Основные требования к файлам обрабатываемым бд. Основные понятия баз данных. Иерархическая модель данных

Введение

1. Понятие информационной системы.

2. Понятие базы данных.

3. Эволюция концепций баз данных

4. Требования, которым должна удовлетворять организация базы данных.

4.1. Установление многосторонних связей

4.2. Производительность

4.3. Минимальные затраты

4.4. Минимальная избыточность

4.5. Возможности поиска

4.6. Целостность

4.7. Безопасность и секретность

4.8. Связь с прошлым

4.9. Связь с будущим

4.10. Простота использования

5. Модели представления данных

5.1. Иерархическая модель данных

5.2. Сетевая модель данных

5.3. Реляционная модель данных

5.3.1. Таблицы

5.3.2. Ключевые поля

5.3.4. Отношения предок/потомок

5.3.5. Внешние ключи

5.3.6. Реляционная алгебра

5.3.7. Нормализация базы данных

5.3.7.1. Первая нормальная форма

5.3.7.2. Вторая нормальная форма

5.3.7.3. Третья нормальная форма

5.3.7.4. Четвертая нормальная форма

5.3.7.5. Пятая нормальная форма

6. Язык SQL как стандартный язык баз данных.

6.1. Язык SQL

6.2. Достоинства SQL

6.2.1. Независимость от конкретных СУБД

6.2.2. Переносимость с одной вычислительной системы на другие

6.2.3. Стандарты языка SQL

6.2.4. Одобрение SQL компанией IBM (СУБД DB2)

6.2.5. Протокол ODBC и компания Microsoft

6.2.6. Реляционная основа

6.2.7. Высокоуровневая структура, напоминающая английский язык

6.2.8. Интерактивные запросы

6.2.9. Программный доступ к базе данных

6.2.10. Различные представления данных

6.2.11. Полноценный язык для работы с базами данных

6.2.12. Динамическое определение данных

6.2.13. Архитектура клиент/сервер

7. Архитектуры баз данных

7.1. Локальные базы данных и архитектура "файл-сервер"

7.2. Удаленные базы данных и архитектура "клиент-сервер"

8. Среда Delphi как средство для разработки СУБД

8.1. Высокопроизводительный компилятор в машинный код

8.2. Мощный объектно-ориентированный язык

8.3. Объектно-ориентированная модель программных компонент

8.4. Библиотека визуальных компонент

8.5. Формы, модули и метод разработки “Two-Way Tools”

8.6. Масштабируемые средства для построения баз данных

8.7. Настраиваемая среда разработчика

8.8. Незначительные требования к аппаратным средствам

9. Проектирование базы данных

Инфологическая модель данных

9.2. Инфологическая модель данных "сущность-связь"

9.3. Даталогическая модель данных

9.4. Переход от ER – модели к реляционной.

9.5. Физическая модель данных

9.6. Этапы проектирования базы данных

10. Практическая часть

10.1. Предметная область и задачи, возложенные на базу данных

10.2. Определение объектов базы данных

10.3. Инфологическая и даталогическая модели базы данных

10.4. Физическое описание модели

10.5. Програмная реализация

Заключение

Список литературы

ВВЕДЕНИЕ

Опыт применения компьютеров для построения прикладных систем обработки данных показывает, что самым эффективным инструментом здесь являются системы управления базами данных (СУБД, англ. DBMS – DataBase Management System).

Потоки информации, циркулирующие в мире, который нас окружает, огромны. Во времени они имеют тенденцию к увеличению. Поэтому в любой организации, как большой, так и маленькой, возникает проблема такой организации управления данными, которая обеспечила бы наиболее эффективную работу. Некоторые организации используют для этого шкафы с папками, но большинство предпочитают компьютеризированные способы – базы данных, позволяющие эф­фективно хранить, структурировать и систематизировать большие объемы дан­ных. И уже сегодня без баз данных невозможно представить работу большинства финансовых, промышленных, торговых и прочих организаций. Не будь баз данных, они бы просто захлебнулись в информационной лавине.

Существует много веских причин перевода существующей информации на компьютерную основу. Сейчас стоимость хранения информации в файлах на компьютере дешевле, чем на бумаге. Базы данных позволяют хранить, структурировать информацию и извлекать оптимальным для пользователя образом. Использование клиент/серверных технологий позволяют сберечь значительные средства, а главное и время для получения необходимой информации, а также упрощают доступ и ведение, поскольку они основываются на комплексной обработке данных и централизации их хранения. Кроме того компьютер позволяет хранить любые форматы данных текст, чертежи, данные в рукописной форме, фотографии, записи голоса и т.д.

Для использования столь огромных объемов хранимой информации, помимо развития системных устройств, средств передачи данных, памяти необходимы средства обеспечения диалога человек-компьютер, которые позволяют пользователю вводить запросы, читать файлы, модифицировать хранимые данные, добавлять новые данные или принимать решения на основании хранимых данных. Для обеспечения этих функций созданы специализированные средства – системы управления базами данных (СУБД). Современные СУБД - многопользовательские системы управления базой данных, которые специализируется на управлении массивом ин­формации одним или множеством одновременно работающих пользователей.

Наращивание экономической и статической информации происходит ежедневно и ежесекундно. Если раньше, в связи с недостаточной компьютеризацией экономики, информации в электронном виде было очень мало, то сегодня это уже обычное дело. В связи с этим возникает новая проблема – поиск и отбор нужной информации среди того океана данных, которые мы можем сегодня наблюдать в Интернете и локальных корпоративных сетях. Поэтому правильная организация наращивания экономической и статической информации для дальнейшего её быстрого извлечения и эффективного использования - очень актуальная тема сегодня.

Цель данной дипломной работы – дать оценку новым технологиям организации накопления, сбережения, быстрого поиска, отбора и извлечения информации, которые базируются на реляционной концепции моделей данных, и на конкретном примере показать преимущества одной из рассмотренных технологий.

Реализация данной задачи проводится в системе программирования Delphi 5.0, располагающей широкими возможностями по созданию приложений баз данных, необходимым набором драйверов для доступа к самым известным форматам баз данных, удобными и развитыми средствами для доступа к информации, расположенной как на локальном диске, так и на удаленном сервере, а также большим коллекцией визуальных компонент для построения отображаемых на экране окон, что необходимо для создания удобного интерфейса между пользователем и исполняемым кодом.

Понятие информационной системы

Веками человечество накапливало знания, навыки работы, сведения об окружающем мире, другими словами – собирало информацию. Вначале информация передавалась из поколения в поколение в виде преданий и устных рассказов. Возникновение и развитие книжного дела позволило передавать и хранить информацию в более надежном письменном виде. Открытия в области электричества привели к появлению телеграфа, телефона, радио, телевидения – средств, позволяющих оперативно передавать и накапливать информацию. Развитие прогресса обусловило резкий рост информации, в связи с чем, вопрос о ее сохранении и переработке становился год от года острее. С появлением вычислительной техники значительно упростились способы хранения, а главное, обработки информации. Развитие вычислительной техники на базе микропроцессоров приводит к совершенствованию компьютеров и программного обеспечения. Появляются программы, способные обработать большие потоки информации. С помощью таких программ создаются информационные системы . Целью любой информационной системы является обработка данных об объектах и явлениях реального мира и предоставление человеку нужной информации о них..

Если мы рассмотрим совокупность некоторых объектов, то сможем выделить объекты, обладающие одинаковыми свойствами. Такие объекты выделяют в отдельные классы. Внутри выделенного класса объекты можно упорядочивать как по общим правилам классифицирования, например по алфавиту, так и по некоторым конкретным общим признакам, например по цвету или материалу. Группировка объектов по определенным признакам значительно облегчает поиск и отбор информации. Все эти сведения накапливаются в совокупности файлов называемой базой данных, а для управления этими файлами создаются специальные программы – системы управления базами данных (СУБД)..

Информационные системы (ИС) можно условно разделить на фактографические и документальные.

В фактографических ИС регистрируются факты – конкретные значения данных (атрибутов) об объектах реального мира. Основная идея таких систем заключается в том, что все сведения об объектах (фамилии людей и названия предметов, числа, даты) сообщаются компьютеру в каком-то заранее обусловленном формате (например дата – в виде комбинации ДД.ММ.ГГГГ). Информация, с которой работает фактографическая ИС, имеет четкую структуру, позволяющую машине отличать одно данное от другого, например фамилию от должности человека, дату рождения от роста и т.п. Поэтому фактографическая система способна давать однозначные ответы на поставленные вопросы.

Документальные ИС обслуживают принципиально иной класс задач, которые не предполагают однозначного ответа на поставленный вопрос. Базу данных таких систем образует совокупность неструктурированных текстовых документов (статьи, книги, рефераты и т.д.) и графических объектов, снабженная тем или иным формализованным аппаратом поиска. Цель системы, как правило, - выдать в ответ на запрос пользователя список документов или объектов, в какой-то мере удовлетворяющих сформулированным в запросе условиям.

Указанная классификация ИС в известной мере устарела, так как современные фактографические системы часто работают с неструктурированными блоками информации (текстами, графикой, звуком, видео), снабженными структурированными описателями. При известных факторах фактографическая система может превратиться в документальную (и наоборот)..

Для систем обработки экономической и статистической информации больше подходят фактографические ИС, которые используются буквально во всех сферах человеческой деятельности.

Понятие базы данных.

Существует хорошо известное, но трудно реализуемое на практике понятие базы данных как большого по объему хранили­ща, в которое организация помещает все необходимые ей данные и из которого различные пользователи могут эти данные получать. Устройства памяти, в которых хранятся все данные, могут быть расположены в одном или нескольких местах; в последнем слу­чае они должны быть связаны средствами передачи данных. К дан­ным должны иметь доступ программы.

Действительно, большинство существующих на сегодняшний день баз данных предназначено для ограниченного ряда приложений. Часто на одном компьютере создается несколько баз данных. Со временем базы данных, предназначенные для реализа­ции отдельных родственных функций, можно будет объединить, если такое объединение будет способствовать увеличению эффективности и интенсивности использования всей системы.

Базу данных можно определить как совокупность взаимосвя­занных хранящихся вместе данных при наличии такой минималь­ной избыточности, которая допускает их использование оптималь­ным образом для одного или нескольких приложений; данные за­поминаются так, чтобы они были независимы от программ, использующих эти данные; для добавления новых или модифика­ции существующих данных, а также для поиска данных в базе данных применяется общий управляемый способ. .

Говорят, что система содержит совокупность баз данных, если эти базы дан­ных структурно полностью самостоятельны. В системах с простой организацией данных для каждого при­ложения создается своя совокупность записей. Назначение базы данных заключается в том, чтобы одну и ту же совокупность дан­ных можно было использовать для максимально возможного числа приложений. Исходя из этого, базу данных часто разрабатывают в качестве хранилища такой информации, необходимость в котором возникает в процессе выполнения определенных функ­ций на заводе, правительственном учреждении или какой-либо другой организации. Такая база данных должна обеспечивать возможность не только получения информации, но также постоян­ной ее модификации, необходимой для процессов управления в данной организации, может оказаться, что для получения информации для целей планирования или ответов на вопросы потребу­ется осуществлять поиск в базе данных. Совокупностью данных могут пользоваться несколько ведомств независимо от того, име­ются ли при этом между ними ведомственные барьеры..

База данных может разрабатываться для пакетной обработки данных, обработки в реальном времени или оперативной обработ­ки (в этом случае обработка каждого запроса завершается к определенному моменту времени, но при этом на время обра­ботки не накладывается жестких ограничений, существующих в системах реального времени). Во многих базах данных преду­смотрена совокупность этих методов обработки, а во многих си­стемах с базами данных обслуживание терминалов в реальном времени происходит одновременно с пакетной обработкой данных..

Большая часть дисковых или ленточных библиотек, которые существовали до использования средств управления базами дан­ных, содержали большое количество повторяющейся информации. При запоминании многих элементов данных допускалась избы­точность, так как на носители информации для различных целей записывались одни и те же данные и, кроме того, хранились различные варианты модификаций одних и тех же данных. База данных предоставляет возможность в значительной степени изба­виться от такой избыточности. Базу данных иногда определяют как неизбыточную совокупность элементов данных. Однако в действительности для уменьшения времени доступа к данным или упрощения способов адресации во многих базах данных избыточ­ность в незначительной степени присутствует. Некоторые записи повторяются для того, чтобы обеспечить возможность восстанов­ления данных при их случайной потере. Чтобы база данных была неизбыточной и удовлетворяла другим требованиям, приходится идти на компромисс. В этом случае говорят об управляемой, или минимальной, избыточности или о том, что хорошо разрабо­танная база данных свободна от излишней избыточности.

Неуправляемая избыточность имеет несколько недостатков. Во-первых, хранение нескольких копий данных приводит к допол­нительным затратам. Во-вторых, при обновлении, по крайней мере, нескольких избыточных копий необходимо выполнять многократные операции обновления. Из­быточность поэтому обходится значительно дороже в тех случаях, когда при обработке файлов обновляется большое количество ин­формации или, что еще хуже, часто вводятся новые элементы или уничтожаются старые. В-третьих, вследствие того, что различные копии данных могут соответствовать различным стадиям обнов­ления, информация, выдаваемая системой, может быть противо­речивой..

Если не использовать базы данных, то при обработке большого количества информации появится так много избыточных данных, что фактически станет невозможным сохранять их все на одном и том же уровне обновления. Очень часто пользователи обнаружи­вают явные противоречия в данных и поэтому испытывают недо­верие к полученной от компьютера информации. Невозможность хране­ния избыточных данных на одинаковом уровне обновления явля­ется основным препятствием в обработке данных с помощью компьютера.

Одной из наиболее важных характеристик большинства баз данных является их постоянное изменение и расширение. По мере добавления новых типов данных или при появлении новых прило­жений должна быть обеспечена возможность быстрого изменения структуры базы данных. Реорганизация базы данных должна осу­ществляться по возможности без перезаписи прикладных про­грамм и в целом вызывать минимальное количество преобразова­ний. Простота изменения базы данных может оказать большое влияние на развитие приложений баз данных в управлении про­изводством..

О независимости данных часто говорят как об одном из основ­ных свойств базы данных. Под этим подразумевается независи­мость данных и использующих их прикладных программ друг от друга в том смысле, что изменение одних не приводит к измене­нию других. В частности, прикладной программист изолирован от влияния изменений данных и их организации, а также от изме­нения характеристик физических устройств, на которых они хра­нятся. В действительности же полностью независимыми данные бывают так же редко, как и полностью неизбыточными. Как мы увидим ниже, независимость данных определяется с различных точек зрения. Сведения, которыми должен располагать програм­мист для доступа к данным, различны для различных баз данных. Тем не менее, независимость данных-это одна из основных причин использования систем управления базами данных.

В том случае, когда один набор элементов данных использу­ется для многих приложений, между элементами этого набора устанавливается множество различных взаимосвязей, необходи­мых для соответствующих прикладных программ. Организация базы данных в значительной степени зависит от реализации взаи­мосвязей между элементами данных и записями, а также от того, как и где эти данные хранятся. В базе данных, используемой мно­гими приложениями, должны быть установлены многочисленные промежуточные взаимосвязи между элементами. В этом случае при хранении и использовании данных контролировать их пра­вильность, обеспечивать их защиту и секретность труднее, чем при хранении данных в простых, несвязанных файлах. Что касается обеспечения секретности данных и восстановления их после сбоев, то этот вопрос является очень важным при конструировании баз данных..

В некоторых системах средства управления базами данных применяются для того, чтобы пользователи могли использовать данные таким путем, который не был предусмотрен разработчи­ками системы. Администраторы или сотрудники могут обращаться к вы­числительной системе с вопросами, которые заранее в ней не пре­дусматривались. Наличие этой возможности означает такую орга­низацию данных в системе, при которой доступ к ним можно осу­ществлять по различным путям, причем одни и те же данные могут использоваться для ответов на различные вопросы. Вся существенная информация об объектах запоминается одновременно и полностью, а не только та ее часть, которая необходима для одного приложения. .

В настоящее время существуют СУБД, реализующие эти возможности как на уровне локальных баз данных, расположенных на одном диске (Paradox, Dbase), так и промышленных баз данных (Acsess, Oracle, FoxPro).

Эволюция концепций баз данных

Понятие база данных появилось в конце 60-х годов. До этого в сфере обработки данных говорили о файлах данных и о наборах данных.

До появления компьютеров третьего поколения (первые из них были установлены в 1965 г.) программное обеспечение обработки данных осуществляло в основном операции ввода-вывода. 0б организации данных приходилось заботиться при напи­сании прикладных программ, и делалось это элементарным спо­собом, т. е. данные обычно организовывались в виде простых последовательных файлов на магнитной ленте. Независимость данных отсутствовала. Если организация данных или запоминаю­щие устройства изменялись, прикладной программист должен был соответствующим образом модифицировать программы, заново их компилировать и затем отлаживать. Для того чтобы обновить файл, нужно было записать новый. Старый файл сохранялся и назывался исходным. Предыдущий вариант также сохранялся, а нередко сохранялись и более ранние версии файла. Многие файлы использовались для одного приложения. Для других приложений часто использовали те же самые данные, но обычно в другой форме, с другими полями, и поэтому приходилось из одних и тех же данных создавать различные файлы. Вследствие этого уровень избыточности в системе был очень высок и существовали различные файлы, содержащие одни и те же элементы дан­ных.

Иногда использовались файлы с произвольным досту­пом к данным, которые позволяли пользователю получить непосредственный доступ к любой записи в файле вместо того, чтобы последовательно просматривать весь файл. Средства адресации записей обеспечивались прикладным программистом при написа­нии программы. Если изменялись запоминающие устройства, в прикладную программу необходимо было вносить большие изме­нения. На практике изменение запоминающих устройств неизбеж­но. Новая технология привела к значительному уменьшению за­трат на хранение одного бита информации, а размеры файлов сегодня часто превышают по объему использовавшиеся ранее за­поминающие устройства..

Этап 2 (конец 60-х годов) характеризуется изменением по сравнению с этапом 1 как природы файлов, так и устройств, на которых они запоминались. Предпринимается попытка оградить прикладного программиста от влияния изменений в аппаратуре. Программное обеспечение допускает возможность изменения физического расположения данных без изменения при этом их логического представления при условии, что содержимое записей или основная структура файлов не изменяется.

Файлы, соответствующие этому этапу развития средств обра­ботки данных, подобно файлам этапа 1, предназначаются для одного приложения или для тесно связанных между собой прило­жений.

По мере развития средств обработки коммерческих данных становилось ясно, что прикладные программы желательно сделать независимыми не только от изменений в аппаратных средствах хранения файлов и от увеличения размеров файлов, но также и от добавления к хранимым данным новых полей и новых взаимо­связей..

Известно, что база данных представляет собой постоянно развивающийся объект, который используется возрастающим количеством приложений. К базе данных добавляются новые записи, а в существующие записи включаются новые элементы данных. Структура базы данных будет изменяться с целью повышения эффективности ее функциони­рования и при добавлении новых типов запросов. Пользователи будут изменять требования и модифицировать типы запросов на данные.

Структура базы данных является менее статичной, чем файло­вая структура. Элементы хранимых данных и способы их запоми­нания непрерывно изменяются. Если на организацию данных со стороны вычислительной системы накладывается ограничение в виде требования постоянства файловой структуры, то это приво­дит к тому, что в случае ее изменения программисты тратят много времени на модификацию существующих программ, вместо того чтобы заниматься разработкой новых приложений.

В одном случае может сообщаться только имя элемента данных или записи, которую он хочет по­лучить. В другом случае (при наличии другого программного обеспечения) он должен был сообщать идентификацию элемента данных и имя набора, в котором этот элемент данных содержится. Добавление новых элементов данных в записи без изменения прикладных программ возможно при том условии, что программ­ное обеспечение связано с данными на уровне элементов данных (полей), а не на уровне записей. Это часто приводит к созданию сложных структур дан­ных. Однако хорошее программное обеспечение баз данных из­бавляет прикладного программиста от трудностей, связанных со сложностью структуры. Независимо от того, каким образом дан­ные организованы на самом деле, прикладной программист дол­жен представлять себе файл в виде сравнительно простой струк­туры, которая спланирована в соответствии с его требованиями.

Программное обеспечение баз данных этапа 3 (начало 70-х годов) распо­лагало средствами отображения файловой структуры прикладного программиста в такую физическую структуру данных, которая запоминается на реальном носителе и наоборот.

В зависимости от уровня программного обеспече­ния прикладной программист эле­мента данных должен также знать организацию файла данных. В этом случае ему, возможно, придется задать машинный адрес данных. Если отсутствует независимость данных, прикладному программисту необходимо знать точный физический формат запи­си. Самый худший вариант - это случай, когда программист дол­жен быть “навигатором”..

Процесс преобразования обращения прикладного программи­ста к логической записи или к элементам логической записи в машинные обращения к физической записи и ее элементам называется привязкой . Привязка - это связь физического представле­ния данных с программой, которая эти данные использует. После выполнения процесса привязки программа уже не будет незави­симой от физических данных..

Итак, для 3-го этапа:

Различные логические файлы могли быть получены из одних и тех же физических данных.

Доступ к одним и тем же данным осуществлялся различными приложениями различными путями, отвечающими требованиям этих приложений.

Программное обеспечение содержало средства уменьшения избыточно­сти данных.

Элементы данных являлись общими для различных приложений.

Физическая структура данных независима от прикладных программ. Ее можно было изменять с целью повышения эффективности базы данных, не вызывая при этом модификации прикладных программ,

Данные адресуются на уровне полей или групп. .

По мере накопления опыта использования первых систем управления базами данных довольно скоро стало очевидно, что не­обходим дополнительный уровень независимости данных. Общая логическая структура данных, как правило, сложная, и по мере роста базы данных она неизбежно изменяется. Поэтому важно обеспечить возможность изменения общей логической структуры без изменения используемых при этом многочисленных приклад­ных программ. В некоторых системах изменение общей логиче­ской структуры данных составляет форму ее существования, т. е. эта структура находится в состоянии постоянного развития. По­этому требуются два уровня независимости данных. Их называют логической и физической независимостью данных.

Логическая независимость данных означает, что общая логи­ческая структура данных может быть изменена без изменения при­кладных программ (изменение, конечно, не должно заключаться в удалении из базы данных таких элементов, которые использу­ются прикладными программами).

Физическая независимость данных означает, что физическое расположение и организация данных могут изменяться, не вызы­вая при этом изменений ни общей логической структуры данных, ни прикладных программ..

Этап 4 характеризуется идей логической и физи­ческой независимости данных; логическая структура данных может сильно отличаться от физической структуры данных и от их пред­ставлений в конкретных прикладных программах. Программное обеспечение баз данных будет фактически преобразовывать пред­ставление данных прикладного программиста в общее логическое представление, а затем будет отображать логическое представле­ние в физическое представление данных.

Назначение такой структуры обеспечивает максимум свободы в изменении структур данных без переделки при этом выполненной ранее работы по формированию и использованию базы данных.

База данных может развиваться без больших затрат на ведение.

Средства, предусмотренные для администратора данных, позволяют ему выполнять функции контроллера и обеспечивать сохранность данных.

Обеспечиваются эффективные процедуры управления защитой секрет­ности, целостности и безопасности данных.

В некоторых системах используются инвертированные файлы, позво­ляющие осуществлять быстрый поиск данных в базе данных.

Базы данных конструируются для выдачи ответов на не планируемые заранее информационные запросы.

Обеспечиваются средства перемещения данных..

Требования, которым должна удовлетворять организация базы данных.

Изучением этого вопроса долгое время занимались различные группы людей в учреждениях, использующих компьютеры, в правитель­ственных комиссиях, на вычислительных центрах коллективного пользования. Комитет CODASYL опубликовал отчеты на эту тему (CODASYL-организация, разработавшая язык КОБОЛ). Организации пользователей IBM SHARE и GUIDE в своем отчете сформулировали требования к системе управления базами дан­ных. Организация ACiM (Association for Computing Machi­nery) также занималась изучением этого вопроса.

Ниже перечислены основные требования к организации базы данных.

Установление многосторонних связей

Различным программистам требуются различные логические файлы. Эти файлы получаются из одной и той же совокупности данных. Между элементами запоминаемых данных могут суще­ствовать различные связи. Некоторые базы данных будут содер­жать сложные переплетения взаимосвязей. Метод организации данных должен быть таким, чтобы обеспечивалась возможность удобного представления этих взаимосвязей и быстрого согласова­ния вносимых в них изменений. Система управления базами дан­ных должна обеспечивать возможность получения требуемых логи­ческих файлов из имеющихся данных и существующих между ними связей. Необходимо, чтобы существовало хотя бы небольшое сходство между представлением логического файла в прикладной программе и способом физического хранения данных..

Производительность

Базы данных, специально разработанные для использования их оператором терминала, обеспечивают время ответа, удовлет­ворительное для диалога человека - терминал. Кроме того, система баз данных должна обеспечивать соответствующую пропуск­ную способность. В системах, рассчитанных на небольшой поток запросов, пропускная способность накладывает незначительные ограничения на структуру базы данных. В системах с большим потоком запросов, например в системах резервирования авиа­билетов, пропускная способность оказывает решающее влияние на выбор организации физического хранения данных.

В системах, предназначенных только для пакетной обработки, время ответа не так важно и метод физической организации мо­жет выбираться из условий обеспечения эффективной пакетной обработки..

Минимальные затраты

Для уменьшения затрат на создание и эксплуатацию базы данных выбираются такие методы организации, которые миними­зируют требования к внешней памяти. При использовании этих методов физическое представление данных в памяти может сильно отличаться от того представления, которое использует прикладной программист. Преобразование одного представления в другое осу­ществляют программное обеспечение либо, если возможно, аппа­ратные или микропрограммные средства. В таких случаях прихо­дится выбирать между затратами на алгоритм преобразования и экономией памяти..

Минимальная избыточность

В системах обработки, существовавших до использования си­стем управления базами данных, информационные фонды облада­ли очень высоким уровнем избыточности. Большинство ленточных библиотек содержало большое количество избыточных данных. Даже при использовании баз данных по мере возрастания инфор­мации, объединяемой в интегрированные базы данных, потен­циальная возможность появления избыточных данных постепенно увеличивается. Избыточные данные дороги в том смысле, что они занимают больше памяти, чем это необходи­мо, и требуют более одной операции обновления. Целью организации базы данных должно быть уничтожение избыточных данных там, где это выгодно, и контроль за теми про­тиворечиями, которые вызываются наличием избыточных данных..

Возможности поиска

Пользователь базы данных может обращаться к ней с самыми различными вопросами по поводу хранимых данных. В большин­стве современных коммерческих приложений типы запросов предо­пределены, и физическая организация данных разрабатывается для их обработки с требуемой скоростью. Возросшие требования к системам заключаются в обеспечении обработки таких запро­сов или формирования таких ответов, которые заранее не запла­нированы. .

Целостность

Если база данных содержит данные, используемые многими пользователями, очень важно, чтобы элементы данных и связи между ними не разрушались. Необходимо учитывать возможность возникновения ошибок и различного рода случайных сбоев. Хра­нение данных, их обновление, процедуры включения данных должны быть такими, чтобы система в случае возникновения сбоев могла восстанавливать данные без потерь. Необходимо, чтобы вы­числительная система гарантировала целостность хранимых в ней данных..

Безопасность и секретность

Данные в системах баз данных должны храниться в тайне и сохранности. Запоминаемая информация иногда очень важна для использующего ее учреждения. Она не должна быть утеряна или похищена. Для увеличения жизнестойкости информации в базе данных важно защищать ее от аппаратных или программных сбоев, от катастрофических и криминальных ситуаций, от неком­петентного или злонамеренного использования лицами, которые могут ее неправильно употребить.

Под безопасностью данных понимают защиту данных от слу­чайного или преднамеренного доступа к ним лиц, не имеющих на это право, от неавторизованной модификации данных или их унич­тожения.

Секретность определяют как право отдельных лиц или орга­низаций определять, когда, как и какое количество соответствую­щей информации может быть передано другим лицам или орга­низациям..

Связь с прошлым

Организации, которые в течение какого-то времени эксплуати­руют системы обработки данных, затрачивают значительные сред­ства на написание программ, процедур и организацию хранения данных. В том случае, когда фирма начинает использовать на вычислительной установке новое программное обеспечение управ­ления базами данных, очень важно, чтобы при этом она могла работать с уже существующими на этой установке программами, обрабатываемые данные можно было бы соответствующим образом преобразовывать. Такое условие требует наличия програм­мной и информационной совместимости, и ее отсутствие может стать основным сдерживающим фактором при переходе к новым системам управления базами данных. Важно, однако, чтобы про­блема связи с прошлым не сдерживала развитие средств управ­ления базами данных. .

Связь с будущим

Особенно важной представляется связь с будущим. В будущем данные и среда их хранения изменятся по многим направлениям. Любая коммерческая организация со временем претерпевает из­менения. Особенно дорогими эти изменения оказываются для пользователей системами обработки данных. Огромные затраты, которые требуются для реализации самых простых изменений, сильно тормозят развитие этих систем. Эти затраты расходуются на преобразование данных, перезапись и отладку прикладных программ, явившихся результатом внесения изменений. Со време­нем число прикладных программ в организации растет, и поэтому перспектива перезаписи всех этих программ кажется нереальной. Одна из самых важных задач при разработке баз данных-запла­нировать базу данных таким образом, чтобы изменения ее можно было выполнять без модификации прикладных программ..

Простота использования

Средства, которые используются для представления общего логического описания данных, должны быть простыми и изящны­ми.

Интерфейс программного обеспечения должен быть ориентирован на конечного пользователя и учитывать возможность того, что пользователь не имеет необходимой базы знаний по теории баз данных. .

Модели представления данных

С ростом популярности СУБД в 70-80-х годах появилось множество различных моделей данных. У каждой из них имелись свои достоинства и недостатки, которые сыграли ключевую роль в развитии реляционной модели данных, появившейся во многом благодаря стремлению упростить и упорядочить первые модели данных.

Современные БД основываются на использовании моделей данных (МД), позволяющих описывать объекты предметных областей и взаимосвязи между ними существуют три основные МД и их комбинации, на которых основываются БД: реляционная модель данных (РМД), сетевая модель данных (СМД), иерархическая модель данных (ИМД).

Основное различие между этими моделями данных состоит в способах описания взаимодействий между объектами и атрибутами. Взаимосвязь выражает отношение между множествами данных.

Используют взаимосвязи "один к одному", "один ко многим" и "многие ко многим". "Один к одному"

Появление системы управления базами данных. Этапы проектирования базы данных "Строительная фирма". Инфологическая и даталогическая модель данных. Требования к информационной и программной совместимости для работы с базой данных "Строительная фирма".

Построение концептуальной модели. Проектирование реляционной модели данных на основе принципов нормализации: процесс нормализации и глоссарий. Проектирование базы данных в Microsoft Access: построение таблиц, создание запросов в том числе SQL – запросов.

Проектирование базы данных Access. Система управления базами данных. Создание и обслуживание базы данных, обеспечение доступа к данным и их обработка. Постановка задач и целей, основных функций, выполняемых базой данных. Основные виды баз данных.

Проектирование модели базы данных станции технического обслуживания автомобилей в режиме диалога. Предусмотрена возможность ввода начальных данных (владельцы автомобилей, неисправности и пр.), внесения изменений и получения справок в отчете MS Access.

Разработка проекта по созданию базы данных для автоматизации коммерческой деятельности ТЦ Гипермаркет. Исследование заданной предметной области и выбор наиболее существенных атрибутов. Построение концептуальной инфологической модели предметной области.

База данных компьютерной фирмы

Информационная система компьютерной фирмы, описание предметной области, модель системы. Создание базы данных: постановка задачи, перечень объектов базы данных, инфологическая и датологическая модели, физическое моделирование. Формы, запросы и отчёты.

Основные понятия и определение базы данных, этапы создания и проектирования, используемые модели. Создание базы данных "Страхование населения" для обработки данных о видах страховок, их стоимости, совершенных сделках, клиентах, сроках действия страховки.

Сущность базы данных. Процесс построения концептуальной модели. Построение реляционной модели, создание ключевого поля. Процесс нормализации. Проектирование базы данных в ACCESS. Порядок создание базы данных. Создание SQL запросов и работа в базе данных.

Понятие и порядок разработки базы данных, ее основные составные части и назначение. Построение базы данных консалтингового агентства на основе инфологической модели, отражаемые сущности и связи между ними. Особенности реализации базы данных в MS ACCESS.

Создание базы данных "Сбыт готовой продукции лесоперерабатывающего предприятия" при помощи Microsoft Access для ввода данных о готовой продукции и ее реализации, клиентах и хранения информации о них и для автоматического получения отчета об объеме продаж.

Концепция баз данных, используемых в АИВС

Раздел 2

Контрольные вопросы

1.Что такое данные, информация, знания?

2.Дайте определение базы данных (БД).

3.Каково назначение БД?

4.Дайте определение понятиям «файл», «запись», «атрибут», «домен», «поле», «ключ», «суперключ», «архитектура», «схема данных», «модель данных», «кортеж», «словарь данных».

5.Дайте определения понятиям «предметная область», «приложение», «про­грамма», ЯОД, ЯМД.

6.Дайте классификацию СУБД и БД.

7.Охарактеризуйте состав СУБД.

8.Покажите соотношение СУБД и АБД.

9.Перечислите процедуры работы БД.

10.Назовите составляющие теории баз данных.

11.Перечислите основные элементы структуры БД с позиций ее реализации.

12.Каково назначение OLTP и OLAP? соотношение их свойств?

13.Опишите состав OLAP.

14.Назовите разновидности многомерной модели.

Концепция в общем смысле представляет некоторую систему взглядов на процесс или явление. Составными частями концепции являются сово­купность принципов и методология. Под методологией понимается сово­купность методов решения проблемы.

Принцип - правила, которыми следует руководствоваться в деятель­ности. Часто принципы формулируются в виде ограничений и требований, в частности, требований к базам данных.

С современных позиций следует порознь рассматривать требо­вания, предъявляемые к транзакционным (операционным) базам данных и к хранилищам данных.

Первоначально перечислим основные требования, которые предъявляются к операционным базам данных, а следовательно, и к СУБД, на которых они строятся.

1. Простота обновления данных. Под операцией обновления понимают добавления, удаления и изменения данных.

2. Высокое быстродействие (малое время отклика на запрос).
Время отклика - промежуток времени от момента запроса к БД и
фактическим получением данных. Похожим является термин время
доступа - промежуток времени между выдачей команды записи (считывания) и фактическим получением данных. Под доступом пони­
мается операция поиска, чтения данных или записи их.

3. Независимость данных.

4. Совместное использование данных многими пользователями.

5. Безопасность данных - защита данных от преднамеренного
или непреднамеренного нарушения секретности, искажения или
разрушения.

6. Стандартизация построения и эксплуатации БД (фактически
СУБД).

8.Дружелюбный интерфейс пользователя.

Важнейшими являются первые два противоречивых требования: повышение быстродействия требует упрощения структуры БД, что, в свою очередь, затрудняет процедуру обновления данных, увеличи­вает их избыточность.

Независимость данных - возможность изменения логической и физической структуры БД без изменения представлений пользова­телей. Независимость данных предполагает инвариантность к ха­рактеру хранения данных, программному обеспечению и техничес­ким средствам. Она обеспечивает минимальные изменения структу­ры БД при изменениях стратегии доступа к данным и структуры самих исходных данных. Это достигается, как будет показано далее, «смещением» всех изменений на этапы концептуального и логичес­кого проектирования с минимальными изменениями на этапе фи­зического проектирования.

Безопасность данных включает их целостность и защиту. Цело­стность данных - устойчивость хранимых данных к разрушению и уничтожению, связанных с неисправностями технических средств, системными ошибками и ошибочными действиями пользователей.

Она предполагает:

Отсутствие неточно введенных данных или двух одинаковых
записей об одном и том же факте;

Защиту от ошибок при обновлении БД;

Невозможность удаления порознь (каскадное удаление) свя­занных данных разных таблиц;

Неискажение данных при работе в многопользовательском ре­
жиме и в распределенных базах данных;

Сохранность данных при сбоях техники (восстановление данных).

Целостность обеспечивается триггерами целостности - специ­альными приложениями-программами, работающими при опреде­ленных условиях. Для некоторых СУБД (например, Access, Paradox) триггеры являются встроенными.

Защита данных от несанкционированного доступа предполагает ограничение доступа к конфиденциальным данным и может дости­гаться:

Введением системы паролей;

Получением разрешений от администратора базы данных (АБД);

Запретом от АБД на доступ к данным;

Формированием видов - таблиц, производных от исходных и
предназначенных конкретным пользователям.

Три последние процедуры легко выполняются в рамках языка структурированных запросов Structured Query Language - SQL, час­то называемом SQL2.

Стандартизация обеспечивает преемственность поколений СУБД, упрощает взаимодействие БД одного поколения СУБД с одинаковы­ми и различными моделями данных. Стандартизация (ANSI/SPARC) осуществлена в значительной степени в части интерфейса пользова­теля СУБД и языка SQL. Это позволило успешно решить задачу взаимодействия различных реляционных СУБД как с помощью языка SQL, так и с применением приложения Open DataBase Connection (ODBC). При этом может быть осуществлен как локальный, так и удаленный доступ к данным (технология клиент-сервер или сете­вой вариант).

Перейдем к требованиям, предъявляемым к хранилищам дан­ных, которые структурно являются продолжением операционных баз данных.

Пусть в базе данных имеются данные об успеваемости студентов третьего курса, при этом текущими являются пятый и шестой семе­стры. Данные за первые четыре семестра находятся (переданы) в хранилище данных (ХД), т. е. фактически в дополнительной, спе­цифической базе данных. Необходимо запросить в хранилище фа­милии студентов, которые первые четыре семестра учились только на отлично.

Иными словами, данные из операционной БД периодически передаются в электронный архив (в рассмотренном примере - дан­ные за первые четыре семестра), а затем могут быть обработаны в соответствии с запросом пользователя.

Поскольку данные в хранилище практически не изменяются, а лишь добавляются, требование простоты обновления становится неактуальным. На первое место - в силу значительного объема дан­ных в хранилище - выходит требование высокого быстродействия.

К хранилищам данных предъявляются следующие дополнитель­ные требования:

Высокая производительность загрузки данных из операционных БД;

Возможность фильтрования, переформатирования, проверки
целостности исходных данных, индексирования данных, обновле­ния метаданных;

Повышенные требования к качеству исходных данных в части
обеспечения их непротиворечивости, поскольку они могут быть
получены из разных источников;

Высокая производительность запросов;

Обеспечение высокой размерности;

Одновременность доступа к ХД;

Наличие средств администрирования.

Поддержка анализа данных соответствующими методами (инст­рументами).

Э.Ф. Кодд на основе своего опыта предъявил следующие требования к системе OLAP.

1.Многомерное концептуальное представление данных.

2.Прозрачность технологии и источников данных.

3.Доступность к источникам данных при использовании различных моделей данных.

4.Неизменная производительность подготовки отчетов при росте объема, количества измерений, процедур обобщения данных.

5. Использование гибкой, адаптивной, масштабируемой архитектуры клиент-сервер.

6. Универсальность измерений (формулы и средства создания
отчетов не должны быть привязаны к конкретным видам размерностей).

7. Динамическое управление разреженностью матриц (пустые
значения NULL должны храниться эффективным образом).

8. Многопользовательская поддержка.

9. Неограниченные операционные связи между размерностями.

10.Поддержка интуитивно понятных манипуляций с данными.

11.Гибкость средств формирования отчетов.

12.Неограниченное число измерений и уровней обобщения.

Перечисленные требования отличны от требований к операци­онным БД, что вызвало появление специализированных БД - хра­нилищ данных.

Концепция в общем смысле представляет некоторую систему взглядов на процесс или явление. Составными частями концепции являются совокупность принципов и методология. Под методологией понимается совокупность методов решения проблемы.

Принцип – правила, которыми следует руководствоваться в деятельности. Часто принципы формулируются в виде ограничений и требований, в частности, требований к базам данных.

Требования, предъявляемые к базам данных

С современных позиций следует порознь рассматривать требования, предъявляемые к транзакционным (операционным) базам данных и к хранилищам данных.

Первоначально перечислим основные требования, которые предъявляются к операционным базам данных, а следовательно, и к СУБД, на которых они строятся.

• 1. Простота обновления данных. Подоперацией обновления понимают добавления, удаления и изменения данных.
• 2. Высокое быстродействие (малое время отклика на запрос). Время отклика – промежуток времени от момента запроса к БД и фактическим получением данных. Похожим является термин время доступа – промежуток времени между выдачей команды записи (считывания) и фактическим получением данных. Под доступом понимается операция поиска, чтения данных или записи их.
• 3. Независимость данных.
• 4. Совместное использование данных многими пользователями.
• 5. Безопасность данных – защита данных от преднамеренного или непреднамеренного нарушения секретности, искажения или разрушения.
• 6. Стандартизация построения и эксплуатации БД (фактически СУБД).
• 7. Адекватность отображения данных соответствующей предметной области.
• 8. Дружелюбный интерфейс пользователя.

Важнейшими являются первые два противоречивых требования, повышение быстродействия требует упрощения структуры БД, что, в свою очередь, затрудняет процедуру обновления данных, увеличивает их избыточность (см. гл. 4).

Независимость данных – возможность изменения логической и физической структуры БД без изменения представлений пользователей. Независимость данных предполагает инвариантность к характеру хранения данных, программному обеспечению и техническим средствам. Она обеспечивает минимальные изменения структуры БД при изменениях стратегии доступа к данным и структуры самих исходных данных. Это достигается, как будет показано далее, "смешением" всех изменений на этапы концептуального и логического проектирования с минимальными изменениями на этапе физического проектирования |2).

Безопасность данных включает их целостность и защиту. Целостность данных – устойчивость хранимых данных к разрушению и уничтожению, связанных с неисправностями технических средств, системными ошибками и ошибочными действиями пользователей.

Она предполагает:

• отсутствие неточно введенных данных или двух одинаковых записей об одном и том же факте;
• защиту от ошибок при обновлении БД;
• невозможность удаления порознь (каскадное удаление) связанных данных разных таблиц;
• неискажение данных при работе в многопользовательском режиме и в распределенных базах данных;
• сохранность данных при сбоях техники (восстановление данных).

Целостность обеспечивается триггерами целостности – специальными приложениями-программами, работающими при определенных условиях. Для некоторых СУБД (например, Access, Paradox) триггеры являются встроенными.

Защита данных от несанкционированного доступа предполагает ограничение доступа к конфиденциальным данным и может достигаться:

• введением системы паролей;
• получением разрешений от администратора базы данных (АБД);
• запретом от АБД на доступ к данным;
• формированием видов – таблиц, производных от исходных и предназначенных конкретным пользователям.

Три последние процедуры легко выполняются в рамках языка структурированных запросов Structured Query Language – SQL, часто называемом SQL2.

Стандартизация обеспечивает преемственность поколений СУБД, упрощает взаимодействие БД одного поколения СУБД с одинаковыми и различными моделями данных. Стандартизация (ANSI/SPARC) осуществлена в значительной степени в части интерфейса пользователя СУБД и языка SQL. Это позволило успешно решить задачу взаимодействия различных реляционных СУБД как с помощью языка SQL, так и с применением приложения Open DataBase Connection (ODBC). При этом может быть осуществлен как локальный, так и удаленный доступ к данным (технология клиент-сервер или сетевой вариант).

Перейдем к требованиям, предъявляемым к хранилищам данных, которые структурно являются продолжением операционных баз данных.

Пусть в базе данных имеются данные об успеваемости студентов третьего курса, при этом текущими являются пятый и шестой семестры. Данные за первые четыре семестра находятся (переданы) в хранилище данных (ХД), т. е. фактически в дополнительной, специфической базе данных. Необходимо запросить в хранилище фамилии студентов, которые первые четыре семестра учились только на отлично.

Иными словами, данные из операционной БД периодически передаются в электронный архив (в рассмотренном примере – данные за первые четыре семестра), а затем могут быть обработаны в соответствии с запросом пользователя.

Поскольку данные в хранилище практически не изменяются, а лишь добавляются, требование простоты обновления становится неактуальным. На первое место – в силу значительного объема данных в хранилище – выходит требование высокого быстродействия.

К хранилищам данных предъявляются следующие дополнительные требования :

• высокая производительность загрузки данных из операционных БД;
• возможность фильтрования, переформатирования, проверки целостности исходных данных, индексирования данных, обновления метаданных;
• повышенные требования к качеству исходных данных в части обеспечения их непротиворечивости, поскольку они могут быть получены из разных источников;
• высокая производительность запросов;
• обеспечение высокой размерности;
• одновременность доступа к ХД;
• наличие средств администрирования.

Поддержка анализа данных соответствующими методами (инструментами).

Как отмечено в Э.Ф. Кодд на основе своего опыта предъявил следующие требования к системе OLAP.

• 1. Многомерное концептуальное представление данных.
• 2. Прозрачность технологии и источников данных.
• 3. Доступность к источникам данных при использовании различных моделей данных.
• 4. Неизменная производительность подготовки отчетов при росте объема, количества измерений, процедур обобщения данных.
• 5. Использование гибкой, адаптивной, масштабируемой архитектуры клиент-сервер.
• 6. Универсальность измерений (формулы и средства создания отчетов не должны быть привязаны к конкретным видам размерностей).
• 7. Динамическое управление разреженностью матриц (пустые значения NULL должны храниться эффективным образом).
• 8. Многопользовательская поддержка.
• 9. Неограниченные операционные связи между размерностями.
• 10. Поддержка интуитивно понятных манипуляций с данными.
• 11. Гибкость средств формирования отчетов.
• 12. Неограниченное число измерений и уровней обобщения.

Перечисленные требования отличны от требований к операционным БД, что вызнало появление специализированных БД – хранилищ данных.

Проектирование базы данных – это процесс создания проекта базы данных, предназначенной для поддержки функционирования экономического объекта и способствующей достижению его целей. Оно представляет собой трудоемкий процесс, требующий совместных усилий аналитиков, проектировщиков и пользователей. При проектировании базы данных необходимо учитывать тот факт, что база данных должна удовлетворять комплексу требований.

Эти требования следующие.

1. Целостность базы данных. (Требование полноты и непротиворечивости данных).

2. Многократное использование данных.

3. Быстрый поиск и получение информации по запросам пользователей.

4. Простота обновления данных.

5. Уменьшение излишней избыточности данных.

6. Защита данных от несанкционированного доступа, от искажения и уничтожения.

Жизненный цикл базы данных (ЖЦБД) – это процесс проектирования, реализации и поддержки базы данных. ЖЦБД состоит из следующих семи этапов:

1) предварительное планирование;

2) проверка осуществимости;

3) определение требований;

4) концептуальное проектирование;

5) логическое проектирование;

6) физическое проектирование;

7) оценка работы и поддержка базы данных.

Опишем главные задачи каждого этапа.

1. Предварительное планирование базы данных. Это важный этап в процессе перехода от разрозненных к интегрированным данным. На этом этапе собирается информация об используемых и находящихся в процессе разработки прикладных программах и файлах, связанных с ними. Она помогает установить связи между текущими приложениями и то, как используется информация приложений. Кроме того, позволяет определить будущие требования к базе данных.

2. Проверка осуществимости. Она предполагает подготовку отчетов по трем вопросам:

1) есть ли технология – необходимое оборудование и программное обеспечение – для реализации запланированной базы данных? (технологическая осуществимость );

2) имеются ли персонал, средства и эксперты для успешного осуществления плана создания базы данных? (операционная осуществимость );

3) окупится ли запланированная база данных? (экономическая эффективность ).

3. Определение требований .На этом этапе определяются:

· цели базы данных;

· информационные потребности различных структурных подразделений и их руководителей;

· требования к оборудованию;

· требования к программному обеспечению.

4.Концептуальное проектирование. На этом этапе создаются подробные модели пользовательских представлений данных предметной области. Затем они интегрируются в концептуальную модель , которая фиксирует все элементы корпоративных данных, подлежащих загрузке в базу данных. Эту модель называют еще концептуальной схемой базы данных.

5.Логическое проектирование. На этом этапе осуществляется выбор типа модели данных. Концептуальная модель отображается в логическую модель , основанную уже на структурах, характерных для выбранной модели. Так, если выбрана реляционная модель, то разрабатываются структуры таблиц, определяются их ключи, устанавливается связь между таблицами, оптимизируется созданная модель базы данных (минимизируется избыточность данных). Наиболее распространенным методом при оптимизации является метод нормальных форм или, другими словами, нормализация данных

6.Физическое проектирование. На этом этапе предусматривается принятие разработчиком окончательного решения о способах реализации создаваемой базы данных. Логическая модель расширяется характеристиками, необходимыми для определения способов физического хранения базы данных, типа устройств для хранения, методов доступа к данным базы, требуемого объема памяти, правил сопровождения базы данных и др.

7.Оценка и поддержка базы данных. Оценка включает опрос пользователей на предмет выяснения, какие их информационные потребности остались неучтенными. При необходимости в спроектированную базу данных вносятся изменения. Пользователи обучаются работе с базой данных. По мере расширения и изменения потребностей бизнеса поддержка базы данных обеспечивается путем внесения изменений, добавления новых данных, разработки новых прикладных программ, работающих с базой данных.

15. Модель «сущность–связь»

Средством моделирования предметной области на этапе концептуального проектирования является модель «сущность–связь». Часто ее называют ER-моделью (Entity – сущность, Relation – связь). В ней моделирование структуры данных предметной области базируется на использовании графических средств – ER-диаграмм (диаграмм «сущность–связь»). В наглядном виде они представляют связи между сущностями.

Основные понятия ER-диаграммы – сущность, атрибут, связь .

Сущность – это некоторый объект реального мира, который может существовать независимо . Сущность имеет экземпляры , отличающиеся друг от друга значениями атрибутов и допускающие однозначную идентификацию.

Атрибут – это свойство сущности . Например, сущность КНИГА характеризуется такими атрибутами, как автор, наименование, цена, издательство, тираж, количество страниц. Конкретные книги являются экземплярами сущности КНИГА. Они отличаются значениями указанных атрибутов и однозначно идентифицируются атрибутом «наименование». Атрибут, который уникальным образом идентифицирует экземпляры сущности, называется ключом . Может быть составной ключ, представляющий комбинацию нескольких атрибутов.

Предположим, что проектируется база данных, предназначенная для хранения информации о деятельности некоторой фирмы. Эта фирма имеет филиалы. Филиалы управляются менеджерами. Клиенты делают в филиалах заказы. Филиалы обрабатывают эти заказы. Описываемую предметную область назовем ФИРМА. В ней могут быть выделены четыре сущности: филиал, менеджер, заказ, клиент.

На ER-диаграмме сущность изображается прямоугольником, в котором указывается ее имя. Например,

	МЕНЕДЖЕР

В реальном мире существуют связи между сущностями. Связь представляет взаимодействие между сущностями. Она характеризуется мощностью , которая показывает, сколько сущностей участвует в связи. Связь между двумя сущностями называется бинарной .

В рассматриваемой предметной области ФИРМА можно выделить три связи:

1. МЕНЕДЖЕР – УПРАВЛЯЕТ – ФИЛИАЛ

2. ФИЛИАЛ – ОБРАБАТЫВАЕТ – ЗАКАЗ

3. КЛИЕНТ – ДЕЛАЕТ – ЗАКАЗ

На ER-диаграмме связь изображается ромбом.

Например,

Важной характеристикой связи является тип связи (кардинальность ).

Рассмотрим типы выше указанных связей 1–3.

Так как менеджер управляет только одним филиалом, то каждый экземпляр сущности МЕНЕДЖЕР может быть связан не более чем с одним экземпляром сущности ФИЛИАЛ. В этом случае связь 1 имеет тип «один-к-одному» (1:1). На рис. 15.1 представлена ER-диаграмма для связи типа 1:1.

Так как филиал обрабатывает несколько заказов, а заказ обрабатывается только одним филиалом, то каждый экземпляр сущности ФИЛИАЛ может быть связан более чем с одним экземпляром сущности ЗАКАЗ, а каждый экземпляр сущности ЗАКАЗ может быть связан не более чем с одним экземпляром сущности ФИЛИАЛ.

В этом случае связь 2 имеет тип «один-ко-многим» (1:М). На рис. 15.2 представлена ER-диаграмма для связи типа 1:М.

Так как заказ могут делать несколько клиентов и клиент может иметь несколько заказов, то каждый экземпляр сущности ЗАКАЗ может быть связан с несколькими экземплярами сущности КЛИЕНТ и каждый экземпляр сущности КЛИЕНТ может быть связан с несколькими экземплярами сущности ЗАКАЗ. В этом случае связь 3 имеет тип «многие-ко-многим» (М:N). На рис. 10.3 представлена ER-диаграмма для связи типа М:N.

Рассмотрим понятие класс принадлежности сущности.

Если каждый экземпляр сущности А связан с экземпляром сущности В, то класс принадлежности сущности А является обязательным. Этот факт отмечается на ER-диаграмме черным кружочком, помещенным в прямоугольник, смежный с прямоугольником сущности А.

Если не каждый экземпляр сущности А связан с экземпляром сущности В, то класс принадлежности сущности А является необязательным. Этот факт отмечается на ER-диаграмме черным кружочком, помещенным на линии связи возле прямоугольника сущности А.

В качестве примера на рис. 10.4 изображены возможные ER-диаграммы для связи М:N c учетом класса принадлежности сущности.

На ER-диаграмме 1 класс принадлежности обеих сущностей необязательный.

На ER-диаграмме 2 класс принадлежности сущности КЛИЕНТ обязательный, а сущности ЗАКАЗ необязательный.

На ER-диаграмме 3 класс принадлежности сущности КЛИЕНТ необязательный, а сущности ЗАКАЗ обязательный.

На ER-диаграмме 4 класс принадлежности обеих сущностей обязательный.

Предположим, что в рассматриваемой предметной области ФИРМА класс принадлежности всех четырех сущностей является обязательным. Тогда ER-модель предметной области ФИРМА будет иметь вид, представленный на рис. 10.5.

Каждая из четырех сущностей приведенной ER-модели может быть описана своим

набором атрибутов (рис. 15.6).

ER-модель в совокупности с наборами атрибутов сущностей может служить примером концептуальной модели предметной области или концептуальной схемы базы данных.

Рис . 15.6 . Наборы атрибутов сущностей предметной области ФИРМА

Примечание. Ключевые атрибуты выделены жирным шрифтом.

КОНСПЕКТ ОБЗОРНОЙ ЛЕКЦИИ

Для студентов специальности
Т1002 «Программное обеспечение информационных технологий»

(Л.В. Рудикова, к.ф.-м.н., доцент)

Вопрос 31. АРХИТЕКТУРА СУБД. РЕЛЯЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ДАННЫХ

1. Понятие базы данных.

2. Трехуровневая архитектура базы данных.

3. Жизненный цикл базы данных.

4. Архитектура СУБД.

5. Реляционная модель данных.

6. Проектирование реляционных баз данных.

7. Нормальные формы отношений.

8. Реляционная алгебра.

1. Понятие базы данных.

Система с базой данных – это любая информационная система на базе компьютера, в которой данные могут совместно использоваться многими приложениями.

Информационная система – автоматическая система, организующая данные и выдающая информацию.

Информационно-управляющая система – система, обеспечивающая информационную поддержку менеджмента.

Данные – разрозненные факты.

Информация – организованные и обработанные данные.

Под базой данных понимается множество взаимосвязанных элементарных групп данных (информации), которые могут обрабатываться одной или несколькими прикладными системами. Система базы данных состоит из базы данных; программного обеспечения общего назначения, которая называется системой управления базой данных (СУБД) , и служит для управления базой данных; соответствующего оборудования и людей.

Каждая СУБД должна удовлетворять следующим требованиям:

· обеспечивать пользователю возможность создавать новые БД и определять их схему (логическую структуру данных) с помощью специального языка - языка определения данных ; поддерживать разнообразные представления одних и тех же данных;

· позволять «запрашивать » данные и изменять их с помощью языка запросов , или языка манипулирования данными ; допускать интеграцию и совместное использование данных различными приложениями;

· поддерживать хранение очень больших массивов данных, измеряемых гигабайтами и более, в течение долгого времени, защищая их от случайной порчи и неавторизованного использования, а также - обеспечивать модификацию БД и доступ к данным путем запросов, т.е. гарантировать безопасность и целостность данных;

· контролировать доступ к данным одновременно для многих пользователей; исключать влияние запроса одного пользователя на запрос другого и не допускать одновременный доступ, который может испортить данные, т.е. гарантировать управление параллельным доступом к данным.

Система с базой данных состоит из следующих компонентов:

· Пользователи, т.е. люди, которые используют данные.

· Приложения, т.е. программы пользователей, которым требуются данные из системы.

· СУБД – программное обеспечение, которое управляет доступом к данным и обеспечивает указанные функциональные возможности системы с базой данных.

· Данные, т.е. строки, хранящиеся в файлах.

· Система-хост – компьютерная система, в которой хранятся файлы. Доступ к строкам данных осуществляется системой-хостом. Роль СУБД состоит в том, чтобы генерировать запросы, позволяющие использовать функциональные возможности системы управления файлами системы-хоста для обслуживания различных приложений. СУБД – это дополнительный уровень программного обеспечения, надстроенный над программным обеспечением системы-хоста.

Таким образом, систему с БД можно представить в виде следующей последовательности уровней:

На самом нижнем уровне находятся данные, хранящиеся в физических файлах (физическая память БД). На верхнем уровне – приложений с их собственными представлениями одних и тех же физических данных. Каждой представление БД – это определенная логическая структура, построенная из лежащих в основе физических данных. Чтобы обеспечить интерфейс между физической памятью БД и ее разнообразными логическими версиями (множеством поддерживаемых представлений) СУБД, в свою очередь должна состоять из нескольких уровней.

2. Трехуровневая архитектура базы данных.

Различие между логическим и физическим представлением данных официально признано в 1978 году, когда комитет ANSI / SPARC предложил обобщенную структуру систем баз данных. Эта структура получила название трехуровневой архитектуры. Три уровня архитектуры следующие: внутренний, концептуальный и внешний.

Внутренний уровень – это уровень, определяющий физический вид базы данных, наиболее близкий к физическому хранению и связан со способами сохранения информации на физических устройствах хранения. С данным уровнем связаны дисководы, физические адреса, индексы, указатели и т.д. За этот уровень отвечают проектировщики физической БД, которые решают, какие физические устройства будут хранить данные, какие методы доступа будут использоваться для извлечения и обновления данных и какие меры следует принять для поддержания или повышения быстродействия системы управления базами данных. Пользователи не касаются этого уровня.

Концептуальный уровень – структурный уровень, определяющий логическую схему базы данных. На данном уровне выполняется концептуальное проектирование базы данных, которое включает анализинформационных потребностей пользователей и определение нужных им элементов данных. Результатом концептуального проектирования является концептуальная схема, логическое описание всех элементов данных и отношений между ними.

Внешний уровень – структурный уровень БД, определяющий пользовательские представления данных. Каждая пользовательская группа получает свое собственное представление данных в БД. Каждое такое представление данных дает ориентированное на пользователя описание элементов данных, из которых состоит представление данных, и отношений между ними. Его можно напрямую вывести из концептуальной схемы. Совокупность таких пользовательских представлений данных и дает внешний уровень.

Представления пользователей и приложений	Внешний уровень
Отображения
Концептуальная схема	Концептуальный уровень
Отображение	Внутренний уровень
Система-хост
Хранящиеся данные

Рис. Уровни СУБД

3. Жизненный цикл базы данных.

Процесс проектирования, реализации иподдержания системы базы данных называется жизненным циклом базы данных (ЖЦБД). Процедура создания системы называется жизненным циклом системы (ЖЦС).

Понимание и правильный подход к ЖЦБД очень важен и требует детального рассмотрения, так как в его основе лежит подход, ориентированный на данные . Элементы данных более стабильны, чем выполняемые функции системы. Создание правильной структуры данных требует сложного анализа классов единиц данных и отношений между ними. Если построить логичную схему базы данных, то в дальнейшем можно создать любое количество функциональных систем, использующих эту схему. Функционально-ориентированный подход можно применять лишь для создания временных систем, которые рассчитаны на недолгое время функционирования.

ЖЦБД состоит из следующих этапов:

1. Предварительное планирование – планирование БД, выполняемое в процессе разработки стратегического плана БД. В процессе планирования собирается следующая информация:

· какие прикладные программы используются, и какие функции они выполняют;

· какие файлы связаны с каждым из этих приложений;

· какие новые приложения и файлы находятся в процессе работы.

Данная информация помогает определить, как используется информация приложений, определить будущие требования к системе БД.

Информация этого этапа документируется в виде обобщенной модели данных.

2. Проверка осуществимости . Здесь определяется технологическая, операционная и экономическая осуществимость плана создания БД, т. е.:

· технологическая осуществимость – есть ли технология для реализации запланированной БД?

· операционная осуществимость – есть ли средства и эксперты, необходимые для успешного осуществления плана создания БД?

· экономическая целесообразность – можно ли определить выводы? Окупится ли запланированная система? Можно ли оценить издержки и выгоду?

3. Определение требований включает выбор целей БД, выяснение информационных требований к системе и требований к оборудованию и программному обеспечению. Таким образом, на данном этапе сбора данных и определения требований создаётся общая информационная модель , выражающаяся в следующих задачах:

· Определяются цели системы путём анализа информационных потребностей. Здесь также обязательно указывается, какую именно БД следует создавать (распределённую, целостную) и какие коммуникационные средства необходимы. Выходной документ – комментарий, описывающий цели системы.

· Определение пользовательских требований: документация в виде обобщённой информации (комментарии, отчёты, опросы, анкеты и т. д.); фиксация функций системы и определение прикладных систем, которые будут выполнять эти требования. Данные представляются в виде соответствующих документов.

· Определение общих требований к оборудованию и программному обеспечению, связанных с поддержанием желаемого уровня быстродействия. (Выяснение количества пользователей системы, числа входных сообщений в день, количество распечаток). Данная информация используется для выбора типов компьютеров и СУБД, объёма дисков, количества принтеров. Данные этого этапа излагаются в отчёте, содержащем примерные конфигурации оборудования и программного обеспечения.

· Разработка плана поэтапного создания системы, включающий выбор исходных приложений.

4. Концептуальное проектирование – создание концептуальной схемы БД. Спецификации разрабатываются в той степени, которая необходима для перехода к реализации.

Основным выходным документом является единая инфологическая модель (или схема БД на концептуальном уровне ). При разработке данной модели используются информация и функции, которые должна выполнить система, определённые на этапе сбора и определения требований к системе. На данном этапе желательно также определить: 1) правила для данных; 2) правила для процессов; 3) правила для интерфейса.

5. Реализация – процесс превращения концептуальной модели в функциональную БД. Он включает в себя следующие этапы.

1) Выбор и приобретение необходимой СУБД.

2) Преобразование концептуальной (инфологической) модели БД в логическую и физическую модель данных:

· на основе инфологической модели данных строится схема данных для конкретной СУБД, при необходимости реализуется денормализация БД с целью ускорения обработки запросов во всех критичных по времени приложениях;

· определяются, какие прикладные процессы необходимо реализовать в схеме данных как хранимые процедуры;

· реализовать ограничения, предназначенные для обеспечения целостности данных и реализации правил для данных;

· спроектировать и сгенерировать триггеры для реализации всех централизованно определённых правил для данных и правил целостности данных, которые не могут быть заданы как ограничения;

· разработать стратегию индексирования и кластеризации; выполнить оценку размеров всех таблиц, кластеров и индексов;

· определить уровни доступа пользователей, разработать и внедрить правила обеспечения безопасности и аудита. Создать роли и синонимы для обеспечения многопользовательского доступа с согласованными уровнями полномочий доступа.

· разработать сетевую топологию БД и механизм бесшовного доступа к удалённым данным (реплицированная или распределённая БД).

3) Построение словаря данных, который определяет хранение определений структуры данных БД. Словарь данных также содержит информацию о полномочиях доступа, правилах защиты данных и контроля данных.

4) Заполнение базы данных.

5) Создание прикладных программ, контроль управления.

6) Обучение пользователей.

6. Оценка и усовершенствование схемы БД. Включает опрос пользователей с целью выяснения функциональных неучтенных потребностей. При необходимости вносятся изменения, добавление новых программ и элементов данных по мере изменения и расширения потребностей.

Таким образом, ЖЦБД включает в себя:

· Изучение предметной области и представление соответствующей документации (1-3).

· Построение инфологической модели (4).

· Реализация (5).

· Оценка работы и поддержка БД (6).

4. Архитектура СУБД.

Рис. Главные компоненты СУБД

Данные, метаданные - содержат не только данные, но и информацию о структуре данных (метаданные ). В реляционной СУБД метаданные включают в себя системные таблицы (отношения), имена отношений, имена атрибутов этих отношений и типы данных этих атрибутов.

Часто СУБД поддерживает индексы данных. Индекс - это структура данных, которая помогает быстро найти элементы данных при наличии части их значения (например, индекс, который находит кортежи конкретного отношения, имеющие заданное значение одного из атрибутов). Индексы - часть хранимых данных, а описания, указывающие, какие атрибуты имеют индексы - часть метаданных.

Менеджер памяти -получает требуемую информацию из места хранения данных и изменяет в нем информацию по требованию расположенных выше уровней системы.

В простых системах БД менеджером памяти может служить система файлов операционной системы. Однако для повышения эффективности, СУБД обычно осуществляет прямой контроль памяти. Менеджер памяти состоит из двух компонентов:

· Менеджер файлов контролирует расположение файлов на диске и получает блок или блоки, содержащие файлы, по запросу менеджера буфера (диск в общем случае делится на дисковые блоки - смежные области памяти, содержащие от 4000 до 16000 байт).

· Менеджер буфера управляет основной памятью. Он получает блоки данных с диска через менеджер файлов и выбирает страницу основной памяти для хранения конкретного блока. Он может временно сохранять дисковый блок в основной памяти, но возвращает его на диск, когда страница основной памяти нужна для другого блока. Страницы также возвращаются на диск по требованию менеджера транзакций.

Процессор «запроса» - обрабатывает запросы и запрашивает изменения данных или метаданных. Он предлагает лучший способ выполнения необходимой операции и выдает соответствующие команды менеджеру памяти.

Процессор (менеджер) запросов превращает запрос или действие с БД, которые могут быть выполнены на очень высоком уровне (например, в виде запроса SQL ), в последовательность запросов на хранимые данные типа отдельных кортежей отношения или частей индекса на отношении. Часто самой трудной частью обработки запроса является его организация , т. е. выбор хорошего плана запроса или последовательности запросов к системе памяти, отвечающей на запрос.

Менеджер транзакций - отвечает за целостность системы и должен обеспечить одновременную обработку многих запросов, отсутствие интерференции запросов (сложение, min , max ) и защиту данных в случае выхода системы из строя. Он взаимодействует с менеджером запросов, т. к. должен знать, на какие данные воздействуют текущие запросы (для избежания конфликтных ситуаций), и может отложить некоторые запросы и операции для избежания конфликтов. Менеджер транзакций взаимодействует также с менеджером памяти, т. к. схемы защиты данных обычно включают в себя хранение файла регистрации изменений данных. При правильном порядке выполнения операции файл регистрации будет содержать запись изменений, поэтому можно заново выполнить даже те изменения, которые не достигли диска из-за сбоя в системе.

Типичные СУБД позволяют пользователю сгруппировать несколько запросов и/или изменений в одной транзакции. Транзакция - это группа операций, которые необходимо выполнить последовательно, как одно целое.

Как правило, система БД поддерживает одновременно множество транзакций. Именно правильное выполнение всех таких транзакций и обеспечивает менеджер транзакций . Правильное выполнение транзакций обеспечивается ACID -свойствами (atomicity , consistency , isolation , durability ):

· атомарность - выполнение либо всех транзакций, либо ни одной из них (например, изъятие денег из банкомата и внесение соответственного дебета в счет клиента должны быть единственной атомарной транзакцией, не допускается выполнение каждой из этих операций по отдельности);

· непротиворечивость - состояние, при котором данные соответствуют всем возможным ожиданиям (например, условие непротиворечивости для БД авиационных линий состоит в том, что ни одно из мест в самолете не бронируется для двух пассажиров);

· изоляция - при параллельном выполнении двух или более транзакций их результаты должны быть изолированы друг от друга. Одновременное выполнение двух транзакций одновременно не должно привести к результату, которого не было бы, если они выполнялись последовательно (например, при продаже билетов на один и тот же рейс в случае свободного последнего места при одновременном запросе двух агентов, запрос одного должен быть выполнен, другого - нет);

· долговременность - после завершения транзакции результат не должен бытьутрачен в случае сбоя системы, даже если этот сбой происходит сразу после завершения транзакции.

Рассмотрим также 3 типа обращения к СУБД:

1. Запросы - вопросы по поводу данных могут генерироваться двумя способами:

a) с помощью общего интерфейса запросов (например, реляционная СУБД допускает запросы SQL , которые передаются процессору запросов, а также получает ответы на них);

б) с помощью интерфейсов прикладных программ - запросы передаются через специальный интерфейс (через этот интерфейс нельзя передавать произвольные запросы);

2. Модификации - это операции по изменению данных. Они также могут выполняться либо с помощью общего интерфейса, либо через интерфейс прикладной программы;

3. Модификации схемы - это команды администраторов БД, которые имеют право изменять схему БД или создавать новую БД.

Архитектура клиент/сервер. Во многих вариантах современного ПО реализуется архитектура клиент/сервер : один процесс (клиент) посылает запрос для выполнения другому процессу (серверу). Как правило, БД часто разделяется на процесс сервера и несколько процессов клиента.

В простейшей архитектуре клиент/сервер вся СУБД является сервером, за исключением интерфейсов запроса, которые взаимодействуют с пользователем и посылают запросы или другие команды на сервер. Например, реляционная СУБД часто использует язык SQL для представления запросов от клиента к серверу. Затем сервер БД предоставляет клиенту ответ в виде таблицы (отношения). Существует тенденция увеличения нагрузки на клиента, т. к. при наличии множества одновременно работающих пользователей БД с сервером могут возникнуть проблемы.

5. Реляционная модель данных.

РМД некоторой предметной области представляет собой набор отношений, изменяющихся во времени. При создании информационной системы совокупность отношений позволяет хранить данные об объектах предметной области и моделировать связи между ними.

Отношение представляет собой двумерную таблицу, содержащую некоторые данные. Математически под N -арным отношением R понимают множество декартова произведения D 1 D 2 … D n множеств (доменов ) D 1, D 2 , …, D n (), необязательно различных:

R D 1 D 2 … D n ,

где D 1 D 2 … D n – полное декартово произведение, т.е. набор всевозможных сочетаний из n элементов каждое, где каждый элемент берется их своего домена.

Домен - это семантическое понятие. Домен можно рассматривать как подмножество значений некоторого типа данных имеющих определенный смысл. Домен характеризуется следующими свойствами:

· Домен имеет уникальное имя (в пределах базы данных).

· Домен определен на некотором простом типе данных или на другом домене.

· Домен может иметь некоторое логическое условие , позволяющее описать подмножество данных, допустимых для данного домена.

· Домен несет определенную смысловую нагрузку .

Атрибут отношения есть пара вида <Имя_атрибута: Имя_домена>. Имена атрибутов должны быть уникальны в пределах отношения. Часто имена атрибутов отношения совпадают с именами соответствующих доменов.

Отношение R , определенное на множестве доменов, содержит две части: заголовок и тело.

Заголовок отношения – это фиксированное количество атрибутов отношения:

Заголовок отношения описывает декартово произведение доменов, на котором задано отношение. Заголовок статичен, он не меняется во время работы с базой данных. Если в отношении изменены, добавлены или удалены атрибуты, то в результате получим уже другое отношение (пусть даже с прежним именем).

Тело отношения содержит множество кортежей отношения. Каждый кортеж отношения представляет собой множество пар вида <Имя_атрибута: Значение_атрибута>:

таких что значение атрибута принадлежит домену . Тело отношения представляет собой набор кортежей, т.е. подмножество декартового произведения доменов. Таким образом, тело отношения собственно и является отношением в математическом смысле слова. Тело отношения может изменяться во время работы с базой данных - кортежи могут изменяться, добавляться и удаляться.

Отношение обычно записывается в виде:

или короче

,

или просто

Число атрибутов в отношении называют степенью (или -арностью ) отношения. Мощность множества кортежей отношения называют мощностью отношения.

Схемой отношения называется перечень имен атрибутов данного отношения с указанием домена, к которому они относятся:

Если атрибуты принимают значения из одного и того же домена, то они называются -сравнимыми, где – множество допустимых операций сравнений, заданных для данного домена. Например, если домен содержит числовые данные, то для него допустимы все операции сравнения, тогда . Однако, и для доменов, содержащих символьные данные, могут быть заданы не только операции сравнения по равенству и неравенству значений. Если для данного домена задано лексикографическое упорядочение, то он имеет также полный спектр операций сравнения.

Схемы двух отношений называются эквивалентными , если они имеют одинаковую степень и возможно такое упорядочение имен атрибутов в схемах, что на одинаковых местах будут находиться сравнимые атрибуты, то есть атрибуты, принимающие значения из одного домена:

Пусть – схема отношения . – схема отношения после упорядочения имен атрибутов. Тогда

Таким образом, для эквивалентных отношений выполняются следующие условия:

· Таблицы имеют одинаковое количество столбцов.

· Таблицы содержат столбцы с одинаковыми наименованиями.

· Столбцы с одинаковыми наименованиями содержат данные из одних и тех же доменов.

· Таблицы имеют одинаковые строки с учетом того, что порядок столбцов может различаться.

Все такие таблицы есть различные изображения одного и того же отношения.

Свойства отношений. Свойства отношений непосредственно следуют из приведенного выше определения отношения. В этих свойствах в основном и состоят различия между отношениями и таблицами.

· В отношении нет одинаковых кортежей .

· Кортежи не упорядочены (сверху вниз) .

· Атрибуты не упорядочены (слева направо) .

· Все значения атрибутов атомарны .

Рис. Схематическое изображение отношения

Реляционная модель представляет собой базу данных в виде множества взаимосвязанных отношений. В каждой связи одно отношение может выступать как основное, а другое отношение выступает в роли подчиненного. Таким образом, один кортеж основного отношения может быть связан с несколькими кортежами подчиненного отношения. Для поддержки этих связей оба отношения должны содержать наборы атрибутов, по которым они связаны. В основном отношении это первичный ключ отношения , который однозначно определяет кортеж основного отношения. В подчиненном отношении для моделирования связи должен присутствовать набор атрибутов, соответствующий первичному ключу основного отношения. Однако здесь этот набор атрибутов уже является вторичным ключом или внешним ключом , т.е. он определяет множество кортежей отношения, которые связаны с единственным кортежем основного отношения.

6. Проектирование реляционных баз данных.

При проектирование реляционной БД должны быть решены следующие проблемы:

1) С учетом семантики предметной области необходимо наилучшим способом представить объекты предметной области в виде абстрактной модели данных (даталогическое проектирование). Т.е. - определиться со схемой БД: из каких отношений должны состоять БД, какие атрибуты должны быть у этих отношений, каковы связи между отношениями.

2) Обеспечить эффективность выполнения запросов к базе данных (физическое проектирование БД).

После проведения этапа даталогического проектирования должны быть получены следующие результирующие документы:

· Построение корректной схемы данных ориентируясь на реляционную модель данных.

· Описание схемы БД в терминах выбранной СУБД.

· Описание внешних моделей в терминах выбранной СУБД.

· Описание декларативных правил поддержки целостности БД.

· Разработка процедур поддержки семантической целостности БД.

Итак, задача проектирования реляционной БД состоит в выборе схемы базы из множества альтернативных вариантов.

Корректной называется схема БД, в которой отсутствуют нежелательные зависимости между атрибутами отношений. Процесс разработки корректной схемы БД называется логическим проектированием .

Проектирование схемы БД можно выполнить двумя методами:

· Метод декомпозиции (разбиения) – исходное множество отношений, входящих в схему БД заменяется другим множеством отношений, являющихся проекциями исходных отношений! При этом число отношений возрастает.

· Метод синтеза – компоновка схемы БД из заданных исходных элементарных зависимостей между объектами предметной области.

Классическое проектирование БД связано с теорией нормализацией , которая основана на анализе функциональных зависимостей между атрибутами отношений. Функциональные зависимости определяют устойчивые отношения между объектами и их свойствами в рассматриваемой предметной области.

Метод декомпозиции представляет собой процесс последовательной нормализации схем отношений: каждая новая итерация соответствует нормальной форме более высокого порядка и обладает лучшими свойствами по сравнению с предыдущей. Т.о., изначально предполагается существование универсального отношения, содержащего все атрибуты БД, затем на основе анализа связей между атрибутами осуществляется (или – делается попытка осуществить) декомпозиция универсального отношения, т.е. переход к нескольким отношениям меньшей размерности, причем исходное отношение должно восстанавливаться с помощью операции естественного соединения.

Итак, каждой нормальной форме соответствует некоторый определенный набор ограничений, и отношений находится в некоторой нормальной форме, если удовлетворяет свойственному ей набору ограничений.

В теории реляционных БД обычно выделяют следующие нормальные формы:

первая нормальная форма (1 NF );

· вторая нормальная форма (2 NF );

· третья нормальная форма (3 NF );

· нормальная форма Байса-Кодда (BCNF );

· четвертая нормальная форма (4 NF );

· пятая нормальная форма или форма проекции - соединения (5 NF или PYNF ).

Основные свойства нормальных форм:

· каждая следующая нормальная форма в некотором смысле лучше предыдущей;

· при переходе к следующей нормальной форме свойства предыдущих нормальных свойств сохраняются.

Схемы БД называются эквивалентными , если содержание исходной БД можно получить естественным соединением отношений, входящих в результирующую схему, и при этом не появляется новых кортежей в исходной БД.

7. Нормальные формы отношений.

В основе процесса нормализации лежит адекватное отражение предметной области в виде таблиц, содержащих данные о моделируемом объекте, и возможность изменения состояния базы данных с течением времени. Как правило, из-за несоответствия модели данных предметной области могут возникнуть аномалии, которые проявляются при выполнении соответствующих операций:

· Аномалии вставки (INSERT) – хранение в одном отношении разнородной информации.

· Аномалии обновления (UPDATE) –избыточность данных отношения из-за хранения разнородной.

· Аномалии удаления (DELETE) – хранение разнородной информации в одном отношении.

Следует учитывать также возникающие неопределенные ( NULL ) значения . В разных СУБД при выполнении различных операций (сравнение, объединение, сортировка, группировка и др.) два NULL -значения могут быть или не быть равными друг другу, по разному влиять на результат выполнения операций по определению средних значений и нахождения количества значений. Для исключения ошибок во многих СУБД существует возможность замены NULL -значения нулем при выполнении расчетов, объявление всех NULL -значений равными друг другу и т.п.

Нормализация – разбиение таблицы на несколько, которые обладают лучшими свойствами при обновлении, вставке и удалении данных. Т.е. нормализация представляет собой процесс последовательной замены таблицы ее полными декомпозициями до тех пор, пока все они не будут находиться в 5НФ, однако, на практике достаточно привести таблицы к НФБК.

Процедура нормализации основывается на том, что единственными функциональными зависимостями в любой таблице должны быть зависимости вида , где - первичный ключ, а - некоторое другое поле. Поэтому в процессе нормализации следует избавиться от всех "других" функциональных зависимостей, т.е. от тех, которые имеют иной вид, чем .

Если заменить на время нормализации коды первичных (внешних) ключей, то следует рассмотреть 2 случая:

1. Таблица имеет составной первичный ключ, например и поле , которое функционально зависит от части этого ключа, например, от (от полного ключа не зависит). Рекомендуется сформировать другую таблицу, содержащую и ( – первичный ключ), и удалить из первоначальной таблицы:

Заменить , первичный ключ , ФЗ

на , первичный ключ

и , первичный ключ .

2. Таблица имеет первичный (возможный) ключ , поле , которое не является возможным ключом, но функционально зависит от , а также – другое неключевое поле , функционально зависящее от : . Рекомендуется сформировать таблицу содержащую и ( - первичный ключ), и – удалить из первоначальной таблицы: Следует заметить, что для проведения таких операций первоначально следует иметь, в качестве входных данных некоторые «большие» (универсальные) отношения.

Опр.1. Отношение находится в первой нормальной форме (1НФ) тогда и только тогда, когда ни одна из его строк не содержит в любом своем поле одного значения и ни одного из ключевых полей отношения не пусто.

По опр.1, любое отношение будет находиться в 1НФ, т.е. отношение, удовлетворяющее свойствам отношений: в отношении нет одинаковых кортежей; кортежи не упорядочены; атрибуты не упорядочены и различаются по наименованию; все значения атрибутов атомарны.

Опр.2. Отношение находится во второй нормальной форме (2НФ) тогда и только тогда, когда отношение находится в 1НФ и нет неключевых атрибутов, зависящих от части сложного ключа (т.е. все поля, не входящие в первичный ключ, связаны полной функциональной зависимостью с первичным ключом).

Если потенциальный ключ является простым, то отношение автоматически находится в 2НФ.

Чтобы устранить зависимость атрибутов от части сложного ключа, необходимо произвести декомпозицию отношения на несколько отношений. Атрибуты, которые зависят от части сложного ключа, выносятся в отдельное отношение.

Атрибуты отношения называются взаимно-независимыми , если ни один из них не является функционально зависимым от другого.

Опр.3. Отношение находится в третьей нормальной форме (3НФ) тогда и только тогда, когда отношение находятся в 2НФ и все неключевые атрибуты взаимно независимы (т.е. ни одно из неключевые полей отношения не зависит функционально от любого другого неключевого поля).

Чтобы устранить зависимость неключевых атрибутов, нужно произвести декомпозицию отношения на несколько отношений. При этом те неключевые атрибуты, которые являются зависимыми, выносятся в отдельное отношение.

При приведении отношений при помощи алгоритма нормализации к отношениям в 3НФ предполагается, что все отношения содержат один потенциальный ключ. Это не всегда верно. Бывают случаи, когда отношение может содержать несколько ключей.

Опр.4. Отношение находится в нормальной форме Байса-Кодда (НФБК) тогда и только тогда, когда детерминанты всех функциональных зависимостей являются потенциальными ключами (либо - если любая функциональная зависимость между его палями сводится к полной функциональной зависимости от возможного ключа).

Если отношение находится в НФБК, то оно автоматически находится в 3НФ, что следует из определения 4. Чтобы устранить зависимость от детерминантов, не являющихся потенциальными ключами, следует провести декомпозицию, вынося эти детерминанты и зависимые от них части в отдельное отношение.

Бывают случаи, когда отношение не содержит никаких функциональных зависимостей. Т.е. отношение является полностью ключевым, т.е. ключом отношения является все множество атрибутов. Т.о., мы имеем многозначную зависимость, т.к. взаимосвязь между атрибутами все-таки имеется.

Опр.5. Отношение находится в четвертой нормальной форме (4НФ) тогда и только тогда, когда отношение находится в НФБК и не содержит нетривиальных многозначных зависимостей.

Отношения с нетривиальными многозначными зависимостями возникают, как правило, в результате естественного соединения двух отношений по общему полю, которое не является ключевым ни в одном из отношений. Реально это ведет к хранению в одном отношении информации о двух независимых сущностях.

Для устранения нетривиальных многозначных зависимостей можно декомпозировать исходное отношение на несколько новых.

Опр.6. Отношение находится в пятой нормальной форме (5НФ) тогда и только тогда, когда любая имеющаяся зависимость соединения является тривиальной.

Опр.6. тождественно также следует определению.

Опр.7. Отношение не находится в 5НФ, если в отношении найдется нетривиальная зависимость соединения.

Т.о. если в каждой полной декомпозиции все проекции исходного отношения содержат возможный ключ, можно сделать вывод о том, что отношение находится в 5НФ. Отношение, не имеющее ни одной полной декомпозиции также находится в 5НФ.

Не зная ничего о том, какие потенциальные ключи имеются в отношении и как взаимосвязаны атрибуты, нельзя утверждать, что данное отношение находится в 5НФ или в других нормальных формах.

Возможным ключом отношения называется набор атрибутов отношения, который полностью и однозначно (функционально полно) определит значения всех остальных атрибутов отношения. В общем случае в отношении может быть несколько возможных ключей. Среди всех возможных ключей отношения как правило выбирают один, который считается главным и который называют первичным ключом отношения.

Взаимно-независимые атрибуты – это атрибуты, не зависящие один от другого. Если в отношение существует несколько ФЗ, то каждый атрибут или набор атрибутов, от которого зависит другой атрибут, называется детерминантом отношения.

9. Реляционная алгебра.

Реляционная алгебра представляет собой основу доступа к реляционным данным. Основная цель алгебры – обеспечить запись выражений. Выражения могут использоваться для:

· определения области выборки , т.е. определения данных для их выбора, как результата операции выборки;

· определения области обновления , т.е. определения данных для их вставки, изменения или удаления, как результата операции обновления;

· определение (именованных) виртуальных отношений , т.е. представление данных для их визуализации через представления;

· определение снимка, т.е. определение данных для сохранения в виде «мгновенного снимка» отношения;

· определение правил безопасности, т.е. определение данных, для которых осуществляется контроль доступа;

· определение требований устойчивости, т.е. определение данных, которые входят в область для некоторых операций управления одновременным доступом;

· определение правил целостности, т.е. некоторых особых правил, которым должна удовлетворять база данных, наряду с общими правилами, представляющими часть реляционной модели и применяемыми к каждой базе данных.

В реализациях конкретных реляционных СУБД сейчас не используется в чистом виде ни реляционная алгебра, ни реляционное исчисление. Фактическим стандартом доступа к реляционным данным стал язык SQL (Structured Query Language).

Реляционная алгебра, определенная Коддом состоит из 8 операторов, составляющих 2 группы:

• традиционные операции над множествами (объединение, пересечение, вычитание, декартово произведение);
• специальные реляционные операции (выборка, проекция, соединение, деление).

Кроме того, в состав алгебры включается операция присваивания, позволяющая сохранить в базе данных результаты вычисления алгебраических выражений, и операция переименования атрибутов, дающая возможность корректно сформировать заголовок (схему) результирующего отношения.

Краткий обзор операторов реляционной алгебры.

Выборка – возвращает отношение, которое содержит все кортежи определенного отношения, удовлетворяющие некоторым условиям. Операция выборки называется также операцией ограничения (restrict - ограничение, сейчас чаще принимается выборка - SELECT ).

Проекция – возвращает отношение, содержащее все кортежи (т.е. - под кортежи) определенного отношения после исключения из него некоторых атрибутов.

Произведение – возвращает отношение, содержащее всевозможные кортежи, которые являются сочетанием двух кортежей, принадлежащих соответственно двум определенным отношениям.

Объединение – возвращает отношение, содержащее все кортежи, которые принадлежат или одному из двух определенных отношений, или обоим.

Пересечение – возвращает отношение, содержащее все кортежи, которые принадлежат одновременно двум определенным отношениям.

Вычитание – возвращает отношение, содержащее все кортежи, которые принадлежат первому из двух определенных отношений и не принадлежат второму.

Соединение (естественное) – возвращает отношение, кортежи которого - это сочетание двух кортежей (принадлежащих соответственно двум определенным отношениям), имеющих общее значение для одного или нескольких общих атрибутов этих двух отношений (и такие общие значения в результирующем кортеже появляются только один раз, а не дважды).

Деление – для двух отношений, бинарного и унарного, возвращает отношение, содержащее все значения одного атрибута бинарного отношения, которые соответствуют (в другом атрибуте) всем значениям в унарном отношении.

ЛИТЕРАТУРА

1. Дейт К.Дж. Введение в системы баз данных, 6-е издание: Пер. с англ. – К.; М.; СПб.: Издательский дом «Вильямс», 2000. – 848 с.

2. Конноли Т., Бегг К., Страчан А. Базы данных: проектирование, реализация и сопровождение. Теория и практика, 2-е изд.: Пер. с англ. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2000. – 1120 с.

3. Карпова Т.С. Базы данных: модели, разработка, реализация. – СПб.: Питер, 2001. – 304 с.

4. Фаронов В.В., Шумаков П.В. Delphi 4. Руководство разработчика баз данных. – М.: «Нолидж», 1999. – 560 с.

5. Дж. Грофф, П.Вайнберг. SQL: Полное руководство: Пер. с англ. – К.: Издательская группа BHV, 2001. – 816 с.

6. Кен Гетц, Пол Литвин, Майк Гилберт. Access 2000. Руководство разработчика. Т.1, 2. Пер. с англ. – К.: Издательская группа BHV, 2000. – 1264 с, 912 c.

7. Маклаков С.В BPwin и EPwin. CASE-средства разработки информационных систем. – М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2001. – 304 с.

8. Ульман Д., Уидом Д. Введение в системы баз данных / Пер. с англ. – М.: «Лори», 2000. – 374 с.

9. Хомоненко А.Д., Цыганков В.М., Мальцев М.Г. Базы данных: Учебник для высших учебных заведений / Под ред. Проф. А.Д.Хомоненко. – Спб.: КОРОНА принт, 2000. – 416 с.