Принципы организации баз данных

Классификация БД

По технологии обработки БД подразделяются на централизованные и распределённые.

Централизованная БД хранится в памяти одной вычислительной системы. Эта вычислительная система м.б. мэйнфреймом - тогда доступ к ней организуется с использованием терминалов - или файловым сервером локальной сети ПК

Распределенная БД состоит из нескольких, возможно, пересекающихся или даже дублирующих друг друга частей, которые хранятся в различных ЭВМ вычислительной сети. Работа с такой базой осуществляется с помощью системы управления распределенной БД (СУБД).

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

Для всех современных Бд можно организовать сетевой доступ с многопользовательским режимом работы.

Централизованные БД с сетевым доступом могут иметь следующую архитектуру:

• файл-сервер
• клиент-сервер БД
• "тонкий клиент" - сервер приложений - сервер БД (трехуровневая архитектура)

Файл-сервер. Архитектура БД с сетевым доступом предполагает выделение одной из машин в качестве центральной (файловый сервер). На этот компьютер устанавливается операционная система (ОС) для выделенного сервера (например, Windows Server). На нём же хранится совместно используемая централизованная БД в виде одного или группы файлов. Все другие компьютеры выполняют функции рабочих станций. Файлы БД в соответствии с пользовательскими запросами передаются на рабочие станции, где и производится обработка информации. При большой интенсивности доступа к одним и тем же данным производительность информационной системы падает. Пользователи могут создавать также локальные БД на рабочих станциях.

Клиент-сервер. В этой архитектуре на выделенном сервере, работающем под управлением серверной операционной системы, устанавливается специальное программное обеспечение (ПО) - сервер БД, например Microsoft SQL Server или Oracle. СУБД подразделяется на две части: клиентскую и серверную. Основа работы сервера БД - использование языка запросов (SQL). Запрос на языке SQL, передаваемый клиентом (рабочей станцией) серверу БД. порождает поиск и извлечение данных на сервере. Извлеченные данные транспортируются по сети от сервера к клиенту. Тем самым, количество передаваемой по сети информации уменьшается во много раз. 

Трехуровневая архитектура функционирует в Интернет-сетях. Клиентская часть ("тонкий клиент"), взаимодействующая с пользователем, представляет собой HTML-страницу в Web-браузере или Windows-приложение, взаимодействующее с Web-сервисами. Вся программная логика вынесена на сервер приложений, который обеспечивает формирование запросов к БД, передаваемых на выполнение серверу БД. Сервер приложений может быть Web-сервером или специализированной программой (например, Oracle Forms Server).

Ранние подходы к организации БД

Иерархические БД

В основе данной модели - иерархическая модель данных. В этой модели имеется один главный объект и остальные - подчиненные - объекты, находящиеся на разных уровнях иерархии. Взаимосвязи объектов образуют иерархическое дерево с одним корневым объектом. 

Иерархическая БД состоит из упорядоченного набора нескольких экземпляров одного типа дерева. Автоматически поддерживается целостность ссылок между предками и потомками. Основное правило: никакой потомок не может существовать без своего родителя

Типичным представителем (наиболее известным и распространённым) является Information Managment System (IMS) фирмы (IBM). Первая версия появилась в 1968г. До сих пор поддерживается много БД этой системы.

Сетевые БД

Сетевой подход к организации данных является расширением иерархического. В иерархических структурах запись-потомок должна иметь в точности одного предка; в сетевой структуре данных потомок может иметь любое число предков.

В сетевой модели данных любой объект может быть одновременно и главным, и подчиненным, и может участвовать в образовании любого числа взаимосвязей с другими объектами. Сетевая БД состоит из набора записей и набора связей между этими записями, а если говорить более точно - из набора экземпляров каждого типа из заданного в схеме БД набора типов записи и набора экземпляров каждого типа из заданного набора типов связи

Типичным представителем является Integrated Database Management System (IDMS), предназначенная для использования на машинах основного класса фирмы IBM под управлением большинства операционных систем.

Современные БД

Реляционные системы

Реляционная модель данных основывается на математических принципах, вытекающих непосредственно из теории множеств и логики предикатов. Эти принципы впервые были применены в области моделирования данных в конце 1960-х гг. доктором Е.Ф. Коддом, в то время работавшим в IBM, а впервые опубликованы - в 1970-х г.

Доктор Кодд определил 12 правил реляционной модели (которые называют 12 правилами Кодда).

12 правил Кодда

       0. Реляционная СУБД должна быть способна полностью управлять БД через ее      реляционные возможности

1. Информационно правило - вся информация в реляционной БД (включая имена таблиц и столбцов) должна определяться строго как значения в таблицах
2. Гарантированный доступ - любое значение в реляционной БД должно быть гарантированно доступно для использования через комбинацию имени таблицы, значения первичного ключа и имени столбца
3. Поддержка пустых значений (null value) - СУБД должна уметь работать с пустыми значениями (неизвестными или неиспользованными значениями), в отличие от значений по умолчанию и независимо для любых доменов
4. Онлайновый реляционный каталог - описание БД и ее содержания должны быть представлены на логическом уровне как таблицы, к которым можно применять запросы, используя язык БД
5. Исчерпывающий язык управления данными - по крайней мере, один из поддерживаемых языков должен иметь четко определенный синтаксис и быть всеобъемлющим. Он должен поддерживать описание структуры данных и манипулирование ими, правила целостности, авторизацию и транзакции.
6. Правило обновления представления (views) - все представления, теоретически обновляемые, могут быть обновлены через систему
7. Вставка, обновление и удаление - СУБД поддерживает не только запрос на отбор данных, но и вставку, обновление и удаление
8. Физическая независимость данных - на программы-приложения и специальные программы логически не влияют изменения физических методов доступа к данным и структур хранилищ данных
9. Логическая независимость данных - на программы-приложения и специальные программы логически не влияют, в пределах разумного, изменения структур таблиц
10. Независимость целостности - язык БД должен быть способен определять правила целостности. Они должны сохраняться в онлайновом справочнике, и не должно существовать способа их обойти
11. Независимость распределения - на программы-приложения и специальные программы логически не влияет, первый раз используются данные или повторно
12. Неподрывность - невозможность обойти правила целостности, определенные через язык БД, использованием языков низкого уровня

Кодд предложил применение реляционной алгебры в СУРБД, для расчленения данных в связанные наборы. Он организовал свою систему Бд вокруг концепции, основанной на наборах данных.

В реляционной модели данные разбиваются на наборы, которые составляют табличную структуру. Эта структура таблиц состоит из индивидуальных элементов данных, называемых полями. одиночный набор или группа полей известна как запись.

Модель данных. или концептуальное описание предметной области - самый абстрактный уровень проектирования баз данных.

С точки зрения теории реляционных БД, основные принципы реляционной модели на концептуальном уровне можно сформулировать следующим образом:

• все данные представляются в виде упорядоченной структуры, определенной в виде строк и столбцов и называемой отношением
• все значения являются скалярами. Это означает, что для любой строки и столбца любого отношения существует одно и только одно значение
• все операции выполняются над целым отношением. и результатом их выполнения также является целое отношение.  Этот принцип называется замыканием

Формулируя принципы реляционной модели, доктор Кодд выбрал термин "отношение" (relation), потому что, по его мнению, этот термин однозначен ( в то время как, например, термин "таблица" имеет множество различных видов - таблица в тексте, электронная таблица и пр.). Весьма распространено следующее заблуждение: реляционная модель названа так потому, что она определяет связи между таблицами. На самом деле, название этой модели происходит от отношений (таблиц БД), лежащих в её основе.

Каждая строка, содержащая данные, называется кортежем, каждый столбец отношения называется атрибутом (на уровне практической работы используются термины "запись" и "поле")

Элементами описания реляционной модели данных на концептуальном уровне являются сущности, атрибуты, домены и связи.

Сущность - некоторый обособленный объект или событие, информацию о котором необходимо сохранять в БД, имеющий определенный набор свойств - атрибутов. 

Атрибуты сущности бывают:

1. Идентифицирующие и описательные. Идентифицирующие атрибуты имеют уникальное значение для сущностей данного типа и являются потенциальными ключами. Они позволяют однозначно распознавать экземпляры сущности. Из потенциальных ключей выбирается один первичный ключ (ПК). В качестве ПК обычно выбирается потенциальный ключ, по которому чаще происходит обращение к экземплярам записи. ПК должен включать в свой состав минимально необходимое для идентификации количество атрибутов.Остальные атрибуты называются описательными.
2. Простые и составные. Простой атрибут состоит из одного компонента, его значение неделимо. Составной атрибут является комбинацией нескольких компонентов, возможно, принадлежащих разным типам данных. решение о том, использовать составной атрибут или разбивать его на компоненты, зависит от особенностей процессов его использования и может быть связано с обеспечением высокой скорости работы с большими БД.
3. Однозначные и многозначные - могут иметь соответственно одно или много значений для каждого экземпляра сущности
4. Основные и производные. Значение основного атрибута не зависит от других атрибутов. Значение производного атрибута вычисляется на основе значений других атрибутов.

Спецификация атрибута состоит из его названия, указания типа данных и описания ограниченной целостности - множества значений (или домена), которые может принимать данный атрибут.

Домен - это набор всех допустимых значений, которые может содержать атрибут. Понятие "домен" часто путают с понятием "тип данных". Необходимо различать эти два понятия. Тип данных - это физическая концепция, а домен - логическая. Например, "целое число" - это тип данных. а "возраст" - это домен.

Связи - на концептуальном уровне представляют собой простые ассоциации между сущностями.

Существует несколько типов связей между двумя сущностями: это связи "один к одному", "один ко многим" и "многие ко многим".

Каждая связь в реляционной модели характеризуется именем, обязательностью, типом и степенью. Различают факультативные и обязательные связи. Если сущность одного типа оказывается по необходимости связанной с сущностью другого типа, то между этими типами объектов существует обязательная связь (обозначается двойной линией). Иначе связь является факультативной.

Степень связи определяется количеством сущностей, которые охвачены данной связью. Пример бинарной связи - связь между отделом и сотрудниками, которые в нем работают.

Диаграмма "сущности-связи" (Entity-Relationship diagrams, или E/R diagram) служит для описания схемы базы на концептуальном уровне проектирования. Метод был предложен в 1976г. Питером Пин Шань Ченом. На диаграммах "сущности-связи" сущности изображаются в виде прямоугольников, атрибуты - в виде эллипсов, а связи - в виде ромбов

В дальнейшем многими авторами были разработаны свои варианты подобных моделей (нотация Мартина, нотация IDEF1X, нотация Баркера и др.). По сути все варианты диаграмм "сущность-связь" исходят из одной идеи - рисунок всегда нагляднее текстового описания. Все такие диаграммы используют графическое изображение сущностей предметной области, их свойств (атрибутов), и взаимосвязей между сущностями.

Проектирование схемы БД должно решать задачи минимизации дублирования данных, упрощения и ускорения процедур их обработки и обновления. При неправильно спроектированной схеме БД могут возникнуть аномалии модификации данных. Для решения подобных проблем проводится нормализация отношений.

Однако а технологии работы с хранилищами данных может использоваться обратный прием - денормализация отношений с целью увеличения скорости выполнения запросов к очень большим объемам архивных данных.

В рамках реляционной модели данных Э.Ф.Коддом были разработаны принципы нормализации отношений и предложен механизм, позволяющий любое отношение преобразовать к третьей нормальной форме.

Нормализация - это формальный метод анализа отношений на основе их первичного ключа и существующих связей. Ее задача - это замена одной схемы (или совокупности отношений) БД другой схемой, в которой отношения имеют более простую и регулярную структуру. 

При работе с реляционной моделью для создания отношений приемлемого качества достаточно выполнения требований первой нормальной формы. 

Первая нормальная форма (1НФ) связана с понятиями простого и сложного атрибутов. Простой атрибут - это атрибут, значения которого атомарны (т.е. неделимы). Сложный атрибут может иметь значение, представляющее собой объединение нескольких значений одного или разных доменов. В первой нормальной форме устраняются повторяющиеся атрибуты или группы атрибутов, т.е. производится выявление неявных сущностей, "замаскированных" под атрибуты.

Отношение приведено к 1НФ, если все его атрибуты - простые, т.е. значение атрибута не должно быть множеством или повторяющейся группой. 

Для приведения таблиц к 1НФ необходимо разбить сложные атрибуты на простые, а многозначные атрибуты вынести в отдельные отношения.

Вторая нормальная форма (2НФ) применяется к отношениям с составными ключами (состоящими из двух и более атрибутов) и связана с понятием функциональной зависимости.

Если в любой момент времени каждому значению атрибута А соответствует единственное значение атрибута В, то В функционально зависит от А (А->В). Атрибут (группа атрибутов) А называется детерминантом.

Во второй нормальной форме устраняются атрибуты, зависящие только от части уникального ключа. Эта часть уникального ключа определяет отдельную сущность.

Отношение находится во 2НФ, если оно приведено к 1НФ и каждый неключевой атрибут функционально полно зависит от составного первичного ключа.

Третья нормальная форма (3НФ) связана с понятием транзитивной зависимости. Пусть А, В, С - атрибуты некоторого отношения. При этом А -> В и В -> С, но обратное соответствие отсутствует, т.е. С не зависит от В или В не зависит от А. Тогда говорят, что С транзитивно зависит от А (А -> -> С)

В  третьей нормальной форме устраняются атрибуты, которые зависят от атрибутов, не входящих в уникальный ключ. Эти атрибуты являются основой отдельной сущности.

Отношение находится в 3НФ. если оно находится во 2НФ и не имеет атрибутов, не входящих в первичный ключ и находящихся в транзитивной зависимости от первичного ключа. 

Существуют также нормальная форма Бойса-Кодда (НФБК), 4НФ и 5НФ. Однако наибольшее значение имеет 1НФ, т.к. последующие НФ связаны с понятием о составных ключах и сложных зависимостях от ключей, а на практике встречаются обычно более простые случаи.

Моделирование структуры базы данных при помощи алгоритма нормализации имеет серьезные недостатки:

1. Методика нормализации предполагает первоначальное размещение всех атрибутов проектируемой предметной области в одном отношении, что является очень неестественной операцией. Даже если совершить насилие над собой и создать одно или несколько отношений, включив в них все предполагаемые атрибуты, то совершенно неясен смысл полученного отношения.
2. Невозможно сразу определить полный список атрибутов. Пользователи имеют привычку называть разными именами одни и те же вещи или наоборот, называть одними именами разные вещи
3. Для проведения процедуры нормализации необходимо выделить зависимости атрибутов, что тоже очень нелегко.

В реальном проектировании структуры БД применяются другой метод - так называемое семантическое моделирование. Семантическое моделирование представляет собой моделирование структуры данных, опирающееся на смысл этих данных. В качестве инструмента семантического моделирования используются различные варианты диаграмм "сущность-связь (ERD)" с построением концептуальной модели БД.

Любой специалист, освоивший общие принципы оптимальной организации реляционных БД, в состоянии построить модель, не противоречащую принципам нормализации. 

Реляционная БД на физическом уровне состоит из таблиц, между которыми могут существовать связи по ключевым значениям. Одновременно с таблицами и информацией о связях в реляционной БД могут присутствовать "хранимые процедуры" и, в частности, "триггеры", обеспечивающие соблюдение условий ссылочной целостности базы.

Соблюдение условий ссылочной целостности в реляционной БД

Правило соответствия внешних ключей первичным - основное правило соблюдения условий ссылочной целостности. Для каждого значения внешнего ключа должно существовать соответствующее значение первичного ключа в родительской таблице

Ссылочная целостность может нарушиться в результате операций (добавления), обновления и удаления записей в таблицах. В определении ссылочной целостности участвуют две таблицы - родительская и дочерняя, для каждой из них возможны эти операции, поэтому существует шесть различных вариантов, которые могут привести либо не привести к нарушению ссылочной целостности.

Для родительской таблицы: 

• Вставка. Возникает новое значение первичного ключа. Существование записей в родительской таблице, на которые нет ссылок из дочерней таблицы, допустимо, операция не нарушает ссылочной целостности.
• Обновление. Изменение значения первичного ключа в записи может привести к нарушению ссылочной целостности.
• Удаление. При удалении записи удаляется значение первичного ключа. Если есть записи в дочерней таблице, ссылающиеся на ключ удаляемой записи, то значения внешних ключей станут некорректными. Операция может привести к нарушению ссылочной целостности.

Для дочерней таблицы:

• Вставка. Нельзя вставить запись в дочернюю таблицу, если для новой записи значение внешнего ключа некорректно. Операция может привести к нарушению ссылочной целостности.
• Обновление. При обновлении записи в дочерней таблице можно попытаться некорректно изменить внешнего ключа. Операция может привести к нарушению ссылочной целостности. 
• Удаление. При удалении записи в дочерней таблице ссылочная целостность не нарушается. 

Таким образом, ссылочная целостность в принципе может быть нарушена при выполнении одной из четырех операций: 

1. Обновление записей в родительской таблице
2. Удаление записей в родительской таблице
3. Вставка записей в дочерней таблице
4. Обновление записей в дочерней таблице

Основные стратегии поддержания ссылочной целостности

Существуют две основные стратегии поддержания ссылочной целостности

RESTRICT (ОГРАНИЧИТЬ) - не разрешать выполнение операции, приводящей к нарушению ссылочной целостности.

CASCADE (КАСКАДНОЕ ИЗМЕНЕНИЕ) - разрешить выполнение требуемой операции, но внести при этом необходимые изменения в связанных таблицах так, чтобы не допустить нарушения ссылочной целостности и сохранить все имеющиеся связи. Изменение начинается в родительской таблице и каскадно выполняется в дочерних таблицах. В реализации этой имеется одна тонкость, заключающаяся в том, что дочерние таблицы сами могут быть родительскими для некоторых третьих таблиц. При этом может дополнительно потребоваться выполнение какой-либо стратегии и для этой связи и т.д. Если при этом какая-либо из каскадных операций (любого уровня) не может быть выполнена, то необходимо отказаться от первоначальной операции и вернуть базу данных в исходное состояние. Это сложная стратегия, но она не нарушает связей между родительскими и дочерними таблицами.
Эти стратегии являются стандартными и присутствуют во всех СУБД, в которых имеется поддержка ссылочной целостности.

Дополнительные стратегии поддержания ссылочной целостности

IGNORE (ИГНОРИРОВАТЬ) - разрешить выполнять операцию без проверки ссылочной целостности. В этом случае в дочерней таблице могут появляться некорректные значения внешних ключей, вся ответственность за целостность БД ложится на программиста или пользователя.

SET NULL (ЗАДАТЬ ЗНАЧЕНИЕ NULL) - разрешить выполнение требуемой операции, но все возникающие некорректные значения внешних ключей изменять на null-значения. Эта стратегия имеет два недостатка. Во-первых, для нее требуется разрешение на использование null-значений. Во-вторых, записи дочерней таблицы теряют связь с записями родительской таблицы. Установить, с какой записью родительской таблицы были связаны измененные записи дочерней таблицы, после выполнения операции уже нельзя.

SET DEFAULT (ЗАДАТЬ ЗНАЧЕНИЕ ПО УМОЛЧАНИЮ) - разрешить выполнение требуемой операции, но все возникающие некорректные значения внешних ключей изменять на некоторое значение, принятое по умолчанию. Достоинство этой стратегии по сравнению с предыдущей в том, что она позволяет не пользоваться  null-значениями. Установить, с какими записями родительской таблицы были связаны измененные записи дочерней таблицы, после выполнения операции уже нельзя. 

Все СУБД для ПК можно подразделить на 3 вида: 

1. Системы управления БД в буквальном смысле этого термина, для которых работа с базами возможна только после запуска в работу этой системы без возможности создания автономных программ, работающих с базами. К этим системам относятся: Access, Paradox, dBase.
2. Системы, имеющие как средства для работы с БД, так и возможности разработки исполняемых в операционной системе пользовательских программ (приложений), т.е. средства разработчика программ - FoxPro.
3. Системы для разработки пользовательских программ для работы с БД - Clipper, Clarion.

Все подобные СУБД имеют в своем составе средства для: 

• создания БД и модификации их структуры; создания индексных файлов
• работы с базами в табличном формате или в виде стандартной формы с расположением полей построчно; при этом возможно редактирование данных, добавление записей, удаление записей, работа с данными из нескольких таблиц базы, вычисление сложных выражений для заданных условий и пр
• разработки экранных форм, имеющих, кроме редактируемых полей, связанных с базой данных или с переменными памяти, также элементы управления разного вида в виде кнопок; более сложные объекты типа раскрывающихся списков и пр.
• генерации печатных форм - отчетов сложной структуры с группировкой данных, с получением расчетных значений и итогов по группам и общих итогов (сумма, количество, среднее, максимальное, минимальное и пр.)
• разработки программных модулей для сложной обработки данных
• генерации запросов очень сложной структуры - с использованием данных из различных баз, заданием сложных условий отбора данных, сортировки и группировки данных
• разработки программных модулей для сложной обработки данных
• генерации запросов очень сложной структуры - с использованием данных из различных баз, заданием сложных условий отбора данных, сортировки и группировки данных
• в системах, ориентированных на разработчика, дополнительно возможны разработка меню, справочной системы и проекта, включающего все перечисленные выше компоненты и компилирующего в исполняемую программу

Важными факторами, определяющими выбор СУБД являются:

1. Формат БД, обеспечивающий возможность обмена информацией с другими приложениями операционной системы. Одним из самых распространенных форматов является dbf-формат, с которым работают dBase, FoxBase, FoxPro, Visual FoxPro, Clipper. Его "понимают" все приложения MS Office. Данные из этих баз можно переносить в Word, Excel, Access. Свои собственные форматы данных имеют Clarion, Paradox, Access.
2. Обеспечение секретности и конфиденциальности данных - имеют системы, не ориентированные на разработчика программ: Access, Paradox. Однако этот фактор может быть реализован при хранении данных на выделенном сервере, где права различных пользователей легко разграничить.

Все современные СУБД поддерживают режимы работы в локальной сети многих пользователей с одной БД. Некоторые имеют "мастеров", "построителей" и "генераторов выражений" для ускоренной разработки БД, экранных форм, отчетов, стандартных приложений.

Последние версии СУБД, разработанные для работы в OC Windows 95, относятся к классу RAD-систем (Rapid Application Development) - средства быстрой разработки приложений - и имеют объектно-ориентированный язык программирования. Это такие системы, как Visual FoxPro, MS Access, Visual dBase и другие.

Постреляционные БД

В настоящее время известны также так называемые "постреляционные" СУБД, в основе которых лежат модель данных в виде многомерных таблиц и широкое использование принципов объектно-ориентированного подхода при организации БД и программировании.

Серверы БД 

В локальных и глобальных компьютерных сетях широко применяются серверы: компьютеры и программные средства для обслуживания клиентов - рабочих станций и/или других серверов

Примерами серверов могут быть:

• файловый сервер, поддерживающий общее хранилище файлов для всех рабочих станций
•  интернет- сервер, обеспечивающий предоставление информации в глобальной сети Интернет
• почтовый сервер, обеспечивающий работу с электронной почтой
• сервер БД - СУБД, которая принимает запросы по локальной сети и возвращает информацию, соответствующую запросу

Термин "сервер БД" обычно используют для обозначения всей СУБД, основанной на архитектуре "клиент-сервер", включая серверную и клиентскую части. Наиболее распространенными серверами являются в настоящее время Microsoft SQl Server, Oracle, IBM DB2 Universal DataBase, Informix и др. Размер одной БД на этих серверах может достигать миллиона терабайт.

Распределенные БД

Основная задача систем управления распределенными БД состоит в обеспечении средства интеграции локальных БД, располагающихся в некоторых узлах вычислительной сети, с тем, чтобы пользователь, работающий в любом узле сети, имел доступ ко всем этим базам данных как к единой базе.

Возможны однородные и неоднородные распределенные БД. В однородном случае каждая локальная БД управляется одной и той же СУБД. В неоднородной системе локальные БД могут относиться даже к разным моделям данных. Сетевая интеграция неоднородных БД - очень сложная проблема. Многие решения известны на теоретическом уровне, но пока не удается справиться с главной проблемой: недостаточной эффективностью интегрированных систем. Этому в большой степени способствует стандартизация языка SQL.

Примером распределенной СУБД может служить System R*. В данной системе разработчики прикладных программ и конечные пользователи остаются в среде языка SQL. Возможность использования SQL основывается на обеспечении  System R* прозрачности местоположения данных. Система автоматически обнаруживает текущее местоположение упоминаемых в запросе пользователя объектов данных; одна и та же прикладная программа, включающая предложения SQL, может быть выполнена в разных узлах сети. При этом в каждом узле сети на этапе компиляции запроса выбирается наиболее оптимальный план выполнения запроса в соответствии с расположением данных в распределенной системе.

Общие сведения о проектировании информационных систем и баз данных

Некоторые термины и определения, используемые при работа с базами данных

База данных - поименованная совокупность структурированных данных, относящихся к определенной предметной области.

Предметная область - некоторая часть реально существующей системы, функционирующая как самостоятельная единица.

Система управления базами данных (СУБД) - комплекс программных и языковых средств, необходимых для создания и модификации базы данных, добавления, модификации, удаления, поиска и отбора информации, представления информации на экране и в печатном виде, разграничения прав доступа к информации, выполнения других операций с базой.

Реляционная БД - основной тип современных БД. Состоит из таблиц, между которыми могут существовать связи по ключевым значениям.

Таблица базы данных (table) - регулярная структура, которая состоит из однотипных строк (записей, records), разбитых на столбцы (поля, fields).

В теории реляционных баз данных синоним таблицы - отношение (relation), в котором строка называется кортежем, а столбец называется атрибутом.

В концептуальной модели реляционной БД аналогом таблицы является сущность (entity), с определенным набором свойств - атрибутов, способных принимать определенные значения (набор допустимых значений - домен).

Ключевой элемент таблицы (ключ, regular key) - такое ее поле(простой ключ) или строковое выражение, образованное из значений нескольких полей (составной ключ), по которому можно определить значения других полей для одной или нескольких записей таблицы. На практике для использования ключей создаются индексы - служебная информация, содержащая упорядоченные сведения о ключевых значениях. В реляционной теории и концептуальной модели понятие "ключ" применяется для атрибутов отношения или сущности. 

Первичный ключ (primary key) главный ключевой элемент, однозначно идентифицирующий строку в таблице. Могут также существовать альтернативный (candidate key) и уникальный (unique key) ключи, служащие также для идентификации строк в таблице.

В реляционной теории первичный ключ - минимальный набор атрибутов, однозначно идентифицирующий кортеж в отношении.

В концептуальной модели первичный ключ - минимальный набор атрибутов сущности, однозначно идентифицирующей экземпляр сущности. 

Связь (relation) - функциональная зависимость между объектами.  В реляционных БД между таблицами устанавливаются связи по ключам, один из которых в главной (parent, родительской) таблице - первичный, второй - внешний ключ- во внешней (child, дочерней) таблице, как правило. первичным не является и образует связь "один ко многим" (1:N). В случае первичного внешнего ключа связь между таблицами имеет тип "один к одному"(1:1). Информация о связях сохраняется в БД.

Внешний ключ (foreign key) - ключевой элемент подчиненной (внешней, дочерней) таблицы, значение которого совпадает со значением первичного ключа главной (родительской) таблицы.

Ссылочная целостность данных (referential integrity) - набор правил, обеспечивающих соответствие ключевых значений в связанных таблицах.

Хранимые процедуры (stored procedures) - программные модули, сохраняемые в БД для выполнения определенных операций с информацией базы.

Триггеры (triggers) - хранимые процедуры, обеспечивающие соблюдение условий ссылочной целостности определенных операций с информацией базы.

Объект - элемент информационной системы, обладающий определенными свойствами (properties) и определенным образом реагирующий на внешние события (events).

Система - совокупность взаимодействующих между собой и с внешним окружением объектов.

Репликация БД - создание копий БД (реплик), которые могут обмениваться обновляемыми данными или реплицированными формами, отчетами или другими объектами в результате выполнения процесса синхронизации.

Транзакция - изменение информации в базе в результате выполнения одной операции или их последовательности, которое должно быть выполнено вообще. В СУБД существуют механизмы обеспечения транзакций. 

Язык SQL (Structured Query Language) - универсальный язык работы с БД, включающий возможности ее создания, модификации структуры, отбора данных по запросам, модификации информации в базе и прочие операции манипулирования базой данных.

Null - значение поля таблицы, показывающее, что информация в данном поле отсутствует. Разрешение на возможность существования значения Null может задаваться для отдельных полей таблицы.

Принципы проектирования Информационных Систем (ИС)

При создании проекта ИС для проектирования её базы данных следует определить:

1. объекты ИС (сущности в концептуальной модели)
2. их свойства (атрибуты)
3. взаимодействие объектов (связи) и информационные потоки внутри и между ними

Схема формирования ИС

Концептуальная модель - отображает информационные объекты, их свойства и связи между ними без указания способов физического хранения информации (модель предметной области, иногда ее также называют информационно-логической или инфологической моделью). Информационными объектами обычно являются сущности - обособленные объекты или события, информацию о которых необходимо сохранять, имеющие определенные наборы свойств - атрибутов.

Физическая модель - отражает все свойства (атрибуты) информационных объектов базы и связи между ними с учетом способа их хранения - используемой СУБД.

Внутренняя модель - база данных, соответствующая определенной физической модели.

Внешняя модель - комплекс программных и аппаратных средств для работы с базой данных, обеспечивающий процессы создания, хранения, редактирования, удаления и поиска информации, а также решающий задачи выполнения необходимых расчетов и создания выходных печатных форм.

На этапах проектирования и программирования могут использоваться методы объектно-ориентированного подхода к разработке объектов ИС (наследование, инкапсуляция, полиморфизм)

Для решения задач проектирования сложных систем существуют специальные методологии и стандарты.

К таким стандартам относятся методологии семейства IDEF (Icam DEFinition, ICAM - Integrated Computer-Aided Manufacturing - первоначально разработанная в конце 70-х гг. программа ВВС США интегрированной компьютерной поддержки производства). С их помощью можно эффективно проектировать, отображать и анализировать модели деятельности широкого спектра сложных систем в различных разрезах. В настоящий момент к семейству IDEF относятся следующие стандарты:

• IDEF0 - Function Modeling - методология фунционального моделирования сложных систем. С помощью наглядного графического языка IDEF0 изучаемая система предстает перед разработчиками и аналитиками в виде набора взаимосвязанных функциональных блоков. Основана на технологии SADT - структурированного анализа и разработки (Structured Analysis and Design Technique). Как правило, моделирование средствами IDEF0 является первым этапом изучения любой системы
• IDEF1 - Information Modeling - методология моделирования информационных потоков внутр и системы, позволяющая отображать и анализировать их структуру и взаимосвязи
• IDEF1X (IDEF1 Extended) - Data Modeling - методология проектирования реляционных БД. Заключается в построении моделей данных типа "сущность-связь" (ERD - Entity-Relationship Diagram) в нотации этого стандарта
• IDEF2 - Simulation Model Design - методология динамического моделирования систем. В настоящее время существуют алгоритмы и их компьютерные реализации, которые позволяют превращать набор статистических диаграмм IDEF0 в динамические модели, построенные на базе "раскрашенных сетей Петри" (CPN - Color Petri Nets)
• IDEF3 - Process Decription Capture - методология документирования процессов, происходящих в системе, которая используется. например, при исследовании технологических процессов на предприятии. С помощью IDEF3 описываются сценарий и последовательность операций для каждого процесса. IDEF3 имеет прямую взаимосвязь с методологией IDEF0 - каждая функция (функциональный блок) может быть представлена в виде отдельного процесса средствами IDEF3
• IDEF4 - Object-Oriented Capture - методология построения объектно-ориентированных систем. Средства IDEF4 позволяют наглядно отображать структуру объектов и заложенные принципы их взаимодействия, тем самым позволяя анализировать и оптимизировать сложные объектно-ориентированные системы
• IDEF5 - Ontology Description Capture - методология онтологического исследования сложных систем. В методологии IDEF5 онтология системы может быть описана при помощи определенного словаря терминов и правил, на основании которых могут быть сформированы достоверные утверждения о состоянии рассматриваемой системы в некоторый момент времени. На основе этих утверждений формируются выводы о дальнейшем развитии системы, и производится ее оптимизация
• IDEF6 - Design Rationale Capture - методология использования рационального опыта проектирования, назначение: сохранение рационального опыта проектирования информационных систем для предотвращения структурных ошибок при новом проектировании
• IDEF7 - Information System Auditing - методология аудита информационной системы
• IDEF8 - User Interface Modeling - методология проектирования интерфейса пользователя
• IDEF9 - Scenaro-Driven IS Design - методология анализа имеющихся условий и ограничений, в том числе физических, юридических, политических, и их влияние на принимаемые решения в процессе реинжиниринга 
• IDEF10 - Implementation Architechure Modeling - моделирование архитектуры выполнения
• IDEF11 - Information Artifact Modeling - информационное моделирование артефактов
• IDEF12 - Organization Modeling - организационное моделирование
• IDEF13 - Three Schema Mapping Design - трехсхемный дизайн карт
• IDEF14 - Network Design - методология моделирования компьютерных сетей. Позволяет выполнять представление и анализ данных при проектировании вычислительных сетей на графическом языке с описанием конфигураций, очередей, сетевых компонентов, требований к надежности и т.п.

Описание стандартов можно найти на сайтах:  http://www.idef.ru, http://www.idef.com;

 http://www.vpg.ru/main.mhtml?PubID=6

В стандарте IDEF0 функциональный блок графически изображается в виде прямоугольника и олицетворяет собой некоторую конкретную функцию в рамках рассматриваемой системы. По требованиям стандарта, название каждого функционального блока должно быть сформулировано в виде глагола в побудительном наклонении ("выполнять операции", а не "выполнение операции"). Каждая изд четырех сторон функционального блока имеет свое определенное значение (роль), при этом:

• верхняя сторона имеет значение "Управление" (Control)
• левая сторона имеет значение "Вход" (Input)
• правая сторона имеет значение "Выход" (Output)
• нижняя сторона имеет значение "Механизм" (Mechanism)

Принципы изображения функциональных моделей стандарта IDEF0 используют инструментальные средства моделирования (CASE - средства - Computer-Aided Software System Engineering), такие как BPwin.

В стандарте IDEF1 сущности и связи концептуальной модели изображаются следующим образом

Метод IDEF1, являясь методом анализа, описывает: 

• как информация собирается, хранится и обрабатывается на предприятии
• правила и логику управления информацией
• проблемы, возникающие из недостатка хорошего информационного управления

Другие методологии, используемые при моделировании сложных систем: 

• DFD-технология анализа "потока данных" (Data Flow Diagrams)
• Workflow-технология анализа "потока работ"

Важное место в моделировании информационных систем занимает методология и системы, использующие UML - унифицированный язык моделирования (Unified Modeling Language)

UML - язык для спецификации, визуализации, конструирования и документирования сложных информационно-насыщенных объектных систем. В настоящее время зарегистрирован как международный стандарт ISO/IEC 19501:2005 

UML - модель может включать следующие аспекты:

1. Структурный аспект: Use-Case-диаграммы, идентифицирующие бизнес-процессы и бизнес-транзакции, их взаимосвязь, соподчиненность и взаимодействие; Package-диаграммы, описывающие структуру предметной области и иерархическую структуру организации
2. Динамический аспект: Behavior-диаграммы (Activity, Statechart, Collaboration, Sequence), описывающие поведедение (жизненный цикл) БП и их взаимодействие во времени и в пространстве с привязкой к используемым ресурсам и получаемым результатам
3. Статический аспект: Class-диаграммы, отражающие совокупность взаимосвязанных объектов, т.е. рассматривающие логическую структуру предметной области, ее внутренние концепции, иерархию объектов и статические связи между ними, структуры данных и объектов; Deployment-диаграммы, отражающие технологические ресурсы организации

Словарь языка UML включает три вида строительных блоков: 

• сущности
• отношения
• диаграммы

Сущности  в UML - это абстракции, являющиеся основными элементами модели. Отношения связывают различные сущности; диаграммы группируют представляющие интерес совокупности сущностей.

В UML имеется четыре типа сущностей:

• структурные
• поведенческие
• группирующие
• аннотационные

Структурные сущности - это имена существительные в моделях на языке UML. Как правило, они представляют собой статические части модели, соответствующие концептуальным или физическим элементам системы. Существует семь разновидностей структурных сущностей: Класс, Интерфейс, Кооперация, Прецедент, Активный класс, Компонент, Узел.

Поведенческие сущности являются динамическими составляющими модели UML. Это глаголы языка: они описывают поведение модели во времени и пространстве. Существует всего два основных типа поведенческих сущностей: Взаимодействие и Автомат.

Группирующие сущности являются организующими частями модели UML. Это блоки, на которые можно разложить модель. Есть только одна первичная группирующая сущность, а именно - пакет.

Аннотационные сущности - пояснительные части модели UML. Это комментарии для дополнительного описания, разъяснения или значения к любому элементу модели. Имеется только один базовый тип аннотационных элементов - примечание. 

Все разновидности сущностей UML в диаграммах имеют свой способ графического изображения.

В языке UML определены четыре типа отношений:

• зависимость
• ассоциация
• обобщение
• реализация

Диаграмма в UML - это графическое представление набора элементов, изображаемое чаще всего в виде связанного графа с вершинами (сущностями) и ребрами (отношениями). Диаграммы рисуют для визуализации системы с разных точек зрения. Теоретически диаграммы могут содержать любые комбинации сущностей и отношений. На практике, однако, применяется сравнительно небольшое количество типовых комбинаций, соответствующих пяти наиболее употребительным видам, которые составляют архитектуру ИС. Т.о. в UML выделяют девять типов диаграмм:

• диаграммы классов (Class Diagrams)
• диаграммы объектов (Objects Diagrams)
• диаграммы прецедентов (Use Cases Diagrams)
• диаграммы последовательностей (Sequence Diagrams)
• диаграммы кооперации(Collaboration Diagrams)
• диаграммы состояния (State Diagrams)
• диаграммы действий (Activity Diagrams)
• диаграммы компонентов (component Diagrams)
• диаграммы развертывания (Deployment Diagrams)

Инструментальные средства, поддерживающие методологию UML - Rational Rose (Rational Software), Paradigm Plus (CA/Platinum), ARIS (IDS Sheer AG), Together Designer (Borland) и др.

Система Rational Rose позволяет строить восемь типов диаграмм UML; диаграммы прецедентов, диаграммы классов, диаграммы последовательностей, диаграммы кооперации, диаграммы состояний, диаграммы действий, компонентные диаграммы, диаграммы развертывания. Основным типом диаграмм, своеобразным ядром моделирования в UML являются диаграммы классов. Кроме UML, предусмотрено использование и других методов (Booch, OMT)

Система Paradigm Plus ориентирована на методологию OOCL (Object Oriented Change and Learning) и компонентную технологию проектирования и разработки. Она поддерживает диаграммы различных методов (UML, CLIPP, TeamFusion, OMT, Booch, OOCL, Martin/Odell, Shlaer/Mellor, Coad/yourdon)

Система ARIS обеспечивает четыре различных "взгляда" на моделирование и анализ: Процессы, Функции (с целями), Данные, Организация. Для каждого "взгляда" поддерживаются три уровня анализа (требования, спецификация, внедрение). Каждый из уровней анализа состоит из своего комплекта моделей различных типов, в том числе диаграмм UML, диаграмм SAP/R3 и др. Каждый объект моделей ARIS имеет множество атрибутов, которые позволяют контролировать процесс разработки моделей, определять условия для выполнения функционально-стоимостного анализа, имитационного моделирования, взаимодействия с workflow-системами и т.д.

Система Together Designer Community Edition - средство создания диаграмм UML 2.0. Позволяет строить диаграммы прецедентов (диаграммы сценариев взаимодействия пользователя с продуктом с точки зрения пользователя); диаграммы последовательностей, описывающие порядок передачи сообщений от одних объектов к другим; диаграммы кооперации, описывающие взаимодействие объектов друг с другом; диаграммы деятельности, описывающие потоки работ и изменение состояний объектов, диаграммы развертывания. При необходимости может создаваться логическая модель данных, содержащая диаграммы "сущность-связь", на ее основе генерируется физическая модель данных для конкретной СУБД, выбранной для реализации проекта.

На этапе создания клиентского и серверного кода все современные средства UML-моделирования могут осуществлять генерацию кода на различных языках программирования.

В феврале 2006 г. международный консорциум по разработке спецификаций в компьютерной индустрии опубликовал финальную версию языка моделирования БП BPML (Business Process Modeling Language) 

Для проектирования концептуальной модели и формирования физической модели БД информационной системы можно использовать инструментальные CASE-средства (Computer-Aided Software System Engineering), например, Case Studio, SyBase Power Designer, ERWin Data Modeler и др. Данные системы применяются при описании модели данных стандарт IDEF1X и позволяют генерировать программный код на языках SQL, VBScript, JScript, либо работать с другими технологиями для переноса физической модели в реальные СУБД, которыми могут быть Oracle, Microsoft SQL Server, IBM DB2, Informix, Microsoft Access.

На рисунке приведена схема, показывающая взаимосвязь основных терминов в области проектирования БД и работы с ними.

Выбор системы для разработки приложений, работающих с БД, сложное и ответственное решение. Такую возможность имеют универсальные системы программирования: Visual C++ и C#, Delphi, Visual Basic и др. Однако специализированные языки программирования в составе СУБД располагают огромным количеством процедур и функций для работы с БД, специальными библиотеками, механизмами для ускорения работы с большими БД.  В связи  с повсеместным распространением Интранета, Экстранета, и Интернета, многие системы имеют возможность создания трехуровневой сервис-ориентированной архитектуры WEB- приложений для работы с БД,