Система управления Базами Данных

Система управлния базой данных (СУБД) – это программное обеспечение, с помощью которого пользователи могут определять, создавать и поддерживать базу данных, а также осуществлять к ней контролируемый доступ. Концептуально это происходит следующим образом (см. рис. 6.2).

1. Пользователь выдает запрос на доступ к данным, применяя определенный подъязык данных (обычно это язык SQL).

2. СУБД перехватывает этот запрос и анализирует его.

3. СУБД просматривает внешнюю схему (ее объектную версию) для этого пользователя, соответствующее отображение «внешний-концептуальный», концептуальную схему, отображене «концептуальный-внутренний» и определения структур хранения.

4. СУБД выполняет необходимые операции в хранимой базе данных. Рис. 6.4. Компоненты системы базы данных.

Компоненты системы базы данных:

1. Подсистема средств проектирования. Подсистема средств проектирования представляет со­бой набор инструментов, упрощающих проектирование и реализацию баз данных и их приложений. Как правило, этот набор включает в себя средства для создания таблиц, форм, запросов и отчетов. В СУБД имеются также языки программиро­вания и интерфейсы для них.

2. Подсистема обработки. Подсистема обработки занимается обработкой компо­нентов приложения, созданных с помощью средств проектирования. Например, в Access 2002 имеется компонент, материализующий формы и связывающий эле­менты форм с данными таблиц. Представьте себе форму с текстовым полем, где отображается значение столбца Номер Студента из таблицы СТУДЕНТ. В процессе работы приложения при открытии формы процессор форм из­влекает значение поля Номер Студента из текущей строки таблицы и отображает его в форме. Все это делается автоматически – ни пользователю, ни разработчи­ку не требуется ничего делать, если имеется готовая форма.

Другие процессоры подсистемы обработки предназначены для выполнения запросов и вывода отче­тов. Кроме того, в подсистеме обработки имеется компонент, обрабатывающий запросы прикладных программ на чтение и запись данных в базу.

3. Ядро СУБД. Третий компонент СУБД – это ее ядро, которое выполняет функцию посредника между подсистемой средств проектирования и обработки и данными. Ядро СУБД получает запросы от двух других компонентов, выражен­ные в терминах таблиц, строк и столбцов, и преобразует эти запросы в команды операционной системы, выполняющие запись и чтение данных с физического но­сителя. Кроме того, ядро СУБД участвует в управлении транзакциями, блокировке, резервном копировании и восстановлении. Ядро СУБД помогает координировать действия с тем, чтобы либо выполнялись все действия в группе, либо не выполнялись ни одного.

СУБД – это программное обеспечение, которое взаимодействует с прикладными программами пользователя и базой данных и обладает приведенными ниже возможностями:

1. Позволяет определять базу данных, что обычно осуществляется с помощью языка определения данных (DDL – Data Definition Language). DDL предназначен для предоставления пользователям средств указания типа данных и их структуры, а также средств задания ограничений для информации, хранимой в базе данных.

2. Позволяет вставлять, обновлять, удалять и извлекать информацию из базы данных, что обычно осуществляется с помощью языка управления данными (Data Manipulation Language). Наличие централизованного хранилища всех данных и их описаний позволяет использовать язык DML как общий инструмент организации запросов, который иногда называют языком запросов (query language). Язык запросов позволяет устранить присущие файловым системам ограничения, при которых пользователям приходится иметь дело только с фиксированным набором запросов или постоянно возрастающим количеством программ, что порождает другие, более сложные проблемы управления программным обеспечением.

Существует две разновидности языков DML – процедурные (procedural) и непроцедурные (non-procedural) языки, – которые отличаются между собой способом извлечения данных. Процедурные языки обычно обрабатывают информацию в базе данных последовательно, запись за записью, а непроцедурные оперируют сразу целыми наборами записей. C помощью процедурных языков DML обычно указывается, как можно получить желаемый результат, тогда как непроцедурные языки DML используются для описания того, что следует получить.

Наиболее распространенным типом непроцедурного языка является язык структурированных запросов (Structured Query Language-SQL), который в настоящее время определяется специальным стандартом и фактически является обязательным языком для любых реляционных СУБД.

3. СУБД предоставляет контролируемый доступ к базе данных с помощью перечисленных ниже средств:

• системы обеспечения безопасности, предотвращающей несанкционированный доступ к базе данных со стороны пользователей;

• системы поддержки целостности данных, обеспечивающей непротиворечивое состояние хранимых данных;

• системы управления параллельной работой прикладных программ, контролирующей процессы их совместного доступа к базе данных;

• системы восстановления, позволяющей восстановить базу данных до предыдущего непротиворечивого состояния, нарушенного в результате сбоя аппаратного или программного обеспечения;

• доступного пользователям каталога, содержащего описание хранимой в базе данных информации.

Компоненты среды СУБД

В среде СУБД можно выделить следующих пять основных компонентов:

• аппаратное обеспечение,

• программное обеспечение,

• данные,

• процедуры,

• пользователи.

Рис. 6.5. Среда СУБД.

Аппаратное обеспечение

К аппаратному обеспечению системы относится следующее:

• тома вторичной (внешней) памяти (обычно это магнитные диски), используемые для хранения информации, а также соответствующие устройства ввода-вывода и т. д.;

• аппаратный процессор (или процессоры) вместе с оперативной (первичной) памятью, предназначенные для поддержки работы программного обеспечения системы баз данных.

Для работы СУБД и прикладных программ необходимо некоторое аппаратное обеспечение. Оно может варьировать в очень широких пределах – от единственного персонального компьютера или одного мейнфрейма до сети из многих компьютеров.

На центральном компьютере работает серверная часть СУБД (backend), которая обслуживает и контролирует доступ к базе данных.

На остальных компьютерах работают клиентские части СУБД (frontend), которые осуществляют взаимодействие с пользователями.

Подобная архитектура носит название клиент/сервер (client-server), где сервером является компьютер с серверной частью СУБД, а клиентами – компьютеры с клиентскими частями СУБД.

Программное обеспечение

Этот компонент охватывает программное обеспечение самой СУБД и прикладных программ, вместе с операционной системой, включая и сетевое программное обеспечение, если СУБД используется в сети.

СУБД может иметь свои собственные инструменты четвертого поколения, предназначенные для быстрой разработки приложений с использованием встроенных непроцедурных языков запросов, генераторов отчетов, форм, графических изображений и даже полномасштабных приложений.

Использование инструментов четвертого поколения может существенно повысить производительность системы и способствовать созданию более удобных, для обслуживания программ.

Данные

Самым важным компонентом среды СУБД (с точки зрения конечных пользователей) являются данные.

База данных содержит как рабочие данные, так и метаданные, т.е. "данные о данных". Структура базы данных называется схемой (schema).

В общем случае данные в базе данных (по крайней мере, в больших системах) являются интегрированными и разделяемыми. Эти два аспекта, интеграция и разделение данных, представляют собой наиболее важнее преимущества использования систем баз данных на «большом» оборудовании и, по меньшей мере, один из них – интеграция – является преимуществом их применения и на «малом» оборудовании.

Под понятием интеграции данных подразумевается возможность представить базу данных как объединение нескольких отдельных файлов данных, полностью или частично исключающее избыточность хранения информации.

Под понятием разделяемости данных подразумевается возможность использования несколькими различными пользователями отдельных элементов, хранимых в базе данных. Имеется в виду, что каждый из пользователей сможет получить доступ к одним и тем же данным, возможно, даже одновременно (параллельный доступ). Такое разделение данных, с параллельным или последовательным доступом, частично является следствием того факта, что база данных имеет интегрированную структуру. (Если база данных не является разделяемой, то ее иногда называют личной базой или базой данных специального назначения).

В системном каталоге содержатся следующие сведения:

• имена, типы и размеры элементов данных;

• имена связей;

• ограничения целостности данных;

• имена зарегистрированных пользователей, которым предоставлены некоторые права доступа к данным;

• используемые индексы и структуры хранения – например, инвертированные файлы или деревья В+.

Процедуры

К процедурам относятся инструкции и правила, которые должны учитываться при проектировании и использовании базы данных.

Пользователям и обслуживающему персоналу базы данных предоставляется документация, содержащая подробное описание процедур использования и сопровождения данной системы, включая инструкции о правилах выполнения приведенных ниже действий.

• Регистрация в СУБД.

• Использование отдельного инструмента СУБД или приложения.

• Запуск и остановка СУБД.

• Создание резервных копий СУБД.

• Обработка сбоев аппаратного и программного обеспечения, включая процедуры идентификации вышедшего из строя компонента, исправления отказавшего компонента (например, посредством вызова специалиста по ремонту аппаратного обеспечения), а также восстановления базы данных после устранения неисправности.

• Изменение структуры таблицы, реорганизация базы данных, размещенной на нескольких дисках, способы улучшения производительности и методы архивирования данных на вторичных устройствах хранения.

Пользователи

Среди пользователей можно выделить четыре различные группы:

• администраторы данных и баз данных,

• разработчики баз данных,

• прикладные программисты

• конечные пользователи.

Администраторы данных и администраторы баз данных

База данных и СУБД являются корпоративными ресурсами, которыми следует управлять так же, как и любыми другими ресурсами.

Обычно управление данными и базой данных предусматривает управление и контроль над СУБД и помещенными в нее данными.

Администратор данных (DA – data administration) отвечает за управление данными, включая планирование базы данных, разработку и сопровождение стандартов, бизнес-правил и деловых процедур, а также за концептуальное и логическое проектирование базы данных.

Администратор базы данных, или АБД (Database Administrator – DBA), отвечает за физическую реализацию базы данных, включая физическое проектирование и воплощение проекта, за обеспечение безопасности и целостности данных, за сопровождение операционной системы, а также за обеспечение максимальной производительности приложений и пользователей.

Разработчики баз данных

В проектировании больших баз данных участвуют два разных типа разработчиков: разработчики логической базы данных и разработчики физической базы данных.

Разработчик логической базы данных занимается идентификацией данных (т.е. сущностей и их атрибутов), связей между данными и устанавливает ограничения, накладываемые на хранимые данные, должен всесторонне и в полном объеме понимать структуры данных организации и ее бизнес-правил.

Бизнес-правила описывают основные характеристики данных с точки зрения организации или описываемой предметной области.

Ниже приводятся примеры типичных бизнес-правил.

• Любой преподаватель не может проводить, более чем однозначно установленное количество лекций по данному предмету.

• Любой студент не имеет права без уважительной причины пропускать лекции.

• Преподаватель не может быть одновременно заведующим нескольких кафедр в одном университете.

Для эффективной работы разработчик логической базы данных должен как можно раньше вовлечь всех предполагаемых пользователей базы данных в процесс создания модели данных.

Работа разработчика логической базы данных делится на два этапа:

1. Концептуальное проектирование базы данных, которое совершенно не зависит от таких деталей ее воплощения, как конкретная целевая СУБД, приложения, языки программирования или любые другие физические характеристики.

2. Логическое проектирование базы данных, которое проводится с учетом особенностей выбранной модели данных: реляционной, сетевой, иерархической или объектно-ориентированной.

Разработчик физической базы данных получает готовую логическую модель данных, занимается ее физической реализацией, в том числе:

• преобразованием логической модели данных в набор таблиц и ограничений целостности данных;

• выбором конкретных структур хранения и методов доступа к данным, обеспечивающих необходимый уровень производительности при работе с базой данных;

• проектированием любых требуемых мер защиты данных.

Многие этапы физического проектирования базы данных в значительной степени зависят от выбранной целевой СУБД, а потому может существовать несколько различных способов воплощения требуемой схемы. Следовательно, разработчик физической базы данных должен разбираться в функциональных возможностях целевой СУБД и понимать достоинства и недостатки каждого возможного варианта воплощения. Разработчик физической базы данных должен уметь выбрать наиболее подходящую стратегию хранения данных с учетом всех существующих особенностей их использования. Если концептуальное и логическое проектирование базы данных отвечает на вопрос "что?", то физическое проектирование отвечает на вопрос "как?".

Прикладные программисты

После создания базы данных следует разработка приложений, предоставляющих пользователям необходимые им функциональные возможности, которую и выполняют прикладные программисты.

Прикладные программисты работают на основе спецификаций, созданных системными аналитиками.

Пользователи

Пользователи являются клиентами базы данных – она проектируется, создается и поддерживается для того, чтобы обслуживать их информационные потребности.

Пользователь может получать доступ к базе данных, применяя одно из интерактивных приложений или же интерфейс (встроенное приложение), интегрированный в программное обеспечение самой СУБД. Большинство СУБД включает, по крайней мере, одно встроенное приложение, а именно – процессор языка запросов, позволяющий пользователю в диалоговом режиме вводить запросы к базе данных. Язык SQL представляет собой типичный пример языка запросов к базе данных.

Кроме языка запросов, в большинстве систем дополнительно предоставляются специализированные встроенные интерфейсы, в которых пользователь в явном виде не использует предложения, или команды с такими операторами, как SELECT и INSERT. Работа с базой данных осуществляется за счет выбора пользователем необходимых элементов меню или заполнения требуемых полей в представленных формах. Такие некомандные интерфейсы, основанные на меню и формах, облегчают работу с базами данных для тех, кто не имеет опыта работы с информационными технологиями. Командный интерфейс, т.е. язык запросов, напротив, требует некоторого профессионального опыта работы с информационными технологиями. Командный интерфейс более гибок, чем некомандный, к тому же языки запросов обычно включают определенные функции, отсутствующие в интерфейсах, основанных на использовании меню или форм.

Таким образом, упрощенная схема взаимодействия всех компонент среды СУБД представлена на рис. 6.6. Процесс взаимодействия реализуется посредством программного обеспечения, расположенного на аппаратной платформе, суть взаимодействия заключается в доступе к различным наборам данных различными пользователями.

Рис. 6.6. Упрощенная схема системы баз данных.

Функции СУБД

В этом разделе рассмотрим типы функций и служб (сервисов), которые должна обеспечивать типичная СУБД. В свое время Кодд предложил перечень из восьми сервисов, которые должны быть реализованы в любой полномасштабной СУБД (Codd 1982).