База данных

Введение

Системы баз данных сегодня являются основой построения большинства информационных систем и используются при автоматизации практически всех сфер человеческой деятельности. Например, доступ к базе данных необходим при работе с библиотечной информационной системой, содержащей сведения обо всех книгах, имеющихся в библиотеке, ее читателях, заявках на бронирование книг и т.д. В ней обычно содержатся средства, позволяющие читателям находить нужную им книгу по названию, фамилиям авторов или указанной тематике. С помощью такого рода систем организуется учет движения книг, другие операции, необходимые в библиотечной деятельности.

В ВУЗе могут существовать базы данных с информацией о студентах, профессорско-преподавательском составе, факультетах и кафедрах, др. данные, необходимые для функционирования так называемых комплексных информационно-аналитических  систем и их подсистем (учета кадров, бухгалтерской, документооборота, информационного  обеспечения учебной деятельности и т.п.).

Базы данных по народонаселению  содержат сведения о жителях города, региона и т.п., необходимые для  функционирования систем налогообложения, здравоохранения, образования, социальной защиты, др.

При проектировании и изготовлении зарядов РДТТ необходимы базы данных по отработанным и спроектированным зарядам-прототипам, по характеристикам  проектируемых изделий, по параметрам технологического процесса изготовления изделий, по смесевым твердым топливам, по используемым сырью и материалам и т.п.

 

 

 

 

 

1. Этапы развития СУБД

Предшественницами СУБД были файловые системы. Однако появление СУБД не привело к их полному исчезновению: для выполнения некоторых специализированных задач подобные файловые системы используются до сих пор. Кроме того, файловые системы могут использоваться также СУБД для решения задач хранения данных и доступа к ним.

В середине 60-х годов корпорация IBM¹ совместно с фирмой NAA (North American Aviation, в настоящее время - Rockwell International)разработали первую СУБД - иерархическую систему IMS (Information Management System). Несмотря на то, что IMS является самой первой из всех коммерческих СУБД, она до сих пор остается основной иерархической СУБД, используемой на большинстве крупных мейнфреймов.

Другим заметным достижением  середины 60-х годов было появление  системы IDS (Integrated Data Store) фирмы General Electric. Развитие этой системы привело к созданию нового типа систем управления базами данных - сетевых СУБД, что оказало существенное влияние на информационные системы того поколения. Сетевая СУБД создавалась для представления более сложных взаимосвязей между данными, чем те, которые можно было моделировать с помощью иерархических структур, и послужили основой для разработки первых стандартов БД. Для создания таких стандартов в 1965 году на конференции CODASYL (Conference on Data Systems Languages) была сформирована рабочая группа List Processing Task Force, переименованная в 1967 году в группу Data Base Task Group (DBTG). В компетенцию группы DBTG входило определение спецификаций среды, которая допускала бы разработку баз данных и управление данными. Полный вариант отчета этой группы был опубликован в в 1971 году и содержал следующие утверждения:

• Сетевая схема - это логическая организация всей базы данных в целом (с точки зрения АДБ), которая включает определение имени базы данных, типа каждой записи и компонентов записей каждого типа.
• Подсхема - это часть базы данных, видимая конкретными пользователями или приложениями.
• Язык управления данными - инструмент для определения характеристик и структуры данных, а также для управления ими.

Группа DBTG также предложила стандартизировать три различных  языка:

• Язык определения данных DDL для схемы, который позволит АБД описать ее.
• Язык определения данных (также DDL) для подсхемы, который позволит определять в приложениях те части базы данных, доступ к которым будет необходим.
• Язык манипулирования данными DML, предназначенный для управления данными.

Несмотря на то что этот отчет официально не был одобрен  Национальным Институтом Стандартизации США (American National Standards Institute - ANSI), большое количество систем было разработано в полном соответствии с этими предложениями группы DBTG. Теперь они называются CODASYL-системами, или DBTG-системами. CODASYL-системы и системы на основе иерархических подходов представляют собой СУБД первого поколения. Однако этим двум моделям присущи приведенные ниже недостатки.

• Даже для выполнения простых запросов с использованием переходов и доступом к определенным записям необходимо создавать достаточно сложные программы.
• Независимость от данных существует лишь в минимальной степени.
• Отсутствуют теоретические основы.

В 1970 году Э. Ф. Кодд , работавший в корпорации IBM, опубликовал статью о реляционной модели данных, позволявшей  устранить недостатки прежних моделей. Вслед за этим появилось множество  экспериментальных реляционных  СУБД, а первые коммерческие продукты появились в конце 70-х - начале 80-х  годов. Особенно следует отметить проект System R, разработанный в корпорации IBM в конце 70-х годов (Astrahan et al., 1976). Этот проект был задуман с целью  доказать практичность реляционной  модели, что достигалось посредством  реализации предусмотренных ею структур данных и требуемых функциональных возможностей. На основе этого проекта  были получены важнейшие результаты.

• Был разработан структурированный язык запросов SQL, который с тех пор стал стандартным языком любых реляционных СУБД.
• В 80-х годах были созданы различные коммерческие реляционные СУБД - например, DB2² или SQL/DS корпорации IBM, Oracle корпорации Oracle , др.

В настоящее время существует несколько сотен различных реляционных  СУБД для мейнфреймов и персональных ЭВМ. В качестве примера многопользовательских  СУБД может служить система CA-OpenIngres фирмы Computer Associates и система Informix³ фирмы Informix Software, Inc. Примерами реляционных СУБД для персональных компьютеров являются Access и FoxPro фирмы Microsoft, Paradox и Visual dBase фирмы Borland, а также R-Base фирмы Microrim. Реляционные СУБД относятся к СУБД второго поколения. Однако реляционная модель также обладает некоторыми недостатками - в частности, ограниченными возможностями моделирования. Для решения этой проблемы был выполнен большой объем исследовательской работы. В 1976 году Чен предложил модель "сущность-связь" (Entity-Relationship model - ER-модель), которая в настоящее время стала основой методологии концептуального проектирования баз данных и методологии логического проектирования реляционных баз данных. В 1979 году Кодд сделал попытку устранить недостатки собственной основополагающей работы и опубликовал расширенную версию реляционной модели - RM/T (1979), затем еще одну версию - RM/V2 (1990). Попытки создания модели данных, позволяющей более точно описывать реальный мир, нестрого называют семантическим моделированием данных (semantic data modeling).

В ответ на все возрастающую сложность приложений баз данных появились две новые системы: объектно-ориентированные СУБД, или  ОО СУБД (Object-Oriented DBMS - OODBMS), и объектно-реляционные  СУБД, или ОР СУБД (Object-Relational DBMS - ORDBMS). Попытки реализации подобных моделей  представляют собой СУБД третьего поколения.

В СССР в середине 70-х годов  была разработана информационно-поисковая  система, основу которой составляла универсальная объектно-ориентированная  иерархическая СУБД, нашедшая широкое  применение при решении задач  проектирования и управления и предвосхитившая  многие более поздние разработки такого рода.

 

2. Принципы построения СУБД

К современным базам данных, а, следовательно, и к СУБД, на которых  они строятся, предъявляются следующие  основные требования.

1. Высокое быстродействие (малое время отклика на запрос).

Время отклика - промежуток времени от момента запроса к  БД до фактического получения данных. Похожим является термин время доступа - промежуток времени между выдачей команды записи (считывания) и фактическим получением данных. Под доступом понимается операция поиска, чтения данных или записи их. Часто операции записи, удаления и модификации данных называют операцией обновления.

2. Простота обновления  данных.

3. Независимость данных.

4. Совместное использование  данных многими пользователями.

5. Безопасность данных - защита  данных от преднамеренного или  непреднамеренного нарушения секретности,  искажения или разрушения.

6. Стандартизация построения  и эксплуатации БД (фактически  СУБД).

7. Адекватность отображения  данных соответствующей предметной  области.

8. Дружелюбный интерфейс  пользователя.

Важнейшими являются первые два противоречивых требования: повышение  быстродействия требует упрощения  структуры БД, что, в свою очередь, затрудняет процедуру обновления данных, увеличивает их избыточность.

Независимость данных - возможность  изменения логической и физической структуры БД без изменения представлений  пользователей.

Независимость данных предполагает инвариантность к характеру хранения данных, программному обеспечению и  техническим средствам. Она обеспечивает минимальные изменения структуры  БД при изменениях стратегии доступа  к данным и структуры самих  исходных данных. Это достигается  «смещением» всех изменений на этапы  концептуального и логического  проектирования с минимальными изменениями  на этапе физического проектирования.

Безопасность данных включает их целостность и защиту.

Целостность данных - устойчивость хранимых данных к разрушению и уничтожению, связанных с неисправностями  технических средств, системными ошибками и ошибочными действиями пользователей.

Она предполагает:

1. отсутствие неточно  введенных данных или двух  одинаковых записей об одном  и том же факте;

2. защиту от ошибок  при обновлении БД;

3. невозможность удаления (или каскадное удаление) связанных  данных разных таблиц;

4. неискажение данных  при работе в многопользовательском  режиме и в распределенных  базах данных;

5. сохранность данных  при сбоях техники (восстановление  данных).

Целостность обеспечивается триггерами целостности – специальными приложениями-программами, работающими при определенных условиях. Защита данных от несанкционированного доступа предполагает ограничение доступа к конфиденциальным данным и может достигаться:

1. введением системы паролей;

2. получением разрешений  от администратора базы данных (АБД);

3. запретом от АБД на  доступ к данным;

4. формирование видов  - таблиц, производных от исходных  и предназначенных конкретным  пользователям.

Три последние процедуры  легко выполняются в рамках языка  структуризованных запросов Structured Query Language - SQL, часто называемого SQL2.

Стандартизация обеспечивает преемственность поколений  СУБД, упрощает взаимодействие БД одного поколения СУБД с одинаковыми и различными моделями данных. Стандартизация (ANSI/SPARC) осуществлена в значительной степени в части интерфейса пользователя СУБД и языка SQL. Это позволило успешно решить задачу взаимодействия различных реляционных СУБД как с помощью языка SQL, так и с применением приложения Open DataBase Connection (ODBC⁴). При этом может быть осуществлен как локальный, так и удаленный доступ к данным (технология клиент/сервер или сетевой вариант).

Существует два подхода  к построению БД, базирующихся на двух подходах к созданию автоматизированной системы управления (АСУ).

Первый из них, широко использовавшийся в 80-е годы и потому получивший название классического (традиционного), связан с автоматизацией документооборота (совокупность документов, движущихся в процессе работы предприятия). Исходными  и выходными координатами являлись документы, как это видно из примера1.

Использовался следующий  тезис. Данные менее подвижны, чем  алгоритмы, поэтому следует создать  универсальную БД, которую затем  можно использовать для любого алгоритма. Однако вскоре выяснилось, что создание универсальной БД проблематично. Господствовавшая до недавнего времени концепция интеграции данных при резком увеличении их объема оказалась несостоятельной. Более того, стали появляться приложения (например, текстовые, графические редакторы), базирующиеся на широко используемых стандартных алгоритмах.

К 90-м годам сформировался  второй, современный подход, связанный  с автоматизацией управления. Он предполагает первоначальное выявление стандартных  алгоритмов приложений (алгоритмов бизнеса  в зарубежной терминологии), под  которые определяются данные, а стало  быть, и база данных. Объектно-ориентированное  программирование только усилило значимость этого подхода.

В работе БД возможен одно- и  многопользовательский (несколько  пользователей подключаются к одному компьютеру через разные порты) режимы.

Используют восходящее и нисходящее проектирование БД. Первое применяют в распределенных БД при интеграции спроектированных локальных баз данных, которые могут быть выполнены с использованием различных моделей данных. Более характерным для централизованных БД является нисходящее проектирование.