Информационное обеспечение АИС

Системы управления базами данных (СУБД): модели данных, классификация СУБД, их основные характеристики.

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

Банк данных призван обеспечивать интегрированность и целостность баз данных, независимость и минимальную избыточность хранимых данных, их защиту от несанкционированного доступа или случайного уничтожения.

В общем случае банк данных состоит из базы данных (или нескольких баз данных), системы управления базами данных (СУБД), словаря данных, администратора, компьютерной системы и обслуживающего персонала (рис. 1).

Рис. 1 Состав банка данных

Организация данных в базе данных требует предварительного моделирования, т. е. построения логической модели данных.

Модель данных — это некоторая абстракция, которая, будучи приложима к конкретным данным, позволяет разработчикам и пользователям трактовать их уже как информацию — сведения, содержащие не только данные, но взаимосвязь между ними. Главное назначение модели данных — систематизация разнообразной информации и отражение ее свойств по содержанию, структуре, объему, связям, динамике с учетом удовлетворения информационных потребностей всех категорий пользователей.

К классическим моделям представления данных относят иерархическую, сетевую и реляционную.

Иерархическая модель данных представляет информационные отображения объектов реального мира — сущности и их связи в виде ориентированного графа, или дерева (рис.2).

Рис. 2 Структура иерархической модели

В иерархической модели отношения между данными бывают типа «родитель» — «потомки», т. е. у каждого объекта только один родитель (у корневого объекта нет родителя), но в принципе может быть несколько потомков.

В случае, когда граф отношений между объектами может представлять не только древовидными структурами, имеют дело с сетевой моделью данных (рис. 3).

Рис. 3 Представление связей в сетевой модели

Сетевая модель организации данных является расширением иерархической модели. В иерархических структурах запись-потомок должна иметь только одного предка — в сетевой структуре данных потомок может иметь любое число предков.

В настоящее время наибольшее распространение при разработке БД получила реляционная модель данных. Понятие реляционной модели данных (от английского relation — отношение) связано с разработками Е. Кодда. Эти модели характеризуются простой структурой данных, удобным для пользователя табличным представлением и возможностью использования формального аппарата реляционной алгебры и реляционного исчисления для обработки данных.

Реляционная модель ориентирована на организацию данных в виде двумерных таблиц. Реляционная таблица представляет собой двумерный массив и обладает следующими свойствами:

• · каждый элемент таблицы — один элемент данных;
• · все столбцы в таблице однородные, т. е. все элементы в столбце имеют одинаковый тип (числовой, символьный или другой) и длину;
• · каждый столбец имеет уникальное имя;
• · одинаковые строки в таблице отсутствуют;
• · порядок следования строк и столбцов может быть произвольным.

Реляционная организация БД в виде таблицы СОТРУДНИКИ представлена на рис. 4:

Столбцы (поля).

Строки (записи) Рис. 4 Содержимое файла (таблицы) СОТРУДНИКИ базы данных

Поле, каждое значение которого однозначно определяет соответствующую запись, называется простым ключом. Чтобы связать две реляционные таблицы, необходимо ключ первой таблицы ввести в состав ключа второй таблицы или ввести в структуру первой таблицы внешний ключ — ключ второй таблицы.

Проектирование реляционной БД состоит из трех самостоятельных этапов: концептуального, логического и физического проектирования.

Целью концептуального проектирования является разработка БД на основе описания предметной области. Описание должно содержать совокупность документов и данных, необходимых для загрузки в БД, а также сведения об объектах и процессах, характеризующих предметную область. Разработка БД начинается с определения состава данных, подлежащих хранению в БД для обеспечения выполнения запросов пользователя. Затем производятся их анализ и структурирование.

Пример описания логической структуры записи файла (таблицы) СОТРУДНИКИ представлен в таблице 1:

Таблица 1. Описание логической структуры записи файла (таблицы) СОТРУДНИКИ.

Логическое проектирование осуществляется с целью выбора конкретной СУБД и преобразования концептуальной модели в логическую. Разрабатываются структуры таблиц, связи между ними и определяются ключевые реквизиты.

Этап физического проектирования дополняет логическую модель характеристиками, которые необходимы для определения способов физического хранения и использования БД, объема памяти и типа устройств для хранения.

При физической организации баз данных имеют дело не с представлением данных в прикладных программах, а с их размещением на запоминающих устройствах.

При выборе физической организации решающим фактором является эффективность, причем на первом месте стоит обеспечение эффективности поиска, далее идут эффективность операции занесения и удаления и затем обеспечение компактности данных. Кроме того, в последнее время большую актуальность приобрели проблемы защиты данных от несанкционированного доступа.

В результате проектирования БД должна быть разработана информационно-логическая модель данных, т. е. определен состав реляционных таблиц, их структура и логические связи. Структура реляционной таблицы определяется составом полей, типом и размером каждого поля, а также ключом таблицы.

В последние годы появились и активно внедряются постреляционная, многомерная и объективно-ориентированная модели данных, разрабатываются системы, основанные на других моделях данных, расширяющих существующие: объективно-реляционные, семантические и др. Некоторые из них служат для интеграции баз данных, баз знаний и языков программирования.

Система управления базами данных (СУБД) — комплекс программных и языковых средств, предназначенный для создания, ведения и совместного использования БД многими пользователями. СУБД различают по используемой модели данных. Они обеспечивают многоцелевой характер использования БД, защиту и восстановление данных. Наличие развитых диалоговых средств и языка запросов делает СУБД удобным средством для конечного пользователя.

Язык структурированных запросов SOL (Structured Query Language) является стандартным языком запросов по работе с реляционными БД. Он предназначен для выполнения операций над таблицами (создание, удаление, изменение структуры) и над данными таблиц (выборка, изменение, добавление и удаление). SOL не содержит операторов управления, организации подпрограмм, ввода-вывода и поэтому автономно не используется. Обычно он погружен в среду встроенного языка программирования СУБД (например, VBA — Visual Basic for Aplications СУБД, MS Access и др.).

Стандарт языка SOL поддерживает современные реализации ряда языков программирования. В специализированных системах разработки приложений типа клиент-сервер среда программирования, кроме того, обычно дополнена коммуникационными средствами, средствами разработки пользовательских интерфейсов, средствами проектирования и отладки.

Основным назначением языка SOL является подготовка и выполнение запросов пользователей.

К наиболее важным признакам классификации современных СУБД могут быть отнесены:

• · среда функционирования — класс компьютеров и ОС для работы СУБД;
• · тип поддерживаемой в СУБД модели данных;
• · возможности встроенного языка СУБД, его переносимость в другие приложения (SOL Visual Basic и др.);
• · наличие развитых диалоговых средств конструирования таблиц, форм, запросов, отчетов, макросов, и средств работы с БД);
• · возможность работы с нетрадиционными данными в корпоративных сетях (страницы HTML, сообщения электронной почты, звуковые файлы, изображения и др.);
• · уровень использования — локальная СУБД (для настольных систем), архитектура клиент-сервис, многопроцессорная СУБД (с параллельной обработкой данных);
• · использование проектной технологии OLE (Object Linking and Embedding — связывание и внедрение объектов);
• · возможности интеграции данных из разных СУБД;
• · степень поддержки языка SOL и возможности работы с сервером баз данных (SOL-сервером);
• · yналичие средств приложений, позволяющих не проводить инсталляции СУБД для тиражируемых приложений пользователя.

Банк данных и БД в случае расположения на одном компьютере называются локальными, при расположении на нескольких компьютерах, соединенных компьютерной сетью, — распределенными.

Локальные базы и банки данных предназначены для организации более простого и дешевого способа информационного обслуживания пользователей, работающих с небольшими объектами данных при решении несложных задач.

Системы распределенных баз данных состоят из набора узлов, связанных вместе коммуникационной сетью, в которой:

• · каждый узел обладает своими собственными системами баз данных;
• · узлы работают согласованно, поэтому пользователь может получить доступ к данным на любом узле сети, как будто все данные находятся на его собственном узле.

Распределенные банки и базы данных предоставляют более гибкие формы обслуживания многочисленных удаленных пользователей при работе со значительными объектами данных в условиях географической или структурной разобщенности.