IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

1.ПОНЯТИЕ СУБД

В современной технологии баз данных предполагается, что создание базы данных, её поддержка и обеспечение доступа пользователей к ней осуществляются централизованно с помощью специального программного инструментария - системы управления базами данных (СУБД).

Система управления базами данных (СУБД) - это совокупность языковых и программных средств, предназначенных для создания, ведения и совместного использования БД многими пользователями.

Современная СУБД содержит в своем составе программные средства создания баз данных, средства работы с данными и сервисные средства. С помощью средств создания БД проектировщик, используя язык описания данных (ЯОД). переводит логическую модель БД в физическую структуру, а на языке манипуляции данными (ЯМД) разрабатывает программы, реализующие основные операции с данными (в реляционных БД - это реляционные операции). При проектировании привлекаются визуальные средства, т.е. объекты, и программа-отладчик, с помощью которой соединяются и тестируются отдельные блоки разработанной программы управления конкретной БД.

Средства работы с данными предназначены для пользователя БД. Они позволяют установить удобный (как правило, графически многооконный) интерфейс с пользователем, создать необходимую функциональную конфигурацию экранного представления выводимой и вводимой информации (цвет, размер и количество окон, пиктограммы пользователя и т.д.). производить операции с данными БД. манипулируя текстовыми и графическими экранными объектами.

Сервисные средства позволяют при проектировании использовании БД привлечь к работе с БД другие системы. Например, воспользоваться данными из табличного процессора Excel или обратиться к сетевому серверу.

2. АРХИТЕКТУРА СУБД

В среде СУБД можно выделить следующих пять основных компонентов: аппаратное обеспечение, программное обеспечение, данные, процедуры и пользователи.

Аппаратное обеспечение. Для работы СУБД и приложений необходимо некоторое аппаратное обеспечение. Одни СУБД предназначены для работы только с конкретными типами операционных систем или оборудования, другие могут работать с широким кругом аппаратного обеспечения и различными операционными системами. Для работы СУБД обычно требуется некоторый минимум оперативной и дисковой памяти, но такой минимальной конфигурации может оказаться совершенно недостаточно для достижения приемлемой производительности системы.

Программное обеспечение. Этот компонент включает операционную систему, программное обеспечение самой СУБД, прикладные программы, включая и сетевое программное обеспечение, если СУБД используется в сети. Обычно приложения создаются на языках третьего поколения, таких как С. COBOL. Fortran. Ada или Pascal, или на языках четвертого поколения, таких как SQL. операторы которых внедряются в программы на языках третьего поколения. СУБД может иметь свои собственные инструменты четвертого поколения, предназначенные для быстрой разработки приложений с использованием встроенных непроцедурных языков запросов, генераторов отчетов, форм, графических изображений и даже полномасштабных приложений.

Данные - наиболее важный компонент с точки зрения конечных пользователей. База данных содержит как рабочие данные, так и метаданные, т.е. "данные о данных".

Процедуры, к которым относят инструкции и правила, которые должны учитываться при проектировании и использовании базы данных: регистрация в СУБД: использование отдельного инструмента СУБД или приложения: запуск и останов СУБД: создание резервных копий СУБД: обработка сбоев аппаратного и программного обеспечения, включая процедуры идентификации вышедшего из строя компонента, исправления отказавшего компонента (например, посредством вызова специалиста по ремонту' аппаратного обеспечения), а также восстановления базы данных после устранения неисправности: изменение структуры таблицы, реорганизация базы данных, размешенной на нескольких дисках, способы улучшения производительности и методы архивирования данных на вторичных устройствах хранения.

Пользователи: клиенты БД. администратор БД. прикладные программисты. Более подробно этот компонент рассматривается в лекции №9 (Администрирование БД)

СУБД значительно различаются по характеристикам и функциям. Логически в них можно выделить три компоненты. (Рис2)

Подсистема средств проектирования представляет собой набор инструментов, упрощающих проектирование и реализацию баз данных и их приложений. Как правило, этот набор включает в себя средства для создания таблиц, форм, запросов и отчетов. В СУБД имеются также языки программирования и интерфейсы для них. Например, в Access - макроязык, не требующий глубокого знания программирования, и версия языка Basic - Visual Basic for Application.

Подсистема обработки обеспечивает обработку компонентов приложений, созданных с помощью средств проектирования. Например, в Access 2002 имеется компонент, реализующий построение формы и связывающий элементы формы с данными таблиц.

Третий компонент СУБД - ее ядро (DBMS Engine) выполняет функцию посредника между' подсистемой средств проектирования и обработки и данными. Ядро СУБД получает запросы от двух других компонентов, выраженные в терминах таблиц, строк и столбцов, и преобразует эти запросы в команды операционной системы, выполняющие запись и чтение данных с физического устройства.

Кроме того, ядро СУБД участвует в управлении транзакциями, блокировке, резервном копировании и восстановлении.

Microsoft представляет два различных ядра для Access 2002: Jet Engine и SQL Server. Ядро Jet Engine используется для персональных и коллективных баз данных небольшого объема. Ядро SQL Server предназначено для крупных баз данных.

3.КЛАССИФИКАЦИЯ СУБД

Классифицировать СУБД можно, используя различные признаки классификации.

По степени универсальности различают СУБД общего и специального назначения.

СУБД общего назначения не ориентированы на какую-либо конкретную предметную область или на информационные потребности конкретной группы пользователей. Развитые функциональные возможности таких СУБД обеспечивают безболезненную эволюцию построенных на их основе автоматизированных информационных систем в рамках их жизненного цикла.

Однако в некоторых случаях доступные СУБД общего назначения не позволяют добиться требуемой производительности и или удовлетворить заданные ограничения по объёму памяти, предоставляемой для хранения БД. Тогда приходится разрабатывать специализированную СУБД для данного конкретного применен™. Примером специализированной СУБД может быть система IMBASE. используемая для автоматизации проектных и конструкторских разработок. Важнейшим классификационным признаком СУБД является тип модели данных, поддерживаемый СУБД. По этому признак)' СУБД делятся на:

• иерархические. Первой иерархической СУБД была система IMS (Information Management System) компании IBM. коммерческое распространение которой началось в 1968 г.:

• сетевые. Первой сетевой СУБД считается система IDS (Integrated Data Store), разработанная компанией General Electric немного позже системы IMS:

• реляционные. Первые коммерческие реляционные СУБД от компаний IBM. Oracle Corporation. Relation Technology Inc. и других поставщиков появились в начале 8O-x годов. Реляционные СУБД просты в использовании, повышают производительность программистов при разработке прикладных программ, хорошо приспособлены для работы в архитектуре клиент сервер, позволяют параллельную обработку БД. хорошо приспособлены к графическим пользовательским интерфейсам. Реляционные СУБД продолжают совершенствоваться, предоставляя пользователю возможность решать всё более сложные задачи:

• объектно-реляционные (постреляционные). Объектно-реляционные СУБД продолжают использовать стандартный язык запросов для реляционных БД - SQL. но с объектными расширениями:

• объектно-ориентированные. В основе объектно-ориентированных СУБД лежит объектно-ориентированная модель обработки данных.

• многомерные, в основе которых лежит многомерная модель данных.

На самом общем уровне все СУБД можно разделить на:

- профессиональные (промышленные), которые представляют собой программную основу для разработки автоматизированных систем управления крупными экономическими объектами. На их базе создаются комплексы управления и обработки информации крупных предприятий, банков или даже целых отраслей. В настоящее время характерными представителями профессиональных СУБД являются такие программные продукты: Oracle. DB2. Sybase. Informix. Inqres. Progress.

- персональные (настольные). Это программное обеспечение, ориентированное на решение задач локального пользователя или компактной группы пользователей и предназначенная для использования на персональном компьютере, это

объясняет их второе название - настольные. К ним относятся DBASE. FoxBase. FoxPro. Clipper. Paradox. Access [2].

В настоящее время среди СУБД выделяют СУБД (условно говоря) промежуточные между профессиональными и персональными SQL Windows. SQL Base. Interbase. Microsoft SQL Server.

К основным функциям СУБД относятся:

• Ведение системного каталога, доступного конечным пользователям

• Системный каталог, или словарь данных. является хранилищем информации, описывающей данные в базе данных (по сути, это "данные о данных", или метаданные). Обычно в системном каталоге хранятся следующие сведения:

• имена, типы и размеры элементов данных:

• имена связей:

• накладываемые на данные ограничения поддержки целостности:

• имена санкционированных пользователей, которым предоставлено право доступа к данным:

• внешняя, концептуальная н внутренняя схемы и отображения между ними:

• статистические данные, например частота транзакций и счетчики обращений к объектам базы данных.

• Наличие системного каталога позволяет:

• централизовано хранить информацию о данных, что обеспечивает контроль доступа к этим данным н любому другому ресурсу:

• легко обнаружить избыточность и противоречивость описания отдельных элементов данных:

• протоколировать внесение в базу данных изменений и определить их последствия еще до их внесения, поскольку в системном каталоге зафиксированы все существующие элементы данных, установленные между ними связи, а также все их пользователи:

• усилить меры обеспечения безопасности:

• выполнять аудит сохраняемой информации.

• Поддержка транзакций. Транзакция представляет собой набор действий, выполняемых отдельным пользователем или прикладной программой с целью доступа или изменения содержимого базы данных. Примерами транзакций может служить добавление в базу данных сведений о новом сотруднике, обновление сведений о зарплате некоторого сотрудника, удаление сведений о сотруднике. Если во время выполнения транзакции произойдет сбой, например, из-за выхода из строя компьютера, база данных попадает в противоречивое состояние, поскольку некоторые изменения уже будут внесены, а остальные еще нет. Поэтому все частичные изменения должны быть отменены для возвращения базы данных в прежнее, непротиворечивое состояние. СУБД должна иметь механизм, который гарантирует выполнение либо всех операций обновления данной транзакции, либо ни одной из них [3].

• Поддержка параллельной работы. СУБД должна иметь механизм, который гарантирует корректное обновление базы данных при параллельном выполнении операций обновления многими пользователями. Параллельный доступ сравнительно просто организовать, если все пользователи выполняют только чтение данных, поскольку в этом случае они не могут помешать друг другу. Однако, когда два или больше пользователей одновременно получают доступ к базе данных, легко может возникнуть конфликт с нежелательными последствиями.

• Восстановление базы данных после сбоев. СУБД должна предоставлять средства восстановления базы данных на случай какого-либо ее повреждения или разрушения. Подобный сбой может произойти в результате выхода из строя системы или запоминающего устройства, ошибки аппаратного или программного обеспечения, которые могут привести к останову СУБД. Кроме того, пользователь может обнаружить ошибку во время выполнения транзакции н потребовать ее отмены. Во всех этих случаях СУБД должна предоставить механизм восстановления базы данных н возврата ее к непротиворечивому состоянию.

Для восстановления БД нужно располагать некоторой дополнительной информацией, т.е. 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.

• Контроль доступа к данным. СУБД должна иметь механизм, гарантирующий возможность доступа к базе данных только санкционированных пользователей.

• Поддержка обмена данными. СУБД в должны поддерживать работу в локальной сети, чтобы вместо нескольких разрозненных баз данных для каждого отдельного пользователя можно было бы установить одну централизованную базу данных и использовать ее как общий ресурс для всех существующих пользователей. При этом предполагается, что не база данных должна быть распределена в сети, а удаленные пользователи должны иметь возможность доступа к централизованной базе данных. Такая топология называется распределенной обработкой [1].

• Поддержка целостности данных. Целостность базы данных означает корректность и непротиворечивость хранимых данных. Она может рассматриваться как еще один тип защиты базы данных. Целостность обычно выражается в виде ограничений или правил сохранения непротиворечивости данных, которые не должны нарушаться в базе. СУБД должна обладать инструментами контроля за тем. чтобы данные и их изменения соответствовали заданным правилам.

• Поддержка независимости от данных. Независимость от данных обычно достигается за счет реализации механизма поддержки представлений или подсхем. Физическая независимость от данных достигается довольно просто, так как обычно имеется несколько типов допустимых изменений физических характеристик базы данных, которые никак не влияют на представления. СУБД должна обладать инструментами поддержки независимости программ от фактической структуры базы данных.

Вспомогательные функции. СУБД должна предоставлять некоторый набор различных вспомогательных функций, обычно предназначенных для администрирования базы данных, импорта и экспорта БД. мониторинга характеристик функционирования и использования базы данных, статистического анализа (оценка производительности или степени использования базы данных), реорганизации индексов, перераспределения памяти [5].

На заре технологии БД было легко установить границу между СУБД и приложением: приложения были отдельными программами, которые вызывали СУБД. Сегодня, в особенности с появлением СУБД для ПК эта граница стала несколько размытой. Поэтому будем считать, что все формы, отчеты, меню, как н программный код. содержащийся в них. входят в приложение БД. Автономные программы, вызывающие СУБД, также являются частью приложения. Все структуры, правила и ограничения, касающиеся таблицы, а также определения связей относятся к ведению СУБД и входят в состав БД.

Приложения выполняют пять основных функций: 1. Создание, чтение, обновление и удаление представлений. 2. Форматирование представлений. 3. Реализация ограничений. 4. Обеспечение механизмов безопасности и контроля. 5. Реализация логики обработки информации.

Производительность СУБД оценивается:

• временем выполнения запросов

• скоростью поиска информации в неиндексированных палях:

• временем выполнения операций импортирования базы данных из других форматов:

скоростью создания индексов и выполнения таких массовых операций, как обновление, вставка, удаление данных:

• максимальным числом параллельных обращений к данным в многопользовательском режиме:

• временем генерации отчета.

• На производительность СУБД оказывают влияние два фактора:

СУБД, которые следят за соблюдением целостности данных, несут дополнительную нагрузку, которую не испытывают другие программы:

• производительность собственных прикладных программ сильно зависит от правильного проектирования и построения базы данных.

Самые быстрые программные изделия отнюдь не обладают самыми развитыми функциональными возможностями на уровне процессора СУБД [1].

4.РЕЖИМИ РАБОТЫ ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ С СУБД

В информатике считается, что термин «режим» определяется как определённый порядок работы или состояния компьютера или программы.

Все современные СУБД имеют графический пользовательский интерфейс, через который возможна работа пользователя с СУБД в трех режимах:

1) Через меню системы. Он реализуется чаще всего в виде различных меню и диалоговых окон, с помощью которых пользователь постепенно уточняет, какие действия он хочет выполнить и какую информацию получить из БД. Для этого не надо знать языка СУБД.

2) Командный режим - интерактивный режим. Это способ реализации возможностей языка, т.е. непосредственное выполнение команд. Система выдаёт подсказку и ожидает ответа - ввод соответствующей команды. После ввода команды система осуществляет синтаксический контроль текста введённой команды и (при отсутствии ошибок) выполняет команду. Команда в процессе её выполнения может проводить собственный диалог с пользователем или выдавать конкретные сообщения. После выполнения текущей команды система постоянно выдаёт подсказку (приглашение) о готовности принять очередную команду.

Этот режим требует определенной подготовки пользователя, но обеспечивает более быстрый доступ к ресурсам БД.

3) Программный режим. Обеспечивает организацию доступа к данным и управление ими из прикладных программ. Пользователь может писать программы на языке команд, который поддерживает СУБД, производить отладку и выполнение программ. Текст программы можно вводить с помощью встроенного текстового или любого другого редактора [3].

5.НАПРАВЛЕНИЕ РАЗВИТИЯ СУБД

В середине SO-x годов исследователи БД стати рассматривать вопросы, выходящие за рамки реляционной модели. Традиционно существовало четкое разделение программ и данных. Этот подход хорошо работал, пока речь шла только о таких данных, как числа, символы, массивы. Но если данные представляли объект "документ", "графический образ", "звук" пли "карта", то методы работы с ними становились специфичными и труднореализуемыми. СУБД должны позволять прикладным специалистам отображать все типы данных для своих предметных областей. Шла напряженная работа в двух направлениях:

1) объединение объектно-ориентированного подхода и реляционных систем;

2) замена реляционной модели, ориентируясь исключительно на объекты.

В результате в конце SO-x годов на рынке появилось более десяти СУБД - объектно-реляционных и объектно-ориентированных СУБД (ООСУБД). Процесс миграции реляционных систем в объектную среду7 продолжается и в настоящее время, и это явление может рассматриваться как одна из тенденций развития СУБД.

Благодаря указанным свойствам объектно-ориентированные СУБД поддерживают новый класс БД с умеренно большими совокупностями записей и чрезвычайно сложными наборами связей между7 записями. С БД такого типа приходится работать, например, при проектировании автомобиля или самолета, когда задействованы тысячи деталей, причем все они организованы в чрезвычайно сложный список материалов. В этой среде производительность ООБД в сравнении с реляционными БД существенно возрастает, поскольку они обрабатывают все связи проще и эффективнее, из-за того, что информация о связях содержится в самих записях [2].

Наиболее известные коммерческие ООСУБД — GemStone. Vbase. ORION. PDM. IRIS.

Если ООСУБД конструируются с "чистого" листа, то объектно-реляционные СУБД являются модификацией реляционных СУБД — объектная ориентация включается в существующую широко признанную реляционную модель данных.

Существуют два различных подхода к объединению объектно-ориентированной и реляционной технологии.

Гибридные СУБД, как и обычные реляционные системы, включают реляционные внутренние механизмы управления данными, но в их архитектуре предусматривается уровень объектно-ориентированного внешнего интерфейса, с которым приложения могут взаимодействовать точно так же. как если бы они работали с ООСУБД. В них должны выполняться алгоритмы отображения объектов, видимых на внешнем интерфейсе, в таблицы, поддерживающей реляционной БД. И наоборот, объекты должны воспроизводиться из их представления в табличной среде хранения, когда они запрашиваются пользователями или приложениями.

Такой подход был популярен в конце 8O-x годов не столько в коммерческих СУБД, сколько в программных продуктах для автоматизации программирования (CASE), для автоматизации проектирования (CAD), в репозитариях (базах данных. предназначенных для хранения не пользовательских, а системных данных) и в подобных средах, использующих реляционное управление средой хранения и предоставляющих пользователям и приложениям не реляционные интерфейсы [4].

Другой подход, технологически более продвинутый и предпочитаемый в настоящее время большинством разработчиков реляционный СУБД —расширенный реляционный. При таком подходе сами внутренние реляционные механизмы СУБД управления данными расширяются объектно-ориентированными возможностями, например, наследование, абстрактные типы данных и т.д.

Результаты многолетних исследований в области расширенных реляционных СУБД воплотились в 1996-1997 гг. в ряде коммерческих программных продуктов, представляющих собой объектно-реляционные серверы баз данных с расширяемой системой типов данных. К числу первых систем такого типа относятся: Informix Universal Server (Informix Software. 1996), Oracle S (Oracle Corp.. 1997), DB2 Universal Database (IBM Corp., 1997). Эти программные продукты составляют значительную долю рынка СУБД, и можно сказать, что объектно-реляционная технология утке состоялась [2].

В настоящее время комбинирование технологий World Wide Web и технологий баз данных открывает множество новых возможностей создания все более совершенных приложений баз данных. Привлекательным аспектом создания приложений баз данных на основе Web-среды является тот факт, что Web-клиенты (или браузеры) обладают независимостью от платформы. Поскольку браузеры имеются практически для всех существующих вычислительных платформ, при условии поддержки ими стандартов HTML Java разработчикам не потребуется вносить в приложения изменения для того, чтобы они могли работать с разными операционными системами или различными оконными пользовательскими интерфейсами. В отличие от этого, в случае использования традиционных баз данных, для переноса приложений на другие платформы потребуется выполнить существенную модификацию (если не полную модернизацию) их клиентских частей. К сожалению, поставщики Web-браузеров стали включать в состав своих продуктов специфические компоненты собственной разработки, что приводит к постепенному7 исчезновению упомянутых выше преимуществ [4].

Web-браузеры предоставляют широко распространенный и простой в использовании графический пользовательский интерфейс, который можно применять для доступа ко многим типам объектов, включая и базы данных. Помимо этого, использование широко распространенного типового интерфейса позволяет сократить расходы на обучение конечных пользователей. HTML фактически является стандартом, который поддерживается всеми существующими Web-браузерами, 'по позволяет читать HTML-документы, находящиеся на одном компьютере, с помощью другого компьютера, расположенного в любой точке земного шара, при условии, 'по он имеет подключение к Internet и установленный Web-браузёр

Важнейшим достоинством среды Web является прозрачность сетевого доступа для пользователя, за исключением необходимости указания URL-адреса, что полностью обеспечивается Web-браузером и Web-сервером. Эта встроенная поддержка сетевого доступа существенно упрощает доступ к базе данных, исключая необходимость приобретения дорогого сетевого программного обеспечения, а также дополнительные сложности согласования различных взаимодействующих платформ[5].

Размещая всю функциональность приложения на отдельном сервере и удаляя ее из программы-клиента, Web-технология позволяет сэкономить время и деньги, затрачиваемые на развертывание приложений. В то же время упрощается модернизация и администрирование системы при работе с различными вычислительными платформами, расположенными в нескольких офисах. При наличии сервера приложения доступ к функциям приложения легко осуществить из любого Web-сайта, расположенного в любой точке планеты. Если говорить о перспективах ведения бизнеса, то возможность глобального доступа к серверной части приложений существенно упрощает создание новых услуг и открытие новых пунктов обслуживания клиентов.

Общий успех СУБД в сочетании с информационными потребностями менеджмента и исследованиями искусственного интеллекта привел к росту заинтересованности в превращении СУБД в системы управления базами знаний, что может рассматриваться как тенденция развития СУБД [1].

База знаний — это один или несколько специальным образом организованных файлов, хранящих систематизированную совокупность понятий, правил и фактов, относящихся к некоторой предметной области. Содержимое баз знаний оформляется, связывается между собой и представляется таким образом, чтобы на его основе можно было с помощью специальных программ рассуждать и делать выводы, получая сведения, которые в явном виде могут не присутствовать в базах знаний.

Для построения баз знаний применяются методы искусственного интеллекта, специальные языки описания знаний и интеллектуальный интерфейс. Базы знаний являются основной содержательной частью интеллектуальных систем: информационных, обучающих, систем программирования, экспертных систем, где с их помощью представляются навыки и опыт экспертов — специалистов в данной предметной области.

Специалисты в области технологий баз данных считают вратами, открывающими путь к базам знаний, которые исследуются в области искусственного интеллекта, технологию активных БД [2].

Традиционные БД являются пассивными. Они играют организующую роль, направленную на обеспечение хранения данных. Вся процедурная логика, включая выборку и модификацию данных, координируется вне сферы управления данными.

Среда активных БД. наоборот, инициирует действия над данными базы и управление ими внутри среды БД в соответствии с предварительно установленными правилами, без необходимости получения каких-либо управляющих воздействий от приложений или от каких-либо других внешних источников. Активная БД может быть охарактеризована как система, следующая правилам Событие—Условие—Действия. Технология активной БД реализована, в частности, в объектно-реляционной СУБД POSTGRES. разработанной на базе СУБД INGRES в калифорнийском университете Беркли в 1986-1994 гг. Возможности существующих в настоящее время технологий активных БД распространяются на сферу интеллектуальных БД. Можно считать, что активные БД открывают двери на пути к пока еще неуловимому будущему7 интеллектуальных баз данных с высоким уровнем искусственного интеллекта [5].

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Крёнке Д. Теория и практика построения баз данных. 8-е изд. – СПб.: Питер, 2012. – 800 с.

2. Гайдамакин Н. А. Автоматизированные информационные системы, базы и банки данных. Вводный курс: Учебное пособие. — М.: Гелиос АРВ, 2009. — 368 с.

3. Конноллн, Томас, Бегг, Карелии. Базы данных. Проектирование, реализация и сопровождение. Теория и практика. 3-е издание.: Пер. с англ. — М.: Издательский дом "Вильямс", 2011. — 1440 с.

4. Кошелев В.Е., Access 2007. Эффективное использование – Бином-Пресс 2009 – 590 с.

5. Гектор Г. М., Джеффри У. Д., Системы баз данных. Полный курс – Финансы и статика. 2010 – 450 с.

Код для цитирования: Скопировать