1_mt11-ИОРиИ Курс лекций_2015 (Презентации лекций), страница 3

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

База данных (БД) – именованная совокупность данных, отражающая состояние объектов и их отношений в рассматриваемой предметной области.

Под предметной областью понимают один или несколько объектов управления (или определенные их части), информация которых моделируется с помощью БД и используется для решения различных функциональных задач.

Система управления базами данных (СУБД, или DBMS – DataBase Management System) – совокупность языковых и программных средств, предназначенных для создания, ведения и совместного использования БД многими пользователями. СУБД включает в себя ядро, которое обеспечивает организацию ввода, обработки и хранения данных, компоненты средств отладки и тестирования системы, утилиты реализующие выполнение вспомогательных функций (ведение журнала статистики работы системы и др.). Перечисленные средства СУБД обеспечивают выполнение следующих функций:

1. Управление данными. Сюда относятся: подготовка данных и их контроль, внесение данных в базу, структуризация данных, обеспечение целостности, секретности данных.

2. Доступ к данным. Поиск и селекция данных, преобразование данных в форму, удобную для дальнейшего использования.

3. Организация и ведение связи с пользователем. Обеспечение интерфейсной связи с пользователем, ведение диалога, выдача диагностических сообщений об ошибках в работе по БД и т.д.

Важной функцией СУБД является обеспечение независимости данных. Практически одна и одна и та же СУБД может быть использована для ведения абсолютно разных файлов, которые используются для решения разноплановых, не связанных между собою задач управления.

Для обработки запросов к БД разрабатывают программы, которые составляют прикладное программное обеспечение. Программы, с помощью которых пользователи работают с базой данных, называются приложениями. В общем случае с одной базой данных могут работать множество различных приложений. Например, если база данных моделирует некоторое предприятие, то для работы с ней может быть создано приложение, которое обслуживает подсистему учета кадров, другое приложение может быть посвящено работе подсистемы расчета заработной платы сотрудников, третье приложение работает как подсистема складского учета, четвертое приложение посвящено планированию производственного процесса. При рассмотрении приложений, работающих с одной базой данных, предполагается, что они могут работать параллельно и независимо друг от друга, и именно СУБД призвана обеспечить работу множества приложений с единой базой данных таким образом, чтобы каждое из них выполнялось корректно, но учитывало все изменения в базе данных, вносимые другими приложениями.

СУБД имеет языковые средства необходимые для описания данных, организации общения и выполнения процедур поиска и различных преобразований данных. Классификация языковых средств впервые была разработана американским комитетом CODASYL по проектированию и созданию БД.

Язык описания данных (DDL – Data Definition Language), предназначен для описания данных на разных уровнях абстракции: внешнем, логическом и внутреннем. Исходя из предложений CODASYL, языки описания данных на логическом (концептуальном) и внутреннем уровнях независимые и разные. Однако в большинстве промышленных СУБД языки не делится на два отдельных языка описания логической и физической организации данных, а существует единый язык, которая еще называется языком описания схем. В известных и широко используемых на практике СУБД семейства dBASE применяется единый язык описания данных. Он предназначен для представления данных на логическом и физическом уровнях. Этот язык имеет свой синтаксис: например, имя файла не должно превышать восьми символов, а имя поля - десяти; при этом каждое имя может начинаться с буквы, поля календарной даты обозначаются символом D (DATA), символьные поля — С (CHARACTER), числовые — N (NUMERIC), логические — L (LOGICAL), примечаний — М (MEMO).

Описание всех имен, типов и размеров полей сохраняется в памяти вместе с данными; эти структуры в случае необходимости можно просмотреть и исправить. Если логический и физический уровни отделены, то в состав СУБД может входить язык описания сохранения данных. В некоторых СУБД используется еще язык описания подсхем, который нужен для описания части БД, которая отражает информационные потребности отдельного пользователя или прикладной программы. В составе СУБД типа dBASE такой язык не используется.

Язык описания данных на внешнем уровне используется для описания требований пользователей и прикладных программ и создания инфологической модели БД. Этот язык не имеет ничего общего с языками программирования. Так, языковым средством, которое используются для инфологического моделирования, является обычный естественный язык или его подмножество, а также язык графов и матриц.

Язык манипулирования данными (DML – Data Manipulation Language) используется для обработки данных, их преобразований и написания программ. DML может быть базовым или автономным.

DML может быть базовым, когда в его качестве используется традиционный язык программирования (BASIC, C, и т.д.), а может быть автономным или собственным языком СУБД. Системы, использующие базовый язык, называют открытыми, а автономные системы – закрытыми. Использование базовых языков сужает круг лиц, которые могут непосредственно обращаться к БД, поскольку для этого нужно знать язык программирования. В таких случаях для упрощения общения конечных пользователей с БД предполагается язык ведения диалога, который значительно проще для овладения, чем язык программирования.

В современных СУБД для упрощения процедур поиска данных в БД предусмотрен язык запросов. Наиболее распространенными языками запросов являются SQL (Structured Query Language) и QBE (Query By Example).

Язык запросов SQL (структурированный язык запросов) был создан фирмой IBM в рамках работы над проектом построения системы управления реляционными базами данных в начале 70-х годов. Американский национальный институт стандартов (ANSI) положил этот язык в основу стандарта языков реляционных баз данных, принятого Международной организацией стандартов (ISO). Ядром существующего стандарта SQL-86, которые часто называют SQL-2 или SQL-92, являются функции, реализованные практически во всех известных коммерческих реализациях языка, а полный стандарт вмещает такие усовершенствования, которые некоторые разработчики будут должны еще реализовать. Язык запросов QBE является реализацией запросов по образцу в виде таблиц. Применялся в СУБД Paradox. Для определения запроса к БД пользователь должен заполнить предоставленную системой таблицу QBE и определить в ней критерии поиска и выбора данных.

Кроме стандарта SQL-86 существует коммерческий стандарт языка SQL, разработанный консорциумом производителей баз данных SQL Access Group. Эта группа создала такой вариант языка, который используется большинством систем и дает возможность им «понимать» одна другую.

 Был разработан стандартный интерфейс языка CLI (Common Language Interface) для всех основных вариантов языка SQL. Этот интерфейс, формализованный фирмой Microsoft, получил название ODBC (Open Data Base Connectivity — открытый доступ к данным). ODBC — это интерфейс доступа к данным, которые сохраняются под управлением разных СУБД. ODBC имеет целый набор драйверов, с помощью которых одна СУБД может работать с данными других систем.

Жизненный цикл БД содержит такие основные этапы, как проектирование, программно-техническая реализация, практическое использование.

Для воплощения жизненного цикла решают следующие задачи:

1. Анализ предметной области: создание модели и описание предметной области, выявление ограничений целостности, определение статуса (доступности, секретности) информации, определение потребностей пользователей, определение соответствия «данные - пользователь», определение объемно-временных характеристик обработки данных.

2. Выбор ПО для реализации БД.

3. Проектирование структуры БД: определение состава и структуры файлов БД и связей между ними, выбор методов упорядочения данных и методов доступа к информации, создание описания БД на языке описания данных.

4. Задание ограничений целостности при описании структуры БД и процедур обработки БД (задание декларативных ограничений целостности, присущих предметной области, определение динамических ограничений целостности, присущих предметной области в процессе изменения информации, хранящейся в БД, определение ограничений целостности, вызванных структурой БД, разработка процедур обеспечения целостности БД при вводе и корректировке данных, определение ограничений целостности при параллельной работе пользователей в многопользовательском режиме).

5. Разработка технологии проверки соответствия введенных данных реальному состоянию предметной области. База данных моделирует реальные объекты некоторой предметной области и взаимосвязи между ними, и на момент начала штатной эксплуатации эта модель должна полностью соответствовать состоянию объектов предметной области на данный момент времени

6. Проектирование системы ввода данных.

7. Разработка системы защиты данных и доступа к данным на уровне пользователей.

8. Проработка и обеспечение технологии архивирования и восстановления БД после сбоев

9. Анализ эффективности функционирования БД.

10. Разработка необходимой методической документации для конечных пользователей. Обучение пользователей.

Уровни схематических моделей БД

В процессе научных исследований, посвященных тому, как именно должна быть устроена СУБД, предлагались различные способы реализации. Самым жизнеспособным из них оказалась предложенная американским комитетом по стандартизации ANSI (American National Standards Institute) трехуровневая схема организации БД, изображенная на рис. 2.1:

1. Уровень внешних моделей – самый верхний уровень, где каждая модель имеет свое «видение» данных. Этот уровень определяет точку зрения на БД отдельных приложений. Каждое приложение видит и обрабатывает только те данные, которые необходимы именно этому приложению. Например, система распределения работ использует сведения о квалификации сотрудника, но ее не интересуют сведения об окладе, домашнем адресе и телефоне сотрудника, и наоборот, именно эти сведения используются в подсистеме отдела кадров.

2. Концептуальный уровень – центральное управляющее звено, здесь база данных представлена в наиболее общем виде, который объединяет данные, используемые всеми приложениями, работающими с данной базой данных. Фактически концептуальный уровень отражает обобщенную модель предметной области (объектов реального мира), для которой создавалась база данных. Как любая модель, концептуальная модель отражает только существенные, с точки зрения обработки, особенности объектов реального мира.

3. Физический уровень – непосредственно данные, расположенные в файлах или в страничных структурах, расположенных на внешних носителях информации.

Эта архитектура позволяет обеспечить логическую (между уровнями 1 и 2) и физическую (между уровнями 2 и 3) независимость при работе с данными. Логическая независимость предполагает возможность изменения одного приложения без корректировки других приложений, работающих с этой же базой данных. Физическая независимость предполагает возможность переноса хранимой информации с одних носителей на другие при сохранении работоспособности всех приложений, работающих с данной базой данных. Это именно то, чего не хватало при использовании файловых систем. Выделение концептуального уровня позволило разработать аппарат централизованного управления базой данных.

Проектирование реляционных баз данных

Реляционная модель, на основе организации данных в виде таблиц, объединенных связями, была предложена сотрудником компании IBM Э.Ф.Коддом в 1970 г.