Методические указания к практическим занятиям по дисциплине «Основы построения защищенных СУБД» для студентов специальности «Компьютерная безопасность». Плотников Д.Г., Остапенко А.Г

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»

Кафедра систем информационной безопасности

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к практическим занятиям по дисциплине «Основы построения защищенных СУБД» для студентов специальности

090301 «Компьютерная безопасность» очной формы обучения

Воронеж 2015

Составитель канд. техн. наук Д. Г. Плотников

УДК 004.05

Методические указания к практическим занятиям по дисциплине «Основы построения защищенных СУБД» для студентов специальности 090301 «Компьютерная безопасность» очной формы обучения/ ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»; сост. Д. Г. Плотников. Воронеж, 2015. 35 с.

Методические указания к практическим занятиям содержат указания и рекомендации, направленные на организацию углубленного изучения передового опыта и последних разработок в области обеспечения безопасности современных систем баз данных.

Методические указания подготовлены в электронном виде в текстовом редакторе MW-2013 и содержатся в файле Плотников_ПЗ_ОПЗ_СУБД.pdf.

Ил. 15. Библиогр.: 80 назв.

Рецензент д-р техн. наук, проф. А. Г. Остапенко

Ответственный за выпуск зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. А. Г. Остапенко

Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

© ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2015

ВВЕДЕНИЕ

Базы данных предназначены для хранения и обработки большого количества однородной информации, которая может представлять собой, например, сведения о сотрудниках университета, справочник лекарственных средств, результаты измерения температуры, давления и влажности в течение года, сведения о банковских вкладах, список счетов для оплаты телефонных переговоров и т. д.

Идея использовать компьютер для накопления и обработки больших объемов информации появилась почти сразу после его создания. Одновременно с развитием компьютерной техники развивалась и теория баз данных, изменялись структура представления информации, хранения данных на физических носителях, методы доступа и обработки данных. В результате появились модели баз данных, методики проектирования баз данных, специальное программное обеспечение для работы с базами данных, называемое системой управления базами данных, языки баз данных.

Системы управления базами данных (СУБД) реализуют хранение данных в соответствии с одной или несколькими моделями данных, выполнение стандартных операций обработки данных, таких как внесение новой информации или корректировка уже введенной, поиск данных, удовлетворяющих заданным критериям, упорядочение данных и другие, а также поддерживают один или несколько языков баз данных.

Наиболее популярными сейчас являются реляционные СУБД, в которых данные хранятся в реляционных таблицах, и для них разработан стандарт языка обработки – SQL (термин «реляционная» будет пояснен далее в тексте пособия), поэтому пособие ориентировано именно на реляционные базы данных. В пособии рассмотрены следующие темы: уровни представления информации, построение инфологической модели данных, реляционная модель данных и основы реляционной алгебры, теория нормализации, пример проектирования базы данных для конкретной предметной области.

1

1.ЭТАПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ БАЗЫ ДАННЫХ

Вбазе данных обычно хранится информация из некоторой сферы деятельности, например, данные по отгрузке готовых изделий со склада, или по успеваемости студентов факультета, или по оплате телефонных разговоров и т. п. Эту сферу деятельности мы будем называть предметной областью. Таким образом, база данных будет содержать информацию из предметной области, которую необходимо хранить и обрабатывать с помощью компьютера.

База данных представляет собой структурированный набор данных, поэтому без специальной предварительной подготовки информацию в той форме, в которой мы ее обычно получаем, воспринимаем, передаем, нельзя представить в памяти компьютера и обрабатывать по формальным алгоритмам, реализованным в виде программ. Чтобы компьютерная обработка (хранение, сортировка, поиск и т. д.) стала возможной, информацию необходимо структурировать по определенным правилам.

Врезультате развития концепций баз данных были выделены три уровня представления информации: инфологический, даталогический и физический. На каждом уровне проводится структуризация информации таким образом, чтобы на третьем уровне информация могла быть представлена в виде структур данных, реализуемых в памяти ЭВМ.

На первом уровне, который называется инфологическим, определяется, какая информация о предметной области будет храниться и обрабатываться в компьютере, и в результате исследования предметной области строится ее инфологическая модель. Информация в инфологической модели представляется вне зависимости от того, какие программные и технические средства будут использованы в дальнейшем для ее хранения и обработки. На этом уровне предметная область описывается в терминах классов объектов

иих взаимосвязей, которые являются понятными конечным пользователям и людям, работающим в предметной области, не знакомым с принципами организации баз данных.

2

На втором уровне, который называется

даталогическим, или концептуальным, информация пред-

ставляется в виде данных и логических связей между данными вне зависимости от того, что представляют собой данные и какие технические средства будут использованы для хранения данных, но с учетом программных средств (СУБД). Существует несколько видов даталогических моделей данных: сетевая, иерархическая, реляционная, объектная и другие.

На третьем, физическом, уровне определяется, как и где на физическом носителе будут храниться данные.

Для представления информации о предметной области с точки зрения одного конкретного пользователя или группы пользователей могут быть построены внешние модели первого и второго уровней, т. е. инфологические и даталогические.

На рис. 1 отражена взаимосвязь моделей представления информации.

Память Рис. 1. Взаимосвязь моделей представления информации

3

Информация о предметной области, с которой работают пользователи, отображается сначала в инфологической модели, затем в даталогической и, наконец, в физической модели. Представления отдельных пользователей оформляются внешними инфологическими и даталогическими моделями. Здесь нужно обратить внимание на то, что внешние модели должны быть обязательно согласованы с соответствующими инфологической и даталогической моделями. Это означает, что они ни в коем случае не дополняют соответствующие модели, а являются их проекцией на уровень заинтересованности отдельного пользователя в информации.

Даталогические и физическая модели непосредственно реализуются в СУБД.

Физическая модель определяет структуру хранения данных на физических носителях.

Замечания:

1.Обычно процесс построения моделей не является строго линейным. На любом шаге проектирования возможно возвращение к предыдущему этапу и исправление ранее построенной модели.

2.Построение внешних моделей может выполняться как параллельно с построением других моделей, так и после окончания построения всех моделей. Главное требование к внешним моделям заключается в том, что внешние модели должны быть согласованы с инфологической

иконцептуальной (даталогической) моделью данных, т. е. являться частью этих моделей, но никак не дополнением к ним.

4

2. МОДЕЛЬ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ

Модель предметной области (инфологическая модель) – это описание предметной области, выполненное без ориентации на используемые в дальнейшем программные и технические средства. Цель инфологического проектирования заключается в представлении семантики (т. е. смысла) предметной области. Эта модель должна быть понятна заказчику, который не является специалистом в области баз данных.

Для описания предметной области наиболее часто используется модель «сущность–связь», предложенная П. Ченом в 1976 году (или ее модификации). Сокращенно такую модель называют ER-моделью от английского названия «Entity–Relationship» («Сущность–связь»). Диаграмма модели имеет лексикографическую структуру, т. е. включает в себя текст и элементы графики. Из названия модели понятно, что основными ее структурными элементами будут объекты и связи между ними. Рассмотрим каждый из структурных элементов.

2.1. Объекты и классы объектов

Предметная область состоит из объектов, в качестве которых могут выступать люди, материальные предметы, производственные отделы, бумажные документы, операции, явления, абстрактные идеи. Например, объектами могут быть: студент Иванов И. И., группа 22301, экономический факультет, стипендия студента Иванова И. И., зачетная книжка студента Иванова И. И. и т. п.

Отобразить в модели каждый объект предметной области не представляется возможным. Модель предполагает некоторое обобщение и сведение всего к общей структуре. Поэтому среди всех конкретных объектов необходимо выделить их общие признаки, характеристики и по ним объединить объекты в классы. Так, Петрова С. П., Иванова И.

5

И. и Булкина А. А. можно объединить в класс Студент, а Карандаш, Блокнот и Линейку – в класс Товар.

Каждый класс определяется набором атрибутов, т. е. свойств, которыми обладает каждый объект, принадлежащий к этому классу. Например, класс Студент может иметь следующие свойства: ФИО, Год рождения, Курс обучения, Номер зачетной книжки, а класс Товар – Наименование, Дата изготовления, Цена.

Свойства могут носить статический или динамический характер, что означает, что значение свойства не может измениться или может измениться с течением времени. Например, значение свойства Год рождения для класса Студент не может измениться, а значение свойства Курс обучения того же класса будет изменяться каждый учебный год, если, конечно, это добросовестный студент.

В терминах модели «сущность–связь» классы объектов обозначаются прямоугольниками, а свойства – овалами. Внутри прямоугольника записывается название класса, внутри овала – название свойства. Изменчивость свойств на схеме обозначается латинскими буквами S и D. Буква S означает статический характер свойства, буква D – динамический.

На рис. 2 представлен класс Студент, имеющий четыре свойства, два из которых являются статическими (Год рождения и Номер зачетной книжки), а два других – динамическими (ФИО и Курс).

Рис. 2. Класс Студент, имеющий четыре свойства

6

2.2. Связи между классами объектов

Между классами объектов могут существовать некоторые отношения, называемые связями. Например, между классами Студент и Группа существует связь: студенты распределены по группам или можно сказать, что группы состоят из студентов.

Связи могут быть бинарными, т. е. между двумя классами объектов, или между большим количеством классов. Можно определить и циклические связи, т. е. связи между объектами одного и того же класса.

Между одними и теми же классами может существовать любое количество связей. Например, между классами Студент и Группа можно образовать связь «распределение студентов по группам» и связь «староста группы».

Связи, как и классы, могут иметь свойства. Например, между двумя классами Товар и Поставщик существует связь, которую назовем Поставка, которая означает, что поставщик поставляет товар. Эта связь будет иметь два свойства – Дата поставки и Количество. Понятно, что и дата, и количество не могут быть свойствами ни класса Товар, ни класса Поставщик. Это характеристики связи между двумя классами.

В терминах ER-диаграмм связь изображается в виде ромба, внутри которого записывается название связи (рис. 3). Классы объектов, участвующие в этой связи, соединяются с ромбом стрелками. Употребление двойных стрелок будет рассмотрено ниже.

Рис. 3. ER-диаграмма с изображением связи

Свойства связи изображаются так же, как и свойства класса, и соединяются с ромбом, обозначающим связь (рис. 4).

7

Рис. 4. ER-диаграмма с изображением свойств связи

2.3. Типы связей в предметной области

Кроме свойств связи могут иметь и другие характеристики.

2.3.1.Характеристика однозначности для бинарных связей

1.Связь 1:1, «один-к-одному». Эта связь означает, что каждому объекту из первого класса соответствует ровно один объект из второго класса и, наоборот, каждому объекту из второго класса соответствует ровно один объект из первого класса. В отношение вступают два объекта из разных классов.

Например, связь между классами Факультет и Декан. Факультет может иметь только одного декана, а декан может быть деканом только одного факультета. На схеме такая связь изображается двумя одинарными стрелками (рис. 5).

Рис. 5. Связь 1:1

2. Связь 1:M, «один-ко-многим» (или M:1, «многие-к-одному»). Эта связь означает, что одному объекту из первого класса соответствует несколько объектов второго класса, но каждому объекту второго класса соответствует только один объект первого класса. В такое отношение вступают несколько объектов – один объект из первого класса, остальные из второго, и если какой-то объект из второго

8