1.1. Понятия базы данных, системы баз данных, системы управления базами данных

1.2. Классификация моделей данных

1.1. Понятия базы данных, системы баз данных, системы управления базами данных

В широком смысле слова база данных (БД) – это совокупность сведений о конкретных объектах реального мира в какой-либо предметной области.

Для удобной работы с данными их необходимо структурировать, т.е. ввести определенные соглашения о способах их представления.

В реальной деятельности в основном используют системы БД.

Системы БД существуют и на малых, менее мощных компьютерах, и на больших, более мощных. На больших применяют в основном многопользовательские системы, на малых – однопользовательские.

Однопользовательская система (single-user system) – это система, в которой в одно и то же время к БД может получить доступ не более одного пользователя.

Многопользовательская система (multi-user system) - это система, в которой в одно и то же время к БД может получить доступ несколько пользователей.

Основная задача большинства многопользовательских систем – позволить каждому отдельному пользователю работать с системой как с однопользовательской.

Различия однопользовательской и многопользовательской систем – в их внутренней структуре, конечному пользователю они практически не видны.

Система баз данных содержит четыре основных элемента: данные, аппаратное обеспечение, программное обеспечение и пользователи.

Данные в БД являются интегрированными и общими.

Интегрированные – значит, данные можно представить как объединение нескольких, возможно перекрывающихся, отдельных файлов данных. (Например, имеется файл, содержащий данные о студентах – фамилию, имя, отчество, дату рождения, адрес и т.д., а другой – о спортивной секции. Необходимые данные о студентах, посещающих секцию, можно получить путем обращения к первому файлу.)

Общие – значит, отдельные области данных могут использовать различные пользователи, т.е. каждый из этих пользователей может иметь доступ к одной и той же области данных, даже одновременно. (Например, одни и те же данные БД о студентах может одновременно использовать студенческий отдел кадров и деканат.)

К аппаратному обеспечению относятся:

• Накопители для хранения информации вместе с подсоединенными устройствами ввода-вывода, каналами ввода-вывода и т.д.
• Процессор (или процессоры) вместе с основной памятью, которая используется для поддержки работы программного обеспечения системы.

Между собственно данными и пользователями располагается уровень программного обеспечения. Ядром его является система управления базами данных (database management system – DBMS), или диспетчер БД (database manager).

Основная функция СУБД – это предоставление пользователю БД возможности работы с ней, не вникая в детали на уровне аппаратного обеспечения. Т.е. все запросы пользователя к БД, добавление и удаление данных, выборки, обновление данных – все это обеспечивает СУБД.

Иными словами, СУБД поддерживает пользовательские операции высокого уровня. Сюда включены и операции, которые можно выполнить с помощью языка SQL.

SQL - это специальные язык БД. Сейчас он поддерживается большинством СУБД, он является официальным стандартом языка для работы с реляционными системами. Название SQL вначале было аббревиатурой от Structured Query Language (язык структурированных запросов), сейчас название языка уже не считается аббревиатурой, т.к. функции его расширились и не ограничиваются только созданием запросов.

СУБД – это не единственный программный компонент системы, хотя и наиболее важный. Среди других – утилиты, средства разработки приложений, средства проектирования, генераторы отчетов и т.д.

Пользователей СБД можно разделить на три группы:

• Прикладные программисты. Отвечают за написание прикладных программ, использующих БД. Для этих целей применимы различные языки программирования. Прикладные программы выполняют над данными стандартные операции – выборку, вставку, удаление, обновление – через соответствующий запрос к СУБД. Такие программы бывают простыми – пакетной обработки, или оперативными приложениями – для поддержки работы конечного пользователя.
• Конечные пользователи. Работают с системами БД непосредственно через рабочую станцию или терминал. Конечный пользователь может получить доступ к БД, используя оперативное приложение или интегрированный интерфейс самой СУБД (такой интерфейс тоже является оперативным приложением, но встроенным). В большинстве систем есть хотя бы одно такое встроенное приложение – процессор языка запросов (или командный интерфейс). Язык SQL – пример языка запросов для БД. Кроме языка запросов в современных СУБД, как правило, есть интерфейсы, основанные на меню и формах – для непрофессиональных пользователей. Понятно, что командный интерфейс более гибок, содержит больше возможностей.
• Администраторы БД. Отвечают за создание БД, технический контроль, обеспечение быстродействия системы, ее техническое обслуживание.

СУБД имеют свою архитектуру. В процессе разработки и совершенствования СУБД предлагались различные архитектуры, но самой удачной оказалась трехуровневая архитектура, предложенная исследовательской группой ANSI/SPARC американского комитета по стандартизации ANSI (American National Standards Institute). Упрощенная схема архитектуры СУБД приведена на рис. 1.

Внешний уровень – это уровень пользователя. По сути, это совокупность внешних представлений данных, которые обрабатывают приложения и какими их видит пользователь на экране. Это может быть таблица с отсортированными данными, с примененным фильтром, форма, отчет, результат запроса. Внешние представления взаимосвязаны, т.е. из одного внешнего представления можно получить другое.

Концептуальный уровень – центральный. Здесь БД представлена в наиболее общем виде, который объединяет данные, используемые всеми приложениями. Т.е. это обобщенная модель предметной области, для которой созданы БД. Можно сказать, что концептуальный уровень формируется при создании таблиц (определение их полей, типов, свойств), связей, а так же при заполнении таблиц.

Физический уровень – собственно данные, расположенные на внешних носителях.

1.2. Классификация моделей данных

Ядром любой БД является модель данных.

Т.к. СУБД имеет 3-х уровневую архитектуру, то понятие модели данных связано с каждым уровнем.

Физическая модель данных связана с организацией внешней памяти и структур хранения, используемых в данной операционной среде.

На концептуальном уровне модели данных наиболее важны для разработчиков БД, т.к. именно ими определяется тип СУБД.

Для внешнего уровня отдельных моделей данных нет, они лишь являются подсхемами концептуальных моделей данных.

Кроме моделей данных, соответствующих трем уровням архитектуры СУБД, существуют предшествующие им, не связанные с компьютерной реализацией. Они служат переходным звеном от реального мира к БД. Это класс инфологических (семантических) моделей.

Общая классификация моделей данных приведена на рис. 2.

МОДЕЛИ ДАННЫХ

Инфологические (семантические) модели данных используются на ранних стадиях проектирования БД.

Даталогические модели данных уже поддерживаются конкретной СУБД.

Физические модели данных связаны с организацией данных на носителях.

Документальные модели данных соответствуют слабоструктурированной информации, ориентированной на свободные форматы документов на естественном языке.

Модели данных, ориентированные на формат документа, связаны со стандартным общим языком разметки SGML (Standart Generaliset Markup Language), а также HTML, предназначенным для управления процессом вывода содержимого документа на экран.

Дескрипторные модели данных – самые простые, широко использовались раньше. В них каждому документу соответствует дескриптор – описатель, который имеет жёсткую структуру и описывает документ в соответствии с заранее определенными характеристиками.

Тезаурусные модели данных основаны на принципе организации словарей. Содержат языковые конструкции и принципы их взаимодействия в заданной грамматике. Эти модели используются, например, в системах-переводчиках.

Объектно-ориентированная модель перекликается с семантическими моделями данных. Принципы похожи на принципы объектно-ориентированных языков программирования. Структура таких моделей графически представима в виде дерева, узлами которого являются объекты. Свойства объектов описываются типом.

Объекты иерархическоймодели данных связанны иерархическими отношениями и образуют ориентированный граф. Основные понятия иерархических структур: уровень, узел (совокупность свойств данных, описывающих объект), связь.

В сетевой модели данных при тех же основных понятиях (уровень, узел, связь) каждый элемент может быть связан с любым другим элементом.

В реляционной модели данных данные представлены только в виде таблиц.

Мы будем рассматривать именно реляционные модели данных, т.к. в последнее время реляционные СУБД заняли преимущественное положение, поскольку их недостатки связаны в основном с техническими проблемами и компенсируются ростом быстродействия и ресурсов памяти современных ЭВМ.