Инфотех

Современные информационные системы (ИС), реализующие интеграцию данных, характеризуются огромными объемами хранимых данных, сложной организацией, необходимостью удовлетворять разнообразные требования многочисленных пользователей. Лекция дает представление о базах данных (БД), возможностях систем управления базами данных (СУБД) и их использовании. Основные функциональные возможности и технологические операции работы в СУБД рассматриваются без привязки к конкретному типу программного продукта. Подобные систематизированные знания являются базовыми для практического освоения любых СУБД.

Цель информационной системы - обработка данных об объектах реального мира. В широком смысле база данных - это совокупность сведений о конкретных объектах реального мира в какой-либо предметной области. Под предметной областью принято понимать часть реального мира, подлежащего изучению. Создавая базу данных, пользователь стремится упорядочить информацию по различным признакам и быстро извлекать выборку с произвольным сочетанием признаков. Это возможно сделать, если данные структурированы. Структурирование - введение соглашений о способах представления данных.

Пользователями базы данных могут быть различные прикладные программы, а также специалисты предметной области, выступающие в роли потребителей или источников данных, называемые конечными пользователями.

В современной технологии баз данных предполагается, что создание базы данных, ее поддержка и обеспечение доступа пользователей к ней осуществляется централизованно с помощью специальных программных средств - системы управления базами данных.

База данных (БД) - это поименованная совокупность структурированных данных, относящихся к определенной предметной области.

Система управления базами данных (СУБД) - это комплекс программных и языковых средств, необходимых для создания баз данных, поддержания их в актуальном состоянии и организации поиска в них необходимой информации.

Централизованный характер управления данными в базе данных предполагает необходимость существования некоторого лица (группы лиц), на которое возлагаются функции администрирования данными, хранимыми в базе.

Классификация баз данных

По технологии обработки данных БД подразделяются на централизованные и распределенные. Централизованная база данных хранится в памяти одной вычислительной системы. Если эта вычислительная система является компонентом сети ЭВМ, возможен распределенный доступ к такой базе. Такой способ использования баз данных часто применяется в локальных сетях ПК. Распределенная база данных состоит из нескольких, возможно пересекающихся или даже дублирующих друг друга частей, хранимых в различных ЭВМ вычислительной сети. Работа с такой базой осуществляется с помощью системы управления распределенной базы данных (СУРБД).

По способу доступа к данным БД разделяются на БД с локальным доступом и БД с удаленным (сетевым) доступом.

Системы централизованных БД с сетевым доступом предполагают различные архитектуры подобных систем:

- файл-сервер;

- клиент-сервер.

Архитектура файл-сервер предполагает выделение одной из машин сети в качестве центральной (сервер файлов). На такой машине хранится совместно используемая централизованная БД. Все другие машины сети выполняют функции рабочих станций, с помощью которых поддерживается доступ пользовательской системы к централизованной базе данных. Файлы БД в соответствии с пользовательскими запросами передаются на рабочие станции, где в основном и производится обработка. Пользователи могут также создавать на рабочих станциях локальные БД, которые используются ими монопольно.

В архитектуре клиент-сервер подразумевается, что помимо хранения централизованной БД центральная машина (сервер БД) должна обеспечивать выполнение основного объема обработки данных. Запрос на данные, выдаваемый клиентом (рабочей станцией), порождает поиск и извлечение данных на сервере. Извлеченные данные (но не файлы) передаются по сети от сервера к клиенту.

Структурные элементы БД: поле, запись, файл (таблица).

Поле - элементарная единица логической организации данных, которая соответствует неделимой единице информации - реквизиту. Для описания поля используются следующие характеристики:

имя, например, ФИО

тип, например, символьный, числовой, календарный;

длина, определяемая максимально возможным количеством символов, например, 15 байт;

точность для числовых данных.

Запись - совокупность логически связанных полей. Экземпляр записи - отдельная реализация записи, содержащая конкретные значения ее полей.

Файл (таблица) - совокупность экземпляров записей одной структуры.

В структуре записи файла указываются поля, значения которых являются ключами: первичными (ПК), которые идентифицируют экземпляр записи, и вторичными (ВК), которые выполняют роль поисковых или группировочных признаков (по значению вторичного ключа можно найти несколько записей).

Виды моделей данных

Ядром любой БД является модель данных - совокупность структур данных и операций их обработки.

СУБД основывается на использовании иерархической, сетевой или реляционной модели, а также на комбинации этих моделей.

Иерархическая модель данных - древовидная. Объекты связаны иерархическими отношениями подобно перевернутому дереву. К основным понятиям иерархической структуры относятся: уровень, элемент (узел), связь. Узел - это совокупность атрибутов данных, описывающих некоторый объект. Каждый узел на более низком уровне связан только с одним узлом, находящимся на более высоком уровне. Иерархическое дерево имеет только одну вершину (корень дерева), не подчиненную никакой другой вершине и находящуюся на самом верхнем (первом) уровне. Зависимые (подчиненные) узлы находятся на втором, третьем и т.д. уровнях. В каждой записи БД существует только один (иерархический) путь от корневой записи.

В сетевой модели данных при тех же основных понятиях (уровень, узел, связь) каждый элемент может быть связан с любым другим элементом.

Реляционная модель данных (англ. relation - отношение) отличается простотой структуры данных, удобным для пользователя табличным представлением. Эта модель ориентирована на организацию данных в виде двумерных таблиц. Каждая реляционная таблица представляет собой двумерный массив и обладает следующими свойствами:

- каждый элемент таблицы - один элемент данных;

- все столбцы в таблице однородные, т.е. все элементы в столбце имеют одинаковый тип (числовой, символьный и т.д.) и длину;

- каждый столбец имеет уникальное имя;

- одинаковые строки в таблице отсутствуют;

- порядок следования строк и столбцов может быть произвольным.

Отношения представлены в виде таблиц, строки которых соответствуют записям (кортежам), а столбцы - полям (атрибутам отношений, доменам). Поле, каждое значение которого однозначно определяет соответствующую запись, называется простым ключом (ключевым полем). Если записи однозначно определяются значениями нескольких полей, то такая таблица БД имеет составной ключ. Чтобы связать две реляционные таблицы, необходимо ключ первой таблицы ввести в состав ключа второй таблицы (возможно совпадение ключей); в противном случае нужно ввести в структуру первой таблицы внешний ключ - ключ второй таблицы.

Информационный объект - это описание реального объекта, явления, процесса, события в виде совокупности логически связанных реквизитов (информационных элементов).

Информационный объект определенного реквизитного состава и структуры образует класс (тип), ему присваивается уникальное имя (символьное обозначение).

Информационный объект имеет множество реализаций - экземпляров, каждый из которых представлен совокупностью конкретных значений реквизитов и идентифицируется значением ключа (простого - один реквизит или составного - несколько реквизитов). Остальные реквизиты информационного объекта являются описательными. Одни и те же реквизиты в одних информационных объектах могут быть ключевыми, а в других - описательными. Информационный объект может иметь несколько ключей.

Одни и те же данные могут группироваться в таблицы (отношения) различными способами, т.е. возможна организация различных наборов отношений взаимосвязанных информационных объектов. Группировка атрибутов в отношениях должна быть рациональной, т.е. минимизирующей дублирование данных и упрощающей процедуры их обработки и обновления. Определенный набор отношений обладает лучшими свойствами при включении, модификации, удалении данных, чем все остальные возможные наборы отношений, если он отвечает требованиям нормализации отношений.

Нормализация отношений - формальный аппарат ограничений на формирование отношений (таблиц), который позволяет устранить дублирование, обеспечивает непротиворечивость хранимых в базе данных, уменьшает трудозатраты на ведение (ввод, корректировку) БД.

Все информационные объекты предметной области связаны между собой. Связь один к одному (1:1) предполагает, что в каждый момент времени одному экземпляру информационного объекта А соответствует не более одного экземпляра информационного объекта В и наоборот. При связи один ко многим (1:М) одному экземпляру информационного объекта А соответствует 0, 1 или более экземпляров объекта В, но каждый экземпляр объекта В связан не более чем с 1 экземпляром объекта А. Связь многие ко многим (М:М) предполагает, что в каждый момент времени одному экземпляру информационного объекта А соответствует 0, 1 или более экземпляров объекта В и наоборот.

БД и программные средства их создания и ведения (СУБД) имеют многоуровневое строение. Различают концептуальный, внутренний и внешний уровни представления данных БД, которым соответствуют модели аналогичного назначения. Концептуальный уровень соответствует логическому представлению данных предметной области в обобщенном виде. Концептуальная модель состоит из логически структурированных различных типов данных. Внутренний уровень отображает организацию данных в среде хранения и соответствует физическому представлению данных. Внутренняя модель состоит из отдельных записей, физически хранимых во внешних носителях. Внешний уровень поддерживает частные представления данных, требуемые конкретным пользователем. Внешняя модель является частью (подмножеством) концептуальной модели. С помощью внешних моделей поддерживается санкционированный доступ к различным приложениям. Проектирование БД состоит в построении комплекса взаимосвязанных моделей данных.

Важнейшим этапом проектирования БД является разработка инфологической (информационно-логической) модели предметной области, не ориентированной на конкретную СУБД. Эта модель отражает предметную область в виде совокупности информационных объектов и их структурных связей. Инфологическая модель предметной области строится первой. Затем на ее основе строятся концептуальная (логическая), внутренняя (физическая) и внешняя модели.

СУБД - это программная система, предназначенная для создания на ЭВМ общей БД, используемой для решения множества задач. Подобные системы служат для поддержания БД в актуальном состоянии и обеспечивают эффективный доступ пользователей к содержащимся в ней данным в рамках предоставленных пользователям полномочий. СУБД предназначена для централизованного управления БД в интересах всех работающих в этой системе.

По степени универсальности различают два класса СУБД:

- системы общего назначения;

- специализированные системы.

СУБД общего назначения не ориентированы на какую-либо предметную область или на информационные потребности какой-либо группы пользователей. Каждая система такого рода реализуется как программный продукт, способный функционировать на некоторой модели ЭВМ в определенной операционной системе и поставляется многим пользователям как коммерческое изделие. Такие СУБД обладают средствами настройки на работу с конкретной базой данных. Этим СУБД присущи развитые функциональные возможности и даже определенная функциональная избыточность. Использование СУБД общего назначения в качестве средства для создания автоматизированных информационных систем, основанных на технологии БД, позволяет существенно сокращать сроки разработки, экономить ресурсы. Специализированные СУБД создаются в редких случаях при невозможности или нецелесообразности использования СУБД общего назначения. СУБД общего назначения - это сложные программные комплексы, предназначенные для выполнения всей совокупности функций, связанных с созданием и эксплуатацией БД. Рынок программного обеспечения персональных компьютеров предлагает разнообразные по своим функциональным возможностям коммерческие СУБД общего назначения, а также средства их окружения практически для всех массовых моделей машин и для различных операционных систем. СУБД - лидеры рынка программ: dBASE IV 2.0 и Paradox 4.5 компании Borland International; Microsoft Access 2.0; Microsoft FoxPro 2.6.

Производительность СУБД оценивается:

- временем выполнения запросов;

- скоростью поиска информации в неиндексированных полях и др.

Современные СУБД обладают средствами обеспечения целостности данных и надежной безопасности.

Обеспечение целостности данных на уровне БД подразумевает наличие средств, позволяющих удостовериться, что информация в БД всегда остается корректной и полной. Установлены правила целостности, и они хранятся вместе с БД и соблюдаться на глобальном уровне. Целостность данных должна обеспечиваться независимо от того, каким образом данные заносятся в память.

Access и Paradox for Windows гораздо ближе других СУБД соответствуют реляционной модели по надежности сохранения целостности данных на уровне БД; правила хранятся вместе с БД и автоматически соблюдаются. СУБД dBASE IV и FoxPro не обладают средствами этого рода, обеспечение целостности возлагается на программистов.

Некоторые СУБД имеют средства обеспечения безопасности данных. Они обеспечивают выполнение следующих операций: шифрование прикладных программ и данных; защиту паролем; ограничение доступа. Самый высокий уровень безопасности данных реализован в СУБД dBASE IV. Администратор может назначать системе различные права доступа на уровне файла, поля, а также организовать автоматическое шифрование данных. Хорошими характеристиками обеспечения безопасности отличается Access 2.0. Он предусматривает назначение паролей для индивидуальных пользователей или групп пользователей и присвоение различных прав доступа отдельно к таблицам, запросам, отчетам, макрокомандам, новым объектам на уровне пользователя или группы.

Практически все современные СУБД предназначены для работы в многопользовательских средах. Лучшими возможностями для этого обладают СУБД Paradox 4.5, Access 2.0, dBASE IV.

Функция импорт-экспорт отражает возможности: обработки СУБД информации, подготовленной другими программными средствами; использования другими программами данных, сформированных средствами рассматриваемой СУБД. Все вышеуказанные СУБД обладают хорошими возможностями импорта-экспорта данных.

Функциональные возможности моделей данных доступны пользователю СУБД благодаря ее языковым средствам. Эти средства используются для выполнения двух основных функций:

- описания представления БД;

- выполнения операций манипулирования данными.

Первая из этих функций обеспечивается языком описания (определения) данных (ЯОД). Описание БД (структуры БД, ограничений целостности и др.) с помощью ЯОД называется схемой базы данных

Язык манипулирования данными (ЯМД) позволяет реализовать предусмотренные в системе операции над данными из БД. Например, язык программирования Access Basic позволяет управлять объектами из других прикладных программ, создавать объекты БД (запросы, таблицы), изменять структуру БД и создавать индексы непосредственно из прикладной программы.

Программы СУБД имеют достаточное количество команд, у каждой из которых возможны различные параметры (опции). Такая система команд совместно с дополнительными опциями образует меню. Совокупность команд, предоставляемых в распоряжение пользователя некоторой усредненной СУБД, может быть разбита на следующие типовые группы: команды для работы с файлами; редактирования; форматирования; для работы с окнами; для работы в основных режимах СУБД (таблица, форма, запрос, отчет); получение справочной информации.

При работе с СУБД на экран выводятся рабочее поле и панель управления. Последняя включает меню, вспомогательную область управления и строку подсказки. Строка меню содержит основные режимы программы. В строке состояния (статусной строке) содержатся сведения о текущем режиме работы программы. Панель инструментов (пиктографическое меню) состоит из кнопок (пиктограмм) для быстрого выполнения определенных команд меню и функций программы.

Важная особенность СУБД - использование буфера промежуточного хранения при выполнении ряда операций. Содержимое буфера сохраняется до тех пор, пока в него не будет записана новая порция данных.

Ввод данных и изменение содержимого любых полей таблиц БД, компонетов экранных форм и отчетов производится с помощью команд редактирования, главными из которых являются перемещение, копирование, удаление. Современные СУБД позволяют вставлять диаграммы, рисунки и т.п., включая объекты, созданные в других программных средах, устанавливать связи между объектами. Среди команд редактирования особое место занимают команды нахождения и замены определенного пользователем контекста в пределах всего документа или выделенной его части, а также отмена последней введенной команды (откатка).

Важное значение имеет визуальное представление данных при выводе. Большинство СУБД предоставляют в распоряжение пользователя большое число команд, связанных с оформлением выводимой информации.

Современные СУБД позволяют открывать одновременно множество окон, организуя "многооконный режим" работы.

СУБД имеют в своем составе электронные справочники, предоставляющие пользователю инструкции по выполнению основных операций. Особенностью получения справочной информации с помощью электронного справочника является то, что он выдает информацию в зависимости от ситуации, в которой оказался пользователь.

В качестве основных этапов обобщенной технологии работы с СУБД можно выделить следующие:

- создание структуры базы данных;

- ввод и редактирование данных в таблицах;

- обработка данных, содержащихся в таблицах;

- вывод информации из БД.

Практически все используемые СУБД хранят данные следующих типов: текстовый (символьный), числовой, календарный, логический, примечание.

Если обрабатываемая БД включает несколько взаимосвязанных таблиц, то необходимо определение ключевого поля в каждой таблице, а также полей, с помощью которых будет организована связь между таблицами.

Создание структуры таблицы не связано с заполнением таблиц данными, поэтому эти две операции можно разнести во времени.

Заполнение таблиц данными возможно как непосредственно вводом данных, так и в результате выполнения программ и запросов.

Практически все СУБД позволяют вводить и корректировать данные в таблицах двумя способами:

- с помощью стандартной формы в виде таблицы (по умолчанию);

- с помощью экранных форм, специально создаваемых пользователем.

СУБД, работающие с WINDOWS, позволяют вводить в созданные экранные формы рисунки, узоры, кнопки. Возможно построение форм, включающих записи различных связанных таблиц БД.

Обрабатывать информацию, содержащуюся в таблицах БД, можно путем использования запросов или в процессе выполнения специально разработанной программы.

Запрос представляет собой инструкцию на отбор записей.

Большинство СУБД разрешают использовать запросы следующих типов:

- запрос-выборка - для отбора данных, хранящихся в таблицах, и не изменяющий эти данные;

- запрос-изменение - для изменения или перемещения данных (к этому типу относятся запросы: на добавление записей, на удаление записей, на создание таблицы, на обновление);

- запрос с параметром, позволяющий определить одно или несколько условий отбора во время выполнения запроса.

Самым распространенным типом запроса является запрос на выборку.

Результатом выполнения запроса является таблица с временным набором данных (динамический набор). Записи динамического набора могут включать поля из одной или нескольких таблиц БД. На основе запроса можно построить отчет или форму.

Практически любая СУБД позволяет вывести на экран и принтер информацию, содержащуюся в БД, из режимов таблицы или формы. Такой порядок вывода данных может использоваться как черновой вариант, т.к. позволяет выводить данные только в точно таком виде, в каком они содержатся в таблице или форме.

В СУБД предусмотрены специальные средства создания отчетов для вывода данных. Используя их, пользователь получает дополнительные возможности:

- включать в отчет выборочную информацию из таблицы БД;

- включать в отчет информацию из разных связанных таблиц БД;

- добавлять информацию, не содержащуюся в БД;

- при необходимости выводить итоговые данные на основе информации БД;

- располагать выводимую в отчете информацию в удобном виде (вертикальное или горизонтальное расположение полей).