Файл: 1. Введение в теорию баз данных Вопрос Основные понятия.docx
Добавлен: 05.12.2023
Просмотров: 537
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
С-исчислении, предложенном Коддом, и Р-исчислении, предложенном Пиротти.
Функциональные характеристики языков отражают возможности:
· описания данных,
· средств представления запроса,
· обновления,
· поддержки целостности и секретности,
· включения в языки программирования,
· управления форматом ответов,
· средств запроса к словарю данных БД и т.д.
Качественные характеристики языков запросов могут определяться такими свойствами, как:
· полнота,
· селективная мощность,
· простота изучения и использования,
· степень процедурности
· степень модульности,
· унифицированность,
· производительность
· эффективность.
Рассмотрим некоторые из этих понятий.
Селективная мощностьязыков запросов характеризует возможность выбора данных по разным критериям. Данное понятие плохо поддается формализации: можно сказать, что язык с большей селективной мощностью позволяет сформулировать большинство запросов так, что ответ на них содержит меньше ненужных данных. Языки, обладающие малой селективной мощностью, в общем случае уже требуют привлечения дополнительных средств для анализа ответов на запросы (например, оценки пользователя).
Простота изученияявляется во многом субъективной оценкой и может быть в некоторой мере охарактеризована степенью его близости к естественному языку, требуемым для его освоения временем и необходимым уровнем подготовки пользователя.
Высокий уровень процедурности, свойственный реляционным языкам, определяется присущими реляционной модели свойствами, в частности, полным отделением логической структуры данных от структур хранения и стратегий доступа. Снижение уровня процедурности увеличивает свободу в выборе способов реализации языка, что позволяет осуществить его реализацию более оптимальным способом. Но необходимо отметить, что меньшая степень процедурности еще не означает автоматически меньшую сложность написания запросов. Некоторые сложные запросы можно более просто сформулировать в виде алгоритма поиска ответа, в то время как его формулировка в декларативном виде может оказаться достаточно трудной.
Модульность построения языка характеризует возможность существования нескольких уровней языка и зависит от специфических свойств математической теории, лежащей в его основе.
Минимальный уровень языка, обычно легко понимаемый пользователем, бывает достаточным для формулирования большинства запросов, и лишь формулировка сложных запросов может потребовать использования всех выразительных средств языка, о существовании которых пользователи начального уровня могут и не знать.
Языки, не обладающие модульностью, требуют от пользователя знания почти всего объема средств языка, что усложняет процесс их изучения.
Наиболее распространенным языком для работы с базами данных является SQL (Structured Query Language).
В последних реализациях предоставляет:
1) средства для спецификации и обработки запросов на выборку данных,
2) функции по созданию, обновлению, управлению доступом и т.д.
По существу SQL уже соединяет в себе и язык описания данных и язык манипулирования данными. Он не является полноценным языком программирования и, в случае его использования для организации доступа к БД из прикладных программ, SQL-выражения встраиваются в конструкции базового языка.
Являясь внутренним языком баз данных, SQL естественно отражает особенности конкретной СУБД.
Сегодня это единственный стандартизованный язык фактографических баз данных, достаточно мощный и в тоже время, простой для понимания и использования язык.
Сочетание этих факторов вместе с поддержкой ведущих производителей, таких как IBM и Microsoft, привели не только к широкому его распространению, но и совершенствованию. Сегодня, благодаря независимости от конкретных СУБД и межплатформенной переносимости, SQL стал языком распределенных баз данных и языком шлюзов, позволяющим совместно использовать СУБД разного типа.
Программные средства.
Обработка данных и управление этой обработкой в вычислительной среде, а также взаимодействие с операционной системой и прикладными программами осуществляется комплексом программных средств, взаимосвязь которых иллюстрируется рис. 3.
В составе комплекса обычно выделяют следующие компоненты:
· ядро, обеспечивающее управление данными во внешней и оперативной памяти, а также протоколирование изменений;
· процессор языка базы данных, обеспечивающий обработку (трансляцию или компиляцию) и оптимизацию запросов на выборку и изменение данных;
· подсистему (библиотеку) поддержки программных вызовов, которая обслуживает прикладные программы управления данными, взаимодействующие с СУБД через средства пользовательского интерфейса;
· сервисные программы (системные и внешние утилиты), обеспечивающие настройку СУБД, восстановление после сбоев и ряд дополнительных возможностей по обслуживанию.
Рис. 3. Программные средства СУБД
Большинство СУБД работают в среде операционной системы и тесно с ней связаны. Многопользовательские приложения, обработка распределенных запросов, защита данных требуют эффективно использовать ресурсы, управление которыми обычно является функцией ОС. Использование многопроцессорных систем и мультипоточных технологий обработки данных позволяет эффективно обслуживать параллельно выполняемые запросы, но требует координации использования ресурсов между ОС и СУБД. Соответственно, управление доступом и обеспечение защиты также обычно интегрируются с соответствующими средствами операционной системы.
Именно централизованное управление данными обеспечивает:
· сокращение избыточности в хранимых данных;
· совместное использование хранимых данных;
· стандартизацию представления данных, упрощающую эксплуатацию БД;
· разграничение доступа к данным;
· целостность данных, обеспечиваемую процедурами, предотвращающими включение в БД неверных данных и ее восстановление после отказов системы.
Технические средства.
Для больших баз данных, функционирующих в промышленном режиме, обеспечение эффективной и бесперебойной работы должно основываться на использовании адекватных аппаратных средств.
Устройства ввода-вывода и накопители внешней памяти - традиционно узкое место любой базы данных. Объем и быстродействие накопителей являются, очевидно, важными параметрами.
Однако, столь же значима и отказоустойчивость. Здесь следует отметить необходимость согласованных решений при распределении ролей между аппаратными и программными компонентами управления операциями ввода-вывода.
Например, наличие буферной памяти в накопителе ускоряющей ввод-вывод (аппаратное кэширование) при сбоях системы во время выполнения операции записи в БД может привести к потере данных: переданные для записи данные еще будут находиться в буфере, а т.к. СУБД уже отметит операцию записи как уже завершившуюся и откат для восстановления данных станет невозможен.
Для повышения надежности хранения часто используют специализированные дисковые подсистемы - RAID (Redundant Array of Inexpensive Disk).
Один логический RAID-диск - это несколько физических дисков, объединенных в одно устройство, управляемое специализированным контроллером, что позволяет распределять основные и системные данные между несколькими носителями (дисками), в том числе дублировать данные. Таким образом, в случае повреждения одного из дисков, можно оперативно восстановить потерянные данные.
Не менее значима роль центрального процессора. Многие промышленные СУБД поддерживают многопроцессорную обработку запросов.
Теоретически использование еще одного процессора позволит ускорить обработку. Однако на практике многопроцессорные системы требуют повышенного внимания при приобретении оборудования: надежно работают только сертифицированные системы, использующие соответствующие периферийные устройства.
Для распределенных и удаленно используемых баз данных также важно сетевое окружение: связное оборудование и сетевые протоколы. Здесь важны не только показатели быстродействия, но и поддерживаемые ими возможности обеспечения безопасности.
Организационно-административные подсистемы.
Организационно-методические средства не являются технической компонентой системы, однако трудно рассчитывать на устойчивое и долговременное функционирование банка данных, если будут отсутствовать необходимые методические и инструктивные материалы, регламентирующие работу пользователей, различных по своему статусу и уровню подготовленности.
Вопрос 3. Понятия и модели предметной области. Принципы построения и проектирования БД как составляющей информационных систем.
Информационная система (ИС) - программно-аппаратный комплекс, предназначенный для хранения и обработки информации какой-либо предметной области.
База данных - важнейший компонент любой информационной системы.
Хорошо структурированная информация в базе данных позволяет:
· без проблем эксплуатировать систему и выполнять ее текущее обслуживание,
· модифицировать и развивать ее при модернизации предприятия и изменении информационных потоков, законодательства и форм отчетности.
В настоящее время в эксплуатации на крупных предприятиях находятся комплексные ИС управления предприятиями (КИС, корпоративные системы, ERP-системы), такие как R/3 фирмы SAP, Oracle E-Business Suite, BaanERP. Среди российских разработок приближаются по функциональности к системам класса ERP «Галактика», «Флагман», «Парус».
Многие ERP-системы могут устанавливаться и функционировать на различных операционных системах и серверах баз данных (многоплатформенные системы). База данных подобных систем состоит из нескольких тысяч таблиц (BaanERP 5.0с - более 2500 таблиц информации по одному предприятию).
Любая сложная система для обеспечения ее надежного функционирования строится как иерархическая система, состоящая из отдельных подсистем и модулей, которые взаимодействуют между собой и используют общую базу данных.
При описании информационной системы предполагается, что она содержит два типа сущностей:
· операционные сущности, которые выполняют какую-либо обработку (некоторый аналог программы),
· пассивные сущности, которые хранят информацию, доступную для пополнения, изменения, поиска, чтения (база данных).
При проектировании сложных информационных систем используется метод декомпозиции- система разбивается на составные части, которые связаны, взаимодействуют друг с другом и образуют иерархическую структуру.
Иерархический характер сложных систем хорошо согласуется с принципом групповой разработки. В этом случае деятельность каждого участника проекта ограничивается соответствующим иерархическим уровнем.
Классический подход к разработке сложных систем представляет собой структурное проектирование, при котором осуществляется алгоритмическая декомпозиция системы по методу «сверху вниз». Именно в этом случае можно построить хорошо функционирующую систему с общей базой данных, согласованными форматами использования и обработки информации на всех участках, с оптимальным взаимодействием всех подсистем.
Исторически сложилось так, что некоторые системы разрабатывались по методу «снизу вверх»: вначале создавались отдельные автоматизированные рабочие места (АРМы), затем предпринимались попытки объединения их в единую информационную систему. Подобные разработки для крупных систем не могут быть успешны.
При создании проекта информационной системы для проектирования ее базы данных следует определить:
· объекты информационной системы (сущности в концептуальной модели);
· их свойства (атрибуты);
· взаимодействие объектов (связи) и информационные потоки внутри и между ними.
При этом очень важен анализ существующей практики реализации информационных процессов и нормативной информации (законов, постановлений правительства, отраслевых стандартов), определяющих необходимый объем и формат хранения и передачи информации. Если радикальной перестройки сложившегося информационного процесса не предвидится, следует учитывать имеющиеся формы хранения и обработки информации в виде журналов, ведомостей, таблиц и т.п. бумажных носителей. Однако предварительно необходимо выполнить анализ возможности перехода на новые системы учета, хранения и обработки информации, возможно, исходя из имеющихся на рынке программных продуктов-аналогов, разработанных крупными информационными компаниями и частично или полностью соответствующими поставленной задаче.
Функциональные характеристики языков отражают возможности:
· описания данных,
· средств представления запроса,
· обновления,
· поддержки целостности и секретности,
· включения в языки программирования,
· управления форматом ответов,
· средств запроса к словарю данных БД и т.д.
Качественные характеристики языков запросов могут определяться такими свойствами, как:
· полнота,
· селективная мощность,
· простота изучения и использования,
· степень процедурности
· степень модульности,
· унифицированность,
· производительность
· эффективность.
Рассмотрим некоторые из этих понятий.
Селективная мощностьязыков запросов характеризует возможность выбора данных по разным критериям. Данное понятие плохо поддается формализации: можно сказать, что язык с большей селективной мощностью позволяет сформулировать большинство запросов так, что ответ на них содержит меньше ненужных данных. Языки, обладающие малой селективной мощностью, в общем случае уже требуют привлечения дополнительных средств для анализа ответов на запросы (например, оценки пользователя).
Простота изученияявляется во многом субъективной оценкой и может быть в некоторой мере охарактеризована степенью его близости к естественному языку, требуемым для его освоения временем и необходимым уровнем подготовки пользователя.
Высокий уровень процедурности, свойственный реляционным языкам, определяется присущими реляционной модели свойствами, в частности, полным отделением логической структуры данных от структур хранения и стратегий доступа. Снижение уровня процедурности увеличивает свободу в выборе способов реализации языка, что позволяет осуществить его реализацию более оптимальным способом. Но необходимо отметить, что меньшая степень процедурности еще не означает автоматически меньшую сложность написания запросов. Некоторые сложные запросы можно более просто сформулировать в виде алгоритма поиска ответа, в то время как его формулировка в декларативном виде может оказаться достаточно трудной.
Модульность построения языка характеризует возможность существования нескольких уровней языка и зависит от специфических свойств математической теории, лежащей в его основе.
Минимальный уровень языка, обычно легко понимаемый пользователем, бывает достаточным для формулирования большинства запросов, и лишь формулировка сложных запросов может потребовать использования всех выразительных средств языка, о существовании которых пользователи начального уровня могут и не знать.
Языки, не обладающие модульностью, требуют от пользователя знания почти всего объема средств языка, что усложняет процесс их изучения.
Наиболее распространенным языком для работы с базами данных является SQL (Structured Query Language).
В последних реализациях предоставляет:
1) средства для спецификации и обработки запросов на выборку данных,
2) функции по созданию, обновлению, управлению доступом и т.д.
По существу SQL уже соединяет в себе и язык описания данных и язык манипулирования данными. Он не является полноценным языком программирования и, в случае его использования для организации доступа к БД из прикладных программ, SQL-выражения встраиваются в конструкции базового языка.
Являясь внутренним языком баз данных, SQL естественно отражает особенности конкретной СУБД.
Сегодня это единственный стандартизованный язык фактографических баз данных, достаточно мощный и в тоже время, простой для понимания и использования язык.
Сочетание этих факторов вместе с поддержкой ведущих производителей, таких как IBM и Microsoft, привели не только к широкому его распространению, но и совершенствованию. Сегодня, благодаря независимости от конкретных СУБД и межплатформенной переносимости, SQL стал языком распределенных баз данных и языком шлюзов, позволяющим совместно использовать СУБД разного типа.
Программные средства.
Обработка данных и управление этой обработкой в вычислительной среде, а также взаимодействие с операционной системой и прикладными программами осуществляется комплексом программных средств, взаимосвязь которых иллюстрируется рис. 3.
В составе комплекса обычно выделяют следующие компоненты:
· ядро, обеспечивающее управление данными во внешней и оперативной памяти, а также протоколирование изменений;
· процессор языка базы данных, обеспечивающий обработку (трансляцию или компиляцию) и оптимизацию запросов на выборку и изменение данных;
· подсистему (библиотеку) поддержки программных вызовов, которая обслуживает прикладные программы управления данными, взаимодействующие с СУБД через средства пользовательского интерфейса;
· сервисные программы (системные и внешние утилиты), обеспечивающие настройку СУБД, восстановление после сбоев и ряд дополнительных возможностей по обслуживанию.
Рис. 3. Программные средства СУБД
Большинство СУБД работают в среде операционной системы и тесно с ней связаны. Многопользовательские приложения, обработка распределенных запросов, защита данных требуют эффективно использовать ресурсы, управление которыми обычно является функцией ОС. Использование многопроцессорных систем и мультипоточных технологий обработки данных позволяет эффективно обслуживать параллельно выполняемые запросы, но требует координации использования ресурсов между ОС и СУБД. Соответственно, управление доступом и обеспечение защиты также обычно интегрируются с соответствующими средствами операционной системы.
Именно централизованное управление данными обеспечивает:
· сокращение избыточности в хранимых данных;
· совместное использование хранимых данных;
· стандартизацию представления данных, упрощающую эксплуатацию БД;
· разграничение доступа к данным;
· целостность данных, обеспечиваемую процедурами, предотвращающими включение в БД неверных данных и ее восстановление после отказов системы.
Технические средства.
Для больших баз данных, функционирующих в промышленном режиме, обеспечение эффективной и бесперебойной работы должно основываться на использовании адекватных аппаратных средств.
Устройства ввода-вывода и накопители внешней памяти - традиционно узкое место любой базы данных. Объем и быстродействие накопителей являются, очевидно, важными параметрами.
Однако, столь же значима и отказоустойчивость. Здесь следует отметить необходимость согласованных решений при распределении ролей между аппаратными и программными компонентами управления операциями ввода-вывода.
Например, наличие буферной памяти в накопителе ускоряющей ввод-вывод (аппаратное кэширование) при сбоях системы во время выполнения операции записи в БД может привести к потере данных: переданные для записи данные еще будут находиться в буфере, а т.к. СУБД уже отметит операцию записи как уже завершившуюся и откат для восстановления данных станет невозможен.
Для повышения надежности хранения часто используют специализированные дисковые подсистемы - RAID (Redundant Array of Inexpensive Disk).
Один логический RAID-диск - это несколько физических дисков, объединенных в одно устройство, управляемое специализированным контроллером, что позволяет распределять основные и системные данные между несколькими носителями (дисками), в том числе дублировать данные. Таким образом, в случае повреждения одного из дисков, можно оперативно восстановить потерянные данные.
Не менее значима роль центрального процессора. Многие промышленные СУБД поддерживают многопроцессорную обработку запросов.
Теоретически использование еще одного процессора позволит ускорить обработку. Однако на практике многопроцессорные системы требуют повышенного внимания при приобретении оборудования: надежно работают только сертифицированные системы, использующие соответствующие периферийные устройства.
Для распределенных и удаленно используемых баз данных также важно сетевое окружение: связное оборудование и сетевые протоколы. Здесь важны не только показатели быстродействия, но и поддерживаемые ими возможности обеспечения безопасности.
Организационно-административные подсистемы.
Организационно-методические средства не являются технической компонентой системы, однако трудно рассчитывать на устойчивое и долговременное функционирование банка данных, если будут отсутствовать необходимые методические и инструктивные материалы, регламентирующие работу пользователей, различных по своему статусу и уровню подготовленности.
Вопрос 3. Понятия и модели предметной области. Принципы построения и проектирования БД как составляющей информационных систем.
Информационная система (ИС) - программно-аппаратный комплекс, предназначенный для хранения и обработки информации какой-либо предметной области.
База данных - важнейший компонент любой информационной системы.
Хорошо структурированная информация в базе данных позволяет:
· без проблем эксплуатировать систему и выполнять ее текущее обслуживание,
· модифицировать и развивать ее при модернизации предприятия и изменении информационных потоков, законодательства и форм отчетности.
В настоящее время в эксплуатации на крупных предприятиях находятся комплексные ИС управления предприятиями (КИС, корпоративные системы, ERP-системы), такие как R/3 фирмы SAP, Oracle E-Business Suite, BaanERP. Среди российских разработок приближаются по функциональности к системам класса ERP «Галактика», «Флагман», «Парус».
Многие ERP-системы могут устанавливаться и функционировать на различных операционных системах и серверах баз данных (многоплатформенные системы). База данных подобных систем состоит из нескольких тысяч таблиц (BaanERP 5.0с - более 2500 таблиц информации по одному предприятию).
Любая сложная система для обеспечения ее надежного функционирования строится как иерархическая система, состоящая из отдельных подсистем и модулей, которые взаимодействуют между собой и используют общую базу данных.
При описании информационной системы предполагается, что она содержит два типа сущностей:
· операционные сущности, которые выполняют какую-либо обработку (некоторый аналог программы),
· пассивные сущности, которые хранят информацию, доступную для пополнения, изменения, поиска, чтения (база данных).
При проектировании сложных информационных систем используется метод декомпозиции- система разбивается на составные части, которые связаны, взаимодействуют друг с другом и образуют иерархическую структуру.
Иерархический характер сложных систем хорошо согласуется с принципом групповой разработки. В этом случае деятельность каждого участника проекта ограничивается соответствующим иерархическим уровнем.
Классический подход к разработке сложных систем представляет собой структурное проектирование, при котором осуществляется алгоритмическая декомпозиция системы по методу «сверху вниз». Именно в этом случае можно построить хорошо функционирующую систему с общей базой данных, согласованными форматами использования и обработки информации на всех участках, с оптимальным взаимодействием всех подсистем.
Исторически сложилось так, что некоторые системы разрабатывались по методу «снизу вверх»: вначале создавались отдельные автоматизированные рабочие места (АРМы), затем предпринимались попытки объединения их в единую информационную систему. Подобные разработки для крупных систем не могут быть успешны.
При создании проекта информационной системы для проектирования ее базы данных следует определить:
· объекты информационной системы (сущности в концептуальной модели);
· их свойства (атрибуты);
· взаимодействие объектов (связи) и информационные потоки внутри и между ними.
При этом очень важен анализ существующей практики реализации информационных процессов и нормативной информации (законов, постановлений правительства, отраслевых стандартов), определяющих необходимый объем и формат хранения и передачи информации. Если радикальной перестройки сложившегося информационного процесса не предвидится, следует учитывать имеющиеся формы хранения и обработки информации в виде журналов, ведомостей, таблиц и т.п. бумажных носителей. Однако предварительно необходимо выполнить анализ возможности перехода на новые системы учета, хранения и обработки информации, возможно, исходя из имеющихся на рынке программных продуктов-аналогов, разработанных крупными информационными компаниями и частично или полностью соответствующими поставленной задаче.