Базы данных

Базы данных и их классификация

Одной из задач информационных систем является хранение данных из определенной предметной области.

Предметная область – это часть реального мира, объединяющая схожие или связанные понятия. Чтобы необходимые данные можно было легко найти и выдать пользователю в любой момент времени, данные о предметной области должны храниться структурировано.

Термин «база данных» (database) был введен в обиход в области вычислительной техники примерно в 1962 году.

База данных (БД) – это именованная совокупность структурированных данных, относящихся к определенной предметной области.

«База данных – это совокупность связанных данных, организованных по определенным правилам, предусматривающим общие принципы описания, хранения и манипулирования, независимая от прикладных программ».

Создание, поддержка и обеспечение доступа к БД пользователей осуществляется с помощью специального программного инструментария – системы управления базами данных (СУБД).

СУБД является частью информационной системы.

Система управления базами данных (СУБД) - приложение, обеспечивающее создание, хранение, обновление и поиск информации в базах данных. СУБД осуществляют взаимодействие между базой данных и пользователями системы, а также между базой данных и прикладными программами, реализующими определенные функции обработки данных.

Основные понятия:

Целостность данных. В общем случае целостность данных означает корректность данных и их непротиворечивость. Для обеспечения целостности накладывают ограничения целостности. В частности, эти ограничения могут иметь вид логических выражений, значения которых всегда должны быть «истина». Если значение хотя бы одного логического выражения ограничения целостности данных принимает значение «ложь», то имеет место быть нарушение целостности данных. Ограничения такого вида иногда называют бизнес-правилами. Примеры ограничений: вес детали должен быть положительным; цвет детали должен быть «Красный», «Синий» или «Зеленый»; возраст родителей не может быть меньше возраста их биологического ребенка.

Целостность транзакций.

под транзакцией понимается неделимая с точки зрения воздействия на базу данных последовательность операторов манипулирования данными (чтения, удаления, вставки, модификации), приводящая к одному из двух возможных результатов: либо последовательность выполняется, если все операторы правильные, либо вся транзакция откатывается, если хотя бы один оператор не может быть успешно выполнен.

Изолированность. Основу изолированности в многопользовательских системах, где с одной базой данных параллельно могут работать несколько пользователей или прикладных программ, также составляют транзакции. Одна из основных задач СУБД – обеспечение изолированности, т.е. создание такого режима функционирования, при котором каждому пользователю казалось бы, что база данных доступна только ему. Такую задачу СУБД принято называть параллелизмом транзакций.

Поддержание журнала аудита или журналирование. Все операции, выполняемые в СУБД, должны регистрироваться (или записываться) на физическом и логическом уровне в терминах событий, происходящих в базе данных. Для каждого изменения в структурах хранилища заводится отдельная запись, описывающая изменяемую структуру и собственно изменение. Это выполняется способом, позволяющим повторить изменение или, при необходимости, отменить изменение и вернуть все в исходное состояние. Записи хранятся в специальном файле, который называется журналом транзакций.

Восстановление. Восстановление представляет собой процесс воспроизведения в базе данных изменений, описанных в записях журнала, или возврат базы данных к состоянию до этих изменений.

Безопасность данных. Защита данных от несанкционированной, случайной или намеренной модификации, разрушения или раскрытия.

К основным функциям СУБД относятся:

• Непосредственное управление данными во внешней и оперативной памяти и обеспечение эффективного доступа к данным в процессе решения задач.

• Поддержание целостности данных и управление транзакциями.

• Ведение системного журнала изменений в базе данных, что обеспечивает восстановление базы данных после технического или программного сбоя.

• Реализация поддержки языка описания данных и языка запросов к данным.

• Обеспечение безопасности данных.

• Обеспечение параллельного доступа к данным нескольких пользователей.

Обычно современная СУБД содержит следующие компоненты:

• ядро, которое отвечает за управление данными во внешней и оперативной памяти и журналирование,

• процессор языка базы данных, обеспечивающий оптимизацию запросов и создание, как правило, машинно-независимого исполняемого внутреннего кода,

• подсистему поддержки времени исполнения, которая интерпретирует программы манипуляции данными, создающие пользовательский интерфейс с СУБД,

• сервисные программы (внешние утилиты), обеспечивающие ряд дополнительных возможностей по обслуживанию информационной системы.

По технологии обработки данных БД подразделяют на два вида:

- централизованная БД хранится целиком на ВЗУ одной вычислительной системы; если система входит в состав сети, то возможен доступ к этой БД других систем;

- распределенная БД состоит из нескольких, иногда пересекающихся или дублирующих друг друга БД, хранящихся на ВЗУ разных узлов сети.

СУБД предоставляет доступ к данным БД двумя способами:

- локальный доступ предполагает, что СУБД обрабатывает БД, которая хранится на ВЗУ той же ЭВМ;

- удаленный доступ – это обращение к БД, которая хранится на одном из узлов сети; удаленный доступ может быть выполнен по технологии файл-сервер или клиент-сервер.

Технология файл-сервер предполагает выделение одной из вычислительных систем, называемой сервером, для хранения БД. Все остальные компьютеры сети (клиенты) исполняют роль рабочих станций, которые копируют требуемую часть централизованной БД в свою память, где и происходит обработка.

Технология клиент-сервер предполагает, что сервер, выделенный для хранения централизованной БД, дополнительно производит обработку запросов клиентских рабочих станций. Клиент посылает запрос серверу. Сервер пересылает клиенту данные, являющиеся результатом поиска в БД по ее запросу.

Данные хранятся в БД в соответствии с моделью данных.

Классификация СУБД по типу модели данных:

• Дореляционные

  • Инвертированные списки (файлы)

  • Иерархичекие

  • Сетевые

• Реляционные

• Постреляционные

  • Объектно-реляционные

  • Объектно-ориентированные

Реляционная модель данных

Основоположником теории реляционных баз данных является британский учёный Эдгар Кодд, который в 1970 году опубликовал первую работу по реляционной модели данных. Наиболее распространенная трактовка реляционной модели данных принадлежит Кристоферу Дейту.

Согласно Дейту, реляционная модель состоит из трех частей: структурной (отношения) , целостностной (наличие условий) и манипуляционной (реляционное исчисление для манипулирование отношений).

Реляционная база данных – это набор отношений, имена которых совпадают с именами схем отношений в схеме базы данных.

Пример. Рассмотрим реляционную модель данных, в которой данные хранятся в виде двумерных таблиц.

Рис.1 Структура данных реляционной модели данных

Таблицы обладают следующими свойствами:

- каждая ячейка таблицы является одним элементом данных;

- каждый столбец содержит данные одного типа (числа, текст и т. п.);

- каждый столбец имеет уникальное имя;

- таблицы организуются так, чтобы одинаковые строки отсутствовали;

- порядок следования строк и столбцов произвольный.

Каждая таблица представляет собой отношение, описываемое атрибутами:

СТУДЕНТ = (ФАМИЛИЯ, ИМЯ, ОТЧЕСТВО, ФАКУЛЬТЕТ).

Для идентификации записей выделяют следующие виды ключей – полей, определяющих запись:

- первичный: однозначно определяет запись;

- вторичный: выполняет роль поисковых и группировочных признаков и позволяет найти несколько записей.

Ключ может быть простым, если он включает одно поле, или составным, если включает два и более полей.

Если в отношении СТУДЕНТ нет однофамильцев, то первичным будет простой ключ – поле ФАМИЛИЯ. Иначе первичным будет составной ключ ФАМИЛИЯ + ИМЯ + ОТЧЕСТВО.

Первичный ключ должен обладать следующими свойствами:

- уникальность: не должно существовать двух или более записей, имеющих одинаковые значения полей, входящих в первичный ключ;

- неизбыточность: первичный ключ не должен содержать поля, удаление которых из ключа не нарушит его уникальность.

Нормализация отношений

Нормализация отношений – это приведение отношений к виду, позволяющему устранить дублирование, обеспечить непротиворечивость данных, хранимых в БД, и уменьшить трудозатраты на ведение БД.

Выделяют три нормальные формы отношений.

Первая нормальная форма. Отношение называется нормализованным или приведенным к первой нормальной форме, если все его атрибуты являются простыми, то есть не могут быть далее разделены.

Например, отношение

КНИГА = (АВТОР, НАЗВАНИЕ, ВЫХОДНЫЕ ДАННЫЕ)

не находится в первой нормальной форме, так как атрибут ВЫХОДНЫЕ ДАННЫЕ можно разделить на атрибуты ИЗДАТЕЛЬСТВО, ГОД, КОЛИЧЕСТВО СТРАНИЦ.

Отношение

СТУДЕНТ = (НОМЕР, ФАМИЛИЯ, ИМЯ, ОТЧЕСТВО, ГРУППА)

находится в первой нормальной форме, где поле НОМЕР является простым первичным ключом.

Вторая нормальная форма. Отношение приведено ко второй нормальной форме, если оно находится в первой нормальной форме, и каждый неключевой атрибут функционально полно зависит от составного ключа.

Функционально полной зависимостью неключевых атрибутов называется зависимость, при которой в записи определенному значению ключа соответствует только одно значение неключевого составного ключа.

Например, отношение СТУДЕНТ находится в первой и второй нормальных формах.

Отношение

УСПЕВАЕМОСТЬ = (НОМЕР, ФАМИЛИЯ, ДИСЦИПЛИНА, ОЦЕНКА)

находится в первой нормальной форме и имеет составной ключ НОМЕР + ДИСЦИПЛИНА. Это отношение не находится во второй нормальной форме, так как атрибут ФАМИЛИЯ функционально зависим от поля НОМЕР составного ключа. Чтобы привести это отношение ко второй нормальной форме необходимо разбить его на два связанных отношения:

УСПЕВАЕМОСТЬ = (НОМЕР, ДИСЦИПЛИНА, ОЦЕНКА),

СПИСОК = (НОМЕР, ФАМИЛИЯ).

Связь между отношениями осуществляется по полю НОМЕР.

Третья нормальная форма. Отношение находится в третьей нормальной форме, если оно находится во второй нормальной форме, и каждый неключевой атрибут не зависит от ключа транзитивно.

Транзитивная зависимость присутствует в отношении, если существует два неключевых поля, первое из которых зависит от ключа, а второе от первого.

Например, отношение СТУДЕНТ находится в третьей нормальной форме.

Отношение

ДИСЦИПЛИНА = (НАЗВАНИЕ, ЛЕКТОР, УЧ_СТЕПЕНЬ, ГРУППА)

не находится в третьей нормальной форме, так как поле УЧ_СТЕПЕНЬ зависит от поля ЛЕКТОР, но не от составного ключа, поэтому отношение необходимо разбить на два связанных отношения

ДИСЦИПЛИНА = (НАЗВАНИЕ, ЛЕКТОР, ГРУППА),

ПРЕПОДАВАТЕЛЬ = (ЛЕКТОР, УЧ_СТЕПЕНЬ).

Связь между отношениями осуществляется по полю ЛЕКТОР.

Типы связей

Отношения могут быть связаны следующими типами связей:

- один-к-одному (1:1);