Проектирование баз данных

Размещено на http://www.allbest.ru/

Национальный исследовательский ядерный университет

МИФИ

Новоуральский технологический институт

Кафедра "Автоматизация управления"

Реферат

Тема: "Проектирование баз данных"

Исполнитель: Барабанов П.Н.

Руководитель: Дюгай П.А.

Новоуральск 2016

Введение

Базы данных использовались в вычислительной технике с незапамятных времен. В первых компьютерах использовались два вида внешних устройств - магнитные ленты и магнитные барабаны. Емкость магнитных лент была достаточно велика. Устройства для чтения-записи магнитных лент обеспечивали последовательный доступ к данным. Для чтения информации, которая находилась в середине или конце магнитной ленты, необходимо было сначала прочитать весь предыдущий участок. Следствием этого являлось чрезвычайно низкая производительность операций ввода-вывода данных во внешнюю память. Магнитные барабаны давали возможность произвольного доступа, но имели ограниченный объем хранимой информации.

Разумеется, говорить о какой-либо системе управления данными во внешней памяти, в тот момент не приходилось. Каждая прикладная программа, которой требовалось хранить данные во внешней памяти, сама определяла расположение каждого блока на магнитной ленте. Прикладная программа также брала на себя функции информационного обмена между оперативной памятью и устройствами внешней памяти с помощью программно-аппаратных средств низкого уровня. Такой режим работы не позволяет или очень затрудняет поддержку на одном носителе нескольких архивов долговременно хранимой информации. Кроме того, каждой прикладной программе приходилось решать проблемы именования частей данных и структуризации во внешней памяти.

История БД фактически началась с появлением магнитных дисков. Такие устройства внешней памяти обладали существенно большей емкостью, чем магнитная лента и барабаны, а также обеспечивали во много раз большую скорость доступа в режиме произвольной выборки. В отличие от современных систем управления, которые могут применяться для самых различных баз данных, подавляющее большинство ранее разработанных СУБД были тесно связаны с пользовательской базой для того, чтобы увеличить скорость работы, хоть и в ущерб гибкости.

Первоначально СУБД применялись только в крупных организациях с мощной аппаратной поддержкой, необходимой для работы с большими объемами данных.

Современные авторы часто употребляют термины "банк данных" и "база данных" как синонимы, однако в общеотраслевых руководящих материалах по созданию банков данных Государственного комитета по науке и технике (ГКНТ), изданных в 1982 г., эти понятия различаются.

Там приводятся следующие определения банка данных, базы данных и СУБД:

Банк данных (БнД) - это система специальным образом организованных данных - баз данных, программных, технических, языковых, организационно-методических средств, предназначенных для обеспечения централизованного накопления и коллективного многоцелевого использования данных.

База данных (БД) - именованная совокупность данных, отражающая состояние объектов и их отношений в рассматриваемой предметной области.

Система управления базами данных (СУБД) - совокупность языковых и программных средств, предназначенных для создания, ведения и совместного использования БД многими пользователями.

Базы данных и системы управления базами данных.

База данных - представленная в объективной форме совокупность самостоятельных материалов (статей, расчётов, 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).

Система управления базами данных (СУБД) - совокупность программных и лингвистических средств общего или специального назначения, обеспечивающих управление созданием и использованием баз данных. программный кэш дисковый

Основные функции СУБД

· Управление данными во внешней памяти (на дисках);

· Управление данными в оперативной памяти с использованием дискового кэша;

· Журнализация изменений, резервное копирование и восстановление базы данных после сбоев;

· Поддержка языков БД (язык определения данных, язык манипулирования данными).

Состав СУБД

Обычно современная СУБД содержит следующие компоненты:

· Ядро, которое отвечает за управление данными во внешней и оперативной памяти и журнализацию,

· Процессор языка базы данных, обеспечивающий оптимизацию запросов на извлечение и изменение данных, и создание, как правило, машинно-независимого исполняемого внутреннего кода,

· Подсистему поддержки времени исполнения, которая интерпретирует программы манипуляции данными, создающие пользовательский интерфейс с СУБД

· А также сервисные программы (внешние утилиты), обеспечивающие ряд дополнительных возможностей по обслуживанию информационной системы.

Пользователям базы данных предоставляется возможность выполнять (или передавать системе запросы на выполнение) множество различных операций над файлами, например:

· Добавлять новые пустые файлы в базу данных;

· Вставлять новые данные в существующие файлы;

· Получать данные из существующих файлов;

· Удалять данные из существующих файлов;

· Изменять данные в существующих файлах;

· Удалять существующие файлы из базы данных.

История.

Первый этап - базы данных на больших ЭВМ

История развития СУБД насчитывает более 30 лет. В 1968 году была введена в эксплуатацию первая промышленная СУБД система IMS фирмы IBM. В 1975 году появился первый стандарт ассоциации по языкам систем обработки данных - Conference of Data System Languages (CODASYL), который определил ряд фундаментальных понятий в теории систем баз данных, которые и до сих пор являются основополагающими для сетевой модели данных.

В дальнейшее развитие теории баз данных большой вклад был сделан американским математиком Э.Ф. Коддом, который является создателем реляционной модели данных. В 1981 году Э.Ф. Кодд получил за создание реляционной модели и реляционной алгебры престижную премию Тьюринга Американской ассоциации по вычислительной технике.

Менее двух десятков лет прошло с этого момента, но стремительное развитие вычислительной техники, изменение ее принципиальной роли в жизни общества, обрушившийся бум персональных ЭВМ и, наконец, появление мощных рабочих станций и сетей ЭВМ повлияло также и на развитие технологии баз данных. Можно выделить четыре этапа в развитии данного направления в обработке данных. Однако необходимо заметить, что все же нет жестких временных ограничений в этих этапах: они плавно переходят один в другой и даже сосуществуют параллельно, но тем не менее выделение этих этапов позволит более четко охарактеризовать отдельные стадии развития технологии баз данных, подчеркнуть особенности, специфичные для конкретного этапа.

Первый этап развития СУБД связан с организацией баз данных на больших машинах типа IBM 360/370, ЕС-ЭВМ и мини-ЭВМ типа PDP11 (фирмы Digital Equipment Corporation - DEC), разных моделях HP (фирмы Hewlett Packard).

Базы данных хранились во внешней памяти центральной ЭВМ, пользователями этих баз данных были задачи, запускаемые в основном в пакетном режиме. Интерактивный режим доступа обеспечивался с помощью консольных терминалов, которые не обладали собственными вычислительными ресурсами (процессором, внешней памятью) и служили только устройствами ввода-вывода для центральной ЭВМ. Программы доступа к БД писались на различных языках и запускались как обычные числовые программы. Мощные операционные системы обеспечивали возможность условно параллельного выполнения всего множества задач. Эти системы можно было отнести к системам распределенного доступа, потому что база данных была централизованной, хранилась на устройствах внешней памяти одной центральной ЭВМ, а доступ к ней поддерживался от многих пользователей-задач.

Особенности этого этапа развития выражаются в следующем:

· Все СУБД базируются на мощных мультизадачных операционных системах (MVS, SVM, RTE, OSRV, RSX, UNIX), поэтому в основном поддерживается работа с централизованной базой данных в режиме распределенного многопользовательского доступа.

· Функции управления распределением ресурсов в основном осуществляются операционной системой (ОС).

· Поддерживаются языки низкого уровня манипулирования данными, ориентированные на навигационные методы доступа к данным.

· Значительная роль отводится администрированию данных.

· Проводятся серьезные работы по обоснованию и формализации реляционной модели данных, и была создана первая система (System R), реализующая идеологию реляционной модели данных.

· Проводятся теоретические работы по оптимизации запросов и управлению распределенным доступом к централизованной БД, было введено понятие транзакции.

· Результаты научных исследований открыто обсуждаются в печати, идет мощный поток общедоступных публикаций, касающихся всех аспектов теории и практики баз данных, и результаты теоретических исследований активно внедряются в коммерческие СУБД.

Появляются первые языки высокого уровня для работы с реляционной моделью данных. Однако отсутствуют стандарты для этих первых языков.

Эпоха персональных компьютеров

Персональные компьютеры стремительно ворвались в нашу жизнь и буквально перевернули наше представление о месте и роли вычислительной техники в жизни общества. Теперь компьютеры стали ближе и доступнее каждому пользователю. Исчез благоговейный страх рядовых пользователей перед непонятными и сложными языками программирования. Появилось множество программ, предназначенных для работы неподготовленных пользователей. Эти программы были просты в использовании и интуитивно понятны: это прежде всего различные редакторы текстов, электронные таблицы и другие. Простыми и понятными стали операции копирования файлов и перенос информации с одного компьютера на другой, распечатка текстов, таблиц и других документов. Системные программисты были отодвинуты на второй план. Каждый пользователь мог себя почувствовать полным хозяином этого мощного и удобного устройства, Позволяющего автоматизировать многие аспекты деятельности. И, конечно, это сказалось и на работе с базами данных. Появились программы, которые назывались системами управления базами данных и позволяли хранить значительные объемы информации, они имели удобный интерфейс для заполнения данных, встроенные средства для генерации различных отчетов. Эти программы позволяли автоматизировать многие учетные функции, которые раньше велись вручную. Постоянное снижение цен на персональные компьютеры сделало их доступными не только для организаций и фирм, но и для отдельных пользователей. Компьютеры стали инструментом для ведения документации и собственных учетных функций. Это все сыграло как положительную, так и отрицательную роль в области развития баз данных. Кажущаяся простота и доступность персональных компьютеров, и их программного обеспечения породила множество дилетантов. Эти разработчики, считая себя знатоками, стали проектировать недолговечные базы данных, которые не учитывали многих особенностей объектов реального мира. Много было создано систем-однодневок, которые не отвечали законам развития и взаимосвязи реальных объектов. Однако доступность персональных компьютеров заставила пользователей из многих областей знаний, которые ранее не применяли вычислительную технику в своей деятельности, обратиться к ним. И спрос на развитые удобные программы обработки данных заставлял поставщиков программного обеспечения поставлять все новые системы, которые принято называть настольными (desktop) СУБД. Значительная конкуренция среди поставщиков заставляла совершенствовать эти системы, предлагая новые возможности, улучшая интерфейс и быстродействие систем, снижая их стоимость. Наличие на рынке большого числа СУБД, выполняющих сходные функции, потребовало разработки методов экспорта - импорта данных для этих систем и открытия форматов хранения данных.

Но и в этот период появлялись любители, которые вопреки здравому смыслу разрабатывали собственные СУБД, используя стандартные языки программирования. Это был тупиковый вариант, потому что дальнейшее развитие показало, что перенести данные из нестандартных форматов в новые СУБД было гораздо труднее, а в некоторых случаях требовало таких трудозатрат, что легче было бы все разработать заново, но данные все равно надо было переносить на новую более перспективную СУБД. И это тоже было результатом недооценки тех функций, которые должна была выполнять СУБД.

Особенности этого этапа следующие:

· Все СУБД были рассчитаны на создание БД в основном с монопольным доступом. И это понятно. Компьютер персональный, он не был подсоединен к сети, и база данных на нем создавалась для работы одного пользователя. В редких случаях предполагалась последовательная работа нескольких пользователей, например, сначала оператор, который вводил бухгалтерские документы, а потом главбух, который определял проводки, соответствующие первичным документам.

· Большинство СУБД имели развитый и удобный пользовательский интерфейс. В большинстве существовал интерактивный режим работы с БД как в рамках описания БД, так и в рамках проектирования запросов. Кроме того, большинство СУБД предлагали развитый и удобный инструментарий для разработки готовых приложений без программирования. Инструментальная среда состояла из готовых элементов приложения в виде шаблонов экранных форм, отчетов, этикеток (Labels), графических конструкторов запросов, которые достаточно просто могли быть собраны в единый комплекс.

· Во всех настольных СУБД поддерживался только внешний уровень представления реляционной модели, то есть только внешний табличный вид структур данных.

· При наличии высокоуровневых языков манипулирования данными типа реляционной алгебры и SQL в настольных СУБД поддерживались низкоуровневые языки манипулирования данными на уровне отдельных строк таблиц.

· В настольных СУБД отсутствовали средства поддержки ссылочной и структурной целостности базы данных. Эти функции должны были выполнять приложения, однако скудость средств разработки приложений иногда не позволяла это сделать, и в этом случае эти функции должны были выполняться пользователем, требуя от него дополнительного контроля при вводе и изменении информации, хранящейся в БД.

· Наличие монопольного режима работы фактически привело к вырождению функций администрирования БД и в связи с этим - к отсутствию инструментальных средств администрирования БД.

· И, наконец, последняя и в настоящий момент весьма положительная особенность - это сравнительно скромные требования к аппаратному обеспечению со стороны настольных СУБД. Вполне работоспособные приложения, разработанные, например, на Clipper, работали на PC 286.

· В принципе, их даже трудно назвать полноценными СУБД. Яркие представители этого семейства - очень широко использовавшиеся до недавнего времени СУБД Dbase (DbaseIII+, DbaselV), FoxPro, Clipper, Paradox.

Распределенные многопользовательские базы данных

Хорошо известно, что история развивается по спирали, поэтому после процесса "персонализации" начался обратный процесс - интеграция. Множится количество локальных сетей, все больше информации передается между компьютерами, остро встает задача согласованности данных, хранящихся и обрабатывающихся в разных местах, но логически друг с другом связанных, возникают задачи, связанные с параллельной обработкой транзакций - последовательностей операций над БД, переводящих ее из одного непротиворечивого состояния в другое непротиворечивое состояние. Успешное решение этих задач приводит к появлению распределенных многопользовательских баз данных, сохраняющих все преимущества настольных СУБД и в то же время позволяющих организовать параллельную обработку информации и поддержку целостности БД.

Особенности данного этапа:

· Практически все современные СУБД обеспечивают поддержку полной реляционной модели, а именно:

o структурной целостности - допустимыми являются только данные, представленные в виде отношений реляционной модели;

o языковой целостности, то есть языков манипулирования данными высокого уровня (в основном SQL);

o ссылочной целостности, контроля за соблюдением ссылочной целостности в течение всего времени функционирования системы, и гарантий невозможности со стороны СУБД нарушить эти ограничения.

· Большинство современных СУБД рассчитаны на многоплатформенную архитектуру, то есть они могут работать на компьютерах с разной архитектурой и под разными операционными системами, при этом для пользователей доступ к данным, управляемым СУБД на разных платформах, практически неразличим.

· Необходимость поддержки многопользовательской работы с базой данных и возможность децентрализованного хранения данных потребовали развития средств администрирования БД с реализацией общей концепции средств защиты данных.

· Потребность в новых реализациях вызвала создание серьезных теоретических трудов по оптимизации реализаций распределенных многопользовательских БД и работе с распределенными транзакциями и запросами с внедрением полученных результатов в коммерческие СУБД.

· Для того чтобы не потерять клиентов, которые ранее работали на настольных СУБД, практически все современные СУБД имеют средства подключения клиентских приложений, разработанных с использованием настольных СУБД, и средства экспорта данных из форматов настольных СУБД второго этапа развития.

· Именно к этому этапу можно отнести разработку ряда стандартов в рамках языков описания и манипулирования данными, начиная с SQL89, SQL92, SQL99 и технологий по обмену данными между различными СУБД, к которым можно отнести и протокол ODBC (Open DataBase Connectivity), предложенный фирмой Microsoft.

· Именно к этому этапу можно отнести начало работ, связанных с концепцией объектно-ориентированных БД - ООБД. Представителями СУБД, относящимся ко второму этапу, можно считать MS Access и все современные серверы баз данныхOracle7.3, Oracle 8.4, MS SQL-Server 6.5, MS SQL-Server 7.0, System 10, System 11, Informix, DB2, Progress, SQLBase и другие современные серверы баз данных, которых в настоящий момент насчитывается несколько десятков.

Классификация.

Классификации СУБД

По модели данных

Примеры:

· Иерархические

· Сетевые

· Реляционные

· Объектно-ориентированные

· Объектно-реляционные

По степени распределённости

· Локальные СУБД (все части локальной СУБД размещаются на одном компьютере)

· Распределённые СУБД (части СУБД могут размещаться на двух и более компьютерах).

По способу доступа к БД

· Файл-серверные

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 информационных системах - недостатком.

Примеры: Microsoft Access, Paradox, dBase, FoxPro, Visual FoxPro.

· Клиент-серверные

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.

Примеры: Oracle, Firebird, Interbase, IBM DB2, Informix, MS SQL Server, Sybase Adaptive Server Enterprise, PostgreSQL, MySQL, Cachй, ЛИНТЕР.

· Встраиваемые

Встраиваемая СУБД - СУБД, которая может поставляться как составная часть некоторого программного продукта, не требуя процедуры самостоятельной установки. Встраиваемая СУБД предназначена для локального хранения данных своего приложения и не рассчитана на коллективное использование в сети. Физически встраиваемая СУБД чаще всего реализована в виде подключаемой библиотеки. Доступ к данным со стороны приложения может происходить через SQL либо через специальные программные интерфейсы.

Примеры: OpenEdge, SQLite, BerkeleyDB, Firebird Embedded, Microsoft SQL Server Compact, ЛИНТЕР.

Существует огромное количество разновидностей баз данных, отличающихся по различным критериям.

Классификация по модели данных

Примеры:

· Иерархическая

· Объектная и объектно-ориентированная

· Объектно-реляционная

· Реляционная

· Сетевая

· Функциональная.

Классификация по среде постоянного хранения

· Во вторичной памяти, или традиционная (англ. conventional database): средой постоянного хранения является периферийная энергонезависимая память (вторичная память) - как правило жёсткий диск. В оперативную память СУБД помещает лишь кеш и данные для текущей обработки.

· В оперативной памяти (англ. in-memory database, memory-resident database, main memory database): все данные на стадии исполнения находятся в оперативной памяти.

· В третичной памяти (англ. tertiary database): средой постоянного хранения является отсоединяемое от сервера устройство массового хранения (третичная память), как правило на основе магнитных лент или оптических дисков. Во вторичной памяти сервера хранится лишь каталог данных третичной памяти, файловый кеш и данные для текущей обработки; загрузка же самих данных требует специальной процедуры.

Классификация по содержимому

Примеры:

· Географическая

· Историческая

· Научная

· Мультимедийная

· Клиентская.

Классификация по степени распределённости

· Централизованная, или сосредоточенная (англ. centralized database): БД, полностью поддерживаемая на одном компьютере.

· Распределённая (англ. distributed database): БД, составные части которой размещаются в различных узлах компьютерной сети в соответствии с каким-либо критерием.

o Неоднородная (англ. heterogeneous distributed database): фрагменты распределённой БД в разных узлах сети поддерживаются средствами более одной СУБД

o Однородная (англ. homogeneous distributed database): фрагменты распределённой БД в разных узлах сети поддерживаются средствами одной и той же СУБД.

o Фрагментированная, или секционированная (англ. partitioned database): методом распределения данных является фрагментирование (партиционирование, секционирование), вертикальное или горизонтальное.

o Тиражированная (англ. replicated database): методом распределения данных является тиражирование (репликация).

Проектирование баз данных.

Проектирование баз данных - процесс создания схемы базы данных и определения необходимых ограничений целостности.

Основные задачи проектирования баз данных:

· Обеспечение хранения в БД всей необходимой информации.

· Обеспечение возможности получения данных по всем необходимым запросам.

· Сокращение избыточности и дублирования данных.

· Обеспечение целостности базы данных.

Основные этапы проектирования баз данных

Концептуальное проектирование

Концептуальное (инфологическое) проектирование - построение семантической модели предметной области, то есть информационной модели наиболее высокого уровня абстракции. Такая модель создаётся без ориентации на какую-либо конкретную СУБД и модель данных. Термины "семантическая модель", "концептуальная модель" и "инфологическая модель" являются синонимами. Кроме того, в этом контексте равноправно могут использоваться слова "модель базы данных" и "модель предметной области" (например, "концептуальная модель базы данных" и "концептуальная модель предметной области"), поскольку такая модель является как образом реальности, так и образом проектируемой базы данных для этой реальности.

Конкретный вид и содержание концептуальной модели базы данных определяется выбранным для этого формальным аппаратом. Обычно используются графические нотации, подобные ER-диаграммам.

Чаще всего концептуальная модель базы данных включает в себя:

· описание информационных объектов или понятий предметной области и связей между ними.

· описание ограничений целостности, т.е. требований к допустимым значениям данных и к связям между ними.

Логическое проектирование

Логическое (даталогическое) проектирование - создание схемы базы данных на основе конкретной модели данных, например, реляционной модели данных. Для реляционной модели данных даталогическая модель - набор схем отношений, обычно с указанием первичных ключей, а также "связей" между отношениями, представляющих собой внешние ключи.

Преобразование концептуальной модели в логическую модель, как правило, осуществляется по формальным правилам. Этот этап может быть в значительной степени автоматизирован.

На этапе логического проектирования учитывается специфика конкретной модели данных, но может не учитываться специфика конкретной СУБД.

Физическое проектирование

Физическое проектирование - создание схемы базы данных для конкретной СУБД. Специфика конкретной СУБД может включать в себя ограничения на именование объектов базы данных, ограничения на поддерживаемые типы данных и т.п. Кроме того, специфика конкретной СУБД при физическом проектировании включает выбор решений, связанных с физической средой хранения данных (выбор методов управления дисковой памятью, разделение БД по файлам и устройствам, методов доступа к данным), создание индексов и т.д.

Заключение

Преимущества использования БД

Рассмотрим, какие преимущества получает пользователь при использовании БД как безбумажной технологии:

o Компактность

Информация хранится в БД, нет необходимости хранить многотомные бумажные картотеки

o Скорость

Скорость обработки информации (поиск, внесение изменений) компьютером намного выше ручной обработки

o Низкие трудозатраты

Нет необходимости в утомительной ручной работе над данными

o Применимость

Всегда доступна свежая информация

Дополнительные преимущества появляются при использовании БД в многопользовательской среде, поскольку становится возможным осуществлять централизованное управление данными.

Современные системы управления базами данных обеспечивают как физическую (независимость от способа хранения и метода доступа), так и логическую независимость данных (возможность изменения одного приложения без изменения остальных приложений, работающих с этими же данными).

Современные СУБД дают возможность включать в них не только текстовую и графическую информацию, но и звуковые фрагменты и даже видеоклипы.

Простота использования СУБД позволяет создавать новые базы данных, не прибегая к программированию, а пользуясь только встроенными функциями. СУБД обеспечивают правильность, полноту и непротиворечивость данных, а также удобный доступ к ним.

Популярные СУБД - FoxPro, Access for Windows, Paradox. Для менее сложных применений вместо СУБД используются информационно-поисковые системы (ИПС), которые выполняют следующие функции:

· хранение большого объема информации;

· быстрый поиск требуемой информации;

· добавление, удаление и изменение хранимой информации;

· вывод ее в удобном для человека виде.

Список литературы

1. http://ru.wikipedia.org

2. http://bourabai.ru

3. http://www.intuit.ru

4. Кузнецов С.Д. Основы баз данных. - 2-е изд. - М.: Интернет-университет информационных технологий; БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007. - 484 с.

5. Дейт К. Дж. Введение в системы баз данных = Introduction to Database Systems. - 8-е изд. - М.: "Вильямс", 2006. - 1328 с.

Размещено на Allbest.ru