Системы управления базами данных

Понятие и состав СУБД

В общем случае под СУБД можно понимать любой программный продукт, поддерживающий процессы создания, ведения и использования БД. К СУБД относятся следующие основные виды программ:

· полнофункциональные СУБД;

· серверы БД;

· клиенты БД;

· средства разработки программ работы с БД.

Полнофункциональные СУБД (ПФ СУБД) представляют собой традиционные СУБД, которые сначала появились для больших машин, а затем и для ПЭВМ. Из числа всех СУБД современные ПФ СУБД являются наиболее многочисленными и мощными по своим возможностям. К ПФ СУБД относятся, например, такие пакеты, как Clarion Database Developer, DataEase, DataFlex, dBase IV, Microsoft Access, Microsoft FoxPro и Paradox R:BASE.

Обычно ПФ СУБД имеют развитый интерфейс, позволяющий с помощью команд меню выполнять основные действия с БД: создавать и модифицировать структуры таблиц, вводить данные, формировать запросы, разрабатывать отчеты, выводить их на печать. Для создания запросов и отчетов удобно пользоваться языком QBE (Query By Example – формулировки запросов по образцу). Многие ПФСУБД включают средства программирования для профессиональных разработчиков.

Некоторые системы имеют в качестве вспомогательных и дополнительные средства проектирования схем БД или CASE-подсистемы. Для обеспечения доступа к данным SQL-серверов полнофункциональные СУБД имеют факультативные модули.

Серверы БД предназначены для организации центров обработки данных в сетях ЭВМ. Эта группа БД в настоящее время менее многочисленна, но их количество постепенно растет. Серверы БД реализуют функции управления базами данных, запрашиваемые другими (клиентскими) программами с помощью операторов SQL.

Примерами серверов БД являются следующие программы: NetWare SQL (Novell), MS SQL Server (Microsoft), InterBase (Borland), SQLBase Server (Gupta), Intelligent Database (Ingress).

В роли клиентских программ для серверов БД в общем случае могут использоваться различные программы: ПФ СУБД, электронные таблицы, текстовые процессоры, программы электронной почты и т. д. При этом элементы пары «клиент – сервер» могут принадлежать одному или разным производителям программного обеспечения.

В случае, когда клиентская и серверная части выполнены одной фирмой, естественно ожидать, что распределение функций между ними выполнено рационально. В остальных случаях обычно преследуется цель обеспечения доступа к данным «любой ценой». Примером такого соединения является случай, когда одна из полнофункциональных СУБД играет роль сервера, а вторая СУБД (другого производителя) – роль клиента. Так, для сервера БД SQL Server (Microsoft) в роли клиентских (фронтальных) программ могут выступать многие СУБД, такие как dBASE IV, Blyth Software, Paradox, DataEase, Focus, 1-2-3, MDBS III, Revelation и другие.

Модели данных в СУБД

СУБД зависит от модели, которая положена в основу базы. В наше время стали наиболее распространенными две модели: реляционная (модель отношений) и объектно-ориентированная (модель объектов).

Реляционная модель. В 1969 году американский математик доктор Э.Ф. Кодд (Е.F. Codd) проанализировал сложившуюся к тому времени ситуацию по базам данных. Во всех имевшихся в то время моделях были существенные недостатки: избыточность данных, сложность обработки и отсутствие безопасности хранения информации и т.п. Кодд решил создать свою модель – реляционную (relation – англ. "отношение" или просто "таблица"). Он реализовал хранение данных в табличной форме, то есть организовал такие "хранилища" в виде логических структур (физические методы хранения могут быть любыми). Тем самым Кодд сумел добиться наглядности представления информации и удобства ее обработки.

Для формирования таблицы данных стало достаточно выполнить определенный логический запрос, подчиняющийся законам булевой алгебры. Среди операторов манипуляции данными существуют минимум три операции: извлечение строк (SELECT), извлечение столбцов (PROJECT) и объединение таблиц (JOIN). В результате этих действий мы получаем таблицу.

Результатом любой операции в модели является объект того же рода, что и объект, над которым осуществлялось действие. Это и есть основное свойство описываемой модели.

Основные понятия, применимые к реляционной модели, следующие: тип данных, атрибут, кортеж, отношение и первичный ключ.

Тип данных –понятие, которое соответствует понятию типа в языках программирования. Для реляционной модели можно отметить такие основные типы, как "целые числа", "символы", "числа с плавающей запятой", "дата" и "финансы".

Атрибут – это столбец в таблице с данными. Например, если на экране имеется информация о хакерских течениях, эксплойтах и стаже деятельности, то все эти столбцы являются атрибутами.

Кортеж – строка в таблице с данными.

Отношение – таблица в целом. Описание типов данных, применяемых в таблице, называется заголовком отношения, а все остальное (собственно данные) – телом отношения.

Первичный ключ – минимальный набор атрибутов (столбцов), которые будут определять однозначную уникальность каждого кортежа (строки) в отношении (таблице). При создании базы следует очень внимательно отнестись к заданию первичного ключа. Иногда для аутентификации вводится дополнительное поле с порядковым номером, который будет однозначно разным для каждой строки. Но не запрещается выбирать для первичного ключа два или три атрибута – главное, чтобы это действие было логически обоснованным (подобный ряд атрибутов будет называться составным первичным ключом).

Чтобы добиться эффективного управления базой, необходимо обеспечить связанность данных. Для этого был придуман так называемый "внешний ключ", который представляет собой атрибут (или набор атрибутов) в одной таблице, совпадающий по типу с первичным ключом другой. Следует соблюдать условие, согласно которому каждое значение в столбце одной таблицы должно совпадать с каким-либо значением в другой.

В теории СУБД выделяется три вида связей: один-к-одному, один-ко-многим и многие-ко-многим.

1. Один-к-одному. Этот вид связи применяется в том случае, когда первичный ключ одной таблицы ссылается на ключ другой.

2. Один-ко-многим. Наиболее типичная связь. Реализуется при копировании первичного ключа одной таблицы в другую. В этом случае во второй таблице этот ключ называется уже внешним.

3. Многие-ко-многим. Суть этого типа связи в том, что ключ в одной таблице связывается с ключом другой и наоборот. Эту связь напрямую вообще никак не реализовать. Чтобы обойти этот недостаток, используется классическое решение: добавляется промежуточное отношение, которое будет связано типом "один-ко-многим" как с первой, так и со второй таблицей. Многие СУБД построены именно на ее основе.

Средства разработки программ работы с БД

Средства разработки программ работы с БД могут использоваться для создания разновидностей следующих программ:

· клиентских программ;

· серверов БД и их отдельных компонентов;

· пользовательских приложений.

Программы первого и второго вида довольно малочисленны, так как предназначены, главным образом, для системных программистов. Пакетов третьего вида гораздо больше, но меньше, чем полнофункциональных СУБД.

К средствам разработки пользовательских приложений относятся системы программирования, например Clipper, разнообразные библиотеки программ для различных языков программирования, а также пакеты автоматизации разработок (в том числе систем типа клиент-сервер). В числе наиболее распространенных можно назвать следующие инструментальные системы: Delphi и Power Builder (Borland), Visual Basic (Microsoft), SILVERRUN (Computer Advisers Inc.), S-Designor (SDP и Powersoft) и ERwin (LogicWorks).

Кроме перечисленных средств, для управления данными и организации обслуживания БД используются различные дополнительные средства, к примеру мониторы транзакций.

Классификация СУБД

По характеру использования СУБД делят на персональные и многопользовательские.

Персональные СУБД обычно 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. К персональным СУБД, например, относятся Visual FoxPro, Paradox, Clipper, dBase, Access и др.

Многопользовательские СУБД включают в себя сервер БД и клиентскую часть и, как правило, могут работать в неоднородной вычислительной среде (с разными типами ЭВМ и операционными системами). К многопользовательским СУБД относятся, например, СУБД Oracle и Informix.

По используемой модели данных СУБД (как и БД), разделяют на иерархические, сетевые, реляционные, объектно-ориентированные и другие типы. Некоторые СУБД могут одновременно поддерживать несколько моделей данных.

Функции и языки СУБД

С точки зрения пользователя, СУБД реализует функции хранения, изменения (пополнения, редактирования и удаления) и обработки информации, а также разработки и получения различных выходных документов.

Для работы с хранящейся в базе данных информацией СУБД предоставляет программам и пользователям следующие два типа языков:

· язык описания данных — высокоуровневый непроцедурный язык декларативного типа, предназначенный для описания логической структуры
данных;

· язык манипулирования данными — совокупность конструкций, обеспечивающих выполнение основных операций по работе с данными: ввод,
модификацию и выборку данных по запросам.

Названные языки в различных СУБД могут иметь отличия. Наибольшее распространение получили два стандартизованных языка: QBE (Query By Example) — язык запросов по образцу и SQL (Structured Query Language) — структурированный язык запросов. QBE в основном обладает свойствами языка манипулирования данными, SQL сочетает в себе свойства языков обоих типов — описания и манипулирования данными.

Перечисленные выше функции СУБД, в свою очередь, используют следующие основные функции более низкого уровня, которые назовем низкоуровневыми:

· управление данными во внешней памяти;

· управление буферами оперативной памяти;

· управление транзакциями;

· ведение журнала изменений в БД;

· обеспечение целостности и безопасности БД.

Реализация функции управления данными во внешней памяти в разных системах может различаться и на уровне управления ресурсами (используя файловые системы ОС или непосредственное управление устройствами ПЭВМ), и по логике самих алгоритмов управления данными. В основном методы и алгоритмы управления данными являются «внутренним делом» СУБД и прямого отношения к пользователю не имеют. Качество реализации этой функции наиболее сильно влияет на эффективность работы специфических ИС, например, с огромными БД, со сложными запросами, большим объемом обработки данных.

Необходимость буферизации данных и как следствие реализации функции управления буферами оперативной памяти обусловлено тем, что объем оперативной памяти меньше объема внешней памяти.

Механизм транзакций

Механизм транзакций используется в СУБД для поддержания целостности данных в базе. Транзакцией называется некоторая неделимая последовательность операций над данными БД, которая отслеживается СУБД от начала и до завершения. Если по каким-либо причинам (сбои и отказы оборудования, ошибки в программном обеспечении, включая приложение) транзакция остается незавершенной, то она отменяется.

Транзакции присущи три основных свойства:

· атомарность (выполняются все входящие в транзакцию операции или ни одна);

· сериализуемость (отсутствует взаимное влияние выполняемых в одно и то же время транзакций);

· долговечность (даже крах системы не приводит к утрате результатов зафиксированной транзакции).

Примером транзакции является операция перевода денег с одного счета на другой в банковской системе. Здесь необходим, по крайней мере, двухшаговый процесс. Сначала снимают деньги с одного счета, затем добавляют их к другому счету. Если хотя бы одно из действий не выполнится успешно, результат операции окажется неверным и будет нарушен баланс между счетами.

Контроль транзакций важен в однопользовательских и в многопользовательских СУБД, где транзакции могут быть запущены параллельно. В последнем случае говорят о сериализуемости транзакций. Под сериализацией параллельно выполняемых транзакций понимается составление такого плана их выполнения (сериального плана), при котором суммарный эффект реализации транзакций эквивалентен эффекту их последовательного выполнения.

При параллельном выполнении смеси транзакций возможно возникновение конфликтов (блокировок), разрешение которых является функцией СУБД. При обнаружении таких случаев обычно производится «откат» путем отмены изменений, произведенных одной или несколькими транзакциями.

Ведение журнала изменений в БД (журнализация изменений) выполняется СУБД для обеспечения надежности хранения данных в базе при наличии аппаратных сбоев и отказов, а также ошибок в программном обеспечении.

Журнал СУБД — это особая БД или часть основной БД, непосредственно недоступная пользователю и используемая для записи информации обо всех изменениях базы данных. В различных СУБД в журнал могут заноситься записи, соответствующие изменениям в СУБД на разных уровнях: от минимальной внутренней операции модификации страницы внешней памяти до логической операции модификации БД (например, вставки записи, удаления столбца, изменения значения в поле) и даже транзакции.

Для эффективной реализации функции ведения журнала изменений в БД необходимо обеспечить повышенную надежность хранения и поддержания в рабочем состоянии самого журнала. Иногда для этого в системе хранят несколько копий журнала.

Обеспечение целостности БД составляет необходимое условие успешного функционирования БД, особенно для случая использования БД в сетях.

Целостность БД есть свойство базы данных, означающее, что в ней содержится полная, непротиворечивая и адекватно отражающая предметную область информация. Поддержание целостности БД включает проверку целостности и ее восстановление в случае обнаружения противоречий в базе данных. Целостное состояние БД описывается с помощью ограничений целостности в виде условий, которым должны удовлетворять хранимые в базе данные. Примером таких условий может служить ограничение диапазонов возможных значений атрибутов объектов, сведения о которых хранятся в БД, или отсутствие повторяющихся записей в таблицах реляционных БД.

Обеспечение безопасности достигается в СУБД шифрованием прикладных программ, данных, защиты паролем, поддержкой уровней доступа к базе данных и к отдельным ее элементам (таблицам, формам, отчетам и т. д.).