Типы моделей баз данных

Министерство сельского хозяйства и продовольствия Республики Беларусь

Учреждение образования “Гродненский Государственный Аграрный Университет”

 

 

Реферат

на тему: “Типы моделей баз данных”

 

 

 

 

 

Подготовил студент 1 курса 3 группы БТФ

Потапович Сергей Чеславович

 

 

 

Гродно 2014

База данных – совокупность взаимосвязанных данных, которые можно использовать для большого числа приложений, быстро получать и модифицировать необходимую информацию.

Модели базы данных базируются на современном подходе к обработке информации. Структура информации базы позволяет формировать логические записи их элементов и их взаимосвязи. Взаимосвязи могут быть: один к одному, один ко многои и многие ко многим.

Применение того или иного типа взаимосвязи определены тремя моделями базы данных: иерархической, сетевой, реляционной.

Иерархическая модель представлена в виде древовидного графа. Достоинство этой модели в том, что она позволяет описать структуру данных как на логическом, так и на физическом уровне. Ее недостаток – жесткая фиксированность взаимосвязи между элементами. В связи с этим любые изменения связей требуют изменения ее структуры. Кроме того, быстрота доступа достигнута за счет потери информационной гибкости, т.е. за один проход по древу невозможно получить информацию, расположенную по другой ветви связи. Данная модель реализует тип связи один ко многим.

Сетевая модель базы данных представлена в виде диаграммы связей. В сетевой модели допустимы любые виды связей между записями, отсутствуют ограничения на число обратных связей. Используется принцип многие ко многим.  К достоинству этой модели относится большая информационная гибкость по сравнению с иерархической моделью, однако сохраняется недостаток – жесткость структуры.

При необходимости частой реорганизации информационной базы применяют наиболее совершенную модель базы данных – реляционную, в которой отсутствуют отличия между объектами и взаимосвязями. Тип связи такой модели – один к одному. В этой модели связи между объектами представлены в виде двумерных таблиц – отношений. Поскольку любую структуру данных можно преобразовать в простую двухмерную таблицу, а  такое представление является наиболее удобным и для пользователя, и для машины, подавляющее большинство современных информационных систем работает именно с такими таблицами, т.е. с реляционными базами данных.

Отношения обладают следующими свойствами:

-       каждый элемент – один элемент данных;

-       повторяющиеся группы отсутствуют;

-       элементы столбца имеют одинаковую природу;

-       в таблице не повторяются строки;

-       строки и столбцы можно просматривать в любом порядке.

Преимущество данной модели:

-       простота логической модели;

-       гибкость системы;

-       независимость данных;

-       возможность построения простого языка манипулирования данными с помощью математической теории реляционной алгебры. Именно наличие строгого математического аппарата обусловило ее наибольшее распространение и перспективность в современных компьютерных технологиях.

Если прикладная информационная система опирается на некоторую систему управления данными, обладающую свойствами: поддержание логически согласованного набора файлов; обеспечение языка манипулирования данными; восстановление информации после разного рода сбоев; реально параллельная работа нескольких пользователей, то эта система управления данными является системой управления базами данных (СУБД).

Основные функции СУБД:

1. Непосредственное управление  данными во внешней памяти

Эта функция включает обеспечение необходимых структур внешней памяти как для хранения данных, непосредственно входящих в БД, так и для служебных целей, например, для убыстрения доступа к данным. В некоторых реализациях СУБД активно используются возможности существующих файловых систем, в других работа производится вплоть до уровня устройств внешней памяти. В развитых СУБД пользователи в любом случае не обязаны знать, использует ли СУБД файловую систему, и если использует, то как организованы файлы. В частности, СУБД поддерживает собственную систему именования объектов БД.

2.      Управление буферами оперативной памяти

СУБД обычно работают с БД значительного размера; по крайней мере этот размер обычно существенно больше доступного объема оперативной памяти. Понятно, что если при обращении к любому элементу данных будет производиться обмен с внешней памятью, то вся (система будет работать со скоростью устройства внешней памяти.

Практически единственным (способом реального увеличения этой скорости является буферизация данных в оперативной памяти. При этом, даже если операционная система производит общесистемную буферизацию (как в случае ОС UNIX), этого недостаточно для целей СУБД, которая располагает гораздо большей информацией о полезности буферизации той или иной части БД. Поэтому в развитых СУБД поддерживается собственный набор буферов оперативной памяти с собственной дисциплиной замены 
буферов.

3. Управление транзакциями

Транзакция - это последовательность операций над БД, рассматриваемых СУБД как единое целое. Либо транзакция успешно выполняется и СУБД фиксирует изменения БД, произведенные этой транзакцией, во внешней памяти, либо ни одно из этих изменений никак не отражается на состоянии БД. Понятие транзакции необходимо для   поддержания   логической целостности  БД.   Каждая транзакция начинается при целостном состоянии БД и оставляет это состояние целостным после своего завершения, делает очень удобным использование понятия транзакции как единицы активности пользователя по отношению к БД. При соответствующем управлении параллельно выполняющимися транзакциями со стороны СУБД каждый из пользователей может в принципе ощущать себя единственным пользователем СУБД.

4. Журнализация

Одним из основных требований к СУБД является надежность хранения данных во внешней памяти. Под надежностью хранения понимается то, что СУБД должна быть в состоянии восстановить последнее согласованное состояние БД после любого аппаратного или программного сбоя. Обычно рассматриваются два возможных вида аппаратных сбоев: так называемые мягкие сбои, которые можно трактовать как внезапную остановку работы компьютера (например, аварийное выключение питания), и жесткие сбои, характеризуемые потерей информации на носителях внешней памяти. Примерами программных сбоев могут быть: аварийное завершение работы СУБД (по причине ошибки в программе или в результате некоторого аппаратного сбоя) или аварийное завершение пользовательской программы, в результате чего некоторая транзакция остается незавершенной. Первую ситуацию можно рассматривать как особый вид мягкого аппаратного сбоя; при возникновении последней требуется ликвидировать последствия только одной транзакции. Поддержание надежности хранения данных в БД требует избыточности хранения данных, причем та часть данных, которая используется для восстановления, должна храниться особо надежно. Наиболее распространенным методом поддержания такой избыточной информации является ведение журнала изменений БД.

Журнал - это особая часть БД, недоступная пользователям СУБД и поддерживаемая с особой тщательностью (иногда поддерживаются две копии журнала, располагаемые на разных физических дисках), в которую поступают записи обо всех изменениях основной части БД.

Для восстановления БД после жесткого сбоя используют журнал и архивную копию БД. Грубо говоря, архивная копия - это полная копия БД к моменту начала заполнения журнала (имеется много вариантов более гибкой трактовки смысла архивной копии). Конечно, для нормального восстановления БД после жесткого сбоя необходимо, чтобы журнал не пропал. Восстановление БД состоит в том, что исходя из архивной копии по журналу воспроизводится работа всех транзакций, которые закончились к моменту сбоя. Можно даже воспроизвести работу незавершенных транзакций и продолжить их работу после завершения восстановления. Однако в реальных системах это обычно не делается, поскольку процесс восстановления после жесткого сбоя является достаточно длительным.

5. Поддержка языков БД

Для работы с базами данных используются специальные языки, в целом называемые языками баз данных. В ранних СУБД поддерживалось несколько специализированных по своим функциям языков. Чаще всего выделялись два языка - язык определения схемы БД (SDL) и язык манипулирования данными (DML). SDL служил главным образом для определения логической структуры БД, т.е. той структуры БД, какой она представляется пользователям. DML содержал набор операторов манипулирования данными, т.е. операторов, позволяющих заносить данные в БД, удалять, модифицировать или выбирать существующие данные.

В современных СУБД обычно поддерживается единый интегрированный язык, содержащий все необходимые средства для работы с БД, начиная от ее создания, и обеспечивающий базовый пользовательский интерфейс с базами данных. Стандартным языком наиболее распространенных в настоящее время реляционных СУБД является язык SQL (Structured Query Language), который сочетает средства SDL и DML, т.е. позволяет определять схему реляционной БД и манипулировать данными. Внутренняя часть СУБД (ядро) вообще не работает с именами таблиц и их столбцов.

Классификация систем управления базами данных (самостоятельно).

Организация типичной СУБД и состав ее компонентов соответствует рассмотренному набору функций.

Логически в современной реляционной СУБД можно выделить наиболее внутреннюю часть - ядро СУБД (часто его называют Data Base Engine), компилятор языка БД (обычно SQL), подсистему поддержки времени выполнения, набор утилит. В некоторых системах эти части выделяются явно, в других - нет, но логически такое разделение можно провести во всех СУБД.

Ядро СУБД отвечает за управление данными во внешней памяти, управление буферами оперативной памяти, управление транзакциями и журнализацию. Соответственно, можно выделить такие компоненты ядра (по крайней мере, логически, хотя в некоторых системах эти компоненты выделяются явно), как менеджер данных, менеджер буферов, менеджер транзакций и менеджер журнала. Функции этих компонентов взаимосвязаны, и для обеспечения корректной работы СУБД все эти компоненты должны взаимодействовать по тщательно продуманным и проверенным протоколам.

Основной функцией компилятора языка БД является компиляция операторов языка БД в некоторую выполняемую программу. Компилятор должен решить, каким образом выполнять оператор языка прежде, чем произвести программу. Применяются достаточно сложные методы оптимизации операторов.

В отдельные утилиты БД обычно выделяют такие процедуры, которые слишком накладно выполнять с использованием языка БД, например, загрузка и выгрузка БД, сбор статистики, глобальная проверка целостности БД и т.д. Утилиты программируются с использованием интерфейса ядра СУБД, а иногда даже с проникновением внутрь ядра.