ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ И БАНКИ ДАННЫХ

Архитектура информационных систем

Вся история развития человечества показывает, что люди издавна пытались автоматизировать учет. Техническим средством первых информационных систем были счетные палочки. В дальнейшем уровень автоматизации повышался: абак, счеты, механический калькулятор, перфокарты Холлерита. В первой половине ХХ в. активно разрабатывались и использовались различные перфорационные машины. Появились электронные сортировки, рассчитывались интегрированные показатели и печатались табуляграммы.

Более 40 лет назад для автоматизации различных задач управления начали применять компьютеры, называвшиеся тогда электронными вычислительными машинами (ЭВМ). Сначала это были разрозненные задачи учета и планирования (составление расписания занятий в ВУЗ-ах, разработка плана перевозки грузов, планирование загрузки станков в цехе).

Такой подход к автоматизации управления получил название позадачный подход. В рамках каждой задачи создавались и использовались так называемые информационные массивы, структура которых наиболее соответствовала решаемой задаче. Обычно это были последовательные наборы данных.

Успешные применения позадачного подхода привели к внедрению первых разработок и пробудили надежду у энтузиастов автоматизации производств и предприятий, однако по мере разработки и внедрения все большего числа автоматизируемых задач специалисты столкнулись с новыми проблемами, сложность которых оказалась соизмерима со сложностью исходных задач.

Речь идет о проблемах информационного обеспечения автоматизируемых задач.

Во-первых, оказалось, что одни и те же информационные изменения приходится вводить многократно, причем в разных форматах. Покажем это на простом примере. Допустим, в ВУЗ-е автоматизированы задачи составления расписаний, учета книговыдачи в библиотеке и учет начисления и выплат стипендий. Тогда при зачислении нового студента необходимо ввести сведения о нем в информационные массивы учета книг в библиотеке, а также и в массивы задачи учета стипендий. Причем в библиотеке нужны только сведения о фамилии, инициалах и группе, а в стипендиальных массивах хранятся полностью фамилия, имя и отчество. Кроме того, оказывается, что и для задачи составления расписания занятий необходимо ввести информацию об увеличении в студенческой группе числа студентов. Естественно, что при таком многократном вводе одной и той же информации в разные информационные массивы увеличиваются объемы хранимых данных, а также нагрузка на обслуживающий персонал. Но это полбеды! Самое неприятное, что при многократном дублировании информации происходит практически неизбежная потеря соответствия состояния разных информационных массивов реальному положению дел во внешнем мире. Обычно это происходит оттого, что в один (или несколько) массивов информация не вводится вообще или вводится с запозданием.

Во-вторых, появляются ошибки, неизбежные на этапе переноса данных вручную с бумажных носителей в компьютерную форму (известно, что при наборе на клавиатуре больших объемов информации специально обученным оператором в среднем допускается одна необнаруженная оператором ошибка на 100 набранных символов). 15 Естественно, что ошибки в информационных массивах с неизбежностью приведут к неверным ответам на запросы, к ошибочным отчетным показателям, к ошибкам в учете и планировании.

В-третьих, естественное желание пользователей полнее использовать возможности компьютера приводит к появлению так называемых новых задач, решать которые и не предполагалось при создании автоматизированной задачи и которые стали ясны заказчикам после внедрения этих задач. Например, вполне возможно, что после автоматизации составления расписания занятий в вузе разработчики столкнутся с новой для себя ситуацией: некоторые преподаватели могут проводить занятия только в строго определенные дни, не совпадающие с понедельным расписанием. Это новое требование порождает изменения в программе составления расписания и в структуре и составе информационных массивов, что в свою очередь приводит к тому, что ранее работавшие с этими массива- ми программы перестают работать, так как при позадачном под- ходе структура массива жестко описана в программе.

Существует еще много проблем информационного обеспечения, затрудняющих поддержание и эксплуатацию комплекса автоматизированных задач: резервирование и архивирование массивов; преобразование данных на входе, выходе и при передаче информации; восстановление данных и др.

С целью обеспечения надежного функционирования всех программ обработки данных и получения достоверных результатов было предложено несколько концепций. В настоящее время принята концепция баз данных, согласно которой все обрабатываемые данные организуются в единой базе данных и структурируются в интересах многих приложений. Основная посылка этой концепции — структура всей базы данных изменяется гораздо реже, чем исполняются и изменяются обрабатывающие программы.

Неотъемлемыми частями концепции баз данных являются концепция однократного ввода и многократного использования данных; концепция систем управления базами данных (СУБД), концепция чувствительности программ к данным и концепция администратора баз данных (АБД).

Концепция однократного ввода и многократного использования данных предполагает отсутствие избыточности данных в базе данных. При этом любые изменения, происходящие во внешнем мире, вводятся в базу данных не более одного раза. Для использования хранимых данных конкретным приложением необходимо преобразование данных из структур хранения в структуры обработки, с которыми работает программа приложения. Это преобразование автоматически выполняется специальной программой, называемой СУБД, которая осуществляет функции преобразования структур входных данных в структуры их хранения, и обратное преобразование из структур хранения в структуры выходных данных. Кроме того, современные СУБД выполняют много других функций: проверку допустимости вводимых и хранимых данных, ведение внутренних системных идентификаторов записей, сохранение непротиворечивости данных в случаях сбоев и многие другие.

Концепция чувствительности программ к данным, называемая также «независимостью программ от изменения структуры данных», предполагает, что прикладные программы «видят» и «чувствуют» только те данные, с которыми эти программы работают. Если структура базы данных изменилась, например, при добавлении нового приложения, но эти изменения не затронули обрабатываемые программой данные, то программа будет сохранять работоспособность и продолжать работать без изменения и компилирования, а все необходимые изменения будут выполняться СУБД.

Концепция администратора базы данных подчеркивает тот факт, что существует довольно много функций поддержания базы данных, в частности, и информационной системы в целом, которые требуют участия квалифицированного персонала. Следует подчеркнуть, что хотя в русском языке слово «администратор» ассоциируется с одним человеком, в случае администратора базы данных речь может идти как об одном человеке, так и о многих людях. Администратор базы данных — это совокупность функций, связанных с обработкой данных, при этом вторичным является вопрос, каким персоналом эти функции выполняются. В простейшем случае этот набор функций может быть возложен на одного из функционеров организации, имеющего компьютерную подготовку. В особо сложных случаях АБД — это коллектив сотрудников, не связанных с выполнением функций системы управления и имеющих разнообразные компьютерные квалификации. Этот коллектив часто называют службой эксплуатации, отделом информационных технологий или центром обработки данных. Например, в крупном банке, обладающем развитой сетью филиалов, в этом отделе могут трудиться свыше 100 человек.

Банки данных в информационных системах

Банк данных — это совокупность баз данных, а также программные, языковые и другие средства, предназначенные для централизованного накопления данных и их использования с помощью электронных вычислительных машин.

Из определения следует, что банк данных (БнД) предоставляет пользователям один или несколько языков общения, используя которые можно задавать запросы к базе (базам) данных. Эти запросы интерпретируются прикладными программами, которые совместно с СУБД обрабатывают базы данных для получения и предоставления ответа. Языки общения могут быть самыми разными: от простейших меню и таблиц для задания параметров запроса до универсальных языков запросов (например, SQL) и специализированных ограниченных естественных языков. Существенным является то, что возможностями банков данных могут пользоваться люди, не знающие внутреннюю структуру данных, а часто и не имеющие представления о программировании.

Классифицировать банки данных можно по-разному. В основу классификации могут быть положены число пользователей или распределенность в пространстве, требования к квалификации пользователей или характер и особенности обрабатываемых данных.

Термин персональные банки данных употребляют, чтобы подчеркнуть, что БнД используется одним пользователем, который одновременно выполняет и функции администратора базы данных.

В распределенных базах данных различные части базы могут быть удалены друг от друга (находиться в разных регионах страны или в разных странах). Распределенная обработка предполагает территориальную удаленность пользователей, взаимодействующих с БнД, причем распределенная обработка возможна как для распределен- ной базы данных, так и для централизованной.

Термин корпоративная база (банк) данных употребляют, подчеркивая узковедомственный характер использования данных. В корпоративных базах данных, как правило, большое внимание уделяется обеспечению конфиденциальности хранимых и обрабатываемых данных. С этой целью используются как специальные механизмы защиты данных от похищения (секретность данных), так и механизмы защиты данных от их умышленных изменений или искажений.

Термин открытые банки данных используют, когда хотят показать, что содержимое БнД и его возможности доступны любому пользователю Интернета. Существуют также специализированные банки данных. Например, иногда говорят о научных базах и банках, в которых централизуются данные о физических, биологических, медицинских и других экспериментах, а также выводы и предположения о закономерностях и взаимосвязях результатов экспериментов.

Банк Данных – система, специальным образом организованных:

- базы данных

- программных средств

- технических средств

- языковых средств, предназначенных для централизации и коллективного многоцелевого использования данных.

БД имеют многоуровневую архитектуру. Различают три уровня:

- концептуальный уровень

- внешний уровень

- внутренний уровень (пользовательский)

Концептуальный уровень соответствует логическому аспекту представления данных предметной области в интегрированном виде. 

Концептуальнаямодель состоит из множества экземпляров различных типов данных, структурированных в соответствии с требованиями СУБД.

Внутренний уровень отображает требуемую организацию данных в среде хранения и соответствует физическому аспекту представления данных. Внутренняя модель состоит из отдельных экземпляров записей, физически хранимых на внешних носителях.

Внешний уровень поддерживает частные представления данных, требуемые конкретным пользователем. Внешняя модель является подмножеством концептуальной модели. Возможно пересечение внешних моделей по данным.

С помощью внешних моделей поддерживается санкционированный доступ приложений к данным БД (ограничен состав и структура данных концептуальной модели БД, доступных в приложении, а также заданы допустимые режимы обработки этих данных: ввод, редактирование, удаление, поиск).