Косарев_Экомическая информатика

5.5. СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ БАЗАМИДАННЫХ

5.5. 1. ПОНЯТИЕ И СТРУКТУРА БАНКА ДАННЫХ

Банк данных (БнД) является современной формой организа­ ции хранения и доступа к информации. Существует множество определений банка данных. По наиболее распространенному мне­ нию, банк данных - это система специальным образом организо­ ванных данных (баз данных), программных, технических, языко­ вых, организационно-методических средств, предназначенных для обеспечения централизованного накопления и коллективного мно­ гоцелевого использования данных.

Услугами банка данных пользуется большое число пользова­ телей. Поэтому в БнД предусматривается специальное средство приведения всех запросов к единой терминологии - словарь дан­ ных. Кроме того, используются специальные методы эквивален­ тных грамматических преобразований запросов для построения оптимальных процедур их обработки, специальные методы дос­ тупа к одним и тем же данным различных пользователей при со­ впадении во времени поступивших запросов. Обычно со стороны внешних пользователей к банку данных формулируются следую­ щие требования. Банк данных должен:

•удовлетворять актуальным информационным потребностям внешних пользователей, обеспечивать возможность хранения и модификации больших объемов многоаспектной информации, удовлетворять выявленным и вновь возникающим потребностям внешних пользователей;

•обеспечивать заданный уровень достоверности хранимой ин­ формации и ее непротиворечивость;

•обеспечивать доступ к данным только пользователям с соот­ ветствующими полномочиями;

•обеспечивать возможность поиска информации по произ­ вольной группе признаков;

•удовлетворять заданным требованиям по производительно­ сти при обработке запросов;

•иметь возможность реорганизации и расширения при изме­ нении границ ПО;

•обеспечивать выдачу информации пользователям в различ­ ной форме;

•обеспечивать простоту и удобство обращения внешних пользователей за информацией;

•обеспечивать возможность одновременного обслуживания большого числа внешних пользователей и т.п.

Банк данных включает в свой состав две основные компонен­ ты: базу данных, которая есть не что иное, как даталогическое представление информационной модели предметной области, и систему управления базой данных (СУБД), с помощью которой и реализуются централизованное управление данными, хранимы­ ми в базе, доступ к ним и поддержание их в состоянии, соответ­ ствующем состоянию предметной области (рис. 5.22).

Рис. 5.22. Структура банка данных

Ядром БнД является база данных. Существует множество оп­ ределений базы данных. Некоторые из них имеют право на суще­ ствование. Другие устарели и не соответствуют современным пред­ ставлениям о БнД. Так, в ранних определениях базы данных ука­ зывалось на их неизбыточность, отсутствие дублирования данных.

На самом деле это не так. В базах данных может наблюдаться избыточность информации. Она может быть вызвана спецификой используемой модели данных, не позволяющей полностью устра-

нить дублирование, или технологическими факторами (обеспече­ ние большей надежности, сокращение времени реакции системы

идр.). Но это должна быть управляемая избыточность, причины

ицели возникновения которой известны администратору базы данных, и управляются как им, так и СУБД.

Таким образом, база данных представляет совокупность взаи­ мосвязанных, хранящихся вместе данных при наличии такой ми­ нимальной избыточности, которая допускает их использование оптимальным образом для одного или нескольких приложений; данные запоминаются так, чтобы они были независимы от исполь­ зующих их программ; для добавления новых или модификации существующих данных, а также для поиска данных в базе данных применяется общий управляемый способ.

Перечислим основные требования к организации баз данных. 1. База данных - это основа для будущего наращивания при­ кладных программ. Базы данных должны обеспечивать возмож­

ность разработки приложений легче, быстрее, дешевле.

2.Многократное использование данных. Пользователи, кото­ рые по-разному понимают одни и те же данные, могут использо­ вать их различным образом.

3.Сохранение затрат умственного труда. Существующие про­ граммы и логические структуры данных не переделываются при внесении изменений в базу данных.

4.Простота. Пользователи могут легко узнать и понять, ка­ кие данные имеются в их распоряжении.

5.Легкость использования. Пользователи имеют простой до­ ступ к данным; сложный доступ к данным осуществляет СУБД.

6.Гибкость использования. Обращение к данным или их по­ иск осуществляется с помощью различных методов доступа.

7.Быстрая обработка незапланированных запросов на дан­ ные. Случайные запросы на данные могут обрабатываться с по­ мощью высокоуровневого языка запросов или языка генерации отчетов, а не прикладными программами.

8.Простота внесения изменений. База данных может увеличи­ ваться и изменяться без нарушения имеющихся способов исполь­ зования данных.

9.Небольшие затраты. Низкая стоимость хранения и исполь­ зования данных и минимизация затрат на внесение изменений.

10.Уменьшение избыточности данных. Требования новых при­ ложений удовлетворяются за счет существующих данных, а не путем создания новых файлов.

11.Производительность. Запросы на данные удовлетворяются

стакой скоростью, которая требуется для использования данных.

12.Достоверность данных и соответствие одному уровню об­ новления. Необходимо использовать контроль за достоверностью данных. Система предотвращает наличие различных версий од­ них и тех же элементов данных, доступных пользователям, на раз­ личных стадиях обновления.

13.Секретность. Несанкционированный доступ к данным не­ возможен. Ограничение доступа к одним и тем же данным для различного их использования может осуществляться разными способами.

14.Защита от искажения и уничтожения. Данные должны быть защищены от сбоев, катастрофических и криминальных ситуаций, некомпетентного или злонамеренного обращения к ним лиц, ко­ торые могут ошибочно обновить их.

15.Готовность. Пользователь быстро получает данные вся­ кий раз, когда это ему необходимо.

Программные средства БнД представляют собой сложный комплекс, обеспечивающий взаимодействие всех частей инфор­ мационной системы при ее функционировании (рис. 5.23).

ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА БАНКА ДАННЫХ

Рис. 5.23. Программные средства банка данных

Основу программных средств БнД представляет СУБД. В ней можно выделить ядро СУБД, обеспечивающее организацию вво­ да, обработки и хранения данных, и другие компоненты, обеспе­ чивающие настройку системы, средства тестирования, утилиты, обеспечивающие выполнение вспомогательных функций, таких, как восстановление баз данных, сбор статистики о функциониро-

вании БнД и др. Важной компонентой СУБД являются трансля­ торы для используемых ею языковых средств.

Большинство СУБД работает в среде универсальных опера­ ционных систем и взаимодействует с ОС при обработке обраще­ ний к БнД, поэтому можно считать, что ОС также входит в состав БнД. Для обработки запросов к базе данных (БД) пишутся соот­ ветствующие программы, которые представляют прикладное про­ граммное обеспечение БнД.

С банком данных в процессе создания и функционирования взаимодействуют пользователи разных категорий.

Основной категорией пользователей являются конечные пользователи, т.е. те пользователи, для нужд которых и создается банк данных. В зависимости от особенностей создаваемого банка данных круг его конечных пользователей может существенно раз­ личаться. Это могут быть случайные пользователи, обращающи­ еся к базе данных время от времени, а могут быть и регулярные пользователи. Конечные пользователи могут отличаться друг от друга и степенью владения вычислительной техникой. От конеч­ ных пользователей не должно требоваться каких-то специальных знаний в области вычислительной техники и языковых средств.

Функционирование БнД невозможно без участия специалис­ тов, обеспечивающих создание, функционирование и развитие БнД. Такая группа специалистов называется администратором банка данных (АБД).

Администраторы банка данных тоже являются специфически­ ми пользователями БнД. Обычно они обращаются к БнД не за информацией о предметной области, а к метаинформации, а так­ же используют ресурсы БнД для выполнения своих функций.

5.5.2.ИНФОРМАЦИОННЫЕОБЪЕКТЫ

ИМОДЕЛИ ДАННЫХ

Наличие информации и эффективный доступ к ней - это еще не все аспекты данной проблемы. Представим некую абстракт­ ную ситуацию:

•некоторую систему, информация о которой представляет ин­ терес;

•наблюдателя, способного воспринимать состояние системы

ив определенной форме фиксировать их в своей памяти (никаких других действий наблюдатель не выполняет).

В этом случае говорят, что в памяти наблюдателя находятся данные, описывающие состояние системы. Таким наблюдателем в общем случае и выступают информационные системы.

Соответственно двум понятиям - «информация» и «данные» - различают два аспекта рассмотрения вопросов, связанных с ин­ формационным обеспечением: инфологический и даталогический. Мифологический аспект употребляется при рассмотрении воп­

росов, связанных со смысловым содержанием данных независи­ мо от способов их представления в памяти системы.

На этапе инфологического проектирования информационной системы должны быть решены следующие вопросы.

1. О каких объектах или явлениях реального мира требуется накапливать и обрабатывать информацию в системе?

2.Какие их основные характеристики и взаимосвязи между собой будут учитываться?

3.Уточнения вводимых в информационную систему понятий об объектах и явлениях, их характеристиках и взаимосвязях.

Таким образом, на этапе инфологического проектирования выделяется часть реального мира, определяющая информацион­ ные потребности системы, т.е. ее предметная область.

При даталогическом проектировании системы, исходя из воз­ можностей имеющихся средств восприятия, хранения и обработки информации, разрабатываются соответствующие формы представ­ ления информации в системе посредством данных, а также приво­ дятся модели и методы представления и преобразования данных, формулируются правила смысловой интерпретации данных.

Описание данных выполняется на трех уровнях, породивших соответственно три схемы: концептуальную, внешнюю и внут­ реннюю.

Концептуальная схема представляет собой описание логичес­ кой структуры всей БД. Термин «логическая» означает, что опи­ сание структуры выполняется на смысловом уровне, без указания способа представления данных в ЭВМ.

Рассмотрим этот подход более подробно. Уже отмечалось, что БД есть информационная модель реального мира, в которой вы­ деляются объекты, свойства (характеристики или признаки) объек­ тов и взаимосвязь между объектами. Например, для объекта ТО­ ВАРЫ свойствами являются Код товара, Наименование товара, Описание товара, Цена, Код поставщика. Для объекта ПОСТАВ­ ЩИКИ свойствами являются Код поставщика, Название постав-

щика, Телефон, Факс, Адрес, Фамилия директора. Объекты мо­ гут быть связаны свойством Код поставщика.

ВБД объекты представляются с помощью записей, свойства -

спомощью атрибутов, а взаимосвязи - с помощью связей. Запи­ си, атрибуты и связи являются тремя основными формами пред­ ставления данных в БД.

Атрибут представляет собой элементарное данное - число, символьную строку, специализированное числовое данное и т.д. Так, для объекта ТОВАРЫ значениями атрибутов являются кон­ кретное число, например 10, соответствующее коду товара; сим­ вольная строка, например «телевизор», определяющая наимено­ вание товара, и т.д. Запись состоит из значений нескольких атри­ бутов. Связи, как и атрибуты, являются элементарными данными. Однако их функция - непосредственно связывать две записи. В БД связи реализуются таким образом, что СУБД, используя связь, может быстро перейти от одной связи к другой. Взаимосвязи ре­ ального мира в БД могут представляться не только в виде связей, но и в виде атрибутов или записей.

Часто БД проектируется таким образом, чтобы один или не­ сколько атрибутов однозначно идентифицировали запись. Сово­ купность значений этих атрибутов называется ключом записи, а сами атрибуты - ключевыми атрибутами. Ключ записи можно рассматривать как уникальное имя записи, по которому СУБД всегда может найти эту запись.

Кроме того, в концептуальной схеме обычно дается информа­ ция о типах значений атрибутов (символьные, числовые и др.) и об ограничениях целостности, которые рассматриваются как ог­ раничения на допустимые значения атрибутов, например, возраст сотрудников не может быть меньше 16 лет.

Внешняя схема - это фрагмент концептуальной схемы. Вне­ шнюю схему можно рассматривать как взгляд пользователя на интересующие его данные БД." Каждый пользователь вместе с ад­ министратором БД составляет свою внешнюю схему, и при реше­ нии рассматриваемой задачи он может иметь доступ только к опи­ санным в ней данным и не может обратиться к остальной части БД. Одной БД, таким образом, может соответствовать ряд вне­ шних схем, определяющих интерфейсы прикладных программ при их взаимодействии с БД.

Внутренняя схема представляет собой описание способов раз­ мещения данных во внешней памяти ЭВМ. От удачного выбора

248 Глава 5

внутренней схемы существенно зависит эффективность доступа к БД. Способы описания внутренней схемы в разных СУБД суще­ ственно отличаются друг от друга.

Правомерно предполагать, что информационные объекты концептуального уровня обладают большей продолжительностью жизни, чем технология, определяющая уровень развития техни­ ческих средств и программного обеспечения. Концептуальная схе­ ма остается нечувствительной к изменениям этих технологий.

При проектировании баз данных решаются две основные про­ блемы.

1. Отображение объектов предметной области в абстрактные объекты модели данных таким образом, чтобы это отображение не противоречило семантике предметной области и было по возможности лучшим (эффективным, удобным и т.п.). Часто эту проблему называют проблемой логического проектирования баз данных.

2. Обеспечение эффективного выполнения запросов к базе дан­ ных, т.е. рациональное расположение данных во внешней памя­ ти, создание полезных дополнительных структур (например, ин­ дексов) с учетом особенностей конкретных СУБД. Эту проблему называют проблемой физического проектирования баз данных.

Известны три основных типа моделей данных: иерархическая, сетевая и реляционная. Первые две из них основаны на графовом представлении информации об объектах, последняя - на таб­ личном.

Иерархическая модель данных организует данные в виде дре­ вовидной структуры и является реализацией логических связей: родо-видовых отношений или отношений «целое-часть».

Примером простого иерархического представления может слу­ жить административная структура высшего учебного заведения: академия - отделение - институт - группа (студенческая). Графи­ ческим способом представления иерархической структуры явля­ ется дерево (рис.5.24).

Дерево представляет собой иерархию элементов, называемых узлами. Под элементами понимается список (совокупность, набор) атрибутов, описывающих объекты. В иерархической модели име­ ется корневой узел, или корень дерева. Корень находится на самом верхнем уровне и не имеет узлов, стоящих выше него. У одного дерева может быть только один корень. Остальные узлы, назы-

Рис. 5.24. Иерархическая модель данных

ваемые порожденными, связаны между собой следующим обра­ зом: каждый узел имеет исходный, находящийся на более высоком уровне. Так, для нашего примера корнем является узел «Акаде­ мия», а для узла «Дневное отделение» узел «Академия» является исходным. Если каждый узел может быть связан только с одним исходным узлом, то на последующем уровне он может иметь один, два и большее количество узлов либо не иметь ни одного. В пос­ леднем случае узлы, не имеющие порожденных, называются лис­ тьями. В иерархии рассматривают уровни, на которых располо­ жен тот или иной узел.

Между исходным узлом и порожденными узлами существует отношение «один ко многим» («многие к одному»). Таким обра­ зом, иерархическую структуру можно преобразовать к виду, изоб­ ражающему иерархическую базу данных. Таким представлением более удобно пользоваться при рассмотрении сложных структур данных.

В общем случае иерархия должна удовлетворять следующим условиям.

1.Одно дерево может иметь только один корень.

2.Узел содержит один или несколько атрибутов, описываю­ щих объект в данном узле.

3.Порожденные узлы могут добавляться в горизонтальном и

ввертикальном направлениях. Практически некоторые СУБД накладывают ограничения на количество уровней иерархии, по­ этому при отображении концептуальной модели в логическую модель данных (иерархическую) следует учитывать технические возможности используемой СУБД.

4.Доступ к порожденным узлам возможен только через ис­ ходный узел, поэтому существует только один путь доступа к каж­ дому узлу.

5.Теоретически возможно существование неограниченного числа экземпляров узла каждого уровня. При этом каждый эк­ земпляр исходного узла начинает логическую запись.

Достоинствами рассматриваемой модели являются наличие промышленных СУБД, поддерживающих данную модель, просто­ та понимания используемого принципа иерархии, обеспечение определенного уровня независимости данных.

К основным недостаткам такого вида модели можно отнести следующие: сложность отображения связей «Многие ко многим»; иерархия в значительной степени усложняет операции включения информации о новых объектах в базу данных и удаления устарев­ шей; доступ к любому узлу возможен только через корневой.

Сетевая модель данных. В основу сетевой модели данных (рис. 5.25) положены сетевые структуры. Допустим, нам необходимо графически представить отношения между объектами «Студен­ ческий коллектив» и «Студенческая группа», «Комната в обще­ житии» и «Студент».

Данная схема не является иерархической, так как порожден­ ный элемент «Студент» имеет два исходных («Студенческая груп­ па» и «Комната в общежитии»). Отношения между объектами, в которых порожденный элемент имеет более одного исходного, описываются в виде сетевой структуры. Отличие сетевой струк­ туры от иерархической заключается в том, что любой элемент в сетевой структуре может быть связан с любым другим элементом.

В сетевой структуре между объектами присутствуют два вида взаимосвязей: «Один ко многим» и «Многие к одному». Этот вид связей, как мы видели ранее, заложен в иерархических структу­ рах при условии, что данные связи существуют соответственно между исходными и порожденными, а связь «Многие к одному» - между порожденными и исходными узлами. В случае выполнения этого условия для соответствующих узлов сетевой схемы имеем