Основные характеристики информационных технологий управления

1.3 История развития СУБД

Рост производительности персональных вычислительных машин спровоцировал развитие СУБД, как отдельного класса. К середине 60-х годов прошлого века уже существовало большое количество коммерческих СУБД. Интерес к базам данных увеличивался все больше, так что данная сфера нуждалась в стандартизации. Автор комплексной базы данных Integrated Data Store Чарльз Бахман (Charles Bachman) организовал целевую группу DTG (Data Base Task Group) для утверждения особенностей и организации стандартов БД в рамках CODASYL - группы, которая отвечала за стандартизацию языка программирования COBOL. Уже в 1971 году был представлен свод утверждений и замечаний, который был назван Подход CODASYL, и спустя некоторое время появились первые успешные коммерческие продукты, изготовленные с учетом замечаний вышеупомянутой рабочей группы. В 1968 году отметилась и компания IBM, которая представила собственную СУБД gпод названием IMS. Фактически данный продукт представлял собой компиляцию утилит, которые использовались с системами System/360 на шаттлах Аполлон. Решение было разработано согласно коцпетам CODASYL, но при этом была применена строгая иерархия для структуризации данных. В свою очередь в варианте CODASYL за базис была взята сетевая СУБД. Оба варианта, меж тем, были приняты сообществом позднее как классические варианты организации работы СУБД, а сам Чарльз Бахман в 1973 году получил премию Тьюринга за работу Программист как навигатор. В 1970 году сотрудник компании IBM Эдгар Кодд, работавший в одном из отделений Сан Хосе (США), в котором занимались разработкой систем хранения, написал ряд статей, касающихся навигационных моделей СУБД. Заинтересовавшись вопросом он разработал и изложил несколько инновационных подходов касательно оптимальной организаци систем управления БД. Работа Кодда внесла значительный вклад в развитие СУБД и является действительным основоположником теории реляционных баз данных. Уже 1981 году Э.Ф.Кодд создал реляционную модель данных и применил к ней операции реляционной алгебры.

В зависимости от архитектуры построения системы управления базами СУБД могут подразделяться на следующие типы:

1.Иерархические 

2.Многомерные 

3.Реляционные 

4.Сетевые 

5.Объектно-ориентированные 

6.Объектно-реляционные 

1.4 СУБД крупных ЭВМ

Данный этап развития связан с организацией баз данных на больших машинах типа IBM 360/370, ЕС-ЭВМ и различных моделях фирмы Hewlett Packard. В таком случае информация хранилась во внешней памяти центральной ЭВМ. Пользователями баз данных были фактически задачи, запускаемые в основном в пакетном режиме. Интерактивный режим доступа обеспечивался с помощью консольных терминалов, которые не обладали собственными вычислительными ресурсами (процессором, оперативной памятью, внешней памятью) и служили только устройствами ввода-вывода для центральной ЭВМ. Программы доступа к БД писались на различных языках программирования и запускались как обычные числовые программы. Особенности данного этапа:

Все СУБД базируются на мощных мультипрограммных ОС (Unix и др.).

Поддерживается работа с централизованной БД в режиме распределенного доступа. Функции управления распределением ресурсов выполняются операционной системой.

Поддерживаются языки низкого манипулирования данными, ориентированные на навигационные методы доступа к данным. Значительная роль отводится администрированию данных.

Проводятся серьезные работы по обоснованию и формализации реляционной модели данных. Была создана первая система (System R), реализующая идеологию реляционной модели данных.

Проводятся теоретические работы по оптимизации запросов и управлению распределенным доступом к централизованной БД, было введено понятие транзакции.

Большой поток публикаций по всем вопросам теории БД. Результаты научных исследований активно внедряются в коммерческие СУБД.

Появляются первые языки высокого уровня для работы с реляционной моделью данных (SQL), однако отсутствуют стандарты для этих языков.

Компьютеры стали ближе и доступнее каждому пользователю. Исчез благоговейный страх рядовых пользователей перед непонятными и сложными языками программирования. Появилось множество программ, предназначенных для работы неподготовленных пользователей. Простыми и понятными стали операции копирования файлов и переноса информации с одного компьютера на другой, распечатка текстов, таблиц и других документов. Системные программисты были отодвинуты на второй план. Каждый пользователь мог себя почувствовать полным хозяином этого мощного и удобного устройства, позволяющего автоматизировать многие аспекты собственной деятельности. И, конечно, это сказалось и на работе с базами данных. Новоявленные СУБД позволяли хранить значительные объемы информации, они имели удобный интерфейс для заполнения, встроенные средства для генерации различных отчетов. Эти программы позволяли автоматизировать многие учетные функции, которые раньше велись вручную. Постоянное снижение цен на персональные компьютеры сделало такое ПО доступным не только для организаций и фирм, но и для отдельных пользователей. Компьютеры стали инструментом для ведения документации и собственных учетных функций. Это все сыграло как положительную, так и отрицательную роль в области развития баз данных. Кажущаяся простота и доступность персональных компьютеров и их программного обеспечения породила множество дилетантов. Много было создано систем-однодневок, которые не отвечали законам развития и взаимосвязи реальных объектов. Однако доступность персональных компьютеров заставила пользователей из многих областей знаний, которые ранее не применяли вычислительную технику в своей деятельности, обратиться к ним. И спрос на развитые удобные программы обработки данных заставлял поставщиков программного обеспечения поставлять все новые системы, которые принято называть настольными СУБД. Значительная конкуренция среди поставщиков заставляла совершенствовать эти конфигурации, предлагая новые возможности, улучшая интерфейс и быстродействие систем, снижая их стоимость. Наличие на рынке большого числа СУБД, выполняющих сходные функции, потребовало разработки методов экспорта-импорта данных для этих систем и открытия форматов хранения данных. Но и в этот период появлялись любители, которые вопреки здравому смыслу разрабатывали собственные СУБД, используя стандартные языки программирования. Это был тупиковый вариант, потому что дальнейшее развитие показало, что перенести данные из нестандартных форматов в новые СУБД было гораздо труднее, а в некоторых случаях требовало таких трудозатрат, что легче было бы все разработать заново, но данные все равно надо было переносить на новую более перспективную СУБД. И это тоже было результатом недооценки тех функции, которые должна была выполнять СУБД. Особенности этого этапа следующие:

Стандартизация высокоуровневых языков манипулирования данными (разработка и внедрение стандарта SQL92 во все СУБД).

Все СУБД были рассчитаны на создание БД в основном с монопольным доступом. И это понятно. Компьютер персональный, он не был подсоединен к сети, и база данных на нем создавалась для работы одного пользователя. В редких случаях предполагалась последовательная работа нескольких пользователей, например, сначала оператор, который вводил бухгалтерские документы, а потом главбух, который определял проводки, соответствующие первичным документам.

Большинство СУБД имели развитый и удобный пользовательский интерфейс. В большинстве существовал интерактивный режим работы с БД как в рамках описания БД, так и в рамках проектирования запросов. Кроме того, большинство СУБД предлагали развитый и удобный инструментарий для разработки готовых приложений без программирования.

Во всех настольных СУБД поддерживался только внешний уровень представления реляционной модели, то есть только внешний табличный вид структур данных.

При наличии высокоуровневых языков манипулирования данными типа реляционной алгебры и SQL в настольных СУБД поддерживались низкоуровневые языки на уровне отдельных строк таблиц.

В настольных СУБД отсутствовали средства поддержки ссылочной и структурной целостности базы данных. Эти функции должны были выполнять приложения, однако скудость средств разработки приложений иногда не позволяла это сделать, и в этом случае эти функции должны были выполняться пользователем, требуя от него дополнительного контроля при вводе и изменении информации, хранящейся в БД.

Наличие монопольного режима работы фактически привело к вырождению функций администрирования БД.

Сравнительно скромные требования к аппаратному обеспечению со стороны настольных СУБД. Вполне работоспособные приложения, разработанные, например, на Clipper, работали на PC 286. В принципе, их даже трудно назвать полноценными СУБД. Яркие представители этого семейства — очень широко использовавшиеся до недавнего времени СУБД Dbase (DbaseIII+, DbaseIV), FoxPro, Clipper, Paradox.

1.5 Архитектуры баз данных.

Для рассмотрения способов организации баз данных нужно определить несколько понятий.

Ядро БД 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. Ядро БД обладает собственным интерфейсом, не доступным пользователям напрямую и используемым в программах. Ядро БД является основной резидентной частью СУБД. При использовании архитектуры "клиент-сервер" ядро является основной составляющей серверной части системы.

Основной функцией компилятора языка БД является компиляция операторов языка БД в некоторую выполняемую программу.

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 БД, а иногда даже с проникновением внутрь ядра.

Приложение —> Ядро БД —> базы данных. В структуре приложения имеется цепочка Невизуальные компоненты —> Визуальные компоненты. Невизуальные компоненты предоставляют программисту некоторые функции по управлению ядром базы данных, а также самими данными. С помощью Визуальных компонент данные отображаются на экране (таблицы, списки, выпадающие списки, графики и др.). Местоположение ядра БД и самих баз данных в этой цепочке не отражены.

Местоположение Ядра БД и баз данных зависит от используемой архитектуры. Имеется три разновидности архитектур баз данных:

• локальные базы данных и архитектура "файл-сервер";

• архитектура "клиент-сервер";

• многозвенная (трехзвенная N-tier или multi-tier) архитектура.

Использование той или иной архитектуры накладывает сильный отпечаток на общую идеологию работы приложения, на программный код в приложении, на состав компонентов для работы с БД, используемых в приложении (прежде всего это касается невизуальных компонентов).

Локальные базы данных и архитектура "файл-сервер"

При работе с локальными базами данных сами БД расположены на том же компьютере, что и приложения, осуществляющие доступ к ним. Работа с БД происходит в однопользовательском режиме. Ядро БД распложено на компьютере пользователя. Приложение ответственно за поддержание целостности БД и за выполнение запросов к БД. При работе в архитектуре "файл-сервер" БД и приложение расположены на файловом сервере сети (например, Novell NetWare). Возможна многопользовательская работа с одной и той же БД, когда каждый пользователь со своего компьютера запускает приложение, расположенное на сетевом сервере.

Тогда на компьютере пользователя запускается копия приложения. По каждому запросу к БД из приложения, данные из таблиц БД перегоняются на компьютер пользователя, независимо от того, сколько реально нужно данных для выполнения запроса. После этого выполняется запрос.

Каждый пользователь имеет на своем компьютере локальную копию данных, время от времени обновляемых из реальной БД, расположенной на сетевом сервере. При этом изменения, которые каждый пользователь вносит в БД, могут быть до определенного момента неизвестны другим пользователям, что делает актуальной задачу систематического обновления данных на компьютере пользователя из реальной БД. Другой актуальной задачей является блокирование записей, которые изменяются одним из пользователей: это необходимо для того, чтобы в это время другой пользователь не внес изменений в те же данные. В архитектуре "файл-сервер" вся тяжесть выполнения запросов к БД, управления целостностью БД ложится на приложение пользователя. БД на сервере является пассивным источником данных. Кардинальных различий с точки зрения архитектуры между однопользовательской архитектурой и архитектурой "файл-сервер" нет. И в том и в ином случае в качестве СУБД применяются так называемые "персональные" (или "локальные") СУБД такие как Paradox, dBase и пр. Сама база данных в этом случае представляет собой набор таблиц, индексных файлов, файлов полей комментариев (мемо-полей) и пр., хранящихся в одном каталоге на диске в виде отдельных файлов.

Удаленные базы данных и архитектура "клиент-сервер"

Архитектура "файл-сервер" неэффективна, по крайней мере, в двух отношениях:

При выполнении запроса к базе данных, расположенной на файловом сервере, в действительности происходит запрос к локальной копии данных на компьютере пользователя. Поэтому перед выполнением запроса данные в локальной копии обновляются из реальной БД. Данные обновляются в полном объеме. Так, если таблица БД состоит из 1000 записей, а для выполнения запроса (например, выдать сумму премий за октябрь в отделе Y) реально нужно 10 записей, все равно перегоняются все 1000 записей. Таким образом, не нужно иметь слишком много пользователей и запросов от них, чтобы серьезно ''забить" сеть, что, конечно же, не может не сказаться на ее быстродействии.

Обеспечение целостности БД производится из приложений. Это потенциальный источник ошибок, нарушающих физическую и логическую целостность БД, поскольку различные приложения могут производить контроль целостности БД по-разному, взаимоисключающими способами, или не проводить такого контроля вовсе. Намного эффективнее управлять БД из единого места и по единым законам, нежели из разных приложений и по потенциально разным законам (все зависит от того, как написано приложение). Поэтому безопасность при работе в архитектуре "файл-сервер" невысока и всегда присутствует элемент неопределенности. Секретность и конфиденциальность при работе с БД в архитектуре "файл-сервер" обеспечить также тяжело - любой, кто имеет доступ в каталог сетевого сервера, где хранится БД, может изменять таблицы БД любым образом, копировать их, заменять и т.д.

Архитектура "клиент-сервер" разделяет функции приложения пользователя (называемого клиентом) и сервера.

Приложение-клиент формирует запрос к серверу, на котором расположена БД, на структурном языке запросов SQL. Удаленный сервер принимает запрос и переадресует его SQL-серверу БД. SQL-сервер – это специальная программа, управляющая удаленной базой данных. SQL-сервер обеспечивает интерпретацию запроса, его выполнение в базе данных, формирование результата выполнения запроса и выдачу его приложению-клиенту. При этом ресурсы клиентского компьютера не участвуют в физическом выполнении запроса; клиентский компьютер лишь отсылает запрос к серверной БД и получает результат, после чего интерпретирует его необходимым образом и представляет пользователю. Так как клиентскому приложению посылается результат выполнения запроса, по сети "путешествуют" только те данные, которые необходимы клиенту. В итоге снижается нагрузка на сеть. Поскольку выполнение запроса происходит там же, где хранятся данные (на сервере), нет необходимости в пересылке больших пакетов данных. Кроме того, SQL-сервер, если это возможно, оптимизирует полученный запрос таким образом, чтобы он был выполнен в минимальное время с наименьшими накладными расходами.