7.2. Понятие и классификация баз данных
Основные идеи современной информационной технологии базируются на концепции баз данных, согласно которой основой информационной технологии являются данные, организованные в БД, адекватно отражающие состояние той или иной предметной области и обеспечивающие пользователя актуальной информацией в этой предметной области. Первые БД появились уже на заре первого поколения ЭВМ, представляя собой отдельные файлы данных или их простые совокупности. По мере увеличения объемов и структурной сложности хранимой информации, а также расширения круга потребителей информации появилась необходимость создания удобных эффективных систем интеграции хранимых данных и управления ими. И начиная с 1970-х гг. системы БД стали постепенно заменять файловые системы, использовавшиеся как часть инфраструктуры информационных технологий предприятий. Параллельно с этим росло признание того факта, что данные являются важнейшим корпоративным ресурсом, а базы данных являются фундаментальным компонентом информационной технологии, поэтому их разработку и использование следует рассматривать с точки зрения самых широких требований предприятия.
В настоящее время БД в качестве исходного материала для оказания практически всех видов информационных услуг образуют основу современного внутримашинного информационного обеспечения.
Важным положительным качеством баз данных является независимость данных и использующих их программ. Под независимостью здесь понимается прежде всего то, что изменение данных не приводит к изменению прикладных программ и наоборот. Функционально БД является интегрированной совокупностью недублируемых данных, на основе которых решаются все задачи конкретной предметной области. В БД имеется возможность многоаспектного доступа и использования одних и тех же данных различными пользователями задачами (рис. 7.4).
Рис. 7.4. Обобщенная схема использования БД для решения задач пользователей
Использование БД для многих прикладных программных продуктов упрощает реализацию комплексных запросов, снижает избыточность хранимых данных и повышает эффективность функционирования информационных технологий. Минимальная избыточность и возможность быстрой модификации позволяют поддерживать БД в актуальном состоянии, что присуще динамически обновляемым базам данных. Это означает, что соответствие БД текущему состоянию предметной области обеспечивается не периодически, а в режиме реального времени. При этом одни и те же данные могут быть по-разному представлены в соответствии с потребностями различных групп пользователей.
В общем виде взаимодействие пользователя с БД для решения задач можно представить следующим образом. Пользователи вводят новые данные в БД, модифицируют существующие и удаляют ненужные. Кроме того, пользователи разными способами читают данные: посредством форм, запросов и путем генерации отчетов. Приложение пользователя служит посредником между пользователем и СУБД (программой, обрабатывающей базу данных). Приложение создает формы, запросы и отчеты, посылает данные пользователю и получает их от него, а также преобразует действия пользователя в запросы для управления данными с помощью СУБД.
СУБД получает запросы от приложения и преобразует эти запросы в файлы ввода или вывода базы данных. В большинстве случаев СУБД посылает SQL-операторы и переводит их в инструкции операционной системы для чтения и записи данных в файлы базы данных.
Интересно, что название одной из известнейших в мире террористических группировок «Al-Quaeda» (Аль-Кайеда) в переводе с арабского языка означает «База данных». Происхождение этого названия вызвано строгим учетом сведений о членах организации.
Базы данных появились в середине 1960-х гг. в результате широкого внедрения в информационную деятельность средств вычислительной техники. Первоначально они использовались как промежуточный продукт при подготовке печатных изданий, однако, будучи предоставленными потребителям на машинном носителе (сначала на магнитной ленте, затем на дискетах, а впоследствии и на оптических дисках), БД приобрели самостоятельное значение информационных продуктов.
К основным свойствам баз данных и средств их поддержки и организации можно отнести:
отсутствие дублирования данных, обеспечивающее однократный ввод данных и простоту их корректировки;
непротиворечивость данных;
целостность базы данных;
возможность многоаспектного доступа;
возможность различных выборок данных и их использование различными задачами и приложениями пользователя;
защита и восстановление данных при аварийных ситуациях, аппаратных и программных сбоях, ошибках пользователя;
защита данных от несанкционированного доступа средствами разграничения доступа для различных пользователей;
возможность модификации структуры БД без повторной загрузки данных;
обеспечение независимости программ от данных, позволяющей сохранить программы при модификации структуры БД;
наличие языка запросов высокого уровня, ориентированного на конечного пользователя, который обеспечивает вывод информации из БД по любому запросу и предоставление ее в виде соответствующих отчетных форм, удобных для пользователя.
В настоящее время существует значительное количество самых разнообразных видов баз данных, классифицируемых по различным признакам, представленным на рис. 7.5.
Рис. 7.5. Классификация баз данных
1. По способу хранения данных выделяют два основных вида баз данных — распределенные и централизованные.
Распределенные базы данных состоят из нескольких, возможно пересекающихся или даже дублирующих друг друга частей, хранимых в различных персональных компьютерах ЛВС (кластерные БД). Однако пользователь распределенной базы данных получает возможность работать с ней как с единым информационным массивом с помощью специализированного программного обеспечения — системы управления базами данных (СУБД). Части распределенной БД, размещенные на отдельных ПК сети, управляются собственными локальными СУБД и могут использоваться одновременно как самостоятельные локальные базы данных. Причем, локальные СУБД могут быть различными на разных рабочих станция ЛВС.
Централизованные БД хранятся в памяти одной вычислительной системы. Если эта вычислительная система является компонентом вычислительной сети, то возможен доступ к такой базе с других компьютеров, подключенных к сети.
2. По типу хранимых данных выделяют два основных вида БД:
фактографические, содержащие краткие сведения об описываемых объектах, представленные в строго определенном формате;
документальные БД, содержащие обширную информацию самого разного типа: текстовую, графическую, звуковую, мультимедийную.
Современные информационные технологии постепенно стирают границу между фактографическими и документальными БД. Существуюшие инструментальные средства позволяют легко подключать люобой документ (текстовый, графический, звуковой) к фактографической базе данных.
3. По режимам доступа базы данных подразделяются на следующие виды:
1) базы данных с доступом в режиме online (online databases) хранятся в центральном банке данных. Доступ к ним осуществляется посредством телекоммуникационного оборудования и каналов связи. К таким базам данных можно отнести внутреннюю БД предприятия, имеющего ЛВС, корпоративное хранилище данных с доступом по каналам VPN, а также базы данных, расположенные в Internet (Internet databases). Обращаться к ним можно в режиме реального времени, извлекать из них сведения и сохранять их на компьютере или вспомогательном запоминающем устройстве;
2) базы данных с доступом в режиме offline (offline databases) представляют информацию, хранящуюся на внешних носителях информации или устройствах внешней памяти и доступную для потребителей без использования внешней телекоммуникационной сети.
4. По количеству пользователей БД выделяют следующие виды:
однопользовательские — характеризуются обращением пользователя к БД, расположенной на его локальном ПК, для решения функциональных задач конкретной предметной области;
многопользовательские — обеспечивают сетевое взаимодействие пользователей, которое подразделяется на два основных вида (см. раздел 4.4):
- взаимодействие «толстый клиент» («модель файлового сервера», «модель доступа к удаленным данным») предполагает выделение одной из вычислительных машин сети в качестве центральной (сервер). На нем хранится совместно используемая централизованная БД. Все другие ПК сети выполняют функции рабочих станций. В случае использования «модели файлового сервера» файлы БД по запросам пользователей передаются на рабочие станции, где и производится обработка информации. При большой интенсивности запросов к одним и тем же файлам производительность ЛВС падает. В случае использования «модели доступа к удаленным данным» на рабочей станции клиента и выделенном сервере устанавливается специализированная СУБД, которая подразделяется на две части: клиентскую и серверную. Запрос, передаваемый клиентом серверу БД, порождает поиск, извлечение и передачу не файлов, как в предыдущей модели, а извлеченных данных. Тем самым количество передаваемой по сети информации уменьшается во много раз. Однако основные вычислительные нагрузки, как и в первом случае, ложатся на рабочую станцию клиента, где происходит обработка и представление данных;
— взаимодействие «тонкий клиент» («модель сервера баз данных» «модель сервера приложений») осуществляется в двух вариантах. При использовании «модели сервера баз данных» поиск и обработка данных осуществляется на сервере БД. Клиент имеет ограниченные программные ресурсы, ориентированные только на представление информации. Во втором варианте, который осуществляется в трехуровневой архитектуре, выделяют 2 сервера — сервер БД и сервер приложений. В сервере БД осуществляется поиск искомых данных, а в сервере приложений их обработка. На рабочей станции клиента выполняется только представление данных. Таким образом, понятие «тонкий клиент» указывает, что основные вычислительные нагрузки ложатся на серверный компонент сети.
5. По обслуживанию базами данных решаемых задач выделяют два основных вида БД:
локальные БД создаются для обслуживания одной задачи определенной предметной области. Например, база данных по клиентам организации, которая служит только для сбора и хранения информации и используется для установления контактов с потребителями (тип «записной книжки»);
интегрированные БД представляют собой совокупность взаимосвязанных, хранящихся вместе данных при такой минимальной избыточности, которая допускает их использование оптимальным образом для множества приложений. Они имеют, как правило, распределенную структуру и применяются в КИС для выполнения информационной поддержки различных приложений по решению функциональных задач предприятия.
Интегрированные БД имеют централизованное управление, которое обеспечивает совместимость хранимых данных, уменьшает синтаксическую и семантическую избыточность, поддерживает соответствие данных реальному состоянию экономического объекта, позволяет распределить хранение данных между пользователями и возможность подключения новых специалистов. Однако централизация управления и интеграция данных приводят к необходимости усиления контроля вводимых данных, обеспечения соглашения между пользователями по поводу состава и структуры данных, разграничения доступа и секретности данных и т.д.
Мульти-БД(неоднородные БД) имеют специализированные встроенные механизмы, благодаря которым пользователи, имеющие локальную базу данных на своем ПК, имеют возможность работать со всеми локальными БД других специалистов на одном языке и формулировать запросы с одновременным указанием разных локальных БД. В системах мульти-БД не поддерживается схема интегрированной БД и применяются специальные способы именования для доступа к объектам локальных БД. Как правило, в таких системах допускается только выборка данных, что позволяет сохранить автономность локальных БД.
6. По форме организации данных выделяют:
базы данных, представляющие собой организованную в соответствии с определенными правилами и поддерживаемую в памяти вычислительной системы совокупность данных, характеризующую состояние некоторой предметной области и используемую для удовлетворения информационных потребностей пользователей;
базы знаний, которые кроме данных о предметной области (факты, наблюдения, статистика), содержат еще и правила их использования для принятия оптимального управленческого решения. Выработка решений — главная составляющая базы знаний, которая реализуется в виде комплекса программ. В программы заложена логика рассуждения эксперта при оценке проблемы, предлагаются варианты ее решения.
7. По модели баз данных выделяют следующие виды БД:
плоские — характерны тем, что вся информация располагается в единственной таблице, каждая запись в которой содержит идентификатор конкретного объекта;
иерархические — имеют многоуровневую организацию, в которой имеется одна вершина, а остальные записи упорядочиваются в определенную последовательность на более низких уровнях иерархии;
сетевые — характеризуются тем, что каждый их элемент связан с любым другим элементом базы данных;
реляционные — состоят из нескольких таблиц, связь между которыми устанавливается с помощью совпадающих значений одноименных полей;
объектно-ориентированные, в которых данные оформлены в виде моделей объектов, включающих прикладные программы, управляющие внешними событиями;
объектно-реляционные, представляют собой реляционную модель, использующую в процессе своего функционирования заимствования и методы, свойственные объектно-ориентированному подходу;
модель данных «объектов-ролей» включает в себя два основных понятия — «объекты» и «роли», над которыми выполняются манипуляции. Модель используется для понятийного моделирования и в настоящее время не получила широкого распространения;
многомерные БД рассматривают данные как кубы, которые являются обобщением электронных таблиц на любое число измерений. Кубы поддерживают иерархию измерений и формул без дублирования их определений. Набор соответствующих кубов составляет многомерную базу данных (хранилище данных). Важнейшими критериями выбора типа базы данных является минимизация трудовых и стоимостных затрат на организацию структуры БД, программного обеспечения системы манипулирования данными, а также на модернизацию БД при возникновении новых задач. При этом следует учитывать, что для эффективного функционирования ИТ должна строиться конкретизированная модель для информационного обслуживания специалистов, т.е. структура БД должна отображать информационно-логическую модель данных предметной области.