Системы управления базами данных (I часть)

КОНТАКТЫ
Медведев Михаил Александрович
Почта – [e-mail]
Телеграм - @MedvedevMA

ЦЕЛЬ. ПРЕДМЕТ ИЗУЧЕНИЯ
Цель. Раскрыть принципы построения систем управления базами данных (СУБД); ознакомить слушателей с исследованиями в области моделирования СУБД; помочь освоить навыки моделирования баз данных (БД).
Предмет изучения. Базовые понятия и определения. Назначение и структура СУБД. Основные задачи и методы БД и их компонентов.

О КУРСЕ
Лекции – 7 занятий;
Лабораторные – 5 занятий;
Зачет – 2 занятия.

ТЕМЫ ЛЕКЦИОННЫХ ЗАНЯТИЙ
Введение в базы данных;
Проектирование баз данных;
Реляционная модель;
Нормализация отношений;
Языковые средства СУБД. Язык SQL;
Защита данных. Администрирование БД;
Распределенные БД. Хранилища данных. Обзор современных СУБД и средств автоматизированного проектирования БД.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
К. Дж. Дейт. Введение в системы баз данных.
Головчинер М.Н. Базы данных. Основные понятия. Модели данных. Процесс проектирования
Бен Форта SQL. 10 Минут на урок.

ВВЕДЕНИЕ В БАЗЫ ДАННЫХ

1.ПРЕДМЕТНАЯ ОБЛАСТЬ, ИНФОРМАЦИЯ И ДАННЫЕ
Предметная область — часть реального мира, рассматриваемая в пределах контекста;
Информация – сведения, знания, сообщения;
Данные - сведения, факты, показатели, выраженные в какой-либо форме (формате);
Данные - это информация, представленная в пригодном для ее обработки виде.

СУЩНОСТЬ, АТРИБУТ, ЗАПИСЬ
Сущность – объект из предметной области;
Однородные сущности – объекты, обладающие одинаковым набором свойств;
Тип сущности - множество однородных объектов, понимаемое как единое целое;
Атрибут – это информационное отображение свойства сущности;
Запись – совокупность атрибутов сущности.

ПРИМЕРЫ АТРИБУТОВ
Работник фирмы: ФИО, табельный номер, стаж, уровень допуска,…
Автомобиль: марка, модель, объем двигателя,…
Денежный перевод: отправитель, сумма, статус,…
Кассовый чек: время операции, сумма скидки, ФИО оператора,…

ДАННЫЕ И ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ДАННЫХ
данные
интерпретация

ПРИЧИНЫ РАЗДЕЛЕНИЯ ДАННЫХ И ИХ ИНТЕРПРЕТАЦИИ ПРИ РАБОТЕ НА ЭВМ
ЭВМ не обладали достаточными возможностями для интерпретации данных на естественном языке – основном языке интерпретации данных;
Стоимость памяти ЭВМ первоначально была весьма высока, и потому память использовалась только для хранения самих данных, а интерпретация данных возлагалась на программиста-пользователя;
Искусственно создавалась жесткая зависимость между данными и интерпретирующими их программами;
При использовании одних и тех же данных разными программами возникает масса проблем

ЭВОЛЮЦИЯ ПРИНЦИПОВ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ
Код программы
Сегмент данных
Программа
Данные
Программа
Данные
Описание данных
БД
I
II
III

2.ПОНЯТИЕ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ
Обработка информации – основа решения многих задач;
Информационные системы(ИС) создаются для облегчения обработки информации;
Автоматизированные ИС – ИС, в которых применяются технические средства (ЭВМ);
Большинство ИС являются автоматизированными.

ИС – любая система обработки информации.
ИС – совокупность аппаратно-программных средств, задействованных для решения прикладной задачи.

КЛАССИФИКАЦИЯ ИС ПО ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
Производство;
Образование;
Здравоохранение;
Наука;
Социальная сфера;
Торговля;
...

КЛАССИФИКАЦИЯ ИС ПО ЦЕЛЕВОЙ ФУНКЦИИ
Управляющие;
Информационно-справочные;
Поддержки принятия решений.

3.ОПРЕДЕЛЕНИЕ И НАЗНАЧЕНИЕ БАЗ ДАННЫХ
Единая концепция по хранению и обработке данных появилась в 60-е годы XX века .
База данных(БД) – совокупность специальным образом организованных данных, хранимых в памяти вычислительной системы и отображающих состояние объектов и их взаимосвязей в рассматриваемой предметной области.
База данных (БД) - это совместно используемый интегрированный набор логически связанных данных, хранящийся вместе с описанием этих данных, предназначенный для удовлетворения информационных потребностей организации.

ПРЕИМУЩЕСТВА БД
Сокращение избыточности в хранимых данных ;
Возможность контроля целостности и непротиворечивости данных;
Обеспечение безопасности данных;
Обеспечение независимости приложений от физической организации данных.

4.СОСТАВ СИСТЕМ БД
Данные;
Аппаратное обеспечение;
Программное обеспечение;
Люди:
Администраторы БД;
Администраторы данных;
Разработчики БД;
Прикладные программисты;
Конечные пользователи.

КОМПОНЕНТЫ СИСТЕМЫ БАЗЫ ДАННЫХ
БД
Прикладное программное обеспечение (ПО)
Система управления базами данных (СУБД)

АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ БД
Сервер(-а), CPU, память и т.д.
СХД: DAS, SAN, NAS
Внешний доступ: сеть

ПЕРСОНАЛ, РАБОТАЮЩИЙ С БД
Администраторы БД;
Администраторы данных;
Разработчики БД;
Прикладные программисты;
Конечные пользователи.

5.ОПРЕДЕЛЕНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ БАЗАМИ ДАННЫХ
Система управления базами данных (СУБД, DBMS) - это программное обеспечение, с помощью которого пользователи могут определять, создавать и поддерживать базу данных, а также осуществлять к ней контролируемый доступ.
Ключевые возможности СУБД
позволяет определять базу данных путем описания типов данных, их структуры и ограничений для хранимой информации на языке определения данных;
позволяет добавлять, обновлять, удалять и извлекать информацию с помощью языка управления данными;
предоставляет контролируемый доступ к базе данных с помощью:
системы защиты от несанкционированного доступа;
системы поддержки целостности данных, обеспечивающей их непротиворечивость в ходе хранения;
системы поддержки параллельного многопользовательского доступа к базе данных;
системы восстановления после сбоев;
доступного пользователям каталога с метаданными.

ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИИ СУБД
Непосредственное управление данными во внешней памяти;
Управление буферами оперативной памяти;
Управление транзакциями;
Журнализация и восстановление после сбоев;
Поддержка языков БД.

ОСНОВНЫЕ ИНСТРУМЕНТАРИИ СУБД
Модули описания структуры базы данных и средства конструирования экранных форм для ввода, просмотра и обработки данных в диалоговом режиме;
Инструменты создания стандартных запросов для выборки данных при заданных условиях, а также выполнения операций по их обработке и созданию необходимых отчетов из базы данных с выводом их на печать;
Группа языковых средств, представленная макросами, встроенными алгоритмическими языками (Dbase, VBa), языком запросов QBE (Query By Example, SQL);
Средства создания приложений пользователя (генераторы приложений, модули разработки меню и панелей управления приложениями).

ТРЕБОВАНИЯ К СУБД
Недопущение дублирования и противоречивости данных в различных объектах информационной модели;
Обеспечение целостности базы данных;
Возможности модификации ее структуры без повторной загрузки данных;
Возможность реорганизации размещения данных базы на носителях;
Возможность многоаспектного доступа к данным для использования их в решаемых задачах;
Защита и восстановление данных при аппаратных и программных сбоях;
Защита данных от несанкционированного доступа;
Наличие языка запросов высокого уровня, ориентированного на конечного пользователя.

ПИОНЕРЫ СУБД
IMS. IBM, 1968;
ADABAS. Software AG, 1969;
IDMS. Cullinet, 1971;
ИНЭС. ВНИИСИ АН СССР, 1976.

КЛАССИФИКАЦИЯ СУБД
Сетевые
Иерархические
Реляционные
Объектно-реляционные
Объектно-ориентированные
По архитектуре
организации хранения
данных
Локальные
(1 компьютер)
Распределенные
(несколько компьютеров)
По способу доступа
к БД
Клиент-серверные
Файл-серверные
Встраиваемые
По модели данных

Типы моделей баз данных
Иерархическая
Сетевая
Табличная

6.ЭТАПЫ РАЗРАБОТКИ БД
Выбор СУБД (определяется функциональными возможностями СУБД, техническими средствами компьютера – конфигурация, память, быстродействие);
Создание внутримашинной БД (задается структура БД на основе проекта внемашинной информационной базы и ее документов, осуществляется ввод данных, выполняются другие необходимые действия с информационной базой в соответствии с функциональными возможностями СУБД) – поэтапно;
После выявления логических взаимосвязей между информационными компонентами, разработки процедур формализации и моделирования данных приступают к созданию средствами СУБД базы данных на машинных носителях.

УРОВНИ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ДАННЫХ
Внешний уровень - представление БД с точки зрения пользователей. Этот уровень описывает ту часть БД, которая относится к каждому пользователю. Каждый пользователь имеет дело с представлением БД, выраженным в наиболее удобной для него форме, например, только с теми сущностями, атрибутами и связями, которые для него интересны или с данными в наиболее подходящем формате. Это инфологический уровень;
Даталогический уровень – описание БД на языке конкретной СУБД, описание собственно данных;
Физический уровень – физическая организация данных в базе.

МОДЕЛИ ДАННЫХ
Инфологическая модель отображает реальный мир в некоторые понятные человеку концепции, полностью независимые от параметров среды хранения данных;
Инфологическая модель должна быть отображена в компьютерно-ориентированную даталогическую модель, "понятную" СУБД;
Физическая организация данных оказывает основное влияние на эксплуатационные характеристики БД. Разработчики СУБД пытаются создать наиболее производительные физические модели данных, предлагая пользователям тот или иной инструментарий для поднастройки модели под конкретную БД.

МОДЕЛИ ДАННЫХ

ИНФОЛОГИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ
Инфологическая модель – отображает реальный мир в некоторые понятные человеку концепции, полностью независимые от параметров среды хранения данных;
Цель инфологического моделирования – обеспечение наиболее естественных для человека способов сбора и представления той информации, которую предполагается хранить в создаваемой БД;
Основные конструктивные элементы инфологических моделей – СУЩНОСТИ, СВЯЗИ МЕЖДУ НИМИ и АТРИБУТЫ СУЩНОСТЕЙ;
Такая инфологическая модель называется моделью СУЩНОСТЬ – СВЯЗЬ.

ДАТАЛОГИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ
Даталогическая модель – компьютеро-ориентированное отображение инфологической модели;
Основные типы даталогических моделей:
Иерархическая;
Сетевая;
Реляционная;
Объектно-ориентированная.

7.ИЕРАРХИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДАННЫХ
имеют древовидную структуру, когда каждому узлу структуры соответствует один сегмент, представляющий собой поименованный линейный кортеж данных;
Каждому сегменту, кроме корневого, соответствует один входной и несколько выходных сегментов;
Каждый сегмент лежит на единственном иерархическом пути, начинающемся с корневого сегмента. При описании такой логической организации данных достаточно для каждого сегмента указать его входной сегмент. Так как в иерархической модели каждому входному сегменту данных соответствует N выходных, то такие модели весьма удобны для представления отношений типа 1:L в предметной области.

УЗЕЛ- информационная модель элемента, находящегося на данном уровне иерархии.
Иерархическая БД – это набор данных в виде многоуровневой структуры (дерева).

ИЕРАРХИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДАННЫХ
Единственный иерархический путь к сегменту модели, начинающийся с корневого сегмента

Структура школы:
Генеалогическое дерево
14

8.СЕТЕВАЯ МОДЕЛЬ ДАННЫХ
Состоит из «наборов» - двухуровневых деревьев;
Наборы соединяются с помощью «записей-связок», образуя цепочки;
Допускается несколько входных элементов наряду с возможностью наличия сегментов без входов;
Сегменты данных в сетевых базах данных могут иметь множественные связи с сегментами старшего уровня;
В сетевых моделях данных любая запись старшего уровня может содержать данные, относящиеся к набору записей подчиненного уровня. Обращение к набору всех записей реализуется, начиная с записи старшего уровня.

Сетевая модель – это набор узлов, в которых каждый может быть связан с каждым (схема дорог)
Пример: посещение учащимися одной группы спортивных секций

СЕТЕВАЯ МОДЕЛЬ ДАННЫХ
С.-Петербург
Москва
Новосибирск
Воронеж
Саратов

9.РЕЛЯЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ДАННЫХ
В такой модели общая структура данных может быть представлена в виде таблицы, в которой каждая строка значений (кортеж) соответствует логической записи, а заголовки столбцов являются названиями полей записи;
Первую реляционную модель данных предложил в 1970 году сотрудник фирмы IBM Эдгар Кодд.

ПРЕИМУЩЕСТВА
Простота структур данных;
Удобное для пользователя табличным представлением;
Удобный доступ к данным. Процедуры сохранения и поиска осуществляются с применением операций на множествах (объединение, пересечение, разность, произведение) и реляционных операций (выбрать, спроецировать, соединить, разделить);
каждому объекту предметной области соответствует одно или более отношений. При необходимости связь между объектами можно указать в явном виде.

РЕЛЯЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ДАННЫХ
Таблица «Работники»
Таблица «Отделы»
Иванов Иван Иванович работает в отделе продаж и получает заработную плату 10000р

Базовые элементы таблицы
Запись – каждая строка таблицы.
Поле – каждый столбец
Ключ – поле, которое однозначно определяет соответствующую запись.

Каждая таблица должна иметь своё имя.
Запись – это строка таблицы.
Колонка – это столбец таблицы.
Поле – это атрибут строки.
Таблица – информационная модель реальной системы.
Запись содержит информацию об одном конкретном объекте.
Поле содержит определённые характеристики объектов.
Основной элемент БД – таблица
ЗАПИСЬ
Колонка
Поле

Пример таблицы

ТИПЫ ПОЛЕЙ

Имя таблицы
поле
запись
Главный ключ – это поле или совокупность полей,
которое однозначно определяет запись в таблице

АБСТРАГИРОВАНИЕ ДАННЫХ
Основная цель СУБД заключается в том, чтобы предложить пользователю абстрактное представление данных, скрыв конкретные особенности хранения и управления;
Отправной точкой при проектировании базы данных должно быть абстрактное и общее описание информационных потребностей организации, которые должны найти свое отражение в создаваемой базе данных.

10.МОДЕЛЬ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ДАННЫХ
Современная технология баз данных основана на концепции многоуровневой архитектуры СУБД.
Эти идеи были сформированы в 1975 году в отчёте Американского национального института стандартов (ANSI/X3/SPARC), в котором была предложена обобщённая трёхуровневая модель архитектуры СУБД.

УРОВНИ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ДАННЫХ
Внешний уровень
(Представление одних и тех же данных)
Концептуальный уровень
(Схема базы данных)
Внутренний уровень
(Схема хранения)
Логическая независимость данных
Физическая независимость данных

Внутренняя модель - представление самого низкого уровня, физическая БД. Основными компонентами являются физические блоки, хранимые записи, указатели, данные переполнения;
Концептуальная модель - представление полного информационного содержания базы данных в абстрактной форме по сравнению со способом физического хранения данных. Это представление может полностью отличаться от представления данных отдельным пользователем;
Внешний уровень - представление БД с точки зрения пользователей. Этот уровень описывает ту часть БД, которая относится к каждому пользователю.

КОМПОНЕНТЫ КОНЦЕПТУАЛЬНОЙ МОДЕЛИ
элементарные данные проблемной области (или предметной области), называемые сущностями;
элементарные данные, описывающие сущности, называемые атрибутами;
ассоциации между экземплярами элементарных данных, называемых связями
1:1 – один к одному
1:N – один ко многим
M:N – многие ко многим