Файл: Информационное и математическое обеспечение вычислительных систем (Понятие вычислительной системы).pdf

Различаются также централизованные БД (хранение данных на одном компьютере, обычно на сервере при клиент-серверной архитектуре) и распределенные БД (данные хранятся на разных компьютерах). Группы баз данных по специализации могут быть различными и зависят от объекта хранения – графические (хранят графику), исторические, научные, мультимедийные, бухгалтерские. Наиболее важными для функционирования информационного обеспечения являются модели баз данных, которые будут охарактеризованы в следующем параграфе.

2.2 Модели баз данных

Модель данных вообще представляет собой абстракцию, описывающую структуру и логические взаимосвязи данных внутри базы.

Сейчас известны следующие модели БД, которые мы ниже охарактеризуем подробнее:

1. сетевая,
2. иерархическая,
3. реляционная,
4. объектно-ориентированная,
5. объектная.

Иерархическая модель данных – элементы, связанные иерархическими отношениями по структуре перевернутого дерева. Основные ее элементы [20. c. 90]:

1. Уровень иерархической модели.
2. Узел (совокупность атрибутов, описывающих некоторый объект). Образуют вершины графа, где каждый узел низшего уровня связан с узлом более высокого уровня.
3. Связи между узлами.

Вершина дерева является первым уровне иерархии, ниже расположены зависимые узлы низших уровней. К каждому уровню есть только один путь от корня дерева. Поиск в такой модели ведется от корневой вершины и задачей поиска является определить путь от корня до нужной вершины.

Структура СУБД состоит в данном случае из управляющей части и структурной части. В составе структурной части определяется поле (наименьшая единица данных), сегмент (более высокая по иерархии единица с единым типом данных для полей).

Иерархическая модель оптимально использует ресурсы ЭВМ и поэтому отличается высокой скоростью работы. С другой стороны, связи данных могут быть достаточно громоздкими, и переводить данные в такую структуру может быть довольно проблематично. Поэтому сейчас такие модели используются редко. Из устаревших систем в этой области можно упомянуть зарубежные системы PC / Focus, IMS, Data Edge и Team-Up, а также отечественные системы МИРИС, ИНЭС, Ока [20. c. 21].

Сетевая модель данных расширяет иерархическую, и предполагает свободу связей между элементами: любой элемент может быть связан с любым другим. Записи типизированы, как и в иерархической модели. К достоинствам в данном случае относятся – память также используется эффективно и скорость доступа соответственно высокая. Возможности по образованию связей гораздо выше, чем в иерархической модели.

---

Однако есть и недостатки – схема базы данных становится очень сложной и трудной для обработки непрофессионалом. К этому типу СУБД относятся: db _ VistaIII, IDMS, СЕТОР, СЕТЬ и КОМПАС.

Объектную модель базы данных в основном используют при создании высокого уровня абстракции и для работы с объектными данными - такими музыка, видео, изображение, различный текст, в настоящее время более распространена объектно-ориентированная модель [20, c. 22].

Суть объектно-ориентированной модели – во включении как данных (объектов), так и методов (действий с ними). При этом отдельные записи базы данных могут идентифицироваться, а механизм взаимодействия организуется через события, сообщения и прочие механизмы объектно-ориентированного программирования.

К достоинствам данной модели относятся возможность моделирования сложных связей объектов, идентификация отдельной записи и связь данных и их обработки. Недостатки – трудность понимания структуры непрофессионалом, низкая скорость работы из-за высокой сложности системы и несоответствия физическим структурам данных в компьютере. К СУБД данного типа относятся системы фирмы РОЕТ: Software, Versant фирмы Versant Technologies и др.

Перейдем к описанию наиболее распространенного сейчас реляционного типа базы данных. Основной тип хранения данных в данном случае – двумерные таблицы. Они содержат строки (экземпляры объекта), столбцы (атрибуты), значения данных расположены на пересечении строк и столбцов.

Задачам упорядочивания данных служат ключи – прежде всего первичный ключ, который служит упорядочиванию столбцов в таблице. Внешний ключ – средство связи со значениями в другой таблице. Имеются операторы обработки, согласно аппарату реляционной алгебры [19,с. 23].

Различаются связи по следующим критериям:

1. По типу – идентифицирующие (дочерняя сущность идентифицируется посредством связи с родительской сущностью); неидентифицирующие (первичный ключ родительской сущности входит в не ключевые атрибуты дочерней сущности).
2. По мощности связи – один к одному (одной строке родительской таблице соответствует одна или ни одной строк дочерней); один ко многим (одной строке родительской таблицы соответствует множество строк дочерней).

Важным процессом, определяющим специфику реляционной модели, является нормализация отношений. Задача этого процесса – поставить в соответствие каждому значению одного атрибута только одно значение второго атрибута.

При нормализации одна таблица может разделяться на несколько в целях поиска соответствия требованиям следующих типов нормальных форм.

---

Первая нормальная форма: на каждом пересечении строки и столбца имеется только одно атомарное значение.

Вторая нормальная форма: полная функциональная зависимость атрибутов.

Третья нормальная форма – ни один не ключевой столбец не должен зависеть от другого столбца, являющегося не ключевым.

Четвертая нормальная форма – многозначная зависимость между атрибутами каждого отношения, но значения, которые входят в наборы не имеют зависимости друг от друга.

Пятая нормальная форма – соединения не имеют зависимостей (декомпозиция отношения сопровождается генерацией строк во время обратного соединения декомпозированных отношений при помощи операции естественного соединения).

К плюсам данной модели относится ее простота для пользователя, удобство физической реализации и, следовательно, достаточная скорость доступа к данным. К минусам – сложность описания сетевых связей данной моделью, сложность идентификации отдельных записей. Примерами реляционных СУБД являются: DB 2, Paradox, FoxPro, Access, Clarion, Oracle.

Далее нами при моделировании используется именно реляционная модель как наиболее распространенная в наше время.

Помимо проектирования данных необходимо учитывать, в каких файлах будут физически расположены данные и как будет организована связь между файлами. Доступность разбросанной по разным файлам информации ограничена. Избыточность данных может привести к затруднениям при реализации изменений в предметной области.

Это делает необходимым создание специальных программ доступа, которые будут организовывать работу с типизированными файлами данных, которые и называются системами управления баз данных (СУБД). Эти программы обеспечивают распределение прав доступа к данным, обработку данных, контроль за целостностью и структурами данных.

Интересной является также классификация СУБД по степени их универсальности, согласно которой различаются системы общего назначения и специализированные системы. Последние предназначены для решения конкретной задачи, когда функциональности общих систем не хватает, либо она не нужна, так как будет только мешать решению конкретных задач.

Далее мы будем описывать именно СУБД общего назначения. Это достаточно сложные и многофункциональные комплексы. К лидерам на этом рынке относятся следующие программы [15, с. 76]:

Microsoft Access;

Microsoft FoxPro;

Oracle;

MS SQl Server.

При сравнении СУБД, если стоит задача выбора, могут быть оценены такие показатели как:

---

- время выполнения запросов к БД,

- скорость поиска информации,

- время на импорт из других форматов,

- скорость операций на модификацию данных,

- максимальное число обращений к данным от разных пользователей,

- время выполнения запросов и отчетов.

Производительность зависит как от проектирования БД, так и от структуры СУБД. Целостность данных обычно требует затрат производительности, но позволяет убедиться, что информация является корректной. Кроме того, важными являются операции, которые обеспечивают безопасность:

- операции шифрования скриптов и данных;

- защита данных паролем;

- ограничение уровня доступа к тем или иным данным в зависимости от вида пользователя.

Таким образом, информационное обеспечение ВС является совокупностью той информации, которую ВС обрабатывает, а также форм и способов ее хранения. Все эти функции в настоящее время реализуются с использованием технологии баз банных. База данных (БД) – может быть определена как логически связанный набор данных, целью которого является реализация определенных информационных потребностей. Система по управлению базами данных (СУБД) – это программное обеспечение, при помощи которого пользователями может определяться, создаваться и поддерживаться база данных, а также они могут получать к базе данных контролируемый доступ.

Сейчас известны следующие модели БД:

1. сетевая,
2. иерархическая,
3. реляционная,
4. объектно-ориентированная,
5. объектная.

Наиболее популярной в настоящее время является реляционная модель.

Глава 3. Математическое обеспечение вычислительных систем

Общие концепции математического обеспечения вычислительных систем

Наряду с аппаратным и программным обеспечением средств вычислительной техники в некоторых случаях целесообразно рассматривать информационное обеспечение, под которым понимают совокупность программ и предварительно подготовленных данных, необходимых для работы программ. Математическое обеспечение (МО) состоит из фонда программ вычислительных алгоритмов. Одна из классификаций математического обеспечения предполагает деление его на следующие разделы: подпрограммы, пакеты программ, библиотеки программ, системы математического обеспечения.

В состав математического обеспечения входят [3]:

1. Формализованное описание задач вычислительной системы.
2. Используемые математические модели.
3. Применяемые алгоритмы.
4. Анализ эффективности моделей и алгоритмов.

---

Математическое обеспечение позволяет реализовывать обработку данных, управлять решением задач, а также оптимизировать их решение. Различают математическое обеспечение конкретной вычислительной системы, а также математическое обеспечение программирования на ЭВМ как такового.

Общее МО реализуется в виде программ операционной системы (ОС) и системы программирования (СП) — для оптимизации процесса программирования и диагностики программ. В состав МО системы входят средства, документация и методы.

К первым относятся средства моделирования, описания задач управления, методы оптимизации моделей и математической статистики. Ко второй относится документация описания задач, заданий на алгоритмическом языке экономико-математической модели, алгоритмов решения задач, контрольных примеров, методов определения типа задач, методов оценки вычислительной сложности алгоритмов, методов оценки решений.

Основным фактором успешного решения задач является научно обоснованная формализация задачи. Наиболее трудным является формализация задач на уровне спецификаций, когда необходимо содержательное представление задачи перевести в формальное описание. Решение формализованной задачи позволяет получить четкие оценки ожидаемых результатов. Формализация успешно осуществляется на основе математического моделирования, которое является неотъемлемой частью науки управления, успешно реализуемой в рамках ИСО [6].

Существует множество различных типов моделей: физические, аналоговые, интуитивные и т. д. Особое место среди них занимают математические модели (ММ), которые, по мнению академика А. А. Самарского, и являются самым большим достижением научно-технической революции XX в.

Модель — это информационный образ реального объекта, воспроизводящий данный объект (систему) с определенной степенью точности и в форме, часто отличной от формы самого объекта.

Назначение модели — поиск значений управляемых переменных, оптимизирующих критерий эффективности операций.

Создание моделей реальных бизнес-проектов и объектов управления является высшей точкой операционного подхода к решению задач информационного управления.

Модель позволяет выявить альтернативы решения задачи и оценить результаты, к которым они приводят, определить данные, необходимые для оценки имеющихся альтернатив. Это обеспечивает получение обоснованных выводов. Модель является средством формирования четкого представления о действительности:

---