учебник БД

пригласить консультанта со стороны, который будет работать в качестве советника по методологии исследования. Руководителем проекта, однако, не должен становиться такой консультант; им должен быть постоянный сотрудник компании, по возможности, начальник администрации базы данных.

На протяжении работы над проектом его участники взаимодействуют с руководителями всех групп пользователей. Главные конечные пользователи определяют основные процессы, виды деятельности и объекты, используемые в ручной или автоматической обработке информации. Участники проекта синтезируют эти данные в корпоративную информационную модель, которая становится частью подробного плана базы данных.

Для того чтобы проект выполнял поставленные перед ним задачи, его разработка не должна длиться более шести месяцев. За это время руководству должен быть представлен отчет, охватывающий планы как минимум на ближайшие пять лет. Этот отчет должен содержать анализ следующих вопросов:

•Информационные потребности различных отделов организации.

•Информационные потребности руководства разного уровня.

•Информационные потребности филиалов организации.

•Информационная модель, отвечающая этим потребностям.

•Предполагаемый объем данных в различных регионах в изучаемый период.

•Предварительные оценки стоимости наращивания возможностей системы.

•Рекомендации по подробному проектированию новой системы или расширения старой с календарными планами.

Главные конечные пользователи определяют процессы, деятельность и объекты Разработчики проекта синтезируют бизнес-модель и определяют информационную

структуру, Разработчики плана на этом этапе не должны стремиться к детализированной

информационной модели. Подробные модели будут разрабатываться при последующем проектировании базы данных. Вместо этого, как отмечает Джеймс, разработчики должны определить стабильные элементы информационной структуры организации — элементы, которые, вероятно, останутся прежними при организационных переменах. По прошествии шести месяцев информационная модель должна быть завершена примерно на 90 процентов. Это означает, что большая часть ее элементов определена, так что модель будет иметь ценность для стратегического планирования.

1.11 ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ БАЗЫ ДАННЫХ (ЖЦБД)

Как уже упоминалось выше, система базы данных является фундаментальным

30

пользователей жизненный цикл может оказаться не очень сложным. Однако он может стать чрезвычайно сложным при проектировании среднего или крупного приложения базы данных, с десятками и даже тысячами пользователей, сотнями запросов и прикладных программ.

Таблица 1.3. Основные действия, выполняемые на каждом этапе жизненного цикла приложения базы данных

1.12. ТРЕХУРОВНЕВАЯ АРХИТЕКТУРА ANSI-SPARC

Первая попытка создания стандартной терминологии и общей архитектуры СУБД была предпринята в 1971 году группой DBTG. Группа DBTG признала необходимость использования двухуровневого подхода, построенного на основе использования системного представления, т.е. схемы (schema), и пользовательских представлений, т.е. подсхем (subschema). Сходные терминология и архитектура были предложены в 1975 году Комитетом планирования стандартов и норм SPARC (Standards Planning and Requirements Committee) Национального института стандартизации США (American National Standard Institute — ANSI), ANSI/X3/SPARC. Комитет ANSI/SPARC признал необходимость использования трехуровневого подхода к созданию системного каталога. В этих

32

материалах отражены предложения, которые были сделаны организациями Guide and Share, состоящими из пользователей продуктов корпорации IBM, и опубликованы за несколько лет до этого. Основное внимание в них было сконцентрировано на необходимости воплощения независимого уровня для изоляции программ от особенностей представления данных на более низком уровне. Хотя модель ANSI/SPARC не стала стандартом, она все еще представляет собой основу для понимания некоторых функциональных особенностей СУБД.

В данном случае для нас наиболее фундаментальным моментом в этих и последующих отчетах исследовательских групп является определение трех уровней абстракции, т.е. трех различных уровней описания элементов данных. Эти уровни формируют трехуровневую архитектуру, которая охватывает внешний, концептуальный и внутренний уровни, как показано на рис. 1.7. Уровень, на котором данные воспринимаются пользователями, называется внешним уровнем (external level), тогда как СУБД и операционная система воспринимают данные на внутреннем уровне (internal level). Концептуальный уровень (conceptual level) представления данных предназначен для отображения внешнего уровня на внутренний и обеспечения необходимой

независимости друг от друга.

Цель трехуровневой архитектуры заключается в отделении пользовательского представления базы данных от ее физического представления. Ниже перечислено несколько причин, по которым желательно выполнить такое разделение.

•Каждый пользователь должен иметь возможность обращаться к одним и тем же данным, реализуя 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 такими подробностями физического хранения данных в базе, как индексирование и хеширование. Иначе говоря, взаимодействие пользователя с базой не должно зависеть от особенностей хранения в ней данных.

•Администратор базы данных (АБД) 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 переключение на новое устройство хранения.

•АБД должен иметь возможность изменять концептуальную структуру базы

33

данных без какого-либо влияния на всех пользователей.

1.12.1. Внешний уровень

Внешний уровень – представление базы данных с точки зрения пользователей. Этот уровень описывает ту часть базы данных, которая относиться к каждому пользователю.

Внешний уровень состоит из нескольких различных внешних представлений базы данных. Каждый пользователь имеет дело с представлением "реального мира", выраженным в наиболее удобной для него форме. Внешнее представление содержит только те сущности, атрибуты и связи "реального мира", которые интересны пользователю. Другие сущности, атрибуты или связи, которые ему неинтересны, также могут быть представлены в базе данных, но пользователь может даже не подозревать об их существовании.

Помимо этого, различные представления могут по-разному отображать одни и те же данные. Например, один пользователь может просматривать даты в формате (день, месяц, год), а другой — в формате (год, месяц, день). Некоторые представления могут включать производные или вычисляемые данные, которые не хранятся в базе данных как

34

таковые, а создаются по мере надобности. Например, можно было бы организовать просмотр данных о возрасте сотрудников. Однако вряд ли стоит хранить эти сведения в базе данных, поскольку в таком случае их пришлось бы ежедневно обновлять. Вместо этого в базе данных хранятся даты рождения сотрудников, а возраст вычисляется средствами СУБД при обнаружении соответствующей ссылки. Представления могут также включать комбинированные или производные данные из нескольких объектов.

1.12.2. Концептуальный уровень

Концептуальный уровень – обобщающее представление базы данных. Этот уровень описывает то, какие данные хранятся в базе данных, а также связи, существующие между ними.

Промежуточным уровнем в трехуровневой архитектуре является концептуальный уровень. Этот уровень содержит логическую структуру всей базы данных (с точки зрения АБД). Фактически это полное представление требований к данным со стороны организации, которое не зависит от любых соображений относительно способа их хранения. На концептуальном уровне представлены следующие компоненты:

•все сущности, их атрибуты и связи;

•накладываемые на данные ограничения;

•семантическая информация о данных;

•информация о мерах обеспечения безопасности и поддержки 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 этот уровень не содержит никаких сведений о методах хранения данных. Например, описание сущности должно содержать сведения о типах данных атрибутов (целочисленный, действительный или символьный) и их длине (количестве значащих цифр или максимальном количестве символов), но не должно включать сведений об организации хранения данных, например об объеме занятого пространства в байтах.

1.12.3. Внутренний уровень

Внутренний уровень – физическое представление базы данных в компьютере. Этот уровень описывает, как информация храниться в базе данных.

Внутренний уровень описывает физическую реализацию базы данных и предназначен для достижения оптимальной производительности и обеспечения экономного использования дискового пространства. Он содержит описание структур данных и организации отдельных файлов, используемых для хранения данных на запоминающих

35

устройствах. На этом уровне осуществляется взаимодействие СУБД с методами доступа операционной системы (вспомогательными функциями хранения и извлечения записей данных) с целью размещения данных на запоминающих устройствах, создания индексов, извлечения данных и т.д. На внутреннем уровне хранится следующая информация:

•распределение дискового пространства для хранения данных и индексов;

•описание подробностей сохранения записей (с указанием реальных размеров сохраняемых элементов данных);

•сведения о размещении записей;

•сведения о сжатии данных и выбранных методах их шифрования.

Ниже внутреннего уровня находится физический уровень (physical level), который контролируется операционной системой, но под управлением СУБД. Однако функции СУБД и операционной системы на физическом уровне не вполне четко разделены и могут варьироваться от системы к системе. В одних СУБД используются многие предусмотренные в данной операционной системе методы доступа, тогда как в других применяются только самые основные и реализована собственная файловая организация. Физический уровень доступа к данным ниже СУБД состоит только из известных операционной системе элементов (например, указателей на то, как реализовано последовательное распределение и хранятся ли поля внутренних записей на диске в виде непрерывной последовательности байтов).

1.12.4. Схемы, отображения и экземпляры

Общее описание базы данных называется схемой базы данных. Существуют три различных типа схем базы данных, которые определяются в соответствии с уровнями абстракции трехуровневой архитектуры. На самом высоком уровне имеется несколько внешних схем или подсхем, которые соответствуют разным представлениям данных. На концептуальном уровне описание базы данных называют концептуальной схемой, а на самом низком уровне абстракции — внутренней схемой. Концептуальная схема описывает все сущности, атрибуты и связи между ними, с указанием необходимых ограничений поддержки целостности данных. На нижнем уровне находится внутренняя схема, которая является полным описанием внутренней модели данных. Она содержит определения хранимых записей и методов представления, описания полей данных, сведения об индексах и выбранных схемах хеширования. Для каждой базы данных существует только одна концептуальная и одна внутренняя схема.

СУБД отвечает за установление соответствия между этими тремя типами схем, а также за проверку их непротиворечивости. Иначе говоря, СУБД должна обеспечивать, чтобы каждую внешнюю схему можно было вывести на основе концептуальной схемы.

36

Для установления соответствия между любыми внешней и внутренней схемами СУБД должна использовать информацию из концептуальной схемы. Концептуальная схема связана с внутренней схемой посредством концептуально внутреннего отображения. Оно позволяет СУБД найти фактическую запись или набор записей на физическом устройстве хранения, которые образуют логическую запись в концептуальной схеме, с учетом любых ограничений, установленных для операций, выполняемых над данной логической записью. Оно также позволяет обнаружить любые различия в именах объектов, именах атрибутов, порядке следования атрибутов, их типах данных и т.д. Наконец, каждая внешняя схема связана с концептуальной схемой с помощью концептуально внешнего отображения. С его помощью СУБД может отображать имена пользовательского представления на соответствующую часть концептуальной схемы.

Важно различать описание базы данных и саму базу данных. Описанием базы данных является схема базы данных. Схема создается в процессе проектирования базы данных, причем предполагается, что она изменяется достаточно редко. Однако содержащаяся в базе данных информация может меняться часто — например, всякий раз при вставке сведений о новом сотруднике или новом объекте сдаваемой в аренду недвижимости. Совокупность информации, хранящейся в базе данных в любой определенный момент времени, называется состоянием, базы данных. Следовательно, одной и той же схеме базы данных может соответствовать множество ее различных состояний. Схема базы данных иногда именуется содержанием базы данных, а ее состояние — детализацией.

1.13АРХИТЕКТУРА МНОГОПОЛЬЗОВАТЕЛЬСКИХ СУБД

Вэтом разделе мы познакомимся с различными типовыми архитектурными

решениями, используемыми при реализации многопользовательских СУБД, а именно со схемами обычной телеобработки, файловым сервером и технологией "клиент/сервер".

1.13.1 Телеобработка

Традиционной архитектурой многопользовательских систем раньше считалась схема, получившая название телеобработки, при которой один компьютер с единственным процессором был соединен с несколькими терминалами, как показано на рис. 1.8. При этом вся обработка выполнялась с помощью единственного компьютера, а присоединенные к нему пользовательские терминалы были типичными "неинтеллектуальными" устройствами, не способными функционировать самостоятельно. С центральным процессором терминалы были связаны с помощью кабелей, по которым они посылали сообщения пользовательским приложениям (через подсистему управления обменом данными операционной системы). В свою очередь, пользовательские приложения обращались к необходимым службам СУБД. Таким же образом сообщения

37

возвращались назад на пользовательский терминал. К сожалению, при такой архитектуре основная и чрезвычайно большая нагрузка возлагалась на центральный компьютер, который должен был выполнять не только действия прикладных программ и СУБД, но и значительную работу по обслуживанию терминалов (например, форматирование данных, выводимых на экраны терминалов).

В последние годы был достигнут существенный прогресс в разработке высокопроизводительных персональных компьютеров и составленных из них сетей. При этом во всей индустрии наблюдается заметная тенденция к децентрализации (downsizing), т.е. замене дорогих мэйнфреймов более эффективными, с точки зрения эксплуатационных затрат, сетями персональных компьютеров, позволяющими получить такие же, если не лучшие, результаты. Эта тенденция привела к появлению следующих двух типов архитектуры СУБД: технологии файлового сервера и технологии "клиент/сервер".

Рис. 1.8. Топология архитектуры телеобработки 1.13.2. Файловый сервер

В среде файлового сервера обработка данных распределена в сети, обычно представляющей собой локальную вычислительную сеть (ЛВС). Файловый сервер содержит файлы, необходимые для работы приложений и самой СУБД. Однако пользовательские приложения и СУБД размещены и функционируют на отдельных рабочих станциях, и обращаются к файловому серверу только по мере необходимости получения доступа к нужным им файлами, как показано на рис. 1.9.

38