Лекция 2

Основные определения

База данных - компьютеризированная система хранения записей - подобие электронной картотеки. Основная цель такой системы содержать информацию и предоставлять ее по требованию. К информации может относиться все, что заслуживает внимания отдельного пользователя или предприятия.

Преимущества системы с базой данных по сравнению с традиционным "бумажным" методом ведения учета для этих примеров вполне очевидны. Отметим некоторые из них, которые описаны ниже.

■ Компактность. Нет необходимости в создании и ведении, возможно, весьма объемистых бумажных картотек.

■ Быстродействие. Компьютер может выбирать и обновлять данные гораздо быстрее человека. В частности, с его помощью можно быстро получать ответы на произвольные вопросы, возникающие в процессе работы, не затрачивая времени на визуальный осмотр или поиск вручную.

■ Низкие трудозатраты. Отпадает необходимость в утомительной работе над картотекой вручную. Механическую работу машины всегда выполняют лучше.

■ Актуальность. В случае необходимости под рукой в любой момент имеется точная,

свежая информация.

■ Защита. Данные могут быть лучше защищены от случайной потери и несанкционированного доступа.

Эти преимущества приобретают еще большее значение в многопользовательской среде, где база данных, вероятно, больше и сложнее однопользовательской. Кроме того, многопользовательская среда имеет дополнительное преимущество: система баз данных предоставляет предприятию средства централизованного управления его данными (именно возможность такого управления является наиболее ценным свойством базы данных). Представьте себе противоположную ситуацию: предприятие не использует систему баз данных, поэтому для каждого отдельного приложения создаются свои файлы, чаще всего размещаемые на отдельных магнитных лентах или дисках, в результате чего данные оказываются разрозненными. Систематически управлять такими данными очень сложно.

Компоненты базы данных:

- данные,

- аппаратное обеспечение,

- программное обеспечение,

- пользователи.

Компоненты БД

Аппаратное обеспечение:

- Накопители;

- Контроллеры;

- Процессоры;

Данные

Программное обеспечение:

-СУБД(Сервер);

-Инструментальные средства(Процессоры языков запросов, генераторы отчетов и тд.)

Пользователи:

- Прикладные программисты;

- DBA;

- Конечные пользователи;

Данные

Данные являются основной компонентой базы данных, в процессе функционирования информационных систем стоимость данных превышает стоимость аппаратных и программных средств, т.к. от данных зависит процесс нормального функционирования предприятия.

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 (дисководы и т.п.), контроллеры устройств, каналы ввода—вывода и т.д.;

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

Программное обеспечение

Между собственно физической базой данных (т.е. данными, которые реально хранятся на компьютере) и пользователями системы располагается уровень программного обеспечения, который можно называть пo-разному: диспетчер базы данных (database manager), сервер базы данных (database server) или система управления базами данных, СУБД (DataBase Management System— DBMS). Все запросы пользователей на получение доступа к базе данных обрабатываются СУБД. Все имеющиеся средства добавления файлов (или таблиц), выборки и обновления данных в этих файлах или таблицах также предоставляет СУБД. Основная задача СУБД — дать пользователю базы данных возможность работать с ней, не вникая во все подробности работы на уровне аппаратного обеспечения. (Пользователь СУБД более отстранен от этих подробностей, чем прикладной программист, применяющий языковую среду программирования.) Иными словами, СУБД позволяет конечному пользователю рассматривать базу данных как объект более высокого уровня по сравнению с аппаратным обеспечением, а также предоставляет в его распоряжение набор операций, выражаемых в терминах языка высокого уровня.

Основным назначением систем баз данных, безусловно, является поддержка разработки и выполнения приложений баз данных. Поэтому на высоком уровне систему баз данных можно рассматривать как систему с очень простой структурой, состоящей из описанных ниже двух частей - сервера (внутреннего компонента, или машины базы данных) и клиентов (внешних компонентов, или внешних интерфейсов), как показано на рис.2.5.

1. Сервер— это сама СУБД. Он поддерживает все основные функции СУБД, которые обсуждались в разделе 2.8, а именно: определение данных, манипулирование данными, защиту данных, поддержание целостности данных и т.д. В частности, он предоставляет полную поддержку внешнего, концептуального и внутреннего уровней, обсуждавшихся в разделе 2.8. Поэтому сервер в этом контексте — это просто другое название для СУБД.

2. Клиенты — это различные приложения, которые выполняются с помощью СУБД.

Таковыми являются как приложения, написанные пользователями, так и встроенные приложения, предоставляемые поставщиками СУБД или некоторыми сторонними поставщиками программного обеспечения. Конечно, в самом сервере разница между встроенными приложениями и приложениями, написанными пользователем, не обнаруживается, поскольку все эти приложения используют один и тот же интерфейс сервера, а именно интерфейс внешнего уровня, который уже рассматривался в разделе 2.3. (Некоторые специальные "служебные" приложения могут оказаться исключениями. Как упоминалось выше, в разделе 2.5, они иногда работают непосредственно на внутреннем уровне системы. Подобные утилиты правильнее относить к встроенным компонентам СУБД, а не к приложениям в обычном смысле. В следующем разделе утилиты обсуждаются более подробно.)

Рис. 2.5. Архитектура "клиент/сервер"

Приложения, в свою очередь, делятся на несколько четко определенных категорий.

■ Приложения, написанные пользователями. В основном, это обычные прикладные программы, чаще всего написанные либо на языке программирования общего назначения, таком как C++ или C#, либо на одном из специализированных языков четвертого поколения, хотя в обоих случаях эти языки должны как-то связываться с соответствующим подъязыком данных.

■ Приложения, предоставляемые поставщиками (часто называемые инструментальными средствами). В целом, назначение таких средств — упрощать процесс создания и выполнения других приложений, т.е. приложений, которые разрабатываются специально для решения некоторой конкретной задачи. Часто эти приложения могут выглядеть вовсе не так, как приложения в общепринятом смысле.

И это понятно, поскольку само назначение инструментальных средств состоит в предоставлении пользователям, особенно конечным, возможности создавать приложения без написания традиционных программ. Например, одно из предоставляемых поставщиком СУБД инструментальных средств может быть генератором отчетов, с помощью которого конечный пользователь сможет получить отформатированный отчет, выполнив обычный запрос к системе. Каждый такой запрос является, по существу, не чем иным, как небольшим специальным приложением, написанным на языке очень высокого уровня (с конкретным назначением), а именно — на языке формирования отчетов.

Отдельно поставляемые инструментальные средства, в свою очередь, делятся на несколько самостоятельных классов.

а) Процессоры языков запросов.

б) Генераторы отчетов.

в) Графические бизнес-подсистемы.

г) Электронные таблицы.

д) Процессоры команд на естественных языках.

е) Статистические пакеты.

ж) Средства управления копированием или средства извлечения данных.

з) Генераторы приложений (включая процессоры языков четвертого поколения).

и) Другие средства разработки приложений, включая CASE-инструменты (CASE, или Computer-Aided Software Engineering — автоматизированное проектирование и создание программ) и т.д.

к) Инструментальные средства интеллектуального анализа данных и визуализации.

Подробное обсуждение этих приложений выходит за рамки данной книги, однако следует отметить, что (как утверждалось ранее) главная задача системы баз данных — поддержка создания и выполнения приложений. Поэтому качество имеющихся клиентских инструментальных средств должно быть главным фактором при выборе СУБД, наиболее подходящей для конкретного заказчика. Другими словами, характеристики самой СУБД — не единственный и не важнейший фактор, который нужно учитывать в этом случае.

Завершим настоящий раздел ссылкой на последующий материал. Так как система в целом может быть четко разделена на две части (сервер и клиенты), появляется возможность организовать работу этих двух частей на разных компьютерах. Иначе говоря, существует возможность организации распределенной обработки.

Распределенная обработка предполагает, что отдельные компьютеры можно соединить какой-нибудь коммуникационной сетью так, чтобы выполнение одной задачи обработки данных можно было распределить на несколько компьютеров этой сети. Как показала практика, эта возможность настолько заманчива по различным соображениям (главным образом, экономическим), что термин "клиент/сервер" стал применяться почти исключительно в тех случаях, когда клиенты и сервер действительно находятся на разных компьютерах.

УТИЛИТЫ

Утилиты — это программы, разработанные для администратора базы данных и используемые им при решении различных административных задач. Как упоминалось выше, некоторые утилиты выполняются на внешнем уровне системы и потому представляют собой не что иное, как приложения специального назначения. Одни из них могут быть созданы даже не поставщиком данной СУБД, а какими-то сторонними разработчиками. Однако другие утилиты выполняются непосредственно на внутреннем уровне (т.е. действительно являются частью сервера) и поэтому должны предоставляться поставщиками СУБД.

Ниже приводится несколько примеров утилит различных типов, которые часто применяются на практике.

■ Инструменты загрузки, применяемые для создания исходной версии базы данных из одного или нескольких файлов операционной системы.

■ Инструменты выгрузки—перезагрузки, применяемые для выгрузки базы данных или ее части, создания резервных копий хранимых данных и восстановления базы данных из этих копий. (Безусловно, инструменты перезагрузки по сути идентичны упомянутым выше инструментам загрузки.)

■ Инструменты реорганизации, применяемые для перераспределения данных в хранимой базе данных (обычно в целях повышения производительности).

В частности, это может быть процедура группирования данных на диске не которым специальным образом или освобождения пространства, прежде занятого данными, которые больше не используются.

■ Статистические инструменты, применяемые для вычисления различных статистических показателей и показателей производительности, таких как сведения о размерах файлов или значениях данных, о количестве операций ввода-вывода и т.п.

■ Инструменты анализа, применяемые для анализа упомянутой выше статистической информации. Этот список охватывает лишь небольшую часть функциональных возможностей, обычно предоставляемых доступными утилитами. Помимо перечисленных, существует множество других функций.

Необходимо отметить еще две особенности.

СУБД - это наиболее важный, но не единственный программный компонент системы. В числе других компонентов можно назвать утилиты, средства разработки приложений, средства проектирования, генераторы отчетов и диспетчер транзакций (transaction manager), или диспетчер обработки транзакций (transaction processing monitor— TP monitor).

Термин СУБД также часто используется в отношении конкретных программных продуктов конкретных изготовителей, например, таких как DB2 Universal Database компании IBM. Иногда в тех случаях, когда конкретная копия подобного продукта устанавливается для работы на определенном компьютере, используется термин экземпляр. Безусловно, необходимо строго различать эти два понятия.

Следует отметить, что термин база данных часто используется даже тогда, когда на самом деле подразумевается СУБД (в одном из уже упомянутых толкований).

Пользователи

Пользователей можно разделить на три большие и отчасти перекрывающиеся группы.

• Первая группа — прикладные программисты, которые отвечают за написание прикладных программ, использующих базу данных. Для этих целей применимы такие языки, как PL/I, C++, Java или какой-нибудь высокоуровневый язык четвертого поколения. Прикладные программы получают доступ к базе данных посредством выдачи соответствующего запроса к СУБД (обычно это некоторый оператор SQL). Подобные программы могут быть простыми пакетными приложениями или же интерактивными приложениями, предназначенными для поддержки работы конечных пользователей. В последнем случае они предоставляют пользователям непосредственный оперативный доступ к базе данных через рабочую станцию, терминал или персональный компьютер. Большинство современных приложений относится именно к этой категории.

• Вторая группа — конечные пользователи, которые работают с системой баз данных в интерактивном режиме. Конечный пользователь может получать доступ к базе данных, применяя одно из интерактивных приложений, упомянутых выше, или же интерфейс, интегрированный в программное обеспечение самой СУБД. Безусловно, подобный интерфейс также поддерживается интерактивными приложениями, но эти приложения не создаются пользователями-программистами, а являются встроенными в СУБД. Большинство СУБД включает по крайней мере одно такое встроенное приложение, а„ именно— процессор языка запросов, позволяющий пользователю в диалоговом режиме вводить запросы к базе данных (их часто иначе называют предложениями или командами), например, с операторами SELECT или INSERT. Язык SQL представляет собой типичный пример языка запросов к базе данных. (Общепринятый термин язык запросов не совсем точно отражает рассматриваемое понятие, поскольку слово запрос подразумевает лишь выборку информации, в то время как с помощью этого языка выполняются также операции обновления, вставки, удаления и др.)

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 предоставленных формах. Такие некомандные интерфейсы, основанные на меню и формах, облегчают работу с базами данных для тех, кто не имеет опыта работы с информационными технологиями (или ИТ; часто употребляется также сокращение ИС — информационные системы; эти понятия практически эквивалентны). Командный интерфейс, т.е. язык запросов, напротив, требует некоторого профессионального опыта работы с ИТ (но, безусловно, не такого большого, какой необходим для написания прикладных программ на языке программирования). Однако командный интерфейс более гибок, чем некомандный, к тому же языки запросов обычно включают определенные функции, отсутствующие в интерфейсах, основанных на использовании меню или форм.

• Третья группа — администраторы базы данных, или АБД.

Администрирование данных и администрирование базы данных

Рассмотрим более подробно концепцию централизованного управления. Предполагается, что при централизованном управлении на предприятии, использующем базу данных, есть человек, который несет основную ответственность за данные предприятия.

Это - администратор данных, или сокращенно АД.

В связи с тем, что данные (как было отмечено выше) — это одна из главных ценностей предприятия, администратор должен разбираться в них и понимать нужды предприятия по отношению к данным на уровне высшего управляющего звена в руководстве предприятием. Сам администратор данных также должен относиться к этому звену.

В его обязанности входит принятие решений о том, какие данные необходимо вносить в базу данных в первую очередь, а также выработка требований по сопровождению и обработке данных после их занесения в базу данных. Примером подобных требований может служить распоряжение о том, кто и при каких обстоятельствах имеет право выполнять конкретные операции над теми или иными данными. Другими словами, администратор данных должен обеспечивать защиту данных (подробнее об этом речь пойдет ниже).

Очень важно помнить, что администратор данных относится к управляющему звену, а не к техническим специалистам (хотя он, конечно, должен иметь хорошее представление о возможностях баз данных на техническом уровне). Технический специалист, ответственный за реализацию решений администратора данных, — это администратор базы данных, или АБД. Администратор базы данных, в отличие от администратора данных, должен быть профессиональным специалистом в области информационных технологий.

Работа АБД заключается в создании самих баз данных и организации технического контроля, необходимого для осуществления решений, принятых администратором данных. АБД несет также ответственность за обеспечение необходимого быстродействия системы и ее техническое обслуживание. Обычно у АБД есть штат из системных программистов и технических ассистентов (т.е. на практике функции АБД часто выполняет группа из нескольких человек, а не один служащий). Однако для простоты удобнее считать, что администратор базы данных — один человек.

администратор данных (АД) — это человек, отвечающий за стратегию и политику принятия решений, связанных с данными предприятия, а администратор базы данных (АБД) — это человек, обеспечивающий необходимую техническую поддержку для реализации принятых решений. Таким образом, АБД отвечает за общее управление системой на техническом уровне. Теперь опишем функции АБД более подробно.

■ Определение концептуальной схемы

Администратор данных решает, какая именно информация должна храниться в базе данных, т.е. указывает те типы сущностей, в которых заинтересовано предприятие, а также определяет, какую информацию об этих сущностях необходимо вводить в базу данных. Этот процесс обычно называют логическим (или концептуальным) проектированием базы данных. После того как содержимое базы данных на абстрактном уровне будет определено администратором данных, АБД создает соответствующую концептуальную схему, используя концептуальный язык определения данных.

Объектная (откомпилированная) форма этой схемы будет использоваться в СУБД для получения ответов на запросы, связанные с доступом к данным. Исходная (не откомпилированная) форма будет играть роль справочного документа для пользователей системы.

Следует отметить, что на практике редко все происходит точно по описанной выше схеме. Иногда концептуальную схему создает сам АД, а логическим проектированием занимается АБД.

■ Определение внутренней схемы

Администратор базы данных должен также решить, как данные будут представлены в хранимой базе данных. Этот процесс обычно называют физическим проектированием базы данных. После завершения физического проектирования АБД создает соответствующие структуры хранения, используя внутренний язык определения данных (т.е. описывает внутреннюю схему). Кроме того, он определяет соответствующее отображение между внутренней и концептуальной схемами. На практике концептуальный и внутренний языки определения данных (особенно первый) могут включать в себя средства определения этого отображения, однако две данные функции (создание схемы и определение отображений) должны быть четко разделены. Как и концептуальная схема, внутренняя схема и соответствующее отображение будут существовать в исходной и объектной формах.

Обратите внимание на то, что проектирование осуществляется в определенной последовательности — вначале необходимо установить, какие данные требуются, а затем решить, как следует представить их в памяти. Физическое проектирование выполняется после логического.

■ Взаимодействие с пользователями

В обязанности АБД входит также взаимодействие с пользователями для предоставления им необходимых данных и подготовки требуемых внешних схем (или оказания помощи пользователям в их подготовке) с применением прикладного внешнего языка определения данных. (Как уже отмечалось, СУБД может поддерживать несколько различных внешних языков определения данных.) Кроме того, необходимо определить отображение между каждой созданной внешней и концептуальной схемами. На практике внешний язык определения данных может включать средства формирования этого отображения, но, опять же, схемы и отображения должны быть четко разделены между собой.

Каждая внешняя схема и соответствующее ей отображение будут существовать в исходной и объектной формах.

Другие аспекты взаимодействия с пользователями включают консультации по разработке приложений, обеспечение требуемого технического обучения, предоставление помощи в выявлении и устранении возникающих проблем и прочие виды связанного с системой профессионального обслуживания.

■ Определение требований защиты и обеспечения целостности данных

Как уже отмечалось, требования защиты и поддержки целостности данных рассматриваются как часть определения концептуальной схемы. Концептуальный язык определения данных должен включать в себя средства описания этих требований.

■ Определение процедур резервного копирования и восстановления

После того как предприятие доверит хранение своих данных системе баз данных, оно станет полностью зависимым от бесперебойного функционирования этой системы. В случае повреждения какой-либо части базы данных вследствие ошибки человека, отказа оборудования или сбоя программ операционной системы очень важно иметь возможность восстановить утраченные данные с минимальной задержкой и с наименьшим воздействием на остальную часть системы. В идеале, данные, которые не были повреждены, совсем не должны затрагиваться в процессе восстановления. АБД

должен разработать и реализовать, во-первых, подходящую схему восстановления, включающую периодическую выгрузку базы данных на устройство резервного копирования (получение дампа), а во-вторых, процедуры загрузки базы данных из последнего созданного дампа в случае необходимости.

Помимо всего прочего, требование быстрого восстановления поврежденных данных является одной из тех причин, по которым желательно организовать хранение данных не в каком-либо одном месте, а распределить их по нескольким отдельным базам данных. Каждая из таких баз данных будет представлять собой оптимальный объект выгрузки или перезагрузки. В этой связи отметим, что уже существуют терабайтовые системы, а в будущем системы станут еще более крупными. Понятно, что такие системы очень больших баз данных (Very Large DataBase — VLDB) требуют тщательного и продуманного администрирования, в особенности если необходимо обеспечить для пользователей постоянный доступ к базе данных (а часто именно так и бывает). Однако для простоты рассуждений будем по-прежнему подразумевать, что мы имеем дело с единственной базой данных.

■ Управление производительностью и реагирование на изменяющиеся требования

Как отмечалось выше, в главе 1, АБД отвечает за такую организацию системы, при которой можно поддерживать производительность, оптимальную для всего предприятия в целом, а также за корректировку работы системы (т.е. ее настройку) в соответствии с изменяющимися требованиями. Например, может возникнуть необходимость в периодической реорганизации хранимой базы данных для обеспечения того, чтобы производительность системы всегда поддерживалась на приемлемом уровне. Как уже упоминалось, любые изменения на уровне физического хранения данных (внутреннем уровне) должны сопровождаться соответствующими изменениями в определении его отображения на концептуальный уровень, что позволит сохранить концептуальную схему неизменной. Конечно, перечисленное выше — отнюдь не исчерпывающий список обязанностей АБД, а лишь попытка высказать некоторые соображения об их существе и охвате.

В последнее время системы управления базами данных утвердились как основные средства хранения данных в информационных системах различного масштаба.

(Примерами являются банковские системы, системы продажи железнодорожных и авиационных билетов и т.д.)

Доминирующее положение в настоящее время занимают БД построенные на реляционной модели. Почти все продукты баз данных, созданные с конца 70-х годов, основаны на подходе, который называют реляционным (relational); более того, подавляющее большинство научных исследований в области баз данных в течение последних 25 лет проводилось в этом направлении. Что подразумевается под реляционной системой?

Реляционная система - это система, основанная на следующих принципах:

1) данные для пользователя передаются в виде таблиц (и никак иначе) ;

2) Пользователю предоставляются операторы (например, для выборки данных), позволяющие генерировать новые таблицы на основании уже существующих.

Например, в системе обязательно должны присутствовать оператор сокращения, предназначенный для получения подмножества строк заданной таблицы, и оператор проекции, позволяющий получить подмножество ее столбцов. Однако подмножество строк и подмножество столбцов некоторой таблицы, безусловно, можно рассматривать как новые таблицы.

Причина, по которой такие системы называют реляционными, в то, что английский термин отношение, по существу, просто математическое название для таблицы. Поэтому на практике в большинстве случаев термины отношение и таблица можно считать синонимами.

Основные термины, используемые при описании данных в реляционных системах.

ST_FAM

Сергей

Иван

и др.

S#

ST_NAME

AV_CNT

Домены