SHPORA.net :: PDA

[ Back ]

База данных – это информационная модель, позволяющая упорядоченно хранить данные о группе объектов, обладающих одинаковым набором свойств.

База данных (БД, database) - поименованная совокупность структурированных данных, относящихся к определенной предметной области.

Предметная область - некоторая часть реально существующей системы, функционирующая как самостоятельная единица. Полная предметная область может представлять собой экономику страны или группы союзных государств, однако на практике для информационных систем наибольшее значение имеет предметная область масштаба отдельного предприятия или корпорации.

Система управления базами данных (СУБД) - комплекс программных и языковых средств, необходимых для создания и модификации базы данных, добавления, модификации, удаления, поиска и отбора информации, представления информации на экране и в печатном виде, разграничения прав доступа к информации, выполнения других операций с базой.

Поскольку в настоящее время отсутствует строгая классификация баз данных сгруппируем действующую терминологию по ниже перечисленным логически связанным основаниям:

I. В зависимости от вида информационных элементов или данных различаются:

- документографическая БД (часто их также называют - документальная БД), разновидностью этих БД являются: библиографические БД (содержат библиографические описания документов) и реферативные БД (содержат библиографические описания документов и рефераты);

- полнотекстовая БД - База данных, в которой хранятся записи полнотекстовых документов или их частей:

- фактографическая БД - База данных, содержащая фактографические данные;

- объектографическая БД - Разновидность фактографических БД, содержащая расширенный набор данных о сложных объектах предметной области;

- графическая БД - База данных, в которой хранятся графические данные:

- гибридная БД -

1. БД, в которой хранятся как символьные (цифровые и алфавитно-цифровые), так и графические данные;

2. БД со смешанной (гибридной) структурой (напр., иерархической и сетевой).

II. В зависимости от реализованной модели, структуры организации данных или уровня представления (абстракции):

- иерархическая БД - База данных, основанная на иерархической модели модель организации;

- сетевая БД - База данных, основанная на сетевой модели организации;

- реляционная БД - База данных, основанная на реляционной модели организации;

- квазиреляционная БД - База данных, обобщающая традиционные реляционные БД;

- псевдореляционная БД - Реляционная БД, в любом отношении (таблице) которой допускается дублирование кортежей;

- нормализованная БД - Реляционная БД, все отношения (таблицы) в которой находятся в одной из нормальных форм (1НФ, 2НФ, ЗНФ или 4НФ);

- интегрированная база данных -

1. База данных, объединяющая несколько логических БД (см. ниже):

2. База данных, имеющая т.н. "бесфайловую" структуру организации. Интегрированные базы данных ориентированы на решение разнородных задач многих пользователей (в т.ч. относящихся к разным организациям, подразделениям и т.п.);

- логическая БД - База данных с точки зрения пользователя или прикладного программиста;

- физическая БД -

1. Совокупность структур хранения данных на "внешнем носителе" (например, на магнитном диске);

2. Отображение концептуальной модели данных в физическую среду физическая структура БД, база данных с точки зрения системного аналитика или программиста;

- архивная БД - Архивная копия базы данных, зафиксированная на определенный момент времени;

- виртуальная БД - Воображаемое представление данных, в которое может быть преобразована каждая из интегрируемых БД произвольной системы управления базами данных.

III. В зависимости от общего назначения или принадлежности:

- служебная БД - База данных, предназначенная для решения внутрисистемных функциональных задач персонала автоматизированной системы: ” пользовательская БД - База данных, предназначенная для решения задач пользователей автоматизированной системы;

- персональная (личная) БД - База данных, обслуживающая одного пользователя и содержащая его личную информацию:

- частная (закрытая) БД - База данных, доступная для использования только ее владельцу (пользователю):

- БД общего пользования - База данных, доступная всем пользователям автоматизированной, вычислительной системы или сети;

- общая БД - База данных, с которой могут работать несколько прикладных программ или пользователей одновременно; БД коллективного пользования.

IV. В зависимости от содержания и прикладного назначения, хранимой информации:

база знаний - Совокупность фактов и правил, описывающая предметную область и вместе с механизмом вывода позволяющая отвечать на вопросы, соответствующие этой предметной области, ответы на которые в явном виде не присутствуют в базе. База знаний является составной частью интеллектуальных, в частности, экспертных систем. Для представления знаний используется ряд моделей, таких, как семантическая сеть, процедурная, фреймовая и др. модели;

интеллектуальная БД -

1. База данных, в которой для ответа на запрос используются как непосредственно хранимые в ней факты, так и факты, получаемые логическим выводом;

2. БД, доступ к которой осуществляется на естественном языке или языке запросов близком к естественному;

семантическая БД - Совокупность основных понятий и сведений о предметной области, состоящая из семантических элементов (напр. дефиниций) и отношений и не содержащая элементов поверхностной структуры профессионального языка специалистов в данной предметной области:

проблемно-ориентированная БД (ПОБД) - База данных, содержащая тематически связанные документы и/или данные, предназначенные для решения прикладных задач определенного вида (класса). ПОБД могут содержать как однородные, так и разнородные информационные элементы, например, документо-графические, полнотекстовые, графические и т.п. Одной из разновидностей реализации ПОБД может служить информационная составляющая гипертекста;

демонстрационная (тестовая) БД - База данных небольшого объема. представляющая фрагмент какой-либо реальной БД и предназначенная для демонстрации (в т.ч. рекламирования) возможностей СУБД или исходной БД,

база целей - Компонент экспертной системы, содержащий информацию о функционально-целевом поведении объектов в предметной области и определяющий поведение самой экспертной системы. Является разновидностью баз знаний и используется в различного рода автоматизированных системах управления (напр. летательных аппаратов, оружием и т.п.);

база данных "серой литературы" - Документографическая (в т.ч. - библиографическая и реферативная) или полнотекстовая база данных малотиражных изданий (например, авторефератов диссертаций) или не прошедших издательскую обработку документальных источников (например, диссертаций, отчетов по научно-исследовательским и опытно-конструкторским работам, переводов и т.п.).

V. В зависимости от местоположения:

локальная БД - База данных, размещенная на одном или нескольких носителях на одной вычислительной машине;

распределенная (децентрализованная) БД -

Совокупность баз данных, физически распределенная по взаимосвязанным ресурсам вычислительной сети и доступная для совместного использования в различных приложениях,

Территориально распределенная совокупность локальных БД, объединенных согласованными принципами организации комплектования и эксплуатации а также каналами связи, и доступная для совместного использования;

централизованная БД - База данных, содержание которой размещено в виде единого информационного массива на одном или нескольких носителях в одной ЭВМ (в отличие от распределенной БД, компоненты которой расположены в разных узлах вычислительной сети);

многоэкземплярная БД - База данных, скопированная в нескольких узлах вычислительной сети.

По способу доступа к данным базы данных разделяются на базы данных с локальным доступом и базы данных с сетевым доступом.

Для всех современных баз данных можно организовать сетевой доступ с многопользовательским режимом работы.

Централизованные базы данных с сетевым доступом могут иметь следующую архитектуру:

- файл-сервер;

- клиент-сервер базы данных;

- "тонкий клиент" - сервер приложений - сервер базы данных (трехуровневая архитектура).

Файл-сервер. Архитектура систем БД с сетевым доступом предполагает выделение одной из машин сети в качестве центральной (файловый сервер). На этот компьютер устанавливается операционная система (ОС) для выделенного сервера (например, Microsoft Windows Server 2003). На нем же хранится совместно используемая централизованная БД в виде одного или группы файлов. Все другие компьютеры сети выполняют функции рабочих станций (могут работать в ОС Microsoft Windows 2000 Professional или Microsoft Windows 98). Файлы базы данных в соответствии с пользовательскими запросами передаются на рабочие станции, где и производится обработка информации. При большой интенсивности доступа к одним и тем же данным производительность информационной системы падает. Пользователи могут создавать также локальные БД на рабочих станциях.

Клиент-сервер. В этой архитектуре на выделенном сервере, работающем под управлением серверной операционной системы, устанавливается специальное программное обеспечение (ПО) - сервер БД, например, Microsoft®SQL Server™или Oracle. СУБД подразделяется на две части: клиентскую и серверную. Основа работы сервера БД - использование языка запросов (SQL). Запрос на языке SQL, передаваемый клиентом (рабочей станцией) серверу БД, порождает поиск и извлечение данных на сервере. Извлеченные данные транспортируются по сети от сервера к клиенту. Тем самым, количество передаваемой по сети информации уменьшается во много раз.

Трехуровневая архитектура функционирует в Интранет- и Интернет-сетях. Клиентская часть ("тонкий клиент"), взаимодействующая с пользователем, представляет собой HTML-страницу в Web-браузере либо Windows-приложение, взаимодействующее с Web-сервисами. Вся программная логика вынесена на сервер приложений, который обеспечивает формирование запросов к базе данных, передаваемых на выполнение серверу баз данных. Сервер приложений может быть Web-сервером или специализированной программой (например, Oracle Forms Server).

Очень часто СУБД классифицируются по типу модели данных, которую они поддерживают. Следовательно, различают СУБД сетевые, иерархические и реляционные. Однако в практике обработки данных СУБД характеризуются по их способности поддерживать определенный тип БД. В самом общем виде БД подразделяют на:

фактографические, которые хранят совокупность фактов интегрированных, возможно, из различных документов;

документальные, которые ориентированы на хранение документов;

документально-фактографические, которые обладают чертами и тех и других.

Так, СУБД CDS/ISIS в первую очередь ориентирована на поддержку работы с документом, который состоит из определенного числа рубрик, проиндексированных по тезаурусу ключевых слов. СУБД ADABAS хорошо подходит для организации фактографических БД, а СУБД ORACLE - для БД смешанного типа. Во избежание несуразностей с использованием определенной модели данных, БД, за редким исключением, целесообразно классифицировать по типу используемой модели в СУБД. Отметим, что классификация БД далеко не завершенная область исследований: попытки ввести новые типы БД продолжаются (активные, дедуктивные, нечеткие реляционные, графические БД и т.д.).

Во многих случаях для разработчиков ИС бывает важно деление СУБД (и БД) по характеру обработки: на централизованные и распределенные. При использовании распределенной обработки следует обратить внимание на характер обработки транзакций, т.к. последние оказывают существенное влияние на производительность системы. Под транзакцией в самом общем случае понимают единицу работы, требуемой пользователем от БД, независимо от характера обработки. Чаще всего в результате обработки транзакции реализуется запрос пользователя либо на выборку данных из БД, либо на обновление БД, либо на выполнение каких-то иных действий над БД. При этом предполагается, что выполнение запроса сопровождается выполнением комплекса внутрисистемных действий СУБД, направленных на поддержание целостности данных, разграничение доступа и т.п.

Существуют различные концептуальные подходы к обработке транзакций при распределенной обработке. Принципиальным здесь является не только вопрос как, но и где локализуется обработка транзакции: на файлах компьютера конечного пользователя или на выделенном в сети компьютере. От выбора той или иной концепции будет зависеть время отклика системы на запрос пользователя. Параметр "время отклика системы на запрос пользователя" очень часто выступает в качестве определяющего или желательного параметра разрабатываемой системы. Например, для распределенной системы бронирования авиабилетов для крупнейших мировых авиакомпаний этот параметр является существенным и закладывается в проектное решение как не превышающий 30-45 секунд.

Естественно, что проект базы данных надо начинать с анализа предметной области и выявления требований к ней отдельных пользователей (сотрудников организации, для которых создается база данных). Подробнее этот процесс будет рассмотрен ниже, а здесь отметим, что проектирование обычно поручается человеку (группе лиц) – администратору базы данных (АБД). Им может быть как специально выделенный сотрудник организации, так и будущий пользователь базы данных, достаточно хорошо знакомый с машинной обработкой данных.

Объединяя частные представления о содержимом базы данных, полученные в результате опроса пользователей, и свои представления о данных, которые могут потребоваться в будущих приложениях, АБД сначала создает обобщенное неформальное описание создаваемой базы данных. Это описание, выполненное с использованием естественного языка, математических формул, таблиц, графиков и других средств, понятных всем людям, работающих над проектированием базы данных, называют инфологической моделью данных (рис. 1.3).



Рис. 1.3. Уровни моделей данных

Такая человеко-ориентированная модель полностью независима от физических параметров среды хранения данных. В конце концов этой средой может быть память человека, а не ЭВМ. Поэтому инфологическая модель не должна изменяться до тех пор, пока какие-то изменения в реальном мире не потребуют изменения в ней некоторого определения, чтобы эта модель продолжала отражать предметную область.

Остальные модели, показанные на рис. 1.3, являются компьютеро-ориентированными. С их помощью СУБД дает возможность программам и пользователям осуществлять доступ к хранимым данным лишь по их именам, не заботясь о физическом расположении этих данных. Нужные данные отыскиваются СУБД на внешних запоминающих устройствах по физической модели данных.

Так как указанный доступ осуществляется с помощью конкретной СУБД, то модели должны быть описаны на языке описания данных этой СУБД. Такое описание, создаваемое АБД по инфологической модели данных, называют даталогической моделью данных.

Классификация даталогической модели

Документальные модели данных соответствуют представлению о слабоструктурированной информации, ориентированной в основном на свободные форматы документов, текстов на естественном языке.

Тезаурусные модели основаны на принципе организации словарей, содержат определенные языковые конструкции и принципы их взаимодействия в заданной грамматике. Принцип хранения информации в этих системах и подчиняется тезаурусным моделям.

Дескрипторные модели — самые простые из документальных моделей, они широко использовались на ранних стадиях использования документальных баз данных. В этих моделях каждому документу соответствовал дескриптор — описатель. Обработка информации в таких базах данных велась исключительно по дескрипторам, то есть по тем параметрам, которые характеризовали патент, а не по самому тексту патента.

Теоретико-графовые модели данных – отражают совокупность объектов реального мира в виде графа взаимосвязанных информационных объектов. В зависимости от типа графа выделяют иерархическую или сетевую модели.

Модель данных -- это некоторая абстракция, которая будучи приложима к конкретным данным, позволяет пользователям и разработчикам трактовать их уже как информацию, то есть сведения, содержащие не только данные, но и взаимосвязь между ними. На рис. 2.3 представлена классификация моделей данных:

В соответствии с рассмотренной ранее трехуровневой архитектурой мы сталкиваемся с понятием модели данных по отношению к каждому уровню. И действительно, физическая модель данных оперирует с категориями, касающимися организации внешней памяти и структур хранения, используемых в данной операционной среде. В настоящий момент в качестве физических моделей используются различные методы размещения данных, основанные на файловых структурах: это организация файлов прямого и последовательного доступа, индексных файлов и инвертированных файлах, файлов, использующих различные методы хеширования, взаимосвязанных файлах. Кроме того, современные СУБД широко используют страничную организацию данных. Физические модели данных, основанные на страничной организации, являются наиболее перспективными.



Рис. 2.3. Классификация моделей данных

Наибольший интерес вызывают модели данных, используемые на концептуальном уровне. По отношению к ним внешние модели называются подсхемами и используют те же абстрактные категории, что и концептуальные модели данных.

Кроме трех рассмотренных уровней абстракции при проектировании БД существует еще один уровень, предшествующий им. Модель этого уровня должна выражать информацию о предметной области в виде, независимом от используемой СУБД. Эти модели называются инфологическими или семантическими и отражают в естественной и удобной для разработчиков и других пользователей форме информационно-логический уровень абстрагирования, связанный с фиксацией и описанием объектов предметной области, их свойств и их взаимосвязей.

Инфологические модели данных используются на ранних стадиях проектирования для описания структур данных в процессе разработки приложения, а даталогические модели уже поддерживаются конкретной СУБД.

Документальные модели данных соответствуют представлению слабоструктурированной информации, ориентированной в основном на свободные форматы документов, текстов на естественном языке.

Модели, основанные на языках разметки документов, связаны прежде всего со стандартным общим языком разметки -- SGML (Standart Generalised Markup Language), который был утвержден ISO в качестве стандарта еще в 80-х годах. Этот язык предназначен для создания других языков разметки, он определяет допустимый набор тэгов (ссылок), их атрибуты и внутреннюю структуру документа. Контроль за правильностью использования тэгов осуществляется при помощи специального набора правил, называемых DTD-описаниями, которые используются программой клиента при разборе документа. Для каждого класса документов определяется свой набор правил, описывающих грамматику соответствующего языка разметки. С помощью SGML можно описывать структурированные данные, организовывать информацию, содержащуюся в документах, представлять эту информацию в некотором стандартизованном формате. Но в виду некоторой своей сложности, SGML использовался, в основном, для описания синтаксиса других языков (наиболее известным из которых является HTML), и немногие приложения работали с SGML-документами напрямую.

Гораздо более простой и удобный, чем SGML, язык HTML позволяет определять оформление элементов документа и имеет некий ограниченный набор инструкций -- тэгов, при помощи которых осуществляется процесс разметки. Инструкции HTML, в первую очередь, предназначены для управления процессом вывода содержимого документа на экране программы-клиента и определяют этим самым способ представления документа, но не его структуру. В качестве элемента гипертекстовой базы данных, описываемой HTML, используется текстовый файл, который может легко передаваться по сети с использованием протокола HTTP. Эта особенность, а также то, что HTML является открытым стандартом и огромное количество пользователей имеет возможность применять возможности этого языка для оформления своих документов, безусловно, повлияли на рост популярности HTML и сделали его сегодня главным механизмом представления информации в Интернете.

Однако HTML сегодня уже не удовлетворяет в полной мере требованиям, предъявляемым современными разработчиками к языкам подобного рода. И ему на смену был предложен новый язык гипертекстовой разметки, мощный, гибкий, и, одновременно с этим, удобный язык XML. В чем же заключается его достоинства?

XML (Extensible Markup Language) -- это язык разметки, описывающий целый класс объектов данных, называемых XML-документами. Он используется в качестве средства для описания грамматики других языков и контроля за правильностью составления документов. То есть сам по себе XML не содержит никаких тэгов, предназначенных для разметки, он просто определяет порядок их создания.

Тезаурусные модели основаны на принципе организации словарей, содержат определенные языковые конструкции и принципы их взаимодействия в заданной грамматике. Эти модели эффективно используются в системах-переводчиках, особенно многоязыковых переводчиках. Принцип хранения информации в этих системах и подчиняется тезаурусным моделям.

Дескрипторные модели -- самые простые из документальных моделей, они широко использовались на ранних стадиях использования документальных баз данных. В этих моделях каждому документу соответствовал дескриптор -- описатель. Этот дескриптор имел жесткую структуру и описывал документ в соответствии с теми характеристиками, которые требуются для работы с документами в разрабатываемой документальной БД. Например, для БД, содержащей описание патентов, дескриптор содержал название области, к которой относился патент, номер патента, дату выдачи патента и еще ряд ключевых параметров, которые заполнялись для каждого патента. Обработка информации в таких базах данных велась исключительно по дескрипторам, то есть по тем параметрам, которые характеризовали патент, а не по самому тексту патента.

Трехуровневая архитектура (инфологический, даталогический и физический уровни) позволяет обеспечить независимость хранимых данных от использующих их программ. АБД может при необходимости переписать хранимые данные на другие носители информации и (или) реорганизовать их физическую структуру, изменив лишь физическую модель данных. АБД может подключить к системе любое число новых пользователей (новых приложений), дополнив, если надо, даталогическую модель. Указанные изменения физической и даталогической моделей не будут замечены существующими пользователями системы (окажутся "прозрачными" для них), так же как не будут замечены и новые пользователи. Следовательно, независимость данных обеспечивает возможность развития системы баз данных без разрушения существующих приложений.

Как уже отмечалось, инфологическая модель отображает реальный мир в некоторые понятные человеку концепции, полностью независимые от параметров среды хранения данных. Существует множество подходов к построению таких моделей: графовые модели, семантические сети, модель "сущность-связь" и т.д. Инфологическая модель должна быть отображена в компьютеро-ориентированную даталогическую модель, "понятную" СУБД. В процессе развития теории и практического использования баз данных, а также средств вычислительной техники создавались СУБД, поддерживающие различные даталогические модели.

Сначала стали использовать иерархические даталогические модели. Простота организации, наличие заранее заданных связей между сущностями, сходство с физическими моделями данных позволяли добиваться приемлемой производительности иерархических СУБД на медленных ЭВМ с весьма ограниченными объемами памяти. Но, если данные не имели древовидной структуры, то возникала масса сложностей при построении иерархической модели и желании добиться нужной производительности.

Сетевые модели также создавались для мало ресурсных ЭВМ. Это достаточно сложные структуры, состоящие из "наборов" – поименованных двухуровневых деревьев. "Наборы" соединяются с помощью "записей-связок", образуя цепочки и т.д. При разработке сетевых моделей было выдумано множество "маленьких хитростей", позволяющих увеличить производительность СУБД, но существенно усложнивших последние. Прикладной программист должен знать массу терминов, изучить несколько внутренних языков СУБД, детально представлять логическую структуру базы данных для осуществления навигации среди различных экземпляров, наборов, записей и т.п. Один из разработчиков операционной системы UNIX сказал "Сетевая база – это самый верный способ потерять данные".

Сложность практического использования иерархических и и сетевых СУБД заставляла искать иные способы представления данных. В конце 60-х годов появились СУБД на основе инвертированных файлов, отличающиеся простотой организации и наличием весьма удобных языков манипулирования данными. Однако такие СУБД обладают рядом ограничений на количество файлов для хранения данных, количество связей между ними, длину записи и количество ее полей.

Сегодня наиболее распространены реляционные модели.

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.