Система управления базами данных

1. Классификация СУБД.
2. Функциональные возможности СУБД.
3. Модели описания баз данных.

      База данных – это информационная модель предметной  области, совокупность взаимосвязанных, хранящихся вместе данных при наличии такой минимальной избыточности, которая допускает их использование оптимальным образом для одного или нескольких приложений. Данные (файлы) хранятся во внешней памяти и используются в качестве входной информации для решения задач.

     СУБД -  это программа, с помощью которой реализуется централизованное управление данными, хранимыми в базе, доступ к ним, поддержка их в актуальном состоянии.

     Системы управления базами данных можно классифицировать по способу установления связей между  данными, характеру выполняемых  ими функций, сфере применения, числу  поддерживаемых моделей данных, характеру используемого языка общения с базой данных и другим параметрам.

     Классификация СУБД:

• по выполняемым функциям СУБД подразделяются на операционные и информационные;
• по сфере применения СУБД подразделяются на универсальные и проблемно-ориентированные;
• по используемому языку общения СУБД подразделяются на замкнутые, имеющие собственные самостоятельные языки общения пользователей с базами данных, и открытые, в которых для общения с базой данных используется язык программирования, расширенный операторами языка манипулирования данными;
• по числу поддерживаемых уровней моделей данных СУБД подразделяются на одно-, двух-, трехуровневые системы;
• по способу установления связей между данными различают реляционные, иерархические и сетевые базы данных;
• по способу организации хранения данных и выполнения функций обработки  базы данных подразделяются на централизованные и распределенные.

     Системы централизованных баз данных с сетевым  доступом предполагают две основные архитектуры – файл-сервер или клиент-сервер.

     Архитектура файл-сервер. Предполагает выделение одной из машин сети в качестве центральной (главный сервер файлов), где хранится совместно используемая централизованная база данных. Все другие машины исполняют роль рабочих станций. Файлы базы данных в соответствии с пользовательскими запросами передаются на рабочие станции, где в основном и производится их обработка. При большой интенсивности доступа к одним и тем же данным производительность информационной системы падает.

     Архитектура клиент-сервер. Эта модель взаимодействия компьютеров в сети для современных СУБД фактически стала стандартом. Каждый из подключенных к сети и составляющих эту архитектуру компьютеров  играет свою  роль: сервер владеет и распоряжается информационными ресурсами системы, клиент имеет возможность пользоваться ими. Помимо хранения централизованной базы данных сервер базы данных обеспечивает выполнение основного объема обработки данных. Запрос на данные, выдаваемый клиентом (рабочей станцией), порождает поиск и извлечение данных на сервере. Извлеченные данные транспортируются по сети от сервера к клиенту. Спецификой архитектуры клиент-сервер является использование языка запроса SQL.

     Сервер  базы данных представляет собой СУБД, параллельно  обрабатывающую запросы, поступившие со всех рабочих станций. Как правило, клиент и сервер территориально отделены друг от друга, и в этом случае они образуют систему распределенной обработки данных.  

     Характеристиками  СУБД являются:

• производительность;
• обеспечение целостности данных на уровне баз данных;
• обеспечение безопасности данных;
• возможность работы в многопользовательских средах;
• возможность импорта и экспорта данных;
• обеспечение доступа к данным с помощью языка SQL;
• возможность составления запросов;
• наличие инструментальных средств разработки прикладных программ.

     Производительность  СУБД оценивается:

• временем выполнения запросов;
• скоростью поиска информации;
• временем импортирования баз данных из других форматов;
• скоростью выполнения операций (таких как обновление, вставка, удаление);
• временем генерации отчета и другими показателями.

     Безопасность  данных достигается:

• шифрованием прикладных программ;
• шифрованием данных;
• защитой данных паролем;
• ограничением доступа к базе данных (к таблице, к словарю и т.д.).

     Обеспечение целостности данных подразумевает наличие средств, позволяющих удостовериться, что информация в базе  данных всегда остается корректной и полной. Целостность данных должна обеспечиваться независимо от того, каким образом данные заносятся в память (в интерактивном режиме, посредством импорта или с помощью специальной программы). Используемые в настоящее время СУБД обладают средствами обеспечения целостности данных и надежной безопасности.

     Система управления базами данных управляет  данными во внешней памяти, обеспечивает надежное хранение  данных  и поддержку соответствующих языков базы данных. Важной функцией СУБД является функция управления буферами оперативной памяти. Обычно СУБД работают с базами данных больших размеров, часто превышающими размеры оперативной памяти ЭВМ. В развитых СУБД поддерживается свой набор буферов оперативной памяти с собственной дисциплиной их замены.

     Наибольшее  распространение в настоящее  время получили системы управления базами данных Microsoft Access и Oracle. 

     Этапами работы в СУБД являются:

• создание структуры базы данных, т.е.  определение перечня полей, из которых состоит каждая запись таблицы, типов и размеров полей (числовой, текстовый, логический и т.д.), определение ключевых полей для  обеспечения необходимых связей между данными и таблицами;
• ввод и редактирование данных в таблицах баз данных с помощью представляемой  по умолчанию стандартной  формы в виде таблицы и с помощью экранных форм, специально создаваемых пользователем;
• обработка данных, содержащихся в таблицах, на основе запросов и на основе  программы;
• вывод информации из ЭВМ с использованием отчетов и без использования отчетов.

     Реализуются названные этапы работы с помощью  различных команд.

     Централизованная  база данных обеспечивает простоту управления, улучшенное использование данных на местах при выполнении дистанционных запросов, более высокую степень одновременности обработки, меньшие затраты на обработку.

     Распределенная  база данных предполагает хранение и  выполнение функций управления данными  в нескольких  узлах и передачу данных между этими узлами в процессе выполнения запросов. В такой базе данных не только различные ее таблицы  могут храниться на разных компьютерах, но и разные фрагменты одной таблицы. При этом для пользователя не имеет значения как организовано хранение данных, он работает с такой базой, как с централизованной. 

     Известны  три  типа моделей описания баз  данных – иерархическая, сетевая  и реляционная, основное различие между которыми состоит в характере описания взаимосвязей и взаимодействия между объектами и атрибутами базы данных.

     Иерархическая модель предполагает использование для описания базы данных древовидных структур, состоящих из определенного числа уровней. «Дерево» представляет собой  иерархию элементов, называемых узлами. Под элементами понимается список, совокупность, набор атрибутов, элементов, описывающих объекты.

     В качестве примера простой иерархической  структуры можно привести административную структуру высшего учебного заведения, элементами которой являются: «Университет – Факультет – Группа». На каждом уровне иерархии данной структуры могут быть использованы различные атрибуты. Например, атрибутами третьего уровня могут быть: специализация группы, численный состав, фамилия старосты группы и другие.

     В данной модели имеется корневой узел или просто корень – «Университет», который находится на самом верхнем  уровне иерархии, а потому не имеет  узлов, стоящих выше его. Каждый узел модели имеет только один исходный, находящийся по отношению к нему на более высоком уровне, а на последующих уровнях классификации он может иметь один, два или большее количество узлов, либо не иметь их вообще.

     Принципы  иерархии:

• иерархия всегда начинается с корневой вершины (или главного узла);
• исходный узел, из которого строится дерево, называется корневым узлом или просто корнем, причем одно дерево может иметь только один корень;
• узел может содержать один или несколько атрибутов, описывающих находящийся в нем объект;
• порожденные узлы могут встраиваться в «дерево» как в горизонтальном направлении, так и в вертикальном;
• доступ к порожденным узлам возможен только через исходный узел, поэтому существует только один путь доступа к каждому узлу.

     Достоинством  модели является простота ее построения, легкость понимания сути принципа иерархии, наличие промышленных СУБД, поддерживающих данную модель. Недостатком является сложность операций по включению в иерархию информации о новых объектах базы данных и удалению устаревшей информации. 

     Сетевая модель описывает элементарные данные и отношения между ними  в виде ориентированной сети. Это такие отношения между объектами, когда каждый порожденный элемент имеет более одного исходного и может быть связан с любым другим элементом структуры. Например, в структуре управления учебным заведением порожденный элемент «Студент» может иметь не один, а два исходных элемента: «Студент – Учебная группа», и «Студент – Комната в общежитии».

     Сетевые структуры могут быть многоуровневыми  и иметь разную степень сложности. Схема, в которой присутствует хотя бы одна связь «многие ко многим» и которая требует для своей реализации использования сложных методов, является сложной схемой.

     База  данных, описываемая сетевой моделью, состоит из областей, каждая из которых состоит из записей, а последние, в свою очередь, состоят из полей. Недостатком сетевой модели является ее сложность, возможность потери независимости данных при реорганизации базы данных. При появлении новых пользователей, новых приложений и новых видов запросов происходит рост базы данных, что может привести к нарушению логического представления данных.

     Реляционная модель имеет в своей основе понятие «отношения», и ее данные формируются в виде таблиц. Отношение – это двумерная таблица, имеющая сове название, в которой минимальным объектом действий, сохраняющим ее структуру, является строка таблицы (кортеж), состоящая из ячеек таблицы – полей.

     Каждый  столбец таблицы соответствует  только одной компоненте  этого  отношения. С логической точки зрения реляционная база данных представляется  множеством двумерных таблиц различного предметного наполнения.

     В зависимости от содержания отношения  реляционной базы данных бывают объективными и связными. Объективные отношения  хранят данные о каком-либо одном объекте, экземпляре сущности. В них один из атрибутов однозначно определяет объект и называется ключом отношения или первичным атрибутом (для удобства он записывается в первом столбце таблицы). Остальные атрибуты функционально зависят от этого ключа. В объективном отношении не может быть дублирующих объектов и в этом – основное ограничения реляционной базы данных. Связное отношение хранит ключи нескольких объектных отношений, по которым между ними устанавливаются связи.

     Если  набор атрибутов базы данных заранее не фиксирован, то возможны различные варианты их группировки, однако, независимо от выбранного способа, должны соблюдаться  единые требования. В частности, если база данных содержит множество отношений, то они должны иметь минимальную избыточность представления информации; атрибуты, включаемые в базу данных, должны обеспечивать выполнение массовых расчетов; при добавлении в базу данных новых атрибутов перестройка наборов отношений должна быть минимальной.

     К числу достоинств реляционной модели относятся: простота построения, доступность понимания, возможность эксплуатации базы данных без знания методов и способов ее построения, независимость данных, гибкость структуры и другие. Недостатками модели являются: низкая производительность по сравнению с иерархической и сетевой моделями,  сложность программного обеспечения, избыточность.