1. Введение в предмет «Базы данных»

1.1. Основные определения и категории бд

Определение. Базой данных называется совокупность специальным образом организованных данных, которые: 1) подлежат долговременному хранению в памяти ЭВМ; 2) являются носителем информации о небольшом количестве классов объектов, однако количество экземпляров объектов в классе может быть огромным; 3) используются в одном или нескольких приложениях, относящихся к одной прикладной области.

При описании БД на физическом уровне используются следующие понятия:

1. Поле – объем памяти, содержащий минимальное количество информации, с которой оперирует программное обеспечение – система управления базами данных (СУБД). На физическом уровне имеет значение только длина поля.

2. Физическая запись – упорядоченный набор фиксированного количества полей. Две физических записи являются однотипными, если они состоят из совпадающего набора полей.

3. Файл – совокупность однотипных физических записей.

4. Записи на физическом уровне в файле могут быть скомпонованы в блок. Один блок может объединять в себе несколько записей. Размер блока – объем памяти, являющийся единицей обмена между оперативной памятью и внешней памятью (диском).

5. Индексные файлы – содержат структурированные данные для быстрого поиска физических записей в файлах.

На логическом (внешнем) уровне описания данных используются следующие понятия:

1. Элемент данных (атрибут) – минимальная единица информации идентифицируемая СУБД. Соответствует полю на физическом уровне, которому присваивается имя и определяется тип.

2. Логическая запись (кортеж) – совокупность фиксированного количества элементов данных. Обычно логическая запись соответствует физической записи и является носителем информации о каком-либо единичном объекте. Две логических записи являются однотипными, если они состоят из совпадающего набора элементов данных.

3. Отношение (таблица) – совокупность однотипных логических записей (кортежей). Содержит данные о каком-либо классе объектов.

4. Схема отношения – совокупность имен элементов данных (заголовок таблицы), на которой определено отношение.

5. Схема БД – совокупность схем отношений с установленными связями и ограничениями целостности на данные.

1.2. Требования к бд и методы их реализации

1. Неизбыточность и непротиворечивость данных. Если несколько приложений в одной прикладной области работают со своими собственными наборами файлов. При этом они используют общие данные из прикладной области, которые дублируются в файлах. Такая ситуация называется избыточностью данных. Противоречивость данных – следствие избыточности, так как согласование данных программным способом не выполняется.

В базах данных допускается управляемая избыточность, когда за непротиворечивостью данных следит СУБД: избыточные значения ключевых атрибутов в индексных файлах, дублирование данных на нескольких серверах и т.д.

2. Защита от программных и аппаратных сбоев должна обеспечиваться средствами СУБД. Типы сбоев:

а) Логический сбой: 1) Пользователь вводит информацию об объекте, но эта информация уже есть в БД. СУБД по значению ключевых полей должна определить дублированные данные и отвергнуть операцию (ошибка первого рода). 2) Пользователь удаляет запись об объекте, но на нее есть ссылка из других объектов (записей). СУБД должна отвергнуть операцию (ссылочная целостность данных или ошибка второго рода).

б) Физический сбой происходит в результате прекращения работы СУБД (ошибка системного программного обеспечения, отключение электропитания). В результате может быть нарушена структура БД. Для решения проблемы используются: 1) локальность модифицирующих воздействий – это структурное свойство организации данных (связный список не обладает этим свойством); 2) архивация данных; 3) СУБД ведет журнал модификаций в служебном файле. Перед началом очередной модификации в системный журнал помещается информация, достаточная для завершения операции после повторного старта СУБД.

3. Независимость данных. Прикладная программа, работающая с БД, не должна зависеть от способа и места хранения данных на физическом уровне, а ее исходный текст не зависит от аппаратуры и операционной системы.

Реализация принципа независимости данных достигается трехуровневым описанием представления данных:

1) Физический уровень. На этом уровне содержится информация о месте и способе хранения данных, структура основных файлов данных, характеристика области переполнения и отведенного свободного пространства, описание индексных файлов и т.д., то есть содержанием физического уровня является информация, достаточная для преобразования значения поискового ключа в физический адрес записи.

2) Глобальное логическое описание – логическое описание БД как единого целого (схема БД).

3) Внешние логические схемы. Этот уровень ориентирован на прикладную программу, приложение, то есть содержит описание о структуре и составе логических записей в том виде, в котором они используются в прикладной программе. Внешняя схема является источником информации для преобразования данных при передаче их из файлов БД в прикладную программу и обратно. Кроме того, внешние схемы содержат пароль доступа.

4. Секретность данных. Защита от несанкционированного доступа к данным реализуется следующим образом:

а) Пароль при входе в систему. То есть внешние схемы снабжены паролем доступа к секретным данным.

б) Защита файловой системы средствами операционной системы.

в) Шифрование данных на физическом уровне.