МГТУ имен и Н.Э.Баумана, к афедра МТ-11 "Элек тронные технол ог ии в маш иностроении"
Bauman Moscow State Technical University
1
Б е л и к ов А н д р е й И в а н ов и ч , к . т. н . , д о ц е н т
к а ф е д р а М Т - 11 " Эл е к т р о н н ы е т ех н о л о г и и в м а ш и н о с т р о е н и и "
Информационное
обеспечение разработок
Москва, 2015
МГТУ имен и Н.Э.Баумана, к афедра МТ-11 "Элек тронные технол ог ии в маш иностроении"
Теория построения и разработки баз данных,
лекция №1
ЛИТЕРАТУРА
1. Крёнке Д. Теория и практика построения баз данных. –
СПб.:Питер, 2005. – 859 с.
2. Хомоненко А.Д., Цыганков В.М., Мальцев М.Г. Базы
данных: Учебник для высших учебных заведений / Под ред.
проф. А.Д.Хомоненко. СПб.:Корона-Век, 2009. – 736 с.
3. Михеева В.Д., Харитонова И.А. Microsoft Access 2003. –
СПб.:БХФ-Петербург, 2004. – 1072 с.
- Презентации лекций/семинаров (файлы PowerPoint)
- Электронный конспект лекций (файл Microsoft Word)
- Методические материалы (файлы Microsoft Word, Excel)
2
МГТУ имен и Н.Э.Баумана, к афедра МТ-11 "Элек тронные технол ог ии в маш иностроении"
Теория построения и разработки баз данных,
лекция №1
3
Цель курса – освоение основных подходов к анализу предметной
области и созданию (проектированию и разработке) баз данных (БД).
Задачи курса:
1. Изучить схематические модели представления информации, для их
использования в качестве инструмента разработки БД.
2. Научиться анализировать предметную область для дальнейшего
использования результатов анализа при создании БД.
3. Овладеть техникой проектирования БД на основе реляционной
многотабличной модели.
4. Научиться использовать БД: создавать структуры для хранения данных,
формировать запросы к информации, создавать интерфейсы для ввода и
представления данных.
МГТУ имен и Н.Э.Баумана, к афедра МТ-11 "Элек тронные технол ог ии в маш иностроении"
Причины появления баз данных
4
Недостатки файловых информационных систем хранения данных:
1. Избыточность данных.
2. Несогласованность данных.
3. Зависимость структур данных и прикладных программ.
4. Ограниченные возможности по использованию и анализу информации.
5. Неэффективность параллельной работы многих пользователей с одними и теми же
файлами.
ФИО: Иванов Иван Иванович
Тел дом: 8 (495) 123-45-67
Тел моб: +7 903 987-65-43
ФИО: Иванов Иван Иванович
Должность: техник 2 разряда
Дата рождения: 03.08.1976
Город: Москва
Адрес: Мурманский пр-кт, 30
Тел дом: 8 (495) 123-45-67
Тел моб: +7 903 987-65-43
E-mail: ivan@pochta
File 1
File 2
Контактная
информация
Кадровые данные
МГТУ имен и Н.Э.Баумана, к афедра МТ-11 "Элек тронные технол ог ии в маш иностроении"
Причины появления баз данных
5
Недостатки файловых информационных систем хранения данных:
1. Избыточность данных. Одни и те же данные могут размещаться в разных файлах,
возникает неопределенность при идентификации информации, дисковое пространство
используется неэкономно. Информационная модель предметной области усложняется с
увеличением количества объектов и становится трудно воспринимаемой.
2. Несогласованность данных. При размещении данных в разных файлах, возникает
вероятность ошибки при вводе данных об одном объекте. Информация по объекту в разные
местах может отличаться.
3. Зависимость структур данных и прикладных программ. Структура файлов
должна соответствовать описанию в прикладной программе. Прикладную программу
требуется приводить в соответствие при любом изменении структуры файла, и наоборот.
Увеличиваются затраты на сопровождение системы.
4. Ограниченные возможности по использованию и анализу информации. Над файлом
можно выполнить только ряд стандартных операций: создать или открыть файл, прочитать из
файла некоторую строку, внести изменения в файл (добавить новую запись).
5. Неэффективность параллельной работы многих пользователей с одними и теми же
файлами. При подобном способе организации одновременная работа нескольких
пользователей, связанная с модификацией данных в файле, либо вообще не реализовывалась,
либо была крайне неэффективна и замедлена.
МГТУ имен и Н.Э.Баумана, к афедра МТ-11 "Элек тронные технол ог ии в маш иностроении"
Теория построения и разработки баз данных
6
Этапы развития баз данных:
1 этап. Организацией баз данных на больших вычислительных машинах типа IBM
360/370, ЕС-ЭВМ и др. Централизованная БД, распределенный доступ большого количества
пользователей.
- Первая система на реляционной модели данных (System R).
- Широкое теоретическое обсуждение моделей БД.
2 этап. Большое количество СУБД для персональных компьютеров.
- Проблемы с экспортом-импортом данных и едиными форматами.
- Отсутствие в СУБД средств поддержки ссылочной и структурной целостности данных.
- Скромные требования к аппаратной части ПК.
- СУБД: dBase (dBase III+, dBase IV), FoxPro, Clipper, Paradox.
3 этап. Появление распределенных баз данных.
- Полная поддержка реляционной модели (структурная и ссылочная целостность, поддержка
языка SQL).
- Разработка стандартов языка описания и манипулирования данными (SQL89, SQL92,
SQL99) и протоколов обмена данными между СУБД - ODBC (Open Data Base Connectivity).
- СУБД: MS Access, серверы баз данных Оrасlе, MS SQL Server, Informix, DB2, SQL Base.
4 этап. Создание и развитие глобальных БД. - Internet и Intranet технологии.
МГТУ имен и Н.Э.Баумана, к афедра МТ-11 "Элек тронные технол ог ии в маш иностроении"
Этапы развития
7
Этап 1. Промышленность.
1968-1980
•
•
•
•
•
Мощные мультипрограммные ОС.
Функции управления распределением ресурсов в
основном осуществляются ОС.
Поддерживаются языки низкого уровня
манипулирования данными.
Значительная роль отводится администрированию
данных.
Работы по обоснованию и формализации реляционной модели
данных.
• Теоретические работы по оптимизации запросов и управлению
распределенным доступом к централизованной БД.
• Теория и практика баз данных активно обсуждаются в печати, и
теоретических исследований активно внедряются в
1980результаты
Е.Ф.Кодд
предложил реляционную модель
коммерческие СУБД.
МГТУ имен и Н.Э.Баумана, к афедра МТ-11 "Элек тронные технол ог ии в маш иностроении"
Этапы развития
8
Этап 2. Персональные ПК.
1980-1985
•
•
•
•
•
•
•
Создание БД для ПК в основном с монопольным
доступом.
Развитый и удобный пользовательский интерфейс СУБД.
Во всех настольных СУБД поддерживался только
внешний табличный вид структур данных.
Поддерживались низкоуровневые языки
манипулирования данными на уровне отдельных строк
таблиц.
Отсутствовали средства поддержки ссылочной и
структурной целостности базы данных
Вырождение функций администрирования БД и в связи
с этим —к отсутствию средств администрирования БД.
Скромные требования к аппаратному обеспечению со
стороны СУБД.
МГТУ имен и Н.Э.Баумана, к афедра МТ-11 "Элек тронные технол ог ии в маш иностроении"
Этапы развития
9
Этап 3. Распределенные БД.
1985-1997
• Полная поддержка реляционной модели (структурная и ссылочная
целостность, поддержка языка SQL).
• Большинство современных СУБД рассчитаны на многоплатформенную архитектуру, разные ОС, для пользователей
доступ к данным, управляемым СУБД, на разных платформах
практически неразличим.
• Развитие средств администрирования БД, реализация концепции
защиты данных.
• Теоретические работы по оптимизации распределенных БД.
• Разработки средств экспорта данных из форматов настольных
СУБД второго этапа развития в новые системы.
• Стандарты языка описания и манипулирования данными
(SQL89, SQL92, SQL99)
• Протокол обмена данными между СУБД - ODBC (Open Data
Base Connectivity).
• СУБД: MS Access, серверы баз данных Оrасlе, MS SQL Server,
Этапы развития
10
МГТУ имен и Н.Э.Баумана, к афедра МТ-11 "Элек тронные технол ог ии в маш иностроении"
Этап 4. Глобальные БД. Internet - технологии.
1997-…
БД
Полностью исключено влияние пользователя на СУБД
МГТУ имен и Н.Э.Баумана, к афедра МТ-11 "Элек тронные технол ог ии в маш иностроении"
Теория построения и разработки баз данных
11
Базы и банки 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
о которых моделируется с помощью БД и используется для
решения различных функциональных задач.
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.
12
МГТУ имен и Н.Э.Баумана, к афедра МТ-11 "Элек тронные технол ог ии в маш иностроении"
Теория построения и разработки баз данных
Компоненты баз данных
Конечный
пользователь
Приложение
базы данных
Система управления
базой данных
БД
Рис.1. Основные компоненты, обеспечивающие функционирование БД.
Система управления базами данных (СУБД, или
DBMS – DataBase Management System) –
совокупность языковых и программных средств,
предназначенных для создания, ведения и
совместного использования БД пользователями.
МГТУ имен и Н.Э.Баумана, к афедра МТ-11 "Элек тронные технол ог ии в маш иностроении"
Теория построения и разработки баз данных
Средства СУБД обеспечивают выполнение следующих
функций:
1. Управление данными (подготовка и контроль данных,
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.
4. Обеспечение независимости данных, одна и та же СУБД
может быть использована для ведения абсолютно разных
файлов, которые используются для решения
13
МГТУ имен и Н.Э.Баумана, к афедра МТ-11 "Элек тронные технол ог ии в маш иностроении"
Теория построения и разработки баз данных
14
Уровни схематических моделей БД :
Уровень №1 – уровень внешних моделей. Часть данных концептуального уровня,
необходимая для работы пользователя на уровне приложения БД.
Уровень №2 – концептуальный уровень. Полное описание, модель предметной области.
Вся существенная информация об объектах и связях.
Уровень №3 – физический уровень. Отражение концептуального уровня на материальных
носителях (дисках). Структура информации в виде файлов базы данных.
Внешняя модель
данных №1
Уровень №1
Уровень №2
Уровень №3
Внешняя модель
данных №2
Внешняя модель
данных №3
Концептуальный уровень
БД
Рис.2. Трехуровневая организация системы управления базой данных, предложенная ANSI.
МГТУ имен и Н.Э.Баумана, к афедра МТ-11 "Элек тронные технол ог ии в маш иностроении"
Теория построения и разработки баз данных,
лекция №2
15
Модель ER - Entity-Relationship (Сущность-Связь)
Сущность – реальный или представляемый объект, информация о котором должна
сохраняться и быть доступна.
Связь – графически изображаемая ассоциация, устанавливаемая между двумя
сущностями. Эта ассоциация всегда является бинарной и может существовать
между двумя разными сущностями или между сущностью и ей же самой
(рекурсивная связь).
Графическое изображение сущности
МГТУ имен и Н.Э.Баумана, к афедра МТ-11 "Элек тронные технол ог ии в маш иностроении"
Теория построения и разработки баз данных
Графическое изображение сущности и атрибутов
16
МГТУ имен и Н.Э.Баумана, к афедра МТ-11 "Элек тронные технол ог ии в маш иностроении"
Теория построения и разработки баз данных
Модель «Сущность-связь» – обозначения
Зависимая сущность
(Подчиненная, потомок)
Сущность и атрибуты
Независимая сущность
(Главная, родитель)
Связи (Стандарты IE и IDEF1)
17
МГТУ имен и Н.Э.Баумана, к афедра МТ-11 "Элек тронные технол ог ии в маш иностроении"
Теория построения и разработки баз данных
Модель «Сущность-связь» – атрибуты и ключи
18
19
МГТУ имен и Н.Э.Баумана, к афедра МТ-11 "Элек тронные технол ог ии в маш иностроении"
Теория построения и разработки баз данных
Модель ER - Entity-Relationship (Сущность-Связь)
Сущность – реальный или представляемый объект, информация о котором должна
сохраняться и быть доступна.
Связь – графически изображаемая ассоциация, устанавливаемая между двумя сущностями.
Эта ассоциация всегда является бинарной и может существовать между двумя разными
сущностями или между сущностью и ей же самой (рекурсивная связь).
Главная таблица
Подчиненная таблица
Связь
НАСОСЫ (Модель, Ступень, Масса)
Модель
Ступень
Масса, кг
НВР-5Д
Низкий
20
ТМН-500
Высокий
12
СЕРВИС (ИНН, Наименование, Насос)
ИНН
Наименование
Модель
насоса
7701001001 Вакуум-Сервис
НВР-5Д
7701001002
ТМН-500
Турбо-Сервис
Первичный ключ
Внешний ключ
МГТУ имен и Н.Э.Баумана, к афедра МТ-11 "Элек тронные технол ог ии в маш иностроении"
Теория построения и разработки баз данных
Связь определяется степенью или мощностью
(числом экземпляров сущности-потомка, которое может
существовать для каждого экземпляра сущности-родителя).
Возможны следующие мощности связей:
• каждый экземпляр сущности-родителя может иметь нуль, один
или более связанных с ним экземпляров сущности-потомка;
• каждый экземпляр сущности-родителя должен иметь не менее
одного связанного с ним экземпляра сущности-потомка;
• каждый экземпляр сущности-родителя должен иметь не более
одного связанного с ним экземпляра сущности-потомка;
• каждый экземпляр сущности-родителя связан с некоторым
фиксированным числом экземпляров сущности-потомка.
Мощность связи обозначается числом, по умолчанию — N.
20
МГТУ имен и Н.Э.Баумана, к афедра МТ-11 "Элек тронные технол ог ии в маш иностроении"
Теория построения и разработки баз данных
Виды связей:
• Один-к-одному.
• Один-ко-многим.
Много-ко-многим.
21
22
МГТУ имен и Н.Э.Баумана, к афедра МТ-11 "Элек тронные технол ог ии в маш иностроении"
Определение «отношения» в теории БД
Отношение – двумерная таблица, соответствующая следующим требованиям:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
В строках располагается информация о сущности.
В столбцах содержатся данные об атрибутах (свойствах) сущности.
В ячейках размещаются только одиночные значения.
Значения записей столбца имеют один тип данных.
Каждый столбец имеет уникальное имя в пределах таблицы.
Таблица не может содержать двух идентичных (одинаковых) строк.
Порядок следования столбцов и строк не имеет значения.
Атрибуты (свойства сущности)
Отношение
Сущность
Студенческая группа
Староста
Успеваемость, %
Посещаемость, %
МТ11-71
Петров И.
80
90
МТ11-81
Смирнов А.
90
85
МТ11-91
Иванов П.
60
50
МГТУ имен и Н.Э.Баумана, к афедра МТ-11 "Элек тронные технол ог ии в маш иностроении"
Теория построения и разработки баз данных
23
Терминология БД:
Группа специалистов
Параметр БД №1
Параметр БД №2
Параметр БД №3
Теоретики БД
Таблица
Строка
Столбец
Разработчики модели БД
Отношение
Кортеж
Атрибут
Программисты
Файл
Запись
Поле
Ключ – один или несколько столбцов отношения, идентифицирующих строку.
Уникальный ключ (unique key) – однозначно определяет одну-единственную строку.
Неуникальный ключ (non-unique key) – может указывать на несколько строк.
Композитный ключ (composite key) – строится на двух или более атрибутах.
Первичный ключ (primary key) – представляет сущности таблицы во всех ее связях. Для
обеспечения быстрого доступа к данным по значению первичного ключа строятся индексы.
Ключи-кандидаты (candidate key) – прочие уникальные ключи на роль первичного.
Суррогатные ключи – искусственные ключи, не имеющие отношения к характеристикам
сущности.
МГТУ имен и Н.Э.Баумана, к афедра МТ-11 "Элек тронные технол ог ии в маш иностроении"
Теория построения и разработки баз
данных, лекция №3
24
Выбор и назначение (присвоение) ключей в отношении.
Ключ – один или несколько столбцов отношения, идентифицирующих строку.
Уникальный ключ (unique key) – однозначно определяет одну-единственную строку.
Неуникальный ключ (non-unique key) – может указывать на несколько строк.
Первичный ключ (primary key) – представляет сущности таблицы во всех ее связях. Для
обеспечения быстрого доступа к данным по значению первичного ключа строятся индексы.
Ключи-кандидаты (candidate key) – прочие уникальные ключи на роль первичного.
Композитный ключ (composite key) – строится на двух или более атрибутах.
Суррогатные ключи – искусственные ключи, не имеющие отношения к характеристикам
сущности.
25
МГТУ имен и Н.Э.Баумана, к афедра МТ-11 "Элек тронные технол ог ии в маш иностроении"
Теория построения и разработки баз данных
Проектирование реляционных баз данных и нормализация
НЕ является отношением !
(Таблица, в которой важен порядок строк !!!)
КодСтудента
Студент
Факультет
Email
Телефон
110
Петров И.
МТ
petrov@atnet.ru
555-33-44
111
Смирнов А.
СМ
smirnov@online.ru
234-43-22,
8-904-135-22-11
112
Иванов П.
МТ
ivanov@bmstu.ru
122-99-77
НЕ является отношением !
(в поле несколько различных значений !!!)
КодСтудента
Студент
Факультет
Email
Телефон
110
Петров И.
МТ
petrov@atnet.ru
555-33-44
111
Смирнов А.
СМ
smirnov@online.ru
234-43-22
Факс
234-43-25
Моб.телефон:
8-904-135-22-11
ivanov@bmstu.ru
122-99-77
112
Иванов П.
МТ
МГТУ имен и Н.Э.Баумана, к афедра МТ-11 "Элек тронные технол ог ии в маш иностроении"
end
Спасибо за
внимание!
26
