II. Технологии баз данных

1. Основные понятия баз данных. Роль и место систем управления базами данных (СУБД). Этапы развития СУБД.

Информация, хранящаяся в базах данных, является отражением объектов реального мира. В традиционной терминологии объекты реального мира, сведения о которых хранятся в базе данных, называются сущностями — entities, а их актуальные признаки — атрибутами (attributes).

Важнейшая задача компьютерных систем — хранение и обработка данных. Для ее решения были предприняты усилия, которые привели к появлению в конце 60-х годов специализированного программного обеспечения — систем управления базами данных (СУБД, database management systems).

Сердцевиной, центральным компонентом любой СУБД является сервер базы данных.

Сервер БД является неотъемлемым компонентом модели взаимодействия «клиент-сервер», которая стала фактическим стандартом архитектуры современных СУБД и одним из этапов их развития от систем с централизованной архитектурой и систем с файловым сервером.

База данных — совместно используемый набор логически связанных данных (и описание этих данных), предназначенный для удовлетворения информационных потребностей организации.

Описание данных называется системным каталогом (system catalog), или словарем данных (data dictionary), а сами элементы описания принято называть метаданными (metadata), т.е. «данными о данных».

СУБД - это программное обеспечение, с помощью которого пользователи могут определять, создавать и поддерживать базу данных, а также осуществлять к ней контролируемый доступ.

Этапы развития СУБД

В истории развития и совершенствования систем управления базами данных, можно условно выделить три основных этапа.

1) Начальный этап был связан с созданием первого поколения СУБД, опиравшихся на иерархическую и сетевую модели данных (на основе спецификаций CODASYL). По времени он совпал с периодом, когда на рынке вычислительной техники доминировали большие ЭВМ (mainframe), которые в совокупности с СУБД первого поколения составили аппаратно-программную платформу больших информационных систем.

СУБД первого поколения были закрытыми системами: отсутствовал стандарт внешних интерфейсов, не обеспечивалась переносимость прикладных программ. Они не обладали средствами автоматизации программирования и имели массу других недостатков, в том числе и высокую стоимость.

2) С созданием реляционной модели данных был начат новый этап в эволюции СУБД. Простота и гибкость модели привлекли к ней внимание разработчиков и снискали ей множество сторонников. Реляционная модель данных стала доминирующей. Условно эту группу систем можно назвать "вторым поколением СУБД". Его характеризовали две основные особенности — реляционная модель данных и язык запросов SQL (Structured Query Language).

3) Представители второго поколения в настоящее время сохраняют определенную популярность среди производителей СУБД и развились в системы третьего поколения, к которому и относятся современные СУБД.

Для них характерны использование идей объектно-ориентированного подхода, управления распределенными базами данных, активного сервера БД, языков программирования четвертого поколения, фрагментации и параллельной обработки запросов, технологии тиражирования данных, многопотоковой архитектуры и других достижений в области обработки данных. СУБД третьего поколения — это сложные многофункциональные программные системы, работающие в открытой распределенной среде. Они предоставляют разработчикам мощные средства управления данными и богатый инструментарий для создания прикладных программ и систем.

Требования к системам управления базами данных

• СУБД должна удовлетворять актуальным информационным потребностям организации. Получаемая информация должна по структуре и содержанию соответствовать решаемым задачам.

• СУБД должна обеспечивать получение требуемых данных за приемлемое время, то есть отвечать заданным требованиям производительности.

• СУБД должна удовлетворять выявленным и вновь возникающим требованиям конечных пользователей.

2. Основные функции и возможности СУБД. Наиболее распространенные сегодня СУБД и области их использования.

Система управления базами данных (СУБД) – это программное обеспечение, которое взаимодействует с прикладными программами пользователя и базой данных и обладает приведенными ниже возможностями.

• Позволяет определять базу данных, что осуществляется с помощью языка определения данных (DDL – Data Definition Language). Язык DDL предоставляет пользователям средства указания типа данных и их структуры, а также средства задания ограничений для информации, хранимой в базе данных.

• Позволяет вставлять, обновлять и извлекать информацию из базы данных, что осуществляется с помощью языка управления данными (DML - Data Manipulation Language). Наличие централизованного хранилища всех данных и их описаний позволяет использовать язык DML как общий инструмент организации запросов, который иногда называют языком запросов.

• Предоставляет контролируемый доступ к БД с помощью перечисленных ниже средств:

• системы обеспечения безопасности, предотвращающей несанкционированный доступ к базе данных со стороны пользователей;

• системы поддержки целостности данных, обеспечивающей непротиворечивое состояние хранимых данных;

• системы управления параллельной работой приложений, контролирующей процессы их совместного доступа к базе данных;

• системы восстановления, позволяющей восстановить базу данных до предыдущего непротиворечивого состояния, нарушенного в результате сбоя аппаратного или программного обеспечения;

• доступного пользователям каталога, содержащего описание хранимой информации.

Наиболее распространенные сегодня СУБД и области их использования.

Полнофункциональные СУБД (ПФСУБД). К ПФСУБД относятся, например, такие пакеты как: Clarion Database Developer, DataBase, Dataplex, dBase IV, Microsoft Access, Microsoft FoxPro и Paradox R:BASE. ПФСУБД имеют развитый интерфейс, позволяющий с помощью команд меню выполнять основные действия с БД: создавать и модифицировать структуры таблиц, вводить данные, формировать запросы, разрабатывать отчеты, выводить их на печать и т. п.

3. Реляционная модель данных. Понятия таблица, ключ, кортеж, атрибут, домен. Фундаментальные свойства отношений.

Реляционная модель данных была разработана Коддом в 1970 году на основе математической теории отношений и опирается на систему понятий, важнейшими из которых являются таблица, отношение, строка, столбец, первичный ключ, внешний ключ.

Реляционной считается такая база данных, в которой все данные представлены для пользователя в виде прямоугольных таблиц значений данных, и все операции над базой данных сводятся к манипуляциям с таблицами. Таблица состоит из строк и столбцов и имеет имя, уникальное внутри базы данных. Таблица отражает тип объекта реального мира (сущность), а каждая ее строка — конкретный объект. Каждый столбец таблицы — это совокупность значений конкретного атрибута объекта.

Каждый столбец имеет имя, которое обычно записывается в верхней части таблицы. Оно должно быть уникальным в таблице, однако различные таблицы могут иметь столбцы с одинаковыми именами. Любая таблица должна иметь, по крайней мере, один столбец; столбцы расположены в таблице в соответствии с порядком следования их имен при ее создании. В отличие от столбцов, строки не имеют имен; порядок их следования в таблице не определен, а количество логически не ограничено.

К основным достоинствам реляционной модели относят:

1) Наличие небольшого набора абстракций, которые позволяют моделировать предметную область и допускают точные формальные определения.

2) Наличие простого и достаточно мощного математического аппарата, опирающего на теорию множеств и математическую логику и обеспечивающего теоретический базис реляционного подхода к организации баз данных.

3) Возможность ненавигационного манипулирования данными без необходимости знания конкретной физической организации баз данных во внешней памяти.

Фундаментальные свойства отношений

• в одном отношении нет абсолютно одинаковых кортежей;

• все кортежи в отношении не упорядочены;

• все атрибуты в отношении не упорядочены;

• все значения атрибутов атомарные.

4. Основы реляционной алгебры. Операторы реляционной алгебры. Нормализация отношений.