость - состояние, при котором данные соответствуют всем возможным ожиданиям (например, условие непротиворечивости для БД авиационных линий состоит в том, что ни одно из мест в самолете не бронируется для двух пассажиров);
· изоляция - при параллельном выполнении двух или более транзакций их результаты должны быть изолированы друг от друга. Одновременное выполнение двух транзакций одновременно не должно привести к результату, которого не было бы, если они выполнялись последовательно (например, при продаже билетов на один и тот же рейс в случае свободного последнего места при одновременном запросе двух агентов, запрос одного должен быть выполнен, другого - нет);
· долговременность - после завершения транзакции результат не должен бытьутрачен в случае сбоя системы, даже если этот сбой происходит сразу после завершения транзакции.
Рассмотрим также 3 типа обращения к СУБД:
1. Запросы - вопросы по поводу данных могут генерироваться двумя способами:
a) с помощью общего интерфейса запросов (например, реляционная СУБД допускает запросы SQL , которые передаются процессору запросов, а также получает ответы на них);
б) с помощью интерфейсов прикладных программ - запросы передаются через специальный интерфейс (через этот интерфейс нельзя передавать произвольные запросы);
2. Модификации - это операции по изменению данных. Они также могут выполняться либо с помощью общего интерфейса, либо через интерфейс прикладной программы;
3. Модификации схемы - это команды администраторов БД, которые имеют право изменять схему БД или создавать новую БД.
Архитектура клиент/сервер. Во многих вариантах современного ПО реализуется архитектура клиент/сервер : один процесс (клиент) посылает запрос для выполнения другому процессу (серверу). Как правило, БД часто разделяется на процесс сервера и несколько процессов клиента.
В простейшей архитектуре клиент/сервер вся СУБД является сервером, за исключением интерфейсов запроса, которые взаимодействуют с пользователем и посылают запросы или другие команды на сервер. Например, реляционная СУБД часто использует язык SQL для представления запросов от клиента к серверу. Затем сервер БД предоставляет клиенту ответ в виде таблицы (отношения). Существует тенденция увеличения нагрузки на клиента, т. к. при наличии множества одновременно работающих пользователей БД с сервером могут возникнуть проблемы.
5. Реляционная модель данных.
РМД некоторой предметной области представляет собой набор отношений, изменяющихся во времени. При создании информационной системы совокупность отношений позволяет хранить данные об объектах предметной области и моделировать связи между ними.
Отношение представляет собой двумерную таблицу, содержащую некоторые данные. Математически под N -арным отношением R понимают множество декартова произведения D 1 D 2 … D n множеств (доменов ) D 1, D 2 , …, D n (), необязательно различных:
R D 1 D 2 … D n ,
где D 1 D 2 … D n – полное декартово произведение, т.е. набор всевозможных сочетаний из n элементов каждое, где каждый элемент берется их своего домена.
Домен - это семантическое понятие. Домен можно рассматривать как подмножество значений некоторого типа данных имеющих определенный смысл. Домен характеризуется следующими свойствами:
· Домен имеет уникальное имя (в пределах базы данных).
· Домен определен на некотором простом типе данных или на другом домене.
· Домен может иметь некоторое логическое условие , позволяющее описать подмножество данных, допустимых для данного домена.
· Домен несет определенную смысловую нагрузку .
Атрибут отношения есть пара вида <Имя_атрибута: Имя_домена>. Имена атрибутов должны быть уникальны в пределах отношения. Часто имена атрибутов отношения совпадают с именами соответствующих доменов.
Отношение R , определенное на множестве доменов, содержит две части: заголовок и тело.
Заголовок отношения – это фиксированное количество атрибутов отношения:
Заголовок отношения описывает декартово произведение доменов, на котором задано отношение. Заголовок статичен, он не меняется во время работы с базой данных. Если в отношении изменены, добавлены или удалены атрибуты, то в результате получим уже другое отношение (пусть даже с прежним именем).
Тело отношения содержит множество кортежей отношения. Каждый кортеж отношения представляет собой множество пар вида <Имя_атрибута: Значение_атрибута>:
таких что значение атрибута принадлежит домену . Тело отношения представляет собой набор кортежей, т.е. подмножество декартового произведения доменов. Таким образом, тело отношения собственно и является отношением в математическом смысле слова. Тело отношения может изменяться во время работы с базой данных - кортежи могут изменяться, добавляться и удаляться.
Отношение обычно записывается в виде:
или короче
,
или просто
Число атрибутов в отношении называют степенью (или -арностью ) отношения. Мощность множества кортежей отношения называют мощностью отношения.
Схемой отношения называется перечень имен атрибутов данного отношения с указанием домена, к которому они относятся:
Если атрибуты принимают значения из одного и того же домена, то они называются -сравнимыми, где – множество допустимых операций сравнений, заданных для данного домена. Например, если домен содержит числовые данные, то для него допустимы все операции сравнения, тогда . Однако, и для доменов, содержащих символьные данные, могут быть заданы не только операции сравнения по равенству и неравенству значений. Если для данного домена задано лексикографическое упорядочение, то он имеет также полный спектр операций сравнения.
Схемы двух отношений называются эквивалентными , если они имеют одинаковую степень и возможно такое упорядочение имен атрибутов в схемах, что на одинаковых местах будут находиться сравнимые атрибуты, то есть атрибуты, принимающие значения из одного домена:
Пусть
– схема отношения . 
– схема отношения после упорядочения
имен атрибутов. Тогда
~ 
Таким образом, для эквивалентных отношений выполняются следующие условия:
· Таблицы имеют одинаковое количество столбцов.
· Таблицы содержат столбцы с одинаковыми наименованиями.
· Столбцы с одинаковыми наименованиями содержат данные из одних и тех же доменов.
· Таблицы имеют одинаковые строки с учетом того, что порядок столбцов может различаться.
Все такие таблицы есть различные изображения одного и того же отношения.
Свойства отношений. Свойства отношений непосредственно следуют из приведенного выше определения отношения. В этих свойствах в основном и состоят различия между отношениями и таблицами.
· В отношении нет одинаковых кортежей .
· Кортежи не упорядочены (сверху вниз) .
· Атрибуты не упорядочены (слева направо) .
· Все значения атрибутов атомарны .
Рис. Схематическое изображение отношения
Реляционная модель представляет собой базу данных в виде множества взаимосвязанных отношений. В каждой связи одно отношение может выступать как основное, а другое отношение выступает в роли подчиненного. Таким образом, один кортеж основного отношения может быть связан с несколькими кортежами подчиненного отношения. Для поддержки этих связей оба отношения должны содержать наборы атрибутов, по которым они связаны. В основном отношении это первичный ключ отношения , который однозначно определяет кортеж основного отношения. В подчиненном отношении для моделирования связи должен присутствовать набор атрибутов, соответствующий первичному ключу основного отношения. Однако здесь этот набор атрибутов уже является вторичным ключом или внешним ключом , т.е. он определяет множество кортежей отношения, которые связаны с единственным кортежем основного отношения.
6. Проектирование реляционных баз данных.
При проектирование реляционной БД должны быть решены следующие проблемы:
1) С учетом семантики предметной области необходимо наилучшим способом представить объекты предметной области в виде абстрактной модели данных (даталогическое проектирование). Т.е. - определиться со схемой БД: из каких отношений должны состоять БД, какие атрибуты должны быть у этих отношений, каковы связи между отношениями.
2) Обеспечить эффективность выполнения запросов к базе данных (физическое проектирование БД).
После проведения этапа даталогического проектирования должны быть получены следующие результирующие документы:
· Построение корректной схемы данных ориентируясь на реляционную модель данных.
· Описание схемы БД в терминах выбранной СУБД.
· Описание внешних моделей в терминах выбранной СУБД.
· Описание декларативных правил поддержки целостности БД.
· Разработка процедур поддержки семантической целостности БД.
Итак, задача проектирования реляционной БД состоит в выборе схемы базы из множества альтернативных вариантов.
Корректной называется схема БД, в которой отсутствуют нежелательные зависимости между атрибутами отношений. Процесс разработки корректной схемы БД называется логическим проектированием .
Проектирование схемы БД можно выполнить двумя методами:
· Метод декомпозиции (разбиения) – исходное множество отношений, входящих в схему БД заменяется другим множеством отношений, являющихся проекциями исходных отношений! При этом число отношений возрастает.
· Метод синтеза – компоновка схемы БД из заданных исходных элементарных зависимостей между объектами предметной области.
Классическое проектирование БД связано с теорией нормализацией , которая основана на анализе функциональных зависимостей между атрибутами отношений. Функциональные зависимости определяют устойчивые отношения между объектами и их свойствами в рассматриваемой предметной области.
Метод декомпозиции представляет собой процесс последовательной нормализации схем отношений: каждая новая итерация соответствует нормальной форме более высокого порядка и обладает лучшими свойствами по сравнению с предыдущей. Т.о., изначально предполагается существование универсального отношения, содержащего все атрибуты БД, затем на основе анализа связей между атрибутами осуществляется (или – делается попытка осуществить) декомпозиция универсального отношения, т.е. переход к нескольким отношениям меньшей размерности, причем исходное отношение должно восстанавливаться с помощью операции естественного соединения.
Итак, каждой нормальной форме соответствует некоторый определенный набор ограничений, и отношений находится в некоторой нормальной форме, если удовлетворяет свойственному ей набору ограничений.
В теории реляционных БД обычно выделяют следующие нормальные формы:
первая нормальная форма (1 NF );
· вторая нормальная форма (2 NF );
· третья нормальная форма (3 NF );
· нормальная форма Байса-Кодда (BCNF );
· четвертая нормальная форма (4 NF );
· пятая нормальная форма или форма проекции - соединения (5 NF или PYNF ).
Основные свойства нормальных форм:
· каждая следующая нормальная форма в некотором смысле лучше предыдущей;
· при переходе к следующей нормальной форме свойства предыдущих нормальных свойств сохраняются.
Схемы БД называются эквивалентными , если содержание исходной БД можно получить естественным соединением отношений, входящих в результирующую схему, и при этом не появляется новых кортежей в исходной БД.
7. Нормальные формы отношений.
В основе процесса нормализации лежит адекватное отражение предметной области в виде таблиц, содержащих данные о моделируемом объекте, и возможность изменения состояния базы данных с течением времени. Как правило, из-за несоответствия модели данных предметной области могут возникнуть аномалии, которые проявляются при выполнении соответствующих операций:
· Аномалии вставки (INSERT) – хранение в одном отношении разнородной информации.
· Аномалии обновления (UPDATE) –избыточность данных отношения из-за хранения разнородной.
· Аномалии удаления (DELETE) – хранение разнородной информации в одном отношении.
Следует учитывать также возникающие неопределенные ( NULL ) значения . В разных СУБД при выполнении различных операций (сравнение, объединение, сортировка, группировка и др.) два NULL -значения могут быть или не быть равными друг другу, по разному влиять на результат выполнения операций по определению средних значений и нахождения количества значений. Для исключения ошибок во многих СУБД существует возможность замены NULL -значения нулем при выполнении расчетов, объявление всех NULL -значений равными друг другу и т.п.
Нормализация – разбиение таблицы на несколько, которые обладают лучшими свойствами при обновлении, вставке и удалении данных. Т.е. нормализация представляет собой процесс последовательной замены таблицы ее полными декомпозициями до тех пор, пока все они не будут находиться в 5НФ, однако, на практике достаточно привести таблицы к НФБК.
Процедура нормализации основывается на том, что единственными функциональными зависимостями в любой таблице должны быть зависимости вида , где - первичный ключ, а - некоторое другое поле. Поэтому в процессе нормализации следует избавиться от всех "других" функциональных зависимостей, т.е. от тех, которые имеют иной вид, чем .
Если заменить на время нормализации коды первичных (внешних) ключей, то следует рассмотреть 2 случая:
1. Таблица имеет составной первичный ключ, например и поле , которое функционально зависит от части этого ключа, например, от (от полного ключа не зависит). Рекомендуется сформировать другую таблицу, содержащую и ( – первичный ключ), и удалить из первоначальной таблицы:
Заменить , первичный ключ , ФЗ
на , первичный ключ
и , первичный ключ .
2. Таблица имеет первичный (возможный) ключ , поле , которое не является возможным ключом, но функционально зависит от , а также – другое неключевое поле , функционально зависящее от : . Рекомендуется сформировать таблицу содержащую и ( - первичный ключ), и – удалить из первоначальной таблицы: Следует заметить, что для проведения таких операций первоначально следует иметь, в качестве входных данных некоторые «большие» (универсальные) отношения.
Опр.1. Отношение находится в первой нормальной форме (1НФ) тогда и только тогда, когда ни одна из его строк не содержит в любом своем поле одного значения и ни одного из ключевых полей отношения не пусто.
По опр.1, любое отношение будет находиться в 1НФ, т.е. отношение, удовлетворяющее свойствам отношений: в отношении нет одинаковых кортежей; кортежи не упорядочены; атрибуты не упорядочены и различаются по наименованию; все значения атрибутов атомарны.
Опр.2. Отношение находится во второй нормальной форме (2НФ) тогда и только тогда, когда отношение находится в 1НФ и нет неключевых атрибутов, зависящих от части сложного ключа (т.е. все поля, не входящие в первичный ключ, связаны полной функциональной зависимостью с первичным ключом).
Если потенциальный ключ является простым, то отношение автоматически находится в 2НФ.
Чтобы устранить зависимость атрибутов от части сложного ключа, необходимо произвести декомпозицию отношения на несколько отношений. Атрибуты, которые зависят от части сложного ключа, выносятся в отдельное отношение.
Атрибуты отношения называются взаимно-независимыми , если ни один из них не является функционально зависимым от другого.
Опр.3. Отношение находится в третьей нормальной форме (3НФ) тогда и только тогда, когда отношение находятся в 2НФ и все неключевые атрибуты взаимно независимы (т.е. ни одно из неключевые полей отношения не зависит функционально от любого другого неключевого поля).
Чтобы устранить зависимость неключевых атрибутов, нужно произвести декомпозицию отношения на несколько отношений. При этом те неключевые атрибуты, которые являются зависимыми, выносятся в отдельное отношение.
При приведении отношений при помощи алгоритма нормализации к отношениям в 3НФ предполагается, что все отношения содержат один потенциальный ключ. Это не всегда верно. Бывают случаи, когда отношение может содержать несколько ключей.
Опр.4. Отношение находится в нормальной форме Байса-Кодда (НФБК) тогда и только тогда, когда детерминанты всех функциональных зависимостей являются потенциальными ключами (либо - если любая функциональная зависимость между его палями сводится к полной функциональной зависимости от возможного ключа).
Если отношение находится в НФБК, то оно автоматически находится в 3НФ, что следует из определения 4. Чтобы устранить зависимость от детерминантов, не являющихся потенциальными ключами, следует провести декомпозицию, вынося эти детерминанты и зависимые от них части в отдельное отношение.
Бывают случаи, когда отношение не содержит никаких функциональных зависимостей. Т.е. отношение является полностью ключевым, т.е. ключом отношения является все множество атрибутов. Т.о., мы имеем многозначную зависимость, т.к. взаимосвязь между атрибутами все-таки имеется.
Опр.5. Отношение находится в четвертой нормальной форме (4НФ) тогда и только тогда, когда отношение находится в НФБК и не содержит нетривиальных многозначных зависимостей.
Отношения с нетривиальными многозначными зависимостями возникают, как правило, в результате естественного соединения двух отношений по общему полю, которое не является ключевым ни в одном из отношений. Реально это ведет к хранению в одном отношении информации о двух независимых сущностях.
Для устранения нетривиальных многозначных зависимостей можно декомпозировать исходное отношение на несколько новых.
Опр.6. Отношение находится в пятой нормальной форме (5НФ) тогда и только тогда, когда любая имеющаяся зависимость соединения является тривиальной.
Опр.6. тождественно также следует определению.
Опр.7. Отношение не находится в 5НФ, если в отношении найдется нетривиальная зависимость соединения.
Т.о. если в каждой полной декомпозиции все проекции исходного отношения содержат возможный ключ, можно сделать вывод о том, что отношение находится в 5НФ. Отношение, не имеющее ни одной полной декомпозиции также находится в 5НФ.
Не зная ничего о том, какие потенциальные ключи имеются в отношении и как взаимосвязаны атрибуты, нельзя утверждать, что данное отношение находится в 5НФ или в других нормальных формах.
Возможным ключом отношения называется набор атрибутов отношения, который полностью и однозначно (функционально полно) определит значения всех остальных атрибутов отношения. В общем случае в отношении может быть несколько возможных ключей. Среди всех возможных ключей отношения как правило выбирают один, который считается главным и который называют первичным ключом отношения.
Взаимно-независимые атрибуты – это атрибуты, не зависящие один от другого. Если в отношение существует несколько ФЗ, то каждый атрибут или набор атрибутов, от которого зависит другой атрибут, называется детерминантом отношения.
9. Реляционная алгебра.
Реляционная алгебра представляет собой основу доступа к реляционным данным. Основная цель алгебры – обеспечить запись выражений. Выражения могут использоваться для:
· определения области выборки , т.е. определения данных для их выбора, как результата операции выборки;
· определения области обновления , т.е. определения данных для их вставки, изменения или удаления, как результата операции обновления;
· определение (именованных) виртуальных отношений , т.е. представление данных для их визуализации через представления;
· определение снимка, т.е. определение данных для сохранения в виде «мгновенного снимка» отношения;
· определение правил безопасности, т.е. определение данных, для которых осуществляется контроль доступа;
· определение требований устойчивости, т.е. определение данных, которые входят в область для некоторых операций управления одновременным доступом;
· определение правил целостности, т.е. некоторых особых правил, которым должна удовлетворять база данных, наряду с общими правилами, представляющими часть реляционной модели и применяемыми к каждой базе данных.
В реализациях конкретных реляционных СУБД сейчас не используется в чистом виде ни реляционная алгебра, ни реляционное исчисление. Фактическим стандартом доступа к реляционным данным стал язык SQL (Structured Query Language).
Реляционная алгебра, определенная Коддом состоит из 8 операторов, составляющих 2 группы:
- традиционные операции над множествами (объединение, пересечение, вычитание, декартово произведение);
- специальные реляционные операции (выборка, проекция, соединение, деление).
Кроме того, в состав алгебры включается операция присваивания, позволяющая сохранить в базе данных результаты вычисления алгебраических выражений, и операция переименования атрибутов, дающая возможность корректно сформировать заголовок (схему) результирующего отношения.
Краткий обзор операторов реляционной алгебры.
Выборка – возвращает отношение, которое содержит все кортежи определенного отношения, удовлетворяющие некоторым условиям. Операция выборки называется также операцией ограничения (restrict - ограничение, сейчас чаще принимается выборка - SELECT ).
Проекция – возвращает отношение, содержащее все кортежи (т.е. - под кортежи) определенного отношения после исключения из него некоторых атрибутов.
Произведение – возвращает отношение, содержащее всевозможные кортежи, которые являются сочетанием двух кортежей, принадлежащих соответственно двум определенным отношениям.
Объединение – возвращает отношение, содержащее все кортежи, которые принадлежат или одному из двух определенных отношений, или обоим.
Пересечение – возвращает отношение, содержащее все кортежи, которые принадлежат одновременно двум определенным отношениям.
Вычитание – возвращает отношение, содержащее все кортежи, которые принадлежат первому из двух определенных отношений и не принадлежат второму.
Соединение (естественное) – возвращает отношение, кортежи которого - это сочетание двух кортежей (принадлежащих соответственно двум определенным отношениям), имеющих общее значение для одного или нескольких общих атрибутов этих двух отношений (и такие общие значения в результирующем кортеже появляются только один раз, а не дважды).
Деление – для двух отношений, бинарного и унарного, возвращает отношение, содержащее все значения одного атрибута бинарного отношения, которые соответствуют (в другом атрибуте) всем значениям в унарном отношении.
ЛИТЕРАТУРА
1. Дейт К.Дж. Введение в системы баз данных, 6-е издание: Пер. с англ. – К.; М.; СПб.: Издательский дом «Вильямс», 2000. – 848 с.
2. Конноли Т., Бегг К., Страчан А. Базы данных: проектирование, реализация и сопровождение. Теория и практика, 2-е изд.: Пер. с англ. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2000. – 1120 с.
3. Карпова Т.С. Базы данных: модели, разработка, реализация. – СПб.: Питер, 2001. – 304 с.
4. Фаронов В.В., Шумаков П.В. Delphi 4. Руководство разработчика баз данных. – М.: «Нолидж», 1999. – 560 с.
5. Дж. Грофф, П.Вайнберг. SQL: Полное руководство: Пер. с англ. – К.: Издательская группа BHV, 2001. – 816 с.
6. Кен Гетц, Пол Литвин, Майк Гилберт. Access 2000. Руководство разработчика. Т.1, 2. Пер. с англ. – К.: Издательская группа BHV, 2000. – 1264 с, 912 c.
7. Маклаков С.В BPwin и EPwin. CASE-средства разработки информационных систем. – М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2001. – 304 с.
8. Ульман Д., Уидом Д. Введение в системы баз данных / Пер. с англ. – М.: «Лори», 2000. – 374 с.
9. Хомоненко А.Д., Цыганков В.М., Мальцев М.Г. Базы данных: Учебник для высших учебных заведений / Под ред. Проф. А.Д.Хомоненко. – Спб.: КОРОНА принт, 2000. – 416 с.
Рис. 1.3. Архитектура СУБД
Архитектура СУБД.
В современных системах БД выделяют 3 уровня представления данных: внешний, концептуальный и внутренний (рис. 1.3). Внешний уровень отражает представление пользователей на БД. Внутренний уровень отражает представление, на котором СУБД и ОС воспринимают данные. Концептуальный (логический) уровень – связан с обобщенным представлением всех пользователей БД (это взгляд администратора БД).
Этот подход является общепризнанным и существует уже более 30 лет. Первые предложения по многоуровневой архитектуре были выдвинуты рабочей группой CODACYL в 1971 г. В 1975 г. Комитет планирования стандартов и норм SPARC (Standarts Planning and Requirements Committee) Американского национального института стандартов FNSI (American National Stsndsrt Institute) предложил обобщенную 3-х уровневую структуру СУБД, которая была официально признана в 1978 г и получила название ANSI SPARC.
Первая попытка создания стандартной терминологии и общей архитектуры СУБД была предпринята в 1971 году группой DBTG, признавшей необходимость использования двухуровневого подхода, построенного на основе использования системного представления, т.е. схемы, и пользовательских представлений, т.е. подсхем. Сходные терминология и архитектура были предложены в 1975 году Комитетом планирования стандартов и норм SPARC. Комитет ANSI/SPARC признал необходимость использования трехуровневого подхода. Хотя модель ANSI/SPARC не стала стандартом, тем не менее она все еще представляет собой основу для понимания некоторых функциональных особенностей СУБД.
В данном случае наиболее важным моментом в этих и последующих разработках является идентификация трех уровней абстракции, т.е. трех различных уровней описания элементов данных. Эти уровни формируют трехуровневую архитектуру, которая охватывает внешний, концептуальный и внутренний уровни. Цель трехуровневой архитектуры заключается в отделении пользовательского представления базы данных от ее физического представления. Ниже перечислено несколько причин, по которым желательно выполнять такое разделение.
· Каждый пользователь должен иметь возможность обращаться к одним и тем же данным, используя свое собственное представление о них. Каждый пользователь должен иметь возможность изменять свое представление о данных, причем это изменение не должно оказывать влияния на других пользователей.
· Пользователи не должны непосредственно иметь дело с подробностями физического хранения данных в базе
· Администратор базы данных должен иметь возможность изменять структуру хранения данных в базе, не оказывая влияния на пользовательские представления.
· Внутренняя структура базы данных не должна зависеть от таких изменений физических аспектов хранения информации, как переход на новое устройство хранения.
· АБД должен иметь возможность изменять концептуальную или глобальную структуру базы данных без какого-либо влияния на всех пользователей.
Уровень, на котором воспринимают данные пользователи, называется внешним уровнем (external level), тогда как СУБД и операционная система воспринимают данные на внутреннем уровне (internal level). Именно на внутреннем уровне данные реально сохраняются с использованием всех тех структур и файловой организации. Концептуальный уровень (conceptual level) представления данных предназначен для отображения внешнего уровня на внутренний и обеспечения необходимой независимости друг от друга.
Основным назначением такой архитектуры является обеспечение независимости данных, суть которого заключается в том, что изменения на нижних уровнях архитектуры не влияют на верхние уровни.
Внешний уровень – это пользовательский уровень. Пользователем может быть программист, конечный пользователь или администратор БД. Представление с точки зрения пользователя называется внешним представлением. Оно отражает представление пользователя о данных в БД в удобной для него форме (например, для бухгалтерии - это данные о студентах, которым начисляется стипендия, при этом не важно, какие у них оценки. Для деканата данные о тех же студентах будут содержать сведения об их оценках в сессию и т.п.) . Эти частичные представления пользователей о БД называют подсхемой БД. При этом каждый пользователь может использовать свои языковые и программные средства для работы с БД.
Концептуальный уровень является промежуточным уровнем и обеспечивает представление всей БД в абстрактной форме. Описание БД на этом уровне называют концептуальной схемой, которая является результатом концептуального проектирования. Концептуальная схема отражает интересы всех пользователей и представляет собой единое логическое описание всех элементов данных и отношений между ними, образуя логическую структуру всей БД.
Концептуальная схема должна содержать:
· объекты и атрибуты предметной области;
· связи между объектами;
· ограничения, накладываемые на данные;
· семантическую информацию о данных;
· обеспечение безопасности данных;
· поддержку целостности данных.
Концептуальный уровень поддерживает каждое внешнее представление, в том смысле, что любые доступные пользователю данные должны содержаться (или могут быть вычислены) на этом уровне. Однако на этом уровне не содержаться сведения о методах хранения данных.
Внутренний уровень характеризует внутреннее представление. Оно не связано с физическим уровнем, т.к. физический уровень хранения информации обладает существенной индивидуальностью для каждой системы. На внутреннем уровне все эти особенности не учитываются, а вся область хранения представляется как бесконечное линейное адресное пространство. На нижнем уровне находится внутренняя схема, которая является полным описанием внутренней модели данных. Для каждой БД она только одна. Внутренняя схема описывает физическую реализацию и предназначена для достижения оптимальной производительности и обеспечения экономного использования дискового пространства. На внутреннем уровне хранится следующая информация:
· распределение дискового пространства для хранения данных и индексов;
· описание подробностей сохранения записей (типы, размеры элементов данных и др.);
· сведение о размещении записей;
· сведения о сжатии записей и выбранных методах шифрования.
СУБД отвечает за установление соответствия между всеми тремя уровнями и поддержку их непротиворечивости.
СУБД является сложным программным продуктом и должна обеспечивать выполнение всех определенных ранее функций. Следует отметить, что некоторые функции могут выполняться ОС. Поэтому при проектировании СУБД следует учитывать особенности интерфейса СУБД с ОС.
В структуре СУБД выделяют ядро СУБД (рис. 1.4), которое включает транслятор с языка БД (ЯОД И ЯМД), подсистему поддержки времени выполнения (управление данными во внешней памяти, управление собственными буферами оперативной памяти, управление журнализацией), подсистему управления транзакциями. Кроме того в состав СУБД входит набор утилит, который существенно зависит от выбранной СУБД. В некоторых СУБД эти части явно не выделены, но логически присутствуют всегда.
Ядро СУБД отвечает за управление данными во внешней памяти, управление буферами ОП, управление транзакциями и ведение журналов. Каждая функция реализуется в виде соответствующего менеджера (менеджер транзакций, менеджер буферов и т.д.). Эти функции взаимосвязаны и должны работать под управлением четко проверенных протоколов. Ядро СУБД обладает собственным интерфейсом, недоступным пользователю напрямую и является резидентной частью СУБД. При использовании архитектуры «клиент-сервер» оно является основной составляющей серверной части. Поэтому программа, обеспечивающая выполнение функций СУБД называется машина БД.
В структуре программного комплекса СУБД можно выделить:
Процессор запросов – преобразует запросы в последовательность низкоуровневых инструкций для контроллера БД.
Транслятор с ЯОД – преобразует его команды в набор таблиц, содержащих метаданные. Эта информация хранится в системном каталоге, а управляющая информация – в заголовке файлов.
Транслятор с ЯМД – преобразует внедренные в прикладные программы операторы в вызовы стандартных функций базового языка. Взаимодействует с процессором запросов.
