Информационное обеспечение(лекции)

Интеграция баз данных – представление нескольких баз данных как логически единой базы данных. Позволяет пользователю или прикладной программе применять глобальные операции, которые транслируются в последовательность эквивалентных операций над локальными базами данных.

Информационное обеспечение – поддержка процессов управления, технологии, обучения, научных исследований и др. средствами систем баз данных и знаний. Качество информационного обеспечения обеспечивается за счет концентрации информации в базах данных, повышения интеллектуального информационных систем за счет средств баз знаний. Информационное обеспечение повышает производительность труда в десятки раз, изменяет характер многих видов информационной и трудовой деятельности. Информационное обеспечение является основой создания систем социально- культурно-бытового назначения для общественного использования.

Информационные системы – системы обработки данных о какой-либо предметной области со средствами накопления, хранения, обновления, поиска и выдачи данных. По средствам выполнения информационной задачи различают информационные системы ручные, механизированные и автоматизированные; по выполняемой функции - информационно - поисковые, управляющие, моделирующие, обучающие, экзаменующие и др.; по области применения - медицинские, финансовые, лингвистические и др.

Информация – ( лат. informatio – разъяснение, осведомление) – одно из основных понятий кибернетики. Первоначально означало сообщение данных, сведений, осведомление и т.п. Кибернетика вывела понятие информации за пределы человеческой речи и других форм коммуникации между людьми, связала его с целенаправленными системами любой природы – биологическими, техническими, социальными. Информация выступает в трех формах: биологической (биотоки в организмах, связи в генетических механизмах), машинной (сигналы в электронных цепях) и социальной (движение человеческих знаний в общественных системах). С общей стороны информация – связь в любых целенаправленных системах, определяющая их целостность, устойчивость, уровень функционирования. Информацию можно выразить математически и измерять с помощью информационной единицы – бита. Как отражение явлений реального мира, понятие информации раскрывается указанием действий, в которых она участвует: передачи, преобразования и хранения. Хранение информации предполагает наличие носителя информации. Передача информации предполагает наличие передатчика, приемника и канала связи, способного отображать состояние передатчика в состояние приемника. Обработка информации – выполнение любого алгоритма, исходные данные для которого отождествляются с состоянием того или другого носителя. Различают дискретную и непрерывную форму информации. Как в естественных, так и в искусственных процессах, в которых участвует информация, одни ее формы переходят в другие. Изучение общих свойств информации независимо от ее смыслового содержания является предметом теории информации.

211

Кардинальное число – ( от лат. cardinalis - главный, основной) – обобщение понятия числа элементов на случай произвольных множеств. Пусть существует взаимно однозначное соответствие между двумя множествами. Тогда говорят, что они эквивалентны, равномощны, имеют одинаковую мощность, имеют одно и то же кардинальное число. Кардинальное число множества А определяют часто как класс Card А всех множеств, эквивалентных множеству А, иногда же в качестве кардинального числа эквивалентных между собой множеств берут некоторое одно из них. Пусть α = Card А, β = Card В.

кардинальные числа линейно упорядочены. Для кардинального числа определяются операции сложения, умножения, возведения в степень и др.

Ключ базы данных – элемент данных, значение которого используется для поиска отдельных совокупностей данных (чаще всего записей или сегментов) в базе данных.

Ключ защиты – пароль, позволяющий пользователям обращаться к базе данных.

Ключ поиска – информация в записи, являющаяся признаком, по которому данная запись может разыскиваться программами поиска, в частности программами, реализующими индексно-последовательный метод доступа. Для эффективного поиска множество записей упорядочивается по значениям ключа поиска.

Ключ сортировки – элемент данного, определяющий упорядоченность данных (например, записей в файлах или наборах).

Кодда модель базы данных – модель данных реляционная.

Кортеж – элемент прямого (декартова) произведения множеств. В отличие от вектора компоненты кортежа на обязательно числа. Ими могут быть также ранги, символы, имена и т.п. В модели данных реляционной кортеж представляет собой строку таблицы (отношения).

QBE (англ. Query by Example – запрос на примере) – язык запросов к базам данных в модели данных реляционной и модели данных иерархической. Разработан в 1975 году М. Злуфом (США). Основан на исчислении предикатов, где в запросах требуемое множество кортежей определяется путем спецификации предиката, которому должны удовлетворять эти кортежи, запрос формулируется посредством экрана видеотерминала, на котором пользователю показывается так называемый макет отношения – заголовки столбцов таблицы, под которыми можно задать параметры своего запроса. Если в столбец помещается какое-либо значение атрибута, это означает, что требуется найти кортеж с заданным значением атрибута. Если значение атрибута отмечается подчеркиванием (или другим способом), это значит, что приведен только пример значения атрибута, который нас интересует. Специальные буквы, указанные в столбце перед значением атрибута, определяют требуемые

212

манипуляции для атрибута: выдачу на печать, замену, исключение или добавление. QBE позволяет строить сложные запросы, является реляционно полным языком, удобен для любых пользователей.

Манипулирование данными – действия по извлечению или изменению данных в базе данных. Описываются не языке манипулирования данными модели базы данных. Манипулирование данными может приводить к изменению состояния базы данных и нарушению ее целостности; поэтому оно ограничено рамками санкционированного доступа к базе данных.

Машина баз данных – специализированная вычислительная система для параллельной или аппаратно-программной реализации функций системы управления базами данных. По сфере применения различают машины для управления формализованными базами данных и машины для поиска и просмотра текстовых баз данных. В настоящее время проекты машин баз данных характерны многочисленностью используемых архитектурных решений и многообразием действующих образцов.

Меню – способ взаимодействия с пользователем в диалоговых системах программирования, при котором пользователю предлагается (обычно на экране видеотерминала) перечень возможных действий, из которых он может выбрать и отметить (напри мер, посредством клавиши или курсора) одно, подлежащее выполнению. Использование меню позволяет определять требуемые действия программы на удобном для пользователя языке его профессиональной деятельности, экономить его усилия по формулировке задачи; меню широко применяется в массовых системах взаимодействия с ЭВМ (например, автоматизированных обучающих системах).

Метаданные – вспомогательные данные, представляющие характеристики, размещение, режимы использования, семантику и т.п. сведения об основных данных, относящихся непосредственно к объектам и связям предметной области процесса. Фиксируются в описании схем баз данных, а также в форме поддерживающих их словарей-справочников. Примерами метаданных могут быть описания логических структур данных, типы и длины значений данных и др.

Модель – физическая система либо математическое описание, отображающие существенные свойства или характеристики изучаемого объекта, процесса или явления.

Модель данных – фиксированная система понятий и правил для представления структуры данных, состояния и динамики проблемной области в базах данных. Как правило, задается языком определения данных и языком манипулирования данными. Примерами модели данных, получившими широкое распространение, являются модели данных сетевая, бинарная, иерархическая, реляционная и др.

Модель данных бинарная – представление о проблемной области в виде бинарных отношений, характеризуемых триадой (объект, атрибут, значение). Используется в области искусственного интеллекта.

213

Модель данных иерархическая – представление о проблемной области в виде иерархий или деревьев объектов, когда каждый объект может иметь несколько «подчиненных» объектов, но только один «старший». Соответственно, язык манипулирования данными иерархической модели обладает средствами манипулирования объектами в терминах их иерархических связей. Иерархическая модель реализована в ряде широко распространенных СУБД.

Модель данных инфологическая – формализованное описание информационного содержания проблемной области независимо от структур баз данных, используемых СУБД. Обычно такое описание производится в терминах информационный объектов, их свойств (атрибутов) и взаимных связей.

Модель данных кодасиловская – модель данных сетевая, разработанная рабочей группой по базам данных при комитете CODASYL (США). Цель модели – создание интегральной многоцелевой базы данных, доступной для многих приложений, использующих различные языки программирования. Данные, централизованно хранящиеся в базе данных, логически описываются схемой данных, для записи которой предлагается язык определения данных высокого уровня, обеспечивающий независимость данных от способов их использования и языка манипулирования данными. Функции составления и поддержания схемы выполняются администратором базы данных. Для отдельных областей применения базы данных конструируются подсхемы данных. Язык описания подсхемы позволяет задавать подмножество базы данных, используемое в соответствующей области, в терминах языка программирования, ориентированного на эту область. Язык манипулирования данными, включаемый в этот язык программирования, используется для организации передач данных между базой данных и рабочей областью задачи. Подсхемы могут составляться и транслироваться независимо друг от друга, определяемые ими данные могут частично совпадать. Понятия схемы и подсхемы, их разделение, а также разделение языков определения данных и манипулирования данными являются фундаментальными концепциями модели. Язык определения описывает базу данных в терминах имен и характеристик следующих элементов структуры данных: элементов данных, называемых агрегатами, записей данных, иерархических групповых отношений, организованных в виде наборов записей, именованных областей памяти базы данных и базы данных, состоящей из всех экземпляров (конкретных значений) записей, наборов и областей, описанных и управляемых конкретной схемой. Посредством наборов можно строить универсальные структуры данных, в том числе и сетевые. Набор представляет собой именованную упорядоченную совокупность записей, из которых единственная запись объявляется владельцем набора, а остальные – его членами. Записи в наборах связаны в структуры, аналогичные списковым структурам, причем указателями следующего элемента служат ключи базы данных. Каждый тип записей может быть объявлен владельцем произвольного числа типов наборов и/или членом

214

произвольного числа типов наборов, отличных от первых. Схема определяет особенности связи записей в наборе и логическую упорядоченность записейчленов, а также правила включения записей в наборы, идентификацию и методы размещения записей внутри набора; последние определяют механизмы доступа к записям набора при выполнении операторов языка манипулирования данными. При включении в подсхему допускается переименование и перегруппировка данных базы данных внутри записей, изменение характеристик элементов данных, исключение некоторых типов данных или исключение записей, принадлежащих определенным областям, изменение способа выбора экземпляра набора. Язык манипулирования данными позволяет указать режим использования областей: открыть (подготовить к работе) или закрыть область, занести в базу данных новый экземпляр записи и связать ее с теми наборами, членом которых она объявлена; модифицировать значение записи; определить некоторую запись, заданную поисковым выражением, как текущую запись задачи, набора или области; передать текущую запись в рабочую область задачи; исключить ее из набора или вставить в набор; изменить логический порядок членов набора. Кодасиловская модель предусматривает средства защиты данных. Кодасиловская модель является существенным вкладом в развитие программного обеспечения банков данных. Она реализована во многих широко используемых СУБД.

Модель данных реляционная – модель данных, предложенная в 1970 году американским ученым Е.Ф.Коддом. Основана на представлении данных в виде отношений между ними, при этом представление этих отношений подвергается нормализации – пошаговому процессу приведения их к двумерной табличной форме с полным сохранением информации о них. К двумерной табличной форме могут быть приведены и отношения, имеющие структуру дерева, и наиболее общий вид отношений – сетевые, которые могут быть сведены к нескольким деревьям. Представление данных в виде двумерных таблиц является естественным и легкодоступным для пользователей. Под таблицами понимают прямоугольные массивы, обладающие следующими свойствами: элементу данных соответствует единственный вход в таблицу; в каждой из колонок таблицы располагаются элементы некоторого вида, каждой колонке присваивается имя; не допускаются строки таблиц с совпадающими значениями всех колонок; колонки и строки таблиц могут просматриваться в любой последовательности. Отношения в реляционной модели представлены таблицами, в которых каждая из строк содержит значения свойств (или атрибутов), которыми обладает некоторый объект данного типа; каждый из столбцов соответствует множеству значений, которые принимает некоторый атрибут этого типа, т.е. отношение есть множество векторов из n элементов –

кортежей ( x1 ... xn ), где n (число столбцов) называется степенью отношения.

Совокупность значений одного атрибута (соответствующая столбцу таблицы) называется его доменом. Строгое определение отношения следующее: пусть

есть множества S1 , S2 ,..., Sn , (не обязательно различные); тогда R есть

215

отношение над этими множествами, если имеется множество кортежей из n элементов, в каждом из которых первый элемент принадлежит S1 , второй – S2 и т.д. Для описания отношений и манипуляций над ними в реляционной модели используется строгий математический язык, основанный на алгебре отношений (реляционная алгебра) и исчислении отношений (реляционное исчисление). Возможны три уровня сопряжения пользователя с базой данных: на высшем уровне пользователь формулирует свои запросы в терминах реляционного исчисления, определяя, какие новые отношения он желает образовать из существующих; на среднем уровне запрос формулируется как последовательность операций реляционной алгебры, выполняемых над отношениями; на самом низком уровне пользователь определяет шаги получения некоторого кортежа отношения, т.е. полностью управляет поиском данных в базе данных. Реляционная модель основана на представлениях пользователя о данных и не касается физического представления структур хранения. Таким образом, пользователь освобождается от знания деталей физического представления данных и особенностей программирования, что существенно облегчает процесс обучения. Отношения базы данных трактуются как множества, чьи упорядоченность, организация и физическое представление не известны большинству пользователей и изменяются без предупреждения. Однако пользователь может определить упорядоченность получения элементов, передаваемых из его рабочего поля в базу данных. Гибкий аппарат получения файлов для различных областей использования данных с помощью просто реализуемых операций над отношениями единой базы данных позволяет обеспечить независимость данных. Язык манипулирования данными реляционной модели послужил основой ряда популярных языков запросов

(SQL, QBE и др.).

Модель данных сетевая – представление о проблемной области в виде объектов, связанных бинарными отношениями «многие-ко-многим», т.е. каждый объект может иметь несколько «подчиненных» и несколько «старших», благодаря чему сетевая модель может быть представлена ориентированным графом. Наиболее известной сетевой моделью является модель данных кодасиловская.

Модель данных «сущность-связь» - представление о проблемной области в виде объектов (называемых сущностями), между которыми фиксируются связи. Для каждой связи устанавливается число связываемых ею объектов. Модель «сущность-связь» имеет наглядное графическое представление: сущности изображаются прямоугольниками, связи – ромбами, число связываемых объектов указывается на линии соединения объекта связью.

Модель информационная - система данных об объекте, которую формируют в задачах при системном направлении развития ЭВМ. Вводится в ЭВМ один раз, и это позволяет любым прикладным программам использовать необходимые для них данные из этой базы данных.

Набор данных - представление группового отношения в кодасиловской модели данных.

216

Независимость данных в базах данных - возможность осуществлять реорганизацию баз данных (физическая независимость) или их реструктурирование (логическая независимость), не меняя при этом программ их обработки.

Неизбыточность базы данных - состояние базы данных, при котором в ней не содержатся дубликаты значений данных и их отношений, или данные, значения которых могут быть получены как производные значений других данных, также хранимых в базе данных.

Ограничения целостности – совокупность правил и зависимостей в базах данных, соблюдение которых защищает от занесения в них искаженных данных.

Организация данных - представление данных и управление ими в соответствии с определенными соглашениями. Логическая организация данных учитывает конструкции данных и операции над теми данными, которые находятся в распоряжении программы, физическая - размещение и связь данных в среде хранения.

Откат в системах управления транзакциями – возврат базы данных и взаимодействующего с ней процесса к состоянию, которое они имели до начала выполнения транзакции. Необходим в нерегулярных ситуациях, например, при возникновении тупика или при отказе одного из узлов вычислительной сети, на котором также выполнялась одна из ветвей данной транзакции. Благодаря откату аннулируется начавшая выполняться транзакция, но база данных остается в целостном состоянии. В отличие от этого, если прекратить выполнение некоторой транзакции до ее окончания и не делать откат, то целостность БД может быть нарушена. Откат производится путем выполнения над базой данных действий, обратных тем, которые были произведены транзакцией. Возможность отката характеризуется тем, что вся информация, необходимая для выполнения, хранится в стабильной памяти до завершения транзакции. Откат может быть реализован также на основе периодического запоминания контрольной точки. Наиболее сложным для реализации отката является случай, когда БД считывалась и изменялась несколькими транзакциями. В этом случае один отказ компонента системы может вызвать необходимость отката нескольких баз данных и процессов (эффект домино). Этот случай характерен для транзакций, функционирующих в вычислительной сети.

Подсхема данных – определение структуры некоторой части базы данных, используемой в соответствующей прикладной области. Язык определения данных для подсхемы данных обычно отличается от языка задания схемы и оперирует с данными в терминах языка программирования, используемого в соответствующем приложении; вместе с тем, множество данных определяемых подсхемой, должно быть согласующимся логическим подмножеством данных, определяемых схемой данных. На уровне подсхемы данных может обеспечиваться переименование элементов данных, изменение их свойств, исключение неиспользуемых данных, переупорядочение и

217

изменение средств защиты данных от неправомочного использования и др. Использование подсхемы данных повышает удобство программирования и степень защиты данных в базе данных в базе данных, полностью исключая обращение к данным, не включенным в подсхему.

Предметная область – часть реального мира, представляющая собой среду определения и реализации конкретного автоматизируемого процесса или группы процессов. На концептуальном уровне представляется выделяемыми в ней типами объектов, атрибутами этих типов объектов и связями между ними.

Представление данных – обобщенная характеристика, выражающая правила кодирования элементов и образование конструкций данных на конкретном уровне рассмотрения в вычислительной системе или базе данных. Представление данных в среде хранения и пути доступа к данным определяются внутренней схемой базы данных. Для представления данных различной структуры предназначены модели данных иерархическая, сетевая и реляционная.

Проектирование баз данных – разработка схемы данных для некоторой проблемной области. Цель проектирования – получение баз данных, позволяющих эффективно решать соответствующие задачи. На основе анализа проблемной области выявляются информационные объекты и связи между ними (иногда в терминах некоторой инфологической модели данных), выбирается адекватная им модель данных, в терминах которой представляется логическая или концептуальная данных структура, затем выбирается подходящая СУБД и физическая структура хранения баз данных. Основными критериями, которым должна удовлетворять спроектированная структура баз данных, являются обеспечение функциональных требований приложений и высокая производительность системы. Плохо спроектированная база данных может привести к структурному конфликту, что существенно затруднит программирование прикладных задач. Проектирование должно обеспечить целостность (исключение случайных потерь или искажения данных) и согласованность обновления данных, защиту данных от несанкционированного доступа. База данных должна обладать способностью адаптации к изменяющимся условиям ее использования. Разработаны методы автоматической поддержки процесса проектирования баз данных.

Разрушение данных – процесс, приводящий базу данных в состояние, при котором невозможен доступ к порциям данных, хранимых в ней. Разрушение данных в базе данных может произойти в результате некорректных операций над данными и сбоев технических средств, а также в результате преднамеренных действий при отсутствии средств защиты данных от несанкционированного доступа.

Редактирование данных – преобразование формы представления данных к виду, удобному для использования. Обычно редактирование данных осуществляется при выдаче данных на печать. Типичными действиями редактирования являются устранение ведущих (незначащих) нулей в числе, вставка обозначений денежных единиц или специальных разделителей

218

(например, пробелов или знаков препинания), изменение формата числа и т.д. Редактирование данных обычно осуществляется с помощью специальных средств, имеющихся во многих языках программирования.

Реляционная алгебра (от лат. relatio – отнесение, перенесение) – алгебра отношений, принятая в реляционной модели данных как один из уровней языка манипулирования данными. Операции реляционной алгебры позволяют вырезать отдельные домены из отношения, уменьшая его степень, объединять отношения, получая отношения более высокой степени, причем в результирующем отношении исключаются совпадающие строки, и др. Эти операции применяются к отношению в целом, а не к отдельным его записям и аналогичны характерным операторам обработки файлов в автоматизированной обработке данных.

Реляционно полный язык – язык манипулирования данными, средства которого позволяют выразить любую операцию реляционной алгебры.

Реляционное исчисление – исчисление предикатов, используемое как один из уровней языка манипулирования данными в реляционной модели данных. С помощью реляционного исчисления пользователь определяет отношение, которое он желает получить из существующих в базе данных отношений, не определяя процедурных шагов достижения поставленной цели. Реляционное исчисление позволяет формулировать запросы пользователей в терминах свойств, которыми должны обладать данные, подлежащие извлечению из базы данных или занесению в нее.

Реорганизация данных – процесс изменения концептуальной, логической или физической структуры данных. Логическую реорганизацию данных принять называть реструктуризацией, физическую – реформатированием данных.

Связь данных – свойство данных, отражающее функциональную, статистическую, логическую и т.п. зависимость между ними. Наряду с сущностью является основным понятием в модели предметной области (модель данных «сущность-связь»). Может рассматриваться как одна из форм сущности, однако чаще этого не делают для большей наглядности модели.

Сегмент данных – единица данных, участвующая в обмене между прикладными программами и базами данных. В большинстве современных СУБД такой единицей обмена является запись.

Система баз данных – совокупность общесистемного и прикладного программного обеспечения, баз данных, операционной системы и технических средств вычислительной техники. Используется с целью информационного обеспечения пользователей. Системное программное обеспечение, как правило, включает СУБД и средства ее окружения, средства администратора баз данных или средства ведения файловых систем. Прикладное программное обеспечение обычно включает проблемно-ориентированные пакеты программ анализа информации и решения прикладных задач.

Система управления базами данных (СУБД) – совокупность языковых и программных средств, предназначенных для создания, ведения и

219

конкурентного использования базы данных многими пользователями. Структура СУБД определяется используемой моделью данных. Основными функциями СУБД являются:

а) трансляция схемы, определяющей структуру хранимых данных, в некоторое внутреннее представление, используемое СУБД при дальнейшей работе с данными (схема обычно составляется администратором базы данных на основании требований предполагаемых пользователей и записывается на языке определения данных, принятом в СУБД);

б) загрузка данных в базу данных (создание БД), сопровождаемая максимально возможной проверкой их правильности;

в) реализация запросов пользователей (формулируемых на специальном языке, принятом в данной СУБД) на отбор и извлечение некоторой части базы данных по задаваемым ими критериям отбора; этот процесс может сопровождаться некоторыми процедурами редактирования и обработки отобранной информации;

г) обновление некоторых частей базы данных без изменения структуры данных; критерии определения обновляемой части обычно аналогичны критериям отбора данных и задаются пользователем.

Важным аспектом, характеризующим СУБД, является обеспечиваемые ими структуры данных, их базовые компоненты и способы композиции. Современные СУБД различают логические структуры, отражающие представление пользователя о данных безотносительно к деталям методов их хранения, и структуры хранения, определяющие способы запоминания данных в физических блоках базы данных. В функции СУБД входит также обеспечение защиты данных от неправомочного доступа и разрушений. В зависимости от ориентации пользователей СУБД можно условно разделить на системы с включающим языком, обслуживающие программистов, которые обращаются к БД в терминах языка программирования высокого уровня – включающего языка, расширенного средствами сопряжения с СУБД, называемыми языком манипулирования данными, и системы с замкнутыми возможностями, обслуживающие непрограммирующих пользователей, решающий узкий круг профессиональных проблем, для которых можно предложить язык запросов, близкий по терминологии к характеру решаемых задач и нацеленный на осуществление определенного замкнутого набора функций над базой данных без использования традиционного процедурного программирования. Этот набор составляется из функций высокого уровня, которые приходится многократно программировать. Многолетний опыт использования таких функций показывает, что они могут быть обобщены, т.е. один раз запрограммированы с возможностью настройки по задаваемым пользователем параметрам. К таким функциям чаще всего относятся функции создания и обновления базы данных и так называемая функция получения справок – извлечение данных из базы данных на основе задаваемых пользователем критериев выборки и некоторая типизированная их обработка (сортировка, усреднение, суммирование и др.).

220