База данных (БД). Модели данных

Содержание

1. Введение…………………………………………………………..…..3

2. База данных(БД)………………………………………………………4

2.1 Основные функции СУБД……………………………..…………9

2.2 Классификация СУБД……………………………………………9

3. Заключение…………………………………….…………………….17

4. Список использованной литературы………………………………18

Введение

 

Современное развитие ЭВМ невозможно без применения технологии баз данных, что актуализирует их исследование. Компьютеры были созданы для решения вычислительных задач, однако со временем они все чаще стали использоваться для построения систем обработки документов, а точнее, содержащейся в них информации. Такие системы обычно и называют информационными. В качестве примера можно привести систему учета отработанного времени работниками предприятия и расчета заработной платы, систему учета продукции на складе, систему учета книг в библиотеке и т.д. Все вышеперечисленные системы имеют следующие особенности:

- для обеспечения их работы нужны сравнительно низкие вычислительные мощности;

- данные, которые они используют, имеют сложную структуру;

- необходимы средства сохранения данных между последовательными запусками системы.

Другими словами, информационная система требует создания в памяти ЭВМ динамически обновляемой модели внешнего мира с использованием единого хранилища - базы данных.

Цель работы – изучить сущность, виды, принципы работы систем управления базами данных, модели данных.

 

База данных (БД). Модели данных

 

Цель любой информационной системы - обработка данных об объектах реального мира. В широком смысле слова 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 для организации управления и, в конечном счете, автоматизации, например предприятие, вуз и т.д. Создавая базу данных, пользователь стремится упорядочить информацию по различным признакам и быстро извлекать выборку с произвольным сочетанием признаков. Сделать это возможно, только если данные структурированы. Структурирование - это введение соглашений о способах представления данных. Неструктурированными называют данные, записанные, например, в текстовом файле.

Пользователями базы данных могут быть различные прикладные программы, программные комплексы, 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 осуществляются централизованно с помощью специального программного инструментария - системы управления базами данных.

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

Система управления базами данных (СУБД) — специализированная программа (чаще комплекс программ), предназначенная для манипулирования базой данных. Для создания и управления информационной системой СУБД необходима в той же степени, как для разработки программы на алгоритмическом языке необходим транслятор.

Создание первых баз данных и СУБД стало возможно лишь с появлением достаточно дешевых и производительных устройств внешней памяти, какими стали жесткие диски (винчестеры), появившиеся во второй половине 60-х годов. В 70-е годы шла интенсивная разработка теоретических вопросов построения баз данных. В результате в начале 80-х годов на рынке появились мощные инструментальные средства проектирования и построения информациоонных систем. Однако, развитие информационных технологий в 90-х привело к появлению новых, более широких требований к обработке и представлению данных. Таким образом, теория баз данных, хотя и располагает впечатляющими достижениями, еще далека от завершения.

Другими словами, информационная система требует создания в памяти ЭВМ динамически обновляемой модели внешнего мира с использованием единого хранилища - базы данных[1].

Для дальнейшего обсуждения нам необходимо ввести понятие предметной области.

Предметная область - часть реального мира, подлежащая изучению с целью организации управления и, в конечном счете, автоматизации. Предметная область представляется множеством фрагментов, например, предприятие - цехами, дирекцией, бухгалтерией и т.д. Каждый фрагмент предметной области характеризуется множеством объектов и процессов, использующих объекты, а также множеством пользователей, характеризуемых различными взглядами на предметную область.

Словосочетание «динамически обновляемая» означает, что соответствие базы данных текущему состоянию предметной области обеспечивается не периодически, а в режиме реального времени. При этом одни и те же данные могут быть по-разному представлены в соответствии с потребностями различных групп пользователей.

Отличительной чертой баз данных следует считать то, что данные хранятся совместно с их описанием, а в прикладных программах описание данных не содержится. Независимые от программ пользователя данные обычно называются метаданными. В ряде современных систем метаданные, содержащие также информацию о пользователях, форматы отображения, статистику обращения к данным и др. сведения, хранятся в словаре базы данных.

Обычно современная СУБД содержит следующие компоненты (см. рис):

- ядро, которое отвечает за управление данными во внешней и оперативной памяти и журнализацию,

- процессор языка базы данных, обеспечивающий оптимизацию запросов на извлечение и изменение данных и создание, как правило, машинно-независимого исполняемого внутреннего кода,

- подсистему поддержки времени исполнения, которая интерпретирует программы манипуляции данными, создающие пользовательский интерфейс с СУБД

- сервисные программы (внешние утилиты), обеспечивающие ряд дополнительных возможностей по обслуживанию информационной системы.

 

Рис. 1. Компоненты СУБД.

Данные, хранящиеся в памяти ЭВМ представляют собой совокупность нулей и единиц (битов). Биты объединяются в последовательности: байты, слова и т.д. Каждому участку оперативной памяти, который может вместить один байт или слово, присваивается порядковый номер (адрес).

Какой смысл заключен в данных, какими символами они выражены - буквенными или цифровыми, что означает то или иное число - все это определяется программой обработки. Все данные необходимые для решения практических задач подразделяются на несколько типов, причем понятие тип связывается не только с представлением данных в адресном пространстве, но и со способом их обработки.

Любые данные могут быть отнесены к одному из двух типов: основному (простому), форма представления которого определяется архитектурой ЭВМ, или сложному, конструируемому пользователем для решения конкретных задач.

Данные простого типа это - символы, числа и т.п. элементы, дальнейшее дробление которых не имеет смысла. Из элементарных данных формируются структуры (сложные типы) данных.

Некоторые структуры:

1. Массив (функция с конечной областью определения) - простая совокупность элементов данных одного типа, средство оперирования группой данных одного типа. Отдельный элемент массива задается индексом. Массив может быть одномерным, двумерным и т.д. Разновидностями одномерных массивов переменной длины являются структуры типа кольцо, стек, очередь и двухсторонняя очередь.

2. Запись (декартово произведение) - совокупность элементов данных разного типа. В простейшем случае запись содержит постоянное количество элементов, которые называют полями. Совокупность записей одинаковой структуры называется файлом. (Файлом называют также набор данных во внешней памяти, например, на магнитном диске). Для того чтобы иметь возможность извлекать из файла отдельные записи, каждой записи присваивают уникальное имя или номер, которое служит ее идентификатором и располагается в отдельном поле. Этот идентификатор называют ключом[2].

Такие структуры данных как массив или запись занимают в памяти ЭВМ постоянный объем, поэтому их называют статическими структурами. К статическим структурам относится также множество.

Имеется ряд структур, которые могут изменять свою длину - так называемые динамические структуры. К ним относятся дерево, список, ссылка.

Важной структурой, для размещения элементов которой требуется нелинейное адресное пространство является дерево. Существует большое количество структур данных, которые могут быть представлены как деревья. Это, например, классификационные, иерархические, рекурсивные и др. структуры.

Выше мы рассмотрели несколько типов структур, являющихся совокупностями элементов данных: массив, дерево, запись. Более сложный тип данных может включать эти структуры в качестве элементов. Например, элементами записи может быть массив, стек, дерево и т.д.

Существует большое разнообразие сложных типов данных, но исследования, проведенные на большом практическом материале, показали, что среди них можно выделить несколько наиболее общих. Обобщенные структуры называют также моделями данных, т.к. они отражают представление пользователя о данных реального мира.

Любая модель данных должна содержать три компоненты:

1. структура данных - описывает точку зрения пользователя на представление данных.

2. набор допустимых операций, выполняемых на структуре данных. Модель данных предполагает, как минимум, наличие языка определения данных (ЯОД), описывающего структуру их хранения, и языка манипулирования данными (ЯМД), включающего операции извлечения и модификации данных.

3. ограничения целостности - механизм поддержания соответствия данных предметной области на основе формально описанных правил.

2.1 Основные функции СУБД:

· управление данными во внешней памяти (на дисках);

· управление данными в оперативной памяти с использованием дискового кэша;

· журнализация изменений и восстановление базы данных после сбоев;

· поддержка языков БД (язык определения данных, язык манипулирования данными).

Обычно современная СУБД содержит следующие компоненты:

· ядро, которое отвечает за управление данными во внешней и оперативной памяти и журнализацию,

· процессор языка базы данных, обеспечивающий оптимизацию запросов на извлечение и изменение данных и создание, как правило, машинно-независимого исполняемого внутреннего кода,

· подсистему поддержки времени исполнения, которая интерпретирует программы манипуляции данными, создающие пользовательский интерфейс с СУБД

· а также сервисные программы (внешние утилиты), обеспечивающие ряд дополнительных возможностей по обслуживанию информационной системы.

 

Классификация СУБД.

I. По модели данных. По типу управляемой базы данных СУБД разделяются на:

1. Сетевые;

2. Иерархические;

3. Реляционные;

4. Объектно-реляционные;

5. Объектно-ориентированные.

К основным понятиям сетевой модели базы данных относятся: уровень, элемент (узел), связь.

Узел — это совокупность атрибутов данных, описывающих некоторый объект. На схеме иерархического дерева узлы представляются вершинами графа. В сетевой структуре каждый элемент может быть связан с любым другим элементом.

Сетевые базы данных подобны иерархическим, за исключением того, что в них имеются указатели в обоих направлениях, которые соединяют родственную информацию.

Иерархическая модель базы данных состоит из объектов с указателями от родительских объектов к потомкам, соединяя вместе связанную информацию.

Иерархические базы данных могут быть представлены как дерево, состоящее из объектов различных уровней. Верхний уровень занимает один объект, второй — объекты второго уровня и т. д.

Между объектами существуют связи, каждый объект может включать в себя несколько объектов более низкого уровня. Такие объекты находятся в отношении предка (объект более близкий к корню) к потомку (объект более низкого уровня), при этом возможно, когда объект-предок не имеет потомков или имеет их несколько, тогда как у объекта-потомка обязательно только один предок. Объекты, имеющие общего предка, называются близнецами.

Например, если иерархическая база данных содержала информацию о покупателях и их заказах, то будет существовать объект «покупатель» (родитель) и объект «заказ» (дочерний). Объект «покупатель» будет иметь указатели от каждого заказчика к физическому расположению заказов покупателя в объект «заказ».

В этой модели запрос, направленный вниз по иерархии, прост (например: какие заказы принадлежат этому покупателю); однако запрос, направленный вверх по иерархии, более сложен (например, какой покупатель поместил этот заказ). Также, трудно представить не-иерархические данные при использовании этой модели.

Иерархической базой данных является файловая система, состоящая из корневой директории, в которой имеется иерархия поддиректорий и файлов.

Типичным представителем (наиболее известным и распространенным) является Information Management System (IMS) фирмы IBM. Первая версия появилась в 1968 г. Time-Shared Date Management System (TDMS) компании Development Corporation; Mark IV Multi - Access Retrieval System компании Control Data Corporation; System - 2000 разработки SAS-Institute[3].

По принципу иерархической БД построен и Реестр Windows.

Реляционная СУБД (РСУБД; иначе Система управления реляционными базами данных, СУРБД) — СУБД, управляющая реляционными базами данных.

Понятие реляционный (англ. relation — отношение) связано с разработками известного английского специалиста в области систем баз данных Эдгара Кодда (Edgar Codd).

Эти модели характеризуются простотой структуры данных, удобным для пользователя табличным представлением и возможностью использования формального аппарата алгебры отношений и реляционного исчисления для обработки данных.

Реляционная 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, то есть все элементы в столбце имеют одинаковый тип (числовой, символьный и т. д.);

· каждый столбец имеет уникальное имя;

· одинаковые строки в таблице отсутствуют;

· порядок следования строк и столбцов может быть произвольным.

Базовыми понятиями реляционных СУБД являются: 1) атрибут 2) отношения 3) кортеж[4].

Объектно-реляционная СУБД (ОРСУБД) — реляционная СУБД (РСУБД), поддерживающая некоторые технологии, реализующие объектно-ориентированный подход.

Разница между объектно-реляционными и объектными СУБД: первые являют собой надстройку над реляционной схемой, вторые же изначально объектно-ориентированы. Главная особенность и отличие объектно-реляционных, как и объектных, СУБД от реляционных заключается в том, что О(Р)СУБД интегрированы с Объектно-Ориентированным (OO) языком программирования, внутренним или внешним как C++, Java. Характерные свойства OРСУБД - 1) комплексные данные, 2) наследование типа, и 3) объектное поведение.

Комплексные данные могут быть реализованы через постоянно-хранимые объекты (persistent objects). Создание комплексных данных в большинстве существующих ОРСУБД основано на предварительном определении схемы через определяемый пользователем тип (UDT - user-defined type). Используются также встроенные конструкторы составных типов, например массив (ARRAY).

Иерархия структурных комплексных данных предлагает дополнительное свойство, наследование типа. То есть структурный тип может иметь подтипы, которые используют все его атрибуты и содержат дополнительные атрибуты, специфицированные в подтипе.

Объектное поведение закладывается через описание программных объектов. Такие объекты должны быть сохраняемыми и переносимыми для обработки в базе данных, поэтому они называются обычно как постоянные (или долговременные) объекты. Внутри базы данных все отношения с постоянным программным объектом есть отношения с его объектным идентификатором (OID).

Объектно-реляционными СУБД являются, к примеру, широко известные Oracle Database, Microsoft SQL Server 2005, PostgreSQL, а также Sav Zigzag, IBM Cloudscape, FirstSQL/J и другие.

Объектно-ориентированная СУБД — реализующие объектно-ориентированный подход. Эта система управления обрабатывает данные как абстрактные объекты, наделённые свойствами, в виде неструктурированных данных, и использующие методы взаимодействия с другими объектами окружающего мира.

Пример объектно-ориентированной СУБД: IBM Lotus Notes/Domino.

Несмотря на то, что эта модель решает некоторые проблемы, связанные с иерархической моделью, выполнение простых запросов остается достаточно сложным процессом.

Также, поскольку логика процедуры выборки данных зависит от физической организации этих данных, то эта модель не является полностью независимой от приложения. Другими словами если необходимо изменить структуру данных, то нужно изменить и приложение.

II. По архитектуре организации хранения данных:

· локальные СУБД (все части локальной СУБД размещаются на одном компьютере);

· распределенные СУБД (части СУБД могут размещаться на двух и более компьютерах).

III. По способу доступа к БД:

1. Файл-серверные.

Архитектура «файл-сервер» не имеет сетевого разделения компонентов диалога и использует компьютер для функции отображения, что облегчает построение графического интерфейса. «Файл-сервер» только извлекает данные из файлов, так что дополнительные пользователи добавляют лишь незначительную нагрузку на ЦП и каждый новый клиент добавляет вычислительную мощность сети. Минус: высокая загрузка сети.

На данный момент файл-серверные СУБД считаются устаревшими.

Примеры: Microsoft Access.

2. Клиент-серверные.

Такие СУБД состоят из клиентской части (которая входит в состав прикладной программы) и сервера. Клиент-серверные СУБД, в отличие от файл-серверных, обеспечивают разграничение доступа между пользователями и мало загружают сеть и клиентские машины. Сервер является внешней по отношению к клиенту программой, и по надобности его можно заменить другим. Недостаток клиент-серверных СУБД в самом факте существования сервера (что плохо для локальных программ — в них удобнее встраиваемые СУБД) и больших вычислительных ресурсах, потребляемых сервером[5].

Примеры: Firebird, Interbase, MS SQL Server, Oracle, PostgreSQL, MySQL.

3. Встраиваемые.

Встраиваемая СУБД — библиотека, которая позволяет унифицированным образом хранить большие объёмы данных на локальной машине. Доступ к данным может происходить через SQL либо через особые функции СУБД. Встраиваемые СУБД быстрее обычных клиент-серверных и не требуют установки сервера, поэтому востребованы в локальном ПО, которое имеет дело с большими объёмами данных (например, геоинформационные системы).

Примеры: OpenEdge, SQLite, BerkeleyDB, один из вариантов Firebird, один из вариантов MySQL, Sav Zigzag.

Использование баз данных в настоящее время является неотъемлемой частью функционирования большинства предприятий и деловой деятельности математика и системного программиста. В связи с этим все большую актуальность приобретает освоение основных принципов построения и эффективного применения соответствующих технологий и программных продуктов - систем управления базами данных (СУБД).

Современные средства накопления и поиска информации могут использоваться для широкого класса задач обработки данных. Системы управления базами данных в сфере бизнеса обрабатывают простые структурированные файлы разных видов: файлы управления запасами на складах; бухгалтерские файлы в банках; файлы полисов в страховых компаниях; школьные регистрационные работы; записи о пациентах в больницах и т.д. С другой стороны, при хранении и обработке текстовых файлов приобретают важное значение процедуры поиска ссылок. Это относится к учреждениям, где архивируется и отыскивается корреспонденция; школам, где учебные материалы представляются в виде записей или книг; больницам, где краткие медицинские записи оформляются на естественном языке.

Как известно, в настоящее время получили широкое распространение системы управления базами данных основанные на реляционной модели данных. У большинства разработчиков программного обеспечения и системных аналитиков имеется стойкое предубеждение, что реляционная модель окончательно победила в соревновании и вытеснила с рынка другие модели представления данных. Я считаю что такая ситуация является временной и в ближайшем будущем мы все станем свидетелями ломки этого стереотипа.

Основной ценностью обладают законченные приложения, позволяющие пользователям моделировать некоторые аспекты своей деятельности и бизнеса с использованием вычислительной техники. Существующие в настоящее время бизнес-процессы характеризуются высокой сложностью. Наблюдается тенденция усложнения бизнес процессов в связи с развитием процессов интеграции и глобализации. Соответственно ужесточаются требования к модели представления данных бизнес-процесса.

Заключение

 

Система управления базой данных - компьютерная программа, позволяющая пользователям хранить информацию и пользоваться доступом к информации из конкретной базы данных.

СУБД должна быть достаточно надежной, чтобы открывать доступ к информации упорядоченным способом; иными словами, она должна защищать и поддерживать целостность данных, хранящихся в системе.

Система управления базой данных должна также отвечать за ограничение доступа к данным, предоставляя его только тем лицам, у которых имеется так называемая авторизация.

Для создания и управления информационной системой СУБД необходима в той же степени, как для разработки программы на алгоритмическом языке необходим транслятор. Основные функции СУБД:

- управление данными во внешней памяти (на дисках);

- управление данными в оперативной памяти;

- журнализация изменений и восстановление базы данных после сбоев;

- поддержание языков БД (язык определения данных, язык манипулирования данными).

Таким образом, система управления базой данных (СУБД) - важнейший компонент информационной системы.

 

Список использованной литературы

 

1. Васкевич Д. Стратегии клиент/сервер. - Киев: Диалектика, 2014.

2. Дейт К. Дж. Введение в системы баз данных (Introduction to Database Systems). 8-е изд. М.: «Вильямс», 2014.

3. Диго С.М. Проектирование и использование баз данных. - М.: Финансы и статистика, 2014.

4. Зеленков Ю.А. Введение в базы данных. М., 2014. С.43.

5. Система управления базами данных - Википедия [Электронный документ] // Режим доступа: ru.wikipedia.org/wiki/СУБД. Проверено 3.09.2015.

 

[1] Диго С.М. Проектирование и использование баз данных. - М.: Финансы и статистика, 2014. С.30.

[2] Зеленков Ю.А. Введение в базы данных. М., 2014. С.43.

[3] Система управления базами данных - Википедия [Электронный документ] // Режим доступа: ru.wikipedia.org/wiki/СУБД. Проверено 3.09.2015.

 

[4] Дейт К. Дж. Введение в системы баз данных (Introduction to Database Systems). 8-е изд. М.: «Вильямс», 2014. С. 1328.

[5] Васкевич Д. Стратегии клиент/сервер. - Киев: Диалектика, 2014. С. 19.