Учебнопрактическое пособие Владимир 2021

• Название: Учебнопрактическое пособие Владимир 2021
• Дата: 12.04.2023
• Размер: 7.94 Mb.
• Имя файла: 02145.pdf
• Тип: Учебно-практическое пособие; #1057102
• страница: 9 из 18

Глава 3. ИНФОРМАЦИОННЫЕ РЕСУРСЫ
РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ
3.1. Системы управления базами данных
Информационная система (ИС), или автоматизированная ИС
(АИС), представляет собой программно-аппаратную систему, предна- значенную для автоматизации целенаправленной деятельности ко- нечных пользователей, обеспечивающую, в соответствие с заложен- ной в нее логикой обработки, возможность получения, модификации и хранения информации.
Общие понятия БД
Системы, основанные на концепции баз данных, в наибольшей степени отвечают современным требованиям по построению инфор- мационных систем. Эта концепция предусматривает коллективное использование данных. Названная концепция отличается высоким универсализмом и пригодна для создания систем различных типов - от персональных до глобальных.
База данных представляет собой идентифицированную, струк- турированную, коллективно используемую совокупность данных, связанных определенным образом и относящуюся к конкретной предметной области. Данное определение следует понимать следую- щим образом:

«Идентифицированная» означает, что компоненты БД имеют свои имена и операции над ними оформляются путем указания их имен, а не адресов;

«Структурированная» – данные имеют четкую структуру, т.е. информация хранится в формализованном виде в заранее уста- новленных форматах, определяющих вид данных (например, число- вые, текстовые), размерность и другие характеристики. Состав и свя- зи компонентов данных отражают свойства и отношения объектов управления. В базе данных может храниться и неформализованная

166 информация в виде обычного текста, изображений (например, фото- графий сотрудников);

«Коллективное использование» предполагает централизо- ванное накопление и многоаспектное применение данных (при этом данные вводятся однократно, а используются при решении различных задач в интересах различных пользователей). Понятно, что для пер- сональных ИС не предусматривается применение данных различны- ми пользователями.
В базе данных выделяют следующие категории данных: про- блемные (первичные) – описывающие предметную область и необхо- димые пользователям для решения их задач, и вторичные – обеспечи- вающие эффективное хранение и доступ к первичным данным.
В состав БД могут входить следующие массивы данных:
1) основные – используемые при пополнении, корректировке, поиске, и контроле данных;
2) массивы для восстановления базы – страховые копии;
3) массивы словарей, используемые при контроле вводимых данных, их кодировании и декодировании;
4) массивы для учета и разграничения доступа – таблицы паро- лей, учетные журналы;
5) массивы статистических данных о работе базы и др.
База данных может быть локальной (централизованной) или распределенной.
Достоинствами баз данных являются:

хорошая структуризация информации;

поддержание ее целостности и непротиворечивости (це- лостность – это состояние БД, при котором все значения данных пра- вильны в том смысле, что отражают состояние реального мира и под- чиняются правилам взаимной непротиворечивости);

небольшая избыточность представления в памяти компью- тера;

снижения трудоемкости сбора и обновления данных (од- нократная подготовка и многократное применение данных для реше- ния различных задач различными должностными лицами).

167
В идеале любая единица данных может храниться в единствен- ном экземпляре, а некоторая разумная избыточность вводится для улучшения эксплуатационных характеристик информационной си- стемы.
Информационные системы, построенные на основе баз данных, отличаются гибкостью, хорошей приспособленностью к наращива- нию выполняемых функций, позволяют оперировать разнородной информацией и не требуют высокой квалификации пользователей.
Состав автоматизированной информационной системы
В состав автоматизированной информационной системы (АИС) входят:

технические средства;

программное обеспечение;

информационная база (ИБ) – совокупность показателей, документов, словарей, массивов информации, а также методов орга- низации их хранения и контроля, обеспечивающих решение задач в системе управления.
Различают внемашинную ИБ – совокупность всех документиро- ванных данных и сообщений, используемых в системе, и внутрима- шинную ИБ - совокупность всех данных на машинных носителях, сгруппированных по определенному признаку.
АИС, в состав которых входят внутримашинные ИБ, построен- ные на концепции баз данных, получили наименование банка данных.
В составе таких АИС выделяют две принципиально важные компоненты:

базы данных (БД) как совокупности формализованных данных;

системы управления базой данных (СУБД) как самостоя- тельной системы, включающей основные процедуры информацион- ного обслуживания.
Система управления базой данных предназначена для реализа- ции типовых процедур информационного обслуживания при созда- нии АИС и входе ее эксплуатации. СУБД работает под управление

168
ОС ЭВМ и расширяет ее возможности по управлению данными (по- дробная информация о СУБД приведена в разделе Системы управле- ния базами данных).
Часто АИС рассматривают в узком смысле как совокупность БД и СУБД. Практически все современные информационные системы строятся на основе рассматриваемой концепции. Ее сущность состоит в интеграции данных и централизации управления ими для обеспече- ния многоаспектного использования. Этим обеспечивается необхо- димый уровень независимости между техническими, программными и информационными средствами систем, что позволяет адаптировать последние к текущим требованиям пользователей, а также совершен- ствовать в процессе эксплуатации.
В общем случае АИС может включать несколько БД и соответ- ственно СУБД.
Эксплуатацию учрежденческой или ведомственной АИС осу- ществляет администратор, в качестве которого выступает должност- ное лицо или группа лиц обслуживающего персонала. На админи- стратора возлагаются следующие задачи:

разработка описания БД;

формирование и настройке средств СУБД;

поддержание целостности БД;

выбор алгоритмов обращения к данным;

анализ качества работы АИС;

реорганизации БД и СУДБ при изменении условий или требований по эксплуатации, защите данных от несанкционированно- го доступа.
Пользователями АИС являются должностные лица органов управления. Они обращаются с помощью запросов на поиск данных или их корректировку. Обычно каждый пользователь имеет доступ к определенной совокупности данных для совершения ограниченного набора действий. К АИС обращаются также и программы функцио- нальных задач.

169
Уровни представления данных
Для реализации независимости данных от их описания и от ис- пользующих их программ используют многоуровневое представление данных. Многоуровневое представление данных предложено иссле- довательской группой в области баз данных ANSI/SPARC (American
National Standards Institute / System Planning and Requirements
Committee – Комитет по системному планированию и выработке тре- бований Американского национального института стандартов).
Структурная основа этого представления включает три уровня (см. рис. 3.1), каждому из которых ставится в соответствие модель дан- ных. Описания моделей данных средствами СУБД получили название схем. В число уровней входят:
Внешний – предназначенный для описания пользовательского представления базы данных. Используется при рассмотрении вопро- сов, связанных со смысловым содержанием информации независимо от способа ее представления в памяти ЭВМ. На этом уровне выделя- ют:

объекты предметной области, сведения о которых накап- ливаются в АИС;

основные характеристики объектов;

связи между ними.
Описание данных на внешнем уровне называется инфологиче- ской моделью.
Концептуальный – логическое описание части реального мира, моделируемого базой данных. Это основа построения базы данных и является отображением инфологической модели на средства реализа- ции базы с помощью СУБД;
Внутренний – служит для описания представления базы данных на машинных носителях.

170
Рис. 3.1 Уровни представления данных
Обеспечение независимости структуры базы данных от храни- мой в ней информации основано на том, что разнообразные пользова- тельские представления в виде неоднородных моделей описываются множеством внешних схем. Концептуальная схема дает обобщенное описание пользовательских представлений и не зависит от принципов конкретной реализации базы данных. В свою очередь, структура базы данных определяются собственной внутренней схемой.
Введение в рассмотрение трех уровней представления данных приводит к тому, что для обеспечения доступа к данным необходимо обеспечить три уровня отображения:
1) внешняя модель – концептуальная модель;
2) концептуальная модель – внутренняя модель;
3) внутренняя модель – физическая база данных.
Первые два типа обеспечиваются СУБД, последний – средства- ми операционной системы компьютера.
Отображение внешняя модель – концептуальная модель обеспе- чивает независимость прикладных программ от логической структу- ры, определяемой концептуальной моделью. Изменение этой струк- туры не требует модификации прикладных программ, меняется лишь отображение внешняя модель – концептуальная модель.

171
Отображение концептуальная модель – внутренняя модель обес- печивает независимость логической и физической структур базы дан- ных.
Отображение внутренняя модель – физическая база данных обеспечивает независимость операций хранения и обработки данных от используемых технических средств.
Модели данных. Реляционные базы данных.
Модели данных разделяются на:

сетевые;

иерархические;

реляционные;

объектно-ориентированные;

постреляционные;

многомерные.
В настоящее время наибольшее распространение получили ре- ляционные базы данных. Реляционные базы данных – базы данных, основанные на реляционной модели. Слово «реляционный» происхо- дит от английского «relation» (отношение). Для работы с реляцион- ными БД применяют реляционные СУБД. Теория реляционных баз данных была разработана доктором Коддом из компании IBM в 1970 году. В реляционных базах данных все данные представлены в виде простых таблиц, разбитых на строки и столбцы, на пересечении кото- рых расположены данные. Запросы к таким таблицам возвращают таблицы, которые сами могут становиться предметом дальнейших за- просов. Каждая база данных может включать несколько таблиц, кото- рые, как правило, связаны друг с другом, откуда и произошло назва- ние реляционные.
Реляционной базы данных обладают следующими особенностя- ми:

в одной таблице хранятся сведения об однотипных объек- тах, т.е. объектах обладающих одинаковым набором свойств. Объект

172
– компонент предметной области, информацию о котором следует хранить. Объект может быть реальным или абстрактным;

каждый столбец таблицы соответствует одному простому свойству объекта. Набор значений одного столбца и совокупность правил, определяющих допустимость значений этого столбца, назы- вается доменом;

каждая строка (кортеж) содержит сведения о конкретном объекте (экземпляре объекта);

в заполненной таблице не допускается наличие одинако- вых по содержанию строк;

таблицы и имена столбцов в пределах каждой таблицы должны быть уникальными;

в каждой таблице следует назначить единственный ключ.
Ключ может состоять из одного или нескольких столбцов. Ключ обеспечивает однозначную идентификацию любого объекта в табли- це (значение ключа не повторяется в таблице);

в таблицах могут назначаться так называемые индексы.
Индексы служат для ускорения поиска нужных сведений и для связы- вания таблиц. Индексы позволяют СУБД просматривать БД как бы упорядоченную по его значению. Например, пусть имеется БД або- нентов телефонной сети, и информация в ней упорядочена по ключу - номеру телефона. Поиск по фамилии требует полного просмотра та- кой базы; но если создать индекс по столбцам "Фамилия", "Имя",
"Отчество", то такой индекс ускорит поиск сведений об абоненте по его фамилии, имени и отчеству. Индексы можно создавать по любому столбцу или совокупности столбцов. Таблица может содержать не- сколько индексов. Значения индексов могут повторяться;

запросы к базе данных возвращают результат (выборку данных) в виде таблиц, которые тоже могут выступать как объект за- просов.
Приведем теоретические основы реляционной модели данных.
В реляционной модели данные представляются в виде совокуп- ности двумерных таблиц, называемых отношениями. Модель получи- ла название от англ. relation – отношение.

173
Для описания реляционных структур данных используются сле- дующие понятия.
Атрибут – элементарная единица данных, значения которой за- носятся в одну из граф таблицы. Атрибуты, позволяющие однозначно выбирать отдельные кортежи, называются ключами отношения. Они содержат уникальные значения.
Домен – множество значений, которые может принимать атри- бут.
Кортеж – упорядоченный набор значений атрибутов, число ко- торых равно числу граф таблицы (по сути, это строка таблицы). Кор- теж содержит совокупность значений всех атрибутов отношения, ха- рактеризующую один и тот же объект предметной области.
Отношение – двумерная таблица (рис. 3.2), представляющая набор однотипных кортежей и удовлетворяющая определенным тре- бованиям:

атрибутами отношений могут быть только элементарные данные, взятые из некоторого фиксированного домена;

в одном отношении все кортежи имеют одинаковую структуру, в то время как в различных отношениях могут быть раз- ные кортежи;

в одном отношении не может быть двух одинаковых кор- тежей;

174
Рис. 3.2. Графическое представление отношения
Упорядоченная совокупность имен атрибутов, входящих в от- ношение, с выделением среди них ключей называется логической структурой, или схемой отношения. Совокупность всех схем отноше- ний базы данных называется логической структурой, или схемой БД.
В памяти ЭВМ каждое отношение представляется в виде файла.
Такой файл состоит из последовательности записей, по одной на каж- дый кортеж отношения. При этом одинаковые записи исключаются.
Это следует из требования о необходимости отсутствия в одном от- ношении двух одинаковых кортежей. Все записи должны быть одно- типны, т.е. у них должно быть одно и то же количество полей, поля разных записей должны следовать в строго определенном порядке и в соответствующих полях должна храниться информация одного и того же типа. Нетрудно провести соответствие между основными поняти- ями (табл. 12):

175
Таблица 12. Соответствие между основными понятиями теории баз данных
Объект
Таблица
Отношение
Файл
Экземпляр строка кортеж запись
Атрибут столбец атрибут поле
Объекты предметной области находятся по отношению друг к другу в определенных отношениях (функциональных, подчиненно- сти, видовых и т.д.). Существенные отношения должны найти отра- жение в БД. В БД не указываются содержательные аспекты этих от- ношений, а находят отражение только наличие и формальный вид этих отношений:

один к одному (1:1). Одному экземпляру объекта А соот- ветствует один экземпляр объекта Б или не соответствует ни один эк- земпляр объекта Б. Это соотношение симметрично. Примером может служить связь таких объектов как «муж» и «жена»;

один ко многим (1:М или 1: ¥). Одному экземпляру Объек- та А соответствует любое количество (0, 1, 2, …) экземпляров объек- та Б, а любому экземпляру объекта Б соответствует один экземпляр объекта А. Примером может служить отношение объектов «учебная группа» и «студент»;

многие к одному. По сути, этот тип связи эквивалентен предыдущему.
Формально существуют связи типа многие ко многим, например между такими объектами «учебные группы» и «учебные дисципли- ны». В реляционных БД этот вид связи обычно не допускается. Если необходимо отобразить такое отношение объектов, то следует его преобразовать к совокупности связей типа один ко многим. Для этого требуется три таблицы: по одной для каждого объекта и третья - для хранения связей между ними (промежуточная таблица). В этой треть- ей таблице для ключа первой таблицы указываются значения ключа второй таблицы.

176
Связывание таблиц осуществляется на основе ключей и индек- сов:

в исходной таблице в качестве основы для связи использу- ется ключ;

в подчиненную таблицу для обеспечения связи включают те же поля, что и ключи в исходной таблице, но только объявляют их как индексы (значения этих полей в подчиненной таблице могут по- вторяться).
Главными достоинствами реляционных БД являются:

простота представления данных (табличная форма часто применяется должностными лицами для хранения информации);

простота внесения изменений в базу данных;

упрощение процедур разграничения доступа к данным в разных таблицах;

простота физической реализации двумерных таблиц др.
Системы управления базами данных
Система управления базами данных (СУБД) – специализиро- ванная программа (чаще комплекс программ), предназначенная для манипулирования базой данных. Для создания и управления инфор- мационной системой СУБД необходима в той же степени, как для разработки программы на алгоритмическом языке необходим транс- лятор.
Таким образом, СУБД определяется как система программного обеспечения, которая позволяет:

на стадии создания АИС – формировать описание БД, настраивать типовые средства на конкретные условия применения;

на стадии эксплуатации – обрабатывать обращения к базе данных от прикладных программ и/или пользователей и поддержи- вать целостность базы (целостность – это состояние БД, при котором все значения данных правильны в том смысле, что отражают состоя- ние реального мира и подчиняются правилам взаимной непротиворе- чивости). СУБД обеспечивает связь между прикладными программа-

177 ми или пользователями и базой данных. Любой доступ к данным осуществляется через СУБД.
Использование СУБД обеспечивает:

минимизацию избыточности данных – в предельном слу- чае любые данные могут храниться в одном экземпляре;

совместное использование данных многими пользователя- ми;

независимость данных от программ;

эффективность доступа к данным, как удовлетворение требований по своевременности, достоверности и др.;

простоту работы с базой и т.д.
Обычно на СУБД возлагается выполнение следующих функций:

описание данных;

манипулирование данными;

заведение базы данных;

выполнение запросов;

выдача отчетов;

сервис (поддержание целостности, справочные функции, восстановление базы).
Подавляющее большинство СУБД для персональных компью- теров поддерживает реляционную модель данных. Набор систем, поддерживающих иерархическую, сетевую и другие модели, доволь- но ограничен.
К средствам, предназначенным для разработки и ведения баз данных, относятся не только СУБД, но и разнообразные средства их окружения:

компиляторы языков программирования СУБД;

отладчики;

средства разработки меню и экранных форм ввода-вывода данных;

средства графического представления данных;

интерфейсные средства для доступа к базе в рамках тради- ционных языков программирования и т.д.

178
Классификация СУБД:
По типу поддерживаемых моделей данных: СУБД, поддержи- вающие иерархические, сетевые, реляционные и другие модели.
По классу используемых аппаратных платформ: СУБД, ориен- тированные на работу в среде больших машин (mainframe) и СУБД и персональных компьютеров различной архитектуры (IBM PC, Apple
Macintosh, Sun и т.д.).
По типу вычислительных систем: СУБД для автономно исполь- зуемых компьютеров (DBase, FoxBase, Ребус), а также СУБД для ра- боты в глобальных и локальных сетях, так называемые системы управления распределенными базами данных (СУРБД) (MSt Access,
Paradox, MSt SQL Server, Oracle, Informix).
По степени промышленного освоения: стандартные, промыш- ленно эксплуатируемые типовые СУБД, и системы, в основе которых лежат уникальные разработки.
По характеру создаваемых приложений: СУБД, используемые для разработки баз данных средней степени сложности и объема для предприятий малого и среднего бизнеса (MSt Access) и СУБД, пред- назначенные для построения крупных корпоративных баз данных вы- сокой степени сложности (MS SQL Server, которая принципиально позволяет поддерживать несколько сотен баз данных, каждая из кото- рых может удовлетворять информационные потребности десятков и сотен пользователей).
В проектировании баз данных выделяются следующие этапы:

анализ информационных потребностей;

инфологическое моделирование;

логическое проектирование;

физическая реализация.
Анализ информационных потребностей. На этом этапе разра- ботчик базы данных анализирует информацию в исследуемой пред- метной области и определяет, какие задачи будут решаться основны- ми пользователями – должностными лицами – с помощью базы дан- ных. В обязательном порядке на этом этапе определяется, с какими запросами пользователи будут обращаться к базе и какие выходные

179 документы (отчеты) они будут получать. При этом для запросов определяются перечень выдаваемой информации, условия поиска, ча- стота выполнения запроса, кто из должностных лиц его будет выпол- нять. Для отчетов дополнительно определяется форма документа, вы- водимого на печать. Полученные на этом этапе решения оформляют- ся в произвольном виде (обычно табличном).
Инфологическое моделирование. Основной задачей этого этапа является разработка инфологической модели предметной области.
Исходными данными для этого являются результаты, полученные на предыдущем этапе, а также знания о специфике предметной области.
Инфологическая модель должна отображать объекты (сущности) предметной области, их учитываемые характеристики – атрибуты, а также взаимные связи между объектами и атрибутами. Инфологиче- ская модель представляется чаще всего в виде графической диаграм- мы.
Кроме формирования инфологической модели, на данном этапе дается характеристика всех атрибутов, учитываемых в базе данных.
Она предполагает указание принадлежности атрибута (к объекту или к связи), типа данных, к которому относятся значения атрибутов, их длины, области допустимых значений, ограничений целостности, вы- водимости из значений других атрибутов и ряд других характеристик.
Результаты оформляются в табличном виде.
Логическое проектирование. Исходными данными являются ре- зультаты, полученные на этапе инфологического моделирования. Ос- новным результатом этого этапа является логическая структура базы, называемая реляционной схемой базы данных.
Проектирование реляционных схем является одним из самых сложных и ответственных этапов всего процесса проектирования.
Одной из ключевых задач здесь является нормализация отношений, т.е. приведение схем отношений к требуемой нормальной форме. Для нормализации баз данных разработаны специальные методы.
Кроме проектирования реляционной схемы, на этапе логическо- го проектирования осуществляется оценка качества будущей базы

180 данных по таким показателям, как ее предполагаемый объем и опера- тивность выполнения запросов.
Физическая реализация. На этом этапе в среде выбранной СУБД формируются структуры файлов-таблиц, осуществляется их первона- чальное заведение, разрабатываются файлы-запросы и файлы-отчеты в соответствии с решениями, полученными на первом этапе. Таким образом, промежуточным результатом, полученным на этом этапе, является демонстрационный прототип (макет) базы данных, показы- вающий возможность (или невозможность) реализации всех предъяв- ляемых к ней требований.
В случае, если макет удовлетворяет предъявляемым требовани- ям, база данных заполняется до полного объема и передается в опыт- ную эксплуатацию. В противном случае осуществляется возврат на один из предыдущих этапов с целью уточнения полученных на нем результатов.