Введение

трехуровневый архитектура база данные

1.1 Общие понятия и определения баз данных

Основой многих информационных систем (прежде всего, информационно-справочных систем) являются базы данных. База данных (БД) -- организованная совокупность данных, предназначенная для длительного хранения во внешней памяти ЭВМ, постоянного обновления и использования.

В большинстве случаев базу данных можно рассматривать как информационную модель некоторой реальной системы, например книжного фонда библиотеки, кадрового состава предприятия, учебного процесса в школе и так далее. Такую систему называют предметной областью базы данных и информационной системы, в которую она входит.

Один из признаков, по которому можно классифицировать базы данных, -- характер хранимой информации. Фактографические БД содержат данные, представляемые в краткой форме и строго фиксированных форматах. Такие БД являются аналогами бумажных картотек, например, библиотечного каталога или каталога видеотеки. Другой тип баз данных -- документальные БД. Здесь аналогом являются архивы документов, например, архив судебных дел, архив исторических документов и пр. В дальнейшем мы будем рассматривать лишь фактографические БД.

Классификация по способу хранения данных делит БД на централизованные и распределенные. Вся информация в централизованной БД хранится на одном компьютере. Это может быть автономный ПК или сервер сети, к которому имеют доступ пользователи-клиенты. Распределенные БД используются в локальных и глобальных компьютерных сетях. В последнем случае разные части базы данных хранятся на разных компьютерах.

Известны три разновидности структуры данных: иерархическая,
сетевая и табличная. Соответственно по признаку структуры базы данных делятся на иерархические БД, сетевые БД и реляционные (табличные) БД.

В последнее время наиболее распространенным типом баз данных стали реляционные БД. Известно, что любую структуру данных можно свести к табличной форме Голицына, О. Л. Информационные системы. - М. : ФОРУМ: ИНФРА-М, 2007. - С. 132..

Структурированное представление данных называется моделью данных. Основной информационной единицей реляционной БД является таблица. Реляционные БД используют табличную модель данных. База данных может состоять из одной таблицы -- однотабличная БД или из множества взаимосвязанных таблиц -- многотабличная БД.

Структурными составляющими таблицы являются записи и поля.

Рисунок 1.1 - Структура таблицы базы данных

Каждая запись содержит информацию об отдельном объекте системы: одной книге в библиотеке, одном сотруднике предприятия и т. п. А каждое поле -- это определенная характеристика (свойство, атрибут) объектов: название книги, автор книги, фамилия сотрудника, год рождения и т. п. Поля таблицы должны иметь несовпадающие имена.

Для каждой таблицы реляционной БД должен быть определен главный ключ -- имя поля или некольких полей, совокупность значений которых однозначно определяют запись. Иначе говоря, значение главного ключа не должно повторяться в разных записях. Например, в библиотечной базе данных таким ключом может быть выбран инвентарный номер книги, который не может совпадать у разных книг.

В теории реляционных баз данных таблица называется отношением (от англ, * relation* -- отношение). Отсюдапроисходит название «реляционные базы данных». Имя_табляцы -- это имя отношения. Примеры отношений:

Каждое поле таблицы имеет определенный тип. ТИП-- это множество значений, которые поле может принимать, и множество операций, которые можно выполнять над этими значениями. Существуют четыре основных типа для полей БД: символьный, числовой, логический и дата»/

Поле «ПЕРВИЧНЫЙ» нужно для обозначения того, поступил ли больной в больницу с данным диагнозом впервые или повторно. Те записи, где значение этого поля равно TRUE (ИСТИНА), относятся к первичным больным, значение FALSE (ЛОЖЬ) отмечает повторного больного. Таким образом, поле логического типа может принимать только два значения.

Программное обеспечение, предназначенное для работы с базами данных, называется системой управления базами данных -- СУБД.

Наибольшее распространение на персональных компьютерах получили реляционные БД, использующие табличное представление данных.

Основные действия, которые пользователь может выполнять с помощью СУБД:

- создание структуры БД;

- заполнение БД информацией;

- изменение (редактирование) структуры и содержания БД;

- поиск информации в БД;

- сортировка данных

- защита БД;

- проверка целостности БД Тельнов, Ю. Ф. Интеллектуальные информационные системы в экономике. - М. : СИНТЕГ, 2009. - С. 56..

1.2 Архитектуры баз данных

Первая попытка создания стандартной терминологии и общей архитектуры СУБД была предпринята в 1971 году группой DBTG, признавшей необходимость использования двухуровневого подхода, построенного на основе использования системного представления, т.е. схемы , и пользовательских представлений, т.е. подсхем . Сходные терминология и архитектура были предложены в 1975 году Комитетом планирования стандартов и норм SPARC (Standards Planning and Requirements Committee) Национального Института Стандартизации США (American National Standard Institute - ANSI), ANSI/X3/SPARC (ANSI, 1975). Комитет ANSI/SPARC признал необходимость использования трехуровневого подхода. Хотя модель ANSI/SPARC не стала стандартом, тем не менее она все еще представляет собой основу для понимания некоторых функциональных особенностей СУБД.

В данном случае для нас наиболее важным моментом в этих и последующих разработках является идентификация трех уровней абстракции, т.е. трех различных уровней описания элементов данных. Эти уровни формируют трехуровневую архитектуру, которая охватывает внешний, концептуальный и внутренний уровни, как показано на рисунке 1.2. Цель трехуровневой архитектуры заключается в отделении пользовательского представления базы данных от ее физического представления. Ниже перечислено несколько причин, по которым желательно выполнять такое разделение.

- Каждый пользователь должен иметь возможность обращаться к одним и тем же данным, используя свое собственное представление о них. Каждый пользователь должен иметь возможность изменять свое представление о данных, причем это изменение не должно оказывать влияния на других пользователей.

- Пользователи не должны непосредственно иметь дело с подробностями физического хранения данных в базе

- Администратор базы данных должен иметь возможность изменять структуру хранения данных в базе, не оказывая влияния на пользовательские представления.

- Внутренняя структура базы данных не должна зависеть от таких изменений физических аспектов хранения информации, как переход на новое устройство хранения.

- АБД должен иметь возможность изменять концептуальную или глобальную структуру базы данных без какого-либо влияния на всех пользователей Петров, В. Н. Информационные системы. - СПб. : Питер, 2008. - С. 59..

Уровень, на котором воспринимают данные пользователи, называется внешним уровнем (external level), тогда как СУБД и операционная система воспринимают данные на внутреннем уровне (internal level). Именно на внутреннем уровне данные реально сохраняются с использованием всех тех структур и файловой организации. Концептуальный уровень (conceptual level) представления данных предназначен для отображения внешнего уровня на внутренний и обеспечения необходимой независимости друг от друга.

Рисунок 1.2 - Трехуровневая архитектура ANSI-SPARC

Внешний уровень состоит из нескольких различных внешних представлений БД. Каждый пользователь имеет дело с представлением предметной области, выраженным в наиболее удобной для него форме. Внешнее представление содержит только те сущности, атрибуты и связи предметной области, которые интересны пользователю.

Помимо этого, различные представления могут поразному отображать одни и те же данные. Например, один пользователь может просматривать даты в формате (день, месяц, год), а другой - в формате (год, месяц, день). Некоторые представления могут включать производные или вычисляемые данные, которые не хранятся в базе данных как таковые, а создаются по мере надобности. Представления могут также включать комбинированные или производные данные из нескольких объектов.

Промежуточным уровнем в трехуровневой архитектуре является концептуальный уровень. Этот уровень содержит логическую структуру всей базы данных (с точки зрения АБД). Фактически, это полное представление требований к данным, которое не зависит от любых соображений относительно способа их хранения. На концептуальном уровне представлены следующие компоненты: все сущности, их атрибуты и связи; накладываемые на данные ограничения; семантическая информация о данных; информация о мерах обеспечения безопасности и поддержки целостности данных.

Концептуальный уровень поддерживает каждое внешнее представление, в том смысле, что любые доступные пользователю данные должны содержаться (или могут быть вычислены) на этом уровне. Однако этот уровень не содержит никаких сведений о методах хранения данных.

Внутренний уровень описывает физическую реализацию базы данных и предназначен для достижения оптимальной производительности и обеспечения экономного использования дискового пространства. Он содержит описание структур данных и организации отдельных файлов, используемых для хранения данных в запоминающих устройствах. На этом уровне осуществляется взаимодействие СУБД с методами доступа операционной системы с целью размещения данных на запоминающих устройствах, создания индексов, извлечения данных и т.д. На внутреннем уровне хранится следующая информация: сведения о распределении дискового пространства для хранения данных и индексов; описание подробностей сохранения записей (с указанием реальных размеров сохраняемых элементов данных); сведения о размещении записей; сведения о сжатии данных и выбранных методах их шифрования Карминский, А. М. Информатизация бизнеса. Концепции, технологии, системы. - М. : Астрэль 2008. - С. 51..

Общее описание базы данных называется схемой базы данных. Существует три различных типа схем базы данных, которые определяются в соответствии с уровнями абстракции трехуровневой архитектуры, показанной на рис. 5.6. На самом высоком уровне имеется несколько внешних схем или подсхем, которые соответствуют разным представлениям данных. На концептуальном уровне описание базы данных называют концептуальной схемой, а на самом низком уровне абстракции - внутренней схемой.

Концептуальная схема описывает все элементы данных и связи между ними, с указанием необходимых ограничений поддержки целостности данных. Для каждой базы данных имеется только одна концептуальная схема. На нижнем уровне находится внутренняя схема, которая является полным описанием внутренней модели данных.

Она содержит определения хранимых записей, методы представления, описания полей данных, сведения об индексах и выбранных схемах хеширования. Для каждой базы данных существует только одна внутренняя схема.

СУБД отвечает за установление соответствия между этими тремя типами схем, а также за проверку их непротиворечивости. Иначе говоря, СУБД должна убедиться в том, что каждую внешнюю схему можно вывести на основе концептуальной схемы. Для установления соответствия между любыми внешней и внутренней схемами СУБД должна использовать информацию из концептуальной схемы. Концептуальная схема связана с внутренней схемой посредством отображения «концептуальный - внутренний». Оно позволяет СУБД найти фактическую запись или набор записей на физическом устройстве хранения, которые образуют логическую запись в концептуальной схеме, с учетом любых ограничений, установленных для выполняемых над данной логической записью операций. Оно также позволяет обнаружить любые различия в именах объектов, именах атрибутов, порядке следования атрибутов, их типах данных и т.д. Наконец, каждая внешняя схема связана с концептуальной схемой с помощью отображения «внешний - концептуальный». С его помощью СУБД может отображать имена пользовательского представления на соответствующую часть концептуальной схемы.

Важно различать описание базы данных и саму базу данных. Описанием базы данных является схема базы данных. Схема создается в процессе проектирования базы данных, причем предполагается, что она изменяется достаточно редко. Однако содержащаяся в базе данных информация может меняться часто - например, всякий раз при вставке о том или ином объекте. Совокупность информации, хранящейся в базе данных в любой определенный момент времени, называется состоянием базы данных. Следовательно, одной и той же схеме базы данных может соответствовать множество ее различных состояний. Схема базы данных иногда называется содержанием базы данных, а ее состояние - детализацией.

Основным назначением трехуровневой архитектуры является обеспечение независимости от данных, которая означает, что изменения на нижних уровнях никак не влияют на верхние уровни. Различают два типа независимости от данных: логическую и физическую.

Логическая независимость от данных означает полную защищенность внешних схем от изменений, вносимых в концептуальную схему. Такие изменения концептуальной схемы, как добавление или удаление новых сущностей, атрибутов или связей, должны осуществляться без внесения изменений в уже существующие внешние схемы или переписывания прикладных программ Михеев, Е. В. Информационные технологии в профессиональной деятельности. - М. : ТК Велби, Проспект, 2007. - С. 116..

Физическая независимость от данных означает защищенность концептуальной схемы от изменений, вносимых во внутреннюю схему. Такие изменения внутренней схемы, как использование различных файловых систем или структур хранения, разных устройств хранения, модификация индексов или хеширование, должны осуществляться без необходимости внесения изменений в концептуальную или внешнюю схемы. Пользователем могут быть замечены изменения только в общей производительности системы. На рисунке 1.3 показано место перечисленных выше типов независимости от данных в трехуровневой архитектуре СУБД.

Принятое в архитектуре ANSI-SPARC двухэтапное отображение может сказываться на эффективности работы, но при этом оно обеспечивает более высокую независимость от данных.

Рисунок 1.3 - Реализация независимости от данных в трехуровневой архитектуре ANSI-SPARC

1.3 Принципы реализации баз данных

В зависимости от содержания исходной информации, положенной в основу проектирования, различают подходы «от предметной области» и «от запроса». Подход от предметной области означает описание объектов отображаемой в ИС части реального мира и связей между ними безотносительно к потребностям пользователей. Иногда этот подход называют объектным или непроцессным. В подходе от запроса основным источником информации являются запросы пользователей (задачи). Этот подход называется также процессным или функциональным.

Преимуществом подхода от предметной области является его объективность, системное отображение предметной области и, как следствие, устойчивость информационной модели, возможность реализации большого числа приложений, в том числе и заранее незапланированных, на созданной базе данных. Недостатком подхода является трудность отбора информации, подлежащей фиксации в БД.

Функциональный подход ориентирован на реализацию текущих запросов пользователей и не учитывает перспектив развития системы. при его использовании могут возникнуть трудности в объединении взглядов различных пользователей. Однако учет запросов позволяет улучшить характеристики функционирования БД Истомин, Е. П. Высокоуровневые методы информатики и программирования. - М. : Андреевский Издательский дом 2008. - С. 51..

Отдельно взятый ни один из указанных подходов не дает достаточной информации для проектирования рациональной БД. Целесообразно совместное применение обоих подходов с ведущим положением объектного подхода.

Рисунок 1.4 - Укрупненная схема проектирования БД

Проектирование баз данных представляет собой переход от исходного описания предметной области к схеме баз данных. Процесс проектирования структуры БД носит итеративный характер. Обычно сначала строится предварительная логическая структура, которая в общем виде отображает предметную область и функциональные требования, затем переходят к детальному логическому структурированию. Причем, предварительная структура будет служить своеобразным эталоном, с которым сравниваются получающиеся в результате проектирования структуры. те части структур, которые не соответствуют друг другу, должны быть тщательно исследованы, и в ту структуру, которая оказалась неадекватной, должны быть внесены изменения (см. рисунок 1.5).

Рисунок 1.5 - Взаимосвязь этапов проектирования структуры БД

Даталогическая модель, построенная от предметной области, должна быть проанализирована с точки зрения возможности и эффективности выполнения заданных функций. В процессе анализа даталогическая модель может перестраиваться. После получения приемлемого варианта логической структуры БД переходят к физическому моделированию. Полученный вариант физической структуры проверяют на ограничение по ресурсам. В случае несоблюдения ограничений производят перепроектирование физической структуры. Если этого оказывается недостаточно, то возвращаются к даталогическому уровню и выполняют еще одну итерацию по проектированию структуры БД.

При реализации подхода от запроса (рис. 7) на начальной стадии выявляются локальные представления о предметной области каждого пользователя. Затем эти представления объединяют в глобальную инфологическую модель. Первоначальный вариант модели неканонический: он может содержать различные аномалии, например, транзитивные связи, циклы, противоречия, вызванные расхождением во взглядах различных пользователей на одни и те же данные, и др. Инфологическая модель, в которой устранены аномалии, называется канонической инфологической моделью. Дальнейшие шаги проектирования в подходах «от запроса» и «от предметной области» совпадают Пономаренко, В. С. Информационные системы и технологии в экономике. - Киев : Академия, 2012. - С. 85..

Рисунок 1.6 - Схема проектирования логической структуры баз данных при использовании подхода от запроса:

На рисунке 1.6 изображены следующие элементы:

1 описание взглядов отдельных пользователей;

2 обобщение взглядов пользователей;

3 устранение противоречивости, нормализация, минимизация модели;

4 преобразование модели к виду, воспринимаемому СУБД;

5 проверка адекватности даталогической модели предметной области;

6 уточнение взглядов пользователей

Проектирование баз данных - многовариантный процесс. Если на начальных стадиях проектирования трудно выбрать единственный вариант проектного решения, то довести до стадии моделирования и даже до стадии натурных испытаний можно, опробовав несколько вариантов.

В основе построения БД лежат определенные научные принципы, позволяющие создавать высококачественные системы. Из множества используемых принципов можно выделить наиболее существенные:

Принцип интеграции данных и принцип централизации управления ими - оба принципа отражают суть банка данных: интеграция является основой организации БД, централизация управления - основой организации и функционирования системы управления базами данных (СУБД).

Суть принципа интеграции данных состоит в объединении отдельных, взаимно несвязанных данных в единое целое, в роли которого выступает база данных, результате чего пользователю и его прикладным программам все данные представляются единым информационным массивом. Интеграцию данных необходимо рассматривать на двух уровнях - логическом и физическом. На логическом уровне множество структур данных отображается в единую структуру данных, на физическом уровне автономные файлы объединяются в базу данных.

Принцип централизации управления состоит в передаче всех функций управления данными единому комплексу управляющих программ - СУБД. Все операции, связанные с доступом к БД, выполняются не прикладными программами, а централизованно - ядром СУБД - на основании информации, получаемой из этих программ.

Остальные принципы в той или иной степени связаны с принципами интеграции и централизации.

Принцип целостности данных отражает требование адекватности хранимой в БД информации состоянию предметной области: в любой момент времени данные должны в точности соответствовать свойствам и характеристикам объектов. Нарушение целостности возникает вследствие искажения или даже разрушения всех или части данных, а также как результат записи в базу данных неверной информации. Поддержание целостности достигается контролем входной информации, периодической проверкой хранимых в БД данных, применением специальной системы восстановления данных и т.д.

Под независимостью данных понимают независимость прикладных программ от хранимых данных, при которой любые изменения в организации данных не требуют коррекции этих программ. Одним из путей достижения независимости является введение дополнительных уровней абстрагирования данных (принцип многоуровневости). Вместо двух традиционных уровней, предусмотренных базовым программным обеспечением и стандартными языками программирования, - логического и физического - в архитектуре БД используется принцип трехуровневой организации данных: логический уровень делится на два - внешний (уровень пользователя) и концептуальный ( общий системный уровень данных).

Неизбыточность - это состояние данных, когда каждое из них присутствует в базе данных в единственном экземпляре. Избыточность может иметь место как на логическом уровне, когда в структуре данных повторяются одни и те же типы данных, так и на физическом уровне, когда данные хранятся в двух или более экземплярах. Принцип интеграции позволяет свести избыточность к минимуму.

Под непротиворечивостью понимается смысловое соответствие между данными; это состояние БД, при котором хранимые в ней данные не противоречат друг другу. Различают два аспекта непротиворечивости: смысловое соответствие разнотипных данных и идентичность (равенство) дублирующих данных.

Принцип связности данных заключается в том, что данные в БД взаимосвязаны, и связи отражают отношения между объектами предметной области. Множество связей и множество типов данных образуют логическую структуру данных. Наличие связей между записями в БД позволяет уменьшить избыточность, упростить и ускорить поиск данных Романенко, А. Г. Информационные системы. - М. : Российский государственный гуманитарный университет, Издательский центр, Издательский центр РГГУ, 2007. - С. 184..

Выводы по главе 1

Основой многих информационных систем (прежде всего, информационно-справочных систем) являются базы данных. База данных (БД) -- организованная совокупность данных, предназначенная для длительного хранения во внешней памяти ЭВМ, постоянного обновления и использования. Классификация по способу хранения данных делит БД на централизованные и распределенные. Вся информация в централизованной БД хранится на одном компьютере.

Наиболее распространенной архитектурой реализации баз данных является трехуровневая архитектура баз данных. Цель трехуровневой архитектуры заключается в отделении пользовательского представления базы данных от ее физического представления. Внешний уровень состоит из нескольких различных внешних представлений БД. Концептуальный уровень поддерживает каждое внешнее представление, в том смысле, что любые доступные пользователю данные должны содержаться (или могут быть вычислены) на этом уровне. Внутренний уровень описывает физическую реализацию базы данных и предназначен для достижения оптимальной производительности и обеспечения экономного использования дискового пространства.

В основе построения БД лежат определенные научные принципы, позволяющие создавать высококачественные системы. Из множества используемых принципов можно выделить наиболее существенные: принцип интеграции, принцип централизации управления , принцип целостности данных , независимость , неизбыточность, непротиворечивость и принцип связанности.

2. Общий анализ функционирования компании «Спецэнерготехника»