Базы данных и системы управления базами данных

Сопровождаемость информации может отражаться удобством и эффективностью исправления, усовершенствования или адаптации структуры и содержания описаний данных в зависимости от изменений во внешней среде применения, а также в требованиях и функциональных спецификациях заказчика. Обобщенно качество сопровождаемости базы данных можно оценивать потребностью ресурсов для ее обеспечения и для реализации. Возможные затраты ресурсов на развитие и совершенствование качества базы данных зависят не только от внутренних свойств данных, но также от запросов и потребностей пользователей и от готовности заказчика и разработчика удовлетворить эти потребности. По объему предполагаемых изменений, а также вновь вводимых в очередную версию данных с учетом сложности и новизны их разработки могут быть оценены затраты на их создание. Такой анализ может дать ориентиры для прогнозирования общих затрат на сопровождение и для оценивания этой характеристики качества в конкретных проектах. Совокупность субхарактеристик сопровождаемости программной системы, представленная в стандарте ISO 9126, вполне применима для описания этого качества баз данных, в основном, теми же организационно-технологическими субхарактеристиками.

Анализируемость базы данных зависит от стройности архитектуры, унифицированности интерфейсов, полноты и корректности технологической и эксплуатационной документации. Изменяемость состоит в приспособленности структуры и содержания данных к реализации специфицированных изменений и к управлению конфигурацией данных. Изменяемость зависит не только от внутренних свойств базы данных, но также от организации и инструментальной оснащенности процессов сопровождения и конфигурационного управления, на которые ориентирована архитектура, внешние и внутренние интерфейсы данных. Тестируемость зависит от величины области влияния изменений, которые необходимо тестировать при модификациях структуры и содержания данных, от сложности тестов для проверки их характеристик. Ее атрибуты зависят от четкости правил структурного построения компонентов и базы данных в целом, от унификации межмодульных и внешних интерфейсов, от полноты и корректности технологической документации. Субхарактеристики изменяемости и тестируемости данных доступны для количественных оценок по величине трудоемкости и длительности реализации этих функций при типовых операциях с данными при применении различных методов и средств автоматизации. Эти экономические шкалы по существу (хотя и не явно) могут отражать также анализируемость и стабильность, и применяться для интегрального оценивания сопровождаемости в целом.

Мобильность баз данных, как и программ, можно характеризовать в основном длительностью и трудоемкостью их инсталляции, адаптации и замещаемости при переносе на иные аппаратные и операционные платформы. Информация о процессах, происходящих во внешней среде, может иметь большие объемы и трудоемкость первичного накопления и актуализации, что определяет необходимость ее тщательного хранения и регламентированного изменения. Возможны ситуации, когда подобные данные являются уникальными и невосстанавливаемыми. Однако первичные аппаратная или операционная платформы, в которых они накапливались и обрабатывались, может требовать расширения и замены. Формирование и заполнение информацией баз данных достаточно сложный и трудоемкий процесс, технико-экономические показатели которого сильно зависят от структуры, состава, объема, связности и других характеристик исходной информации.

Однако часто возможность переноса при первичном формировании и наполнении базы данных не предусматривается и проявляется после длительной эксплуатации. Сложность, трудоемкость и длительность переноса в этом случае значительно возрастают и требуют тщательного планирования и организации работ, приближающихся к созданию новой базы данных. Одновременно должно быть обеспечено сохранение или повышение качества ее функционирования на новой платформе.

Для оценки качества и определения требований к мобильности базы данных следует решать задачу сравнения достигаемого эффекта и затрат для методов переноса или повторной разработки компонентов и наполнения базы данных в конкретных условиях с учетом всех перечисленных факторов и затрат. Эти задачи значительно упрощаются при одновременном сокращении затрат при применении идеологии и концепции открытых компьютерных систем, поддержанных комплексом международных стандартов POSIX, а также современных версий ОС и СУБД, как стандартов де-факто.

Формализация характеристик качества информации баз данных, на основе стандартов, разработанных для оценивания программных средств, открывает путь для применения апробированных на комплексах программ методов систематизации, определения и повышения их качества. Использование стандартизированных характеристик качества информации баз данных позволяет упорядочить выбор требований к ним и оценивание достигнутого качества. Это должно способствовать повышению качества баз данных в целом, с учетом их программных и информационных компонентов, возможности достоверного определения их реальных характеристик при разработке, испытаниях и сертификации.

3.1 О надежности в терминах ISO 9126

Стандартом ISO 9126 рекомендуется анализировать и учитывать надежностькомплексов программ четырьмя субхарактеристиками.

Завершенность — способность базы данных не попадать в состояния отказов вследствие потерь, искажений, ошибок и дефектов в данных. На эту субхарактеристику влияют потери работоспособности, которые могут быть обусловлены не полным тестовым покрытием при испытаниях компонентов и системы в целом, а также недостаточной завершенностью их тестирования и защищенностью от искажений.

Устойчивость к дефектам и ошибкам — свойство базы данных автоматически поддерживать заданный уровень качества данных в случаях проявления дефектов и ошибок или нарушения установленного интерфейса с внешней средой. Для этого в базу должна вводиться временная и информационная избыточность, реализующая оперативное обнаружение дефектов и ошибок информации, их идентификацию и автоматическое восстановление нормального функционирования. Относительная доля вычислительных ресурсов, используемых непосредственно для быстрой ликвидации последствий отказов и оперативного восстановления данных отражается на повышении надежности и определяет значение устойчивости.

Восстанавливаемость — свойство базы данных в случае отказа возобновлять требуемый уровень качества информации и корректировать поврежденные данные. После отказа, база данных бывает неработоспособна в течение времени, продолжительность которого определяется восстанавливаемостью ее данных. Для этого необходимы вычислительные ресурсы и время на выявление неработоспособного состояния, диагностику причин отказа, а также на реализацию процессов восстановления. Основными показателями процесса восстановления данных являются его длительность и вероятностный характер. Восстанавливаемость характеризуется также полнотой восстановления нормального содержания.

Доступность (или готовность) — свойство базы данных быть в состоянии полностью выполнять требуемую функцию в данный момент времени и при заданных условиях ее использования. Внешне, доступность может оцениваться относительным временем, в течение которого база данных находится в работоспособном состоянии, в пропорции к общему времени ее применения. Обобщение характеристик отказов и восстановления производится через коэффициент готовности, отражающий вероятность работать с нормальными данными в произвольный момент времени. Нижние границы шкал атрибутов надежности могут быть отражены значениям, при которых резко уменьшается функциональная пригодность базы данных, а использование конкретной базы данных становится неудобным и опасным.

Эффективность использования ресурсов компьютера при реальном функционировании отражается временными характеристиками взаимодействия конечных пользователей и администраторов баз данных. Эти характеристики зависят от качества СУБД, а также от объема, структуры и показателей качества используемой информации. Для баз данных важнейшим ресурсом является память компьютера, занимаемая информацией, а также ее используемость. Эти показатели качества влияют на время реакции системы на разные виды запросов пользователей и на пропускную способность базы данных.

В стандарте ISO 9126 выделены две субхарактеристики качества, которые рекомендуется описывать, в основном, количественными атрибутами, отражающими динамику функционирования компонентов базы данных. Временная эффективность определяется длительностью выполнения заданных функций и ожидания результатов в средних и/или наихудших случаях, с учетом приоритетов задач. Она зависит от объема, структуры и скорости обработки данных, влияющих непосредственно на интервал времени завершения конкретного вычислительного процесса, и от пропускной способности, т.е. от числа заданий, которые можно реализовать на данном компьютере в заданном интервале времени. Она зависит также от функционального содержания данных и конструктивной их реализации, тем самым может рассматриваться как один из внутренних показателей качества.

Особенности и трудоемкость переноса зависят, прежде всего, от характеристик совместимости архитектур и содержания переносимой между платформами информации.

Форматная совместимость характеризуется степенью соответствия данных требованиям стандартов на форматы представления данных для документальных, фактографических, словарных и иных базах данных.

Лингвистическая совместимость определяется степенью использования в рассматриваемых базах данных единых лингвистических средств (классификаторов, рубрикаторов, словарей), формализованных соответствующими стандартами этих платформ.

Физическая совместимость заключается в степени соответствия кодировки информации одинаковым стандартам на машиночитаемые носители.

Глава 4. Тенденции в мире систем управления базами данных

Системы управления базами данных (СУБД) играют исключительную роль в организации современных промышленных, инструментальных и исследовательских информационных систем. Тематика СУБД поистине безгранична. В этой главе описываются наиболее интересные направления исследований и разработок.

• Реляционные системы

Хотя многие полагают, что реляционные СУБД, являясь наиболее распространенным современным аппаратом построения информационных систем, не представляют уже интереса в научном отношении, остается еще много нерешенных или решенных не полностью проблем. Об этом свидетельствует поток статей, посвященных тематике чисто реляционных систем, а также активная деятельность компаний-производителей коммерческих реляционных систем, стремящихся улучшать свои продукты и придавать им новые качества.

Продолжающаяся работа исследователей затрагивают вопросы оптимизации запросов, новых алгоритмов выполнения реляционных операций, оптимизации структур хранения данных и другие аспекты, непосредственно определяющие эффективность СУБД. Те же самые вопросы занимают и разработчиков коммерческих СУБД, которые, кроме того озабочены и более прикладными проблемами. Рассмотрим немного более подробно (но без технических деталей) существо некоторых из этих вопросов и то, каким образом они решаются в наиболее развитых коммерческих продуктах.

• Использование мультипроцессорных организаций

Уже довольно давно развитые коммерческие СУБД основываются на архитектуре "клиент-сервер". При этой организации наиболее трудоемкие операции над базами данных выполняются на выделенном компьютере-сервере, который должен быть достаточно мощным и обладать соответствующим набором ресурсов основной и внешней памяти. До поры серверная часть СУБД обладала простой организацией: запросы, поступающие из клиентских частей системы, обрабатывались последовательно с небольшой оптимизацией для совмещения процессорной работы с работой устройств внешней памяти.

Однако с появлением на рынке мультипроцессорных симметричных аппаратных архитектур, производители СУБД были вынуждены пересмотреть организацию своих серверов, допустив в них внутреннюю параллельность. Естественно, это требует очень основательного перепроектирования системы с ее существенным усложнением. Заметим, что в большинстве случаев компании пошли на это после появления в ОС UNIX механизма "легковесных" процессов (threads).

О серьезности этой работы говорит тот факт, что, например, в компании Informix было образовано новое подразделение, занимающееся исключительно вопросами распараллеливания работы серверов.

• Интеграция

Чтобы убедить новых потенциальных пользователей использовать новые продукты, компании- производители должны обеспечить решение проблемы использования старых баз данных. В принципе эта проблема является частным видом проблемы включения в открытые системы компонентов, которые не были на это рассчитаны с самого начала.

В большинстве случаев предлагаемые решения основываются на использовании индустриальных стандартов распределенных объектных систем (например, стандарта CORBA, разработанного OMG). Тем не менее, производители СУБД вынуждены решать многочисленные проблемы для вхождения их систем в новые интегрированные среды.

• Базы сложных объектов, реляционная модель с отказом от первой нормальной формы

Одним из основных положений реляционной модели данных является требование нормализации отношений: поля кортежей могут содержать лишь атомарные значения. Для традиционных приложений реляционных СУБД - банковских систем, систем резервирования и т.д. - это вовсе не ограничение, а даже преимущество, позволяющее проектировать экономные по памяти БД с предельно понятной структурой. Запросы с соединениями в таких системах сравнительно редки, для динамической поддержки целостности используются соответствующие средства SQL.

Однако с появлением эффективных реляционных СУБД их стали пытаться использовать и в менее традиционных прикладных системах - САПР, системы искусственного интеллекта и т.д. Такие системы обычно оперируют со сложно структурированными объектами, для реконструкции которых из плоских таблиц реляционной БД приходится выполнять запросы, почти всегда требующие соединения отношений. В соответствии с требованиями разработчиков нетрадиционных приложений появилось направление исследований баз сложных объектов. Это очень обширная область исследований, в которой затрагиваются вопросы моделей данных, структур данных, языков запросов, управления транзакциями, журнализации и т.д. Во многом эта область соприкасается с областью объектно-ориентированных БД.