Базы данных

Тема 1. Введение в курс
«Базы данных»
Лекция 1

История возникновения баз данных
Основные термины и определения
Классификация СУБД
Банки данных
Вопросы лекции:

История возникновения баз данных

Применение компьютерной техники
Использование средств вычислительной техники в автоматических или автоматизированных информационных системах является одним из двух основных направлений ее применения
АИС –
Автоматизированные информационные системы
Численные расчеты (вычисления)

Этапы развития БД.
Этап 0. Файловые системы
Магнитные диски впервые были реализованы в 1956 году в исследовательской лаборатории корпорации IBM, расположенной в Сан-Хосе (Калифорния), где был выпущен серийный дисковый накопитель
IBM 350 — первое устройство с подвижной головкой для чтения и записи.
Важным шагом в развитии баз данных явился переход к использованию централизованных систем управления файлами, или, используя общепринятый в данный момент термин, файловым системам.

Этапы развития БД.
Этап 0. Файловые системы
Магнитные диски впервые были реализованы в 1956 году в исследовательской лаборатории корпорации IBM, расположенной в Сан-Хосе (Калифорния), где был выпущен серийный дисковый накопитель
IBM 350 — первое устройство с подвижной головкой для чтения и записи.
Важным шагом в развитии баз данных явился переход к использованию централизованных систем управления файлами, или, используя общепринятый в данный момент термин, файловым системам.

Фа́йловая систе́ма — порядок, определяющий формат содержимого и способ физического хранения информации, которую принято группировать в виде файлов. Конкретная файловая система определяет размер имен файлов и (каталогов), максимальный возможный размер файла и раздела, набор атрибутов файла.
Первая развитая файловая система была разработана фирмой IBM для ее серии System/360 в 1964 году
Этапы развития БД.
Этап 0. Файловые системы

Недостатки применение файловых систем для хранения и обработки данных в информационных системах:
Избыточность данных. Из-за дублирования данных в разных файлах память на внешних запоминающих устройствах используется неэкономно
Несогласованность данных. Учитывая, что одна и одна и та же информация может размещаться в разных файлах, технологически тяжело проследить за внесением изменений одновременно во все файлы.
Зависимость структур данных и прикладных программ. Этот недостаток файловых систем приводит к значительному увеличению стоимости сопровождения программных средств. Иногда стоимость сопровождения программных средств может достигать близко 70 % стоимости их разработки.

Этапы развития БД.
Этап 1. Базы данных на больших ЭВМ 1960–1980 гг.
Получаемые в результате библиотеки, реализующие дополнительные индивидуальные средства управления данными, являлись существенной частью информационных систем и практически повторялись от одной системы к другой.
Стремление выделить и обобщить общую часть информационных систем, ответственную за управление сложно структурированными данными, вылилось в реализацию новых программных систем, названных впоследствии Системами Управления Базами Данных (СУБД), а сами хранилища информации, которые работали под управлением данных систем, назывались базами данных.

Этапы развития БД.
Этап 1. Базы данных на больших ЭВМ 1960–1980 гг.
На сегодняшний день история развития СУБД насчитывает уже более 45 лет. В 1968 году компания IBM разработала первую промышленную СУБД:
IBM IMS (Information Management System)
Главным архитектором СУБД был Верн Уоттс. Начав работу в IBM в 1956 году, он непрерывно работал над IMS начиная от времени её первоначального проектирования вплоть до своей кончины 4 апреля 2009 года.
В задачу IMS входила обработка спецификации изделия для ракеты Сатурн-5 и кораблей Аполлон.
В качестве носителя информации использовалась магнитная лента, а в качестве структуры данных – иерархическая модель.

IBM System/360

Этапы развития БД.
Этап 2. Настольные (desktop) СУБД 1975 – 1995 гг.
Звание первого персонального компьютера принадлежит модели 5100 производства фирмы IBM, выпущенной в 1975 году. Он был более компактным, чем мэйнфреймы, имел встроенные монитор, клавиатуру и накопитель на магнитной ленте, и предназначался для решения научно-инженерных задач.
Первым же массовым персональным компьютером производства фирмы IBM, выпущенным в 1981 году, стал IBM PC модели 5150, положивший начало семейству наиболее распространённых современных персональных компьютеров.

Этапы развития БД.
Этап 2. Настольные (desktop) СУБД 1975 – 1995 гг.
Спрос на развитые удобные программы обработки данных заставлял поставщиков программного обеспечения поставлять все новые системы, которые принято называть настольными (desktop) СУБД.
Наличие на рынке большого числа СУБД, выполняющих сходные функции, потребовало разработки методов экспорта, импорта и открытых форматов хранения данных. Так появились первые коммерческие СУБД с реляционной моделью данных.

Этапы развития БД.
Этап 2. Настольные (desktop) СУБД 1975 – 1995 гг.
Основанные на реляционном подходе СУБД для персональных компьютеров принято считать системами второго поколения.
В 80-х годах были созданы различные коммерческие реляционные СУБД - например, DB2 или SQL/DS корпорации IBM, Oracle и др. Большинство СУБД имели развитый и удобный пользовательский интерфейс, предлагающий интерактивный режим работы с БД, как в рамках описания БД, так и в рамках проектирования запросов.

Главное ограничение при работе с настольными СУБД накладывалось монопольным доступом, поскольку первое время персональные компьютеры не были подключены к вычислительным сетям. Базы данных на них создавались для работы одного пользователя.
Этапы развития БД.
Этап 2. Настольные (desktop) СУБД 975 – 1995 гг.

Этапы развития БД.
Этап 3. Распределенные базы данных с 1985 по наст. вр.
Третий этап развития СУБД связывают с распространением локальных и глобальных компьютерных сетей.
На сегодняшний день третий этап можно считать незавершённым.
К этому этапу можно отнести разработку ряда стандартов в рамках языков описания и манипулирования данными:
SQL-89, SQL-92, SQL-99, SQL:2003, SQL:2006, SQL:2008
Представителями современных СУБД можно считать серверы баз данных Оrасlе, MS SQL, Informix, DB2, MySQL и другие.

РЕЗЮМЕ
История развития баз данных насчитывает более 50 лет.
Условно выделяют три этапа. При этом между ними нет жестких временных ограничений, этапы плавно переходили из одного в другой и существовали параллельно:
Этап 1. Базы данных на больших ЭВМ 1960–1980 гг.
Этап 2. Настольные (desktop) СУБД 1975–1995 гг.
Этап 3. Распределенные базы данных 1985-… гг.

Основные термины и определения

Основные термины и определения
База данных (БД) представляет собой совокупность специальным образом организованных данных, хранимых в памяти вычислительной системы и отображающих состояние объектов и их взаимосвязей в рассматриваемой предметной области.

Основные термины и определения
В части четвертой «Гражданского кодекса Российской Федерации» дается следующее определение базы данных: «Базой данных является представленная в объективной форме совокупность самостоятельных материалов (статей, расчетов, нормативных актов, судебных решений и иных подобных материалов), систематизированных таким образом, чтобы эти материалы могли быть найдены и обработаны с помощью электронной вычислительной машины (ЭВМ)».

Основные термины и определения
Данные (data – факт) – это совокупность сведений, зафиксированных на определенном носителе в форме, пригодной для постоянного хранения, передачи и обработки.
Преобразование и обработка данных позволяет получить информацию.

Основные термины и определения
Вычислительная система (ВС) представляет собой совокупность взаимосвязанных и согласованно действующих ЭВМ или процессоров и других устройств, обеспечивающих автоматизацию процессов приема, обработки и выдачи информации потребителям.

Система управления базами данных (СУБД) – это комплекс языковых и программных средств, предназначенный для создания, ведения и совместного использования БД многими пользователями.
Основные функции СУБД:
Создание БД
Создание пользователей и указание привилегий
Обеспечение работы пользователей с БД с учетом привилегий
Поддержание целостности данных
Поддержание механизма транзакций
Журналирование
Управление оперативной памятью (буферизация)

Основные термины и определения
Структурирование – это введение соглашений о способах представления данных.
Создавая базу данных, пользователь стремится упорядочить информацию по различным признакам и быстро извлекать выборку с произвольным сочетанием признаков. Сделать это возможно, только если данные структурированы.
Неструктурированными называют данные, записанные, например, в текстовом файле.

Личное дело № 16493, Сергеев Петр Михайлович, дата рождения
1 января 1976 г.;
Л/д № 16593, Петрова Анна Владимировна, дата рожд.
15 марта 1975 г.;
№ личн. дела 16693, д.р. 14.04.76, Анохин Андрей Борисович.
Структурированные данные
Неструктурированные данные

Основные термины и определения
Целостность БД – непротиворечивость информации, хранящейся в БД.
Транзакция – законченная совокупность действий над БД, которая переводит БД из одного целостного состояния в другое целостное состояние. Совокупность простых операций над БД, объединенных в единое целое, и выполняемых по принципу «все или ни одной». Т.е. в случае возникновения ошибок при выполнении какой-либо операции, входящей в транзакцию, БД возвращается в состояние до выполнения транзакции.
Привилегия пользователя – права пользователя на выполнение операций с данными (запись, корректировка, чтение, удаление), а также выполнение других действий над БД.

Классификация СУБД и БД

Классификация СУБД и БД
По сфере возможного применения:
универсальные
Пример: МS Access, PostgreSQL.
специализированные (проблемно-ориентированные) СУБД и БД
Примеры ИС, в которых необходимо использовать специализированные СУБД:
• отдельные АСУТП, где нужна СУБД реального времени, обладающая полной функциональностью универсальной СУБД;
• биометрические системы;
• системы военного назначения;
• государственные информационные системы и т.д.
Пример: В АС военного назначения используются СУБД ЛИНТЕР и Линтер-ВС.

Классификация СУБД
По «мощности» СУБД делятся на:
«Настольные» – невысокие требования к техническим средствам, ориентация на конечного пользователя («дружелюбность» интерфейса, простота создания БД и обработки информации), низкая стоимость.
Пример: МS Access, Visual FoxPro.
Корпоративные – обеспечивают работу в распределенной среде, высокую производительность, имеют развитые средства администрирования и более широкие возможности поддержания целостности. Системы сложны, дороги, требуют значительных вычислительных мощностей.
Примеры: Oracle, DB2, Sybase, MS SQL Server, Progress

Корпоративные СУБД, как правило, реализуют архитектуру клиент-сервер.
Помимо хранения централизованной базы данных центральная машина – сервер базы данных, должна обеспечивать выполнение основного объема обработки данных. Запрос на данные, выдаваемый клиентом (рабочей станцией), порождает поиск и извлечение данных на сервере. Извлеченные данные транспортируются по сети от сервера к клиенту. Спецификой архитектуры клиент-сервер является использование языка запросов SQL.
Сервер базы данных
Клиент
данные

Классификация СУБД
По характеру использования СУБД делятся на:
Персональные. Обеспечивают возможность создания персональных БД и недорогих приложений, работающих с ними. Персональные СУБД или разработанные с их помощью приложения зачастую могут выступать в роли клиентской части многопользовательской СУБД
Пример: МS Access, Visual FoxPro, Paradox.
Многопользовательские. Включают в себя сервер БД и клиентскую часть и, как правило, могут работать в неоднородной вычислительной среде (с разными типами ЭВМ и операционными системами).
Примеры: Oracle, MySQL.

Классификация СУБД
По степени доступности БД выделяют:
Общедоступные БД.
Примеры: Банк документов на сайте Президента Российской Федерации (http://kremlin.ru/), Информационно-правовая система «Законодательство России» (http://pravo.gov.ru/).
БД с ограниченным доступом пользователей.
В качестве примера можно привести БД, используемые в системе органов внутренних дел (криминалистические учеты, розыскные учетыоперативно-справочные учеты, автоматизированные банки данных дактилоскопической информации (АДИС "Папилон" )

Классификация СУБД
По способу доступа к БД выделяют:
Файл-серверные СУБД.
Примеры: Microsoft Access, Paradox, dBase, FoxPro, Visual FoxPro.
Клиент-серверные СУБД.
Примеры: Oracle, Firebird, Interbase, IBM DB2, Informix, MS SQL Server, Sybase Adaptive Server Enterprise, PostgreSQL, MySQL, Caché, ЛИНТЕР

Классификация СУБД
В файл-серверных СУБД файлы данных располагаются централизованно на файл-сервере. СУБД располагается на каждом клиентском компьютере (рабочей станции). Доступ СУБД к данным осуществляется через локальную сеть. Синхронизация чтений и обновлений осуществляется посредством файловых блокировок.
Преимуществом этой архитектуры является низкая нагрузка на процессор файлового сервера.
Недостатки: потенциально высокая загрузка локальной сети; затруднённость или невозможность централизованного управления; затруднённость или невозможность обеспечения таких важных характеристик, как высокая надёжность, высокая доступность и высокая безопасность. Применяются чаще всего в локальных приложениях, которые используют функции управления БД; в системах с низкой интенсивностью обработки данных и низкими пиковыми нагрузками на БД.
На данный момент файл-серверная технология считается устаревшей, а её использование в крупных ИС — недостатком.

Классификация СУБД
Клиент-серверная СУБД располагается на сервере вместе с БД и осуществляет доступ к БД непосредственно, в монопольном режиме. Все клиентские запросы на обработку данных обрабатываются клиент-серверной СУБД централизованно.
Недостаток клиент-серверных СУБД состоит в повышенных требованиях к серверу.
Достоинства: потенциально более низкая загрузка локальной сети; удобство централизованного управления; удобство обеспечения таких важных характеристик, как высокая надёжность, высокая доступность и высокая безопасность.

Классификация СУБД
По форме представляемой информации выделяют фактографические, документальные, мультимедийные БД.
фактографические БД, в которых хранится информация об интересующих пользователя объектах предметной области в виде «фактов» (facts – «данные» (англ.)). Например, данные о сотрудниках, данные о поставщиках и поставках продукции и т.п. При этом в качестве факта рассматривается неделимый по смыслу информационный элемент, отражающий значение какого-либо свойства объекта.
Примеры: Oracle, PostgreSQL, MySQL, Microsoft Access.

Классификация СУБД
По форме представляемой информации выделяют:
документальные БД. Единицей хранения является какой-либо документ (например, текст закона или статьи), и пользователю в ответ на его запрос выдается либо ссылка на документ, либо сам документ, в котором он может найти интересующую его информацию. К документальным БД относятся, например, базы данных научного цитирования: РИНЦ, Web of Science, Scopus и т.д. Большое распространение получили документальные справочные правовые системы КонсультантПлюс, ГАРАНТ, Кодекс.
мультимедийные БД, содержащие мультимедийную информацию: картографические, видео-, аудио-, графические и др. Пример: банк данных дактилоскопической информации (АДИС "Папилон«).

Классификация СУБД
По типологии хранения – локальные и распределенные.
По функциональному назначению (характеру решаемых задач и, соответственно, характеру использования данных) – операционные и справочно-информационные. К последним относятся ретроспективные БД (электронные каталоги библиотек), которые используются для информационной поддержки основной деятельности и не предполагают внесения изменений в уже существующие записи, например, по результатам этой деятельности. Операционные БД предназначены для управления различными технологическими процессами.

Классификация СУБД и БД
По способу распространения:
Commercial Software — коммерческие (с ограниченными лицензией возможностями на использование), разрабатываемое для получения прибыли.
Примеры: Oracle, Microsoft Access.
Freeware — свободные, распространяемые без ограничений на использование, модификацию и распространение.
Примеры: MySQL.
Shareware — условно-бесплатные.

По характеру преобладающей обработки информации:
ОLTP (On-Line Transaction Processing) – системы оперативной обработки информации
OLAP (On-Line Analytical Processing) – системы для сложной аналитической обработки информации
Классификация СУБД

По используемой Модели данных
Иерархические
Сетевые
Реляционные
Объектно-ориентированные
Объектно-реляционные
NoSQL:
“Ключ-значение”
Документные
Поколоночные (столбцовые)
…
Классификация СУБД

Банки данных

Основные термины и определения
Банк данных – система БД, программных, технических, языковых, организационно-методических средств, предназначенных для обеспечения централизованного накопления и коллективного многоцелевого использования данных.
Банк данных (БнД) является разновидностью ИС, в которой реализованы функции централизованного хранения и накопления обрабатываемой информации, организованной в одну или несколько баз данных.

объекты реального мира находятся в сложной взаимосвязи между собой. Это приводит к необходимости, чтобы их информационное отражение также представляло единое взаимоувязанное целое;
функции создания и ведения информационного фонда и предоставления нужных данных тем или иным процессам являются универсальными общими при решении разнообразных задач;
информационные потребности различных пользователей существенно пересекаются, что делает целесообразным использование единых баз данных и обеспечение доступа к ним разных пользователей;
современный уровень развития технического и программного обеспечения, а также теории и практики построения информационных систем позволяют создавать эффективные БнД.
Предпосылки широкого использования БнД

адекватность отображения предметной области;
возможность взаимодействия пользователей разных категорий и в разных режимах;
дружелюбность интерфейсов и малое время на освоение системы, особенно для конечных пользователей;
обеспечение секретности и конфиденциальности для некоторой части данных: определение групп пользователей и их полномочий;
обеспечение взаимной независимости программ и данных;
обеспечение надежности функционирования БнД;
приемлемые характеристики функционирования БнД (стоимость обработки. время реакции системы на запросы, требуемые машинные ресурсы и др.).
Требования к БнД

К числу преимуществ использования БнД относятся:
непротиворечивость и целостность информации;
возможность обращаться к БД не только при решении заранее предопределенных задач, но и с нерегламентированными запросами;
сокращение избыточности хранимых данных;
сокращение трудоемкости ведения БД;
высокое качество управления данными.
Преимущества и недостатки БнД

Недостатки БнД:
сложность;
высокие требования к квалификации разработчиков БнД;
в результате интеграции возможна некоторая потеря эффективности отдельных приложений (но общая эффективность всей системы будет выше);
требуются специализированное программное обеспечение, которое, в зависимости от класса системы, может быть сравнительно дорогим, предъявляющим повышенные требования к техническим средствам;
эксплуатация распределенных корпоративных БнД – процесс сложный и дорогостоящий.
Преимущества и недостатки БнД

Пользователи БнД

Компоненты банка данных

База данных.
В состав БД включаются не только собственно хранимые данные о предметной области, но и описания БД. Описания баз данных относятся к метаинформации, т.е. информации об информации. Описание баз данных часто называют схемой. Централизованное хранилище метаинформации называется словарем данных (репозиторием).
Словарь данных (СД) представляет собой подсистему БнД, предназначенную для централизованного хранения информации о структурах данных, взаимосвязях файлов БД друг с другом, типах данных и форматах их представления, принадлежности данных пользователям, кодах защиты и разграничения доступа и т.п.
Информационная компонента

Программные средства БнД

Технические средства банка данных

Языковые средства банка данных

Компоненты языка четвертого поколения

В зависимости от функционального назначения различают языки описания данных (ЯОД) и языки манипулирования данными (ЯМД). Иногда в особую группу выделяют языки запросов (ЯЗ).
ЯОД позволяет определять схемы базы данных, характеристики хранимых и виртуальных данных и параметры организации их хранения в памяти и может включать в себя средства поддержки целостности базы данных, ограничения доступа, секретности.
ЯМД обычно включает в себя средства запросов к базе данных и поддержания базы данных (добавление, удаление, обновление данных, создание и уничтожение БД, изменение определений БД, обеспечение запросов к справочнику БД).

Языки манипулирования данными разделяются на две большие группы: процедypные и непроцедурные. При пользовании процедурными языками надо указать, какие действия и над какими объектами необходимо выполнить, чтобы получить результат. В непроцедурных языках указывается, что надо получить в ответе, а не как этого достичь.
Примерами непроцедурных языков являются языки, основанные на реляционном исчислении. Представителем языков, основанных на реляционном исчислении кортежей. является широко используемый язык запросов SQL (Structured Queiy Language, язык структурированных запросов). Табличный язык QBE (Query by Example, запрос по образцу) также является непроцедурным языком.