Системы управления базами данных (СУБД) - совокупность языковых и программных средств, предназначенных для создания, ведения и совместного использования базы данных многими пользователями Роб, П. Системы баз данных: проектирование, реализация и управление [текст]/ П. Роб, К. Коронел. Изд-во Спб.: БХВ-Петербург, 2004. - 250 с. - ISBN 5-9415-7299-9..

Предполагается, что СУБД Джеффри, У. Введение в системы базы данных [текст]/ У. Джеффри, У. Дженнифер. - М.: изд-во Лори, 2006. - 376 с. - ISBN:5-8558-2069-6.:

Предоставляет пользователю возможность создавать новые БД и определять их схему (логическую структуру данных) с помощью специального языка, получившего название языка определения данных.

Позволяет запрашивать данные и изменять их с помощью подходящего языка, называемого языком запросов, иначе языком манипулирования данными.

Поддерживает хранение достаточно больших массивов данных измеряемых гигабайтами, а в последнее время и террабайтами, в течение долгого времени защищая их от случайной порчи или неавторизованного использования и обеспечивая модификацию БД и доступ к данным путем запросов.

Контролирует доступ к данным сразу большого количества пользователей, не позволяя запросу одного из них влиять на запрос другого и не допуская одновременного доступа, который может повредить данные.

Основные идеи современной информационной технологии строятся на идее баз данных (БД). Согласно данной идеи основой информационной технологии являются данные, организованные в БД, адекватно отражающие реалии действительности в той или иной предметной области и обеспечивающие пользователя актуальной информацией в некой предметной области.

Первые БД появились уже на заре 1-го поколения ЭВМ, представляя собой отдельные файлы данных или их простые совокупности. По мере увеличения объемов и структурной сложности данных, а также расширения круга потребителей; информации определилась необходимость создания удобных эффективных систем интеграции хранимых данных и управления ими.

1.1 Обзор СУБД

Несмотря на то, что технологии баз данных становятся все более популярными, многие разработчики прикладных систем, администраторы баз данных и конечные пользователи недостаточно хорошо понимают, что такое современные базы данных и системы управления базами данных (СУБД). Это результат отсутствия или поверхностный уровень соответствующих курсов в ВУЗах, фактическое отсутствие литературы на русском языке, а так же привлечение к деятельности специалистов, которые ранее работали в других областях. Обучение, проводимое коммерческими компаниями, обычно ориентируется на конкретные программные продукты и не может компенсировать отсутствие базовой подготовки.

В истории вычислительной техники можно отметить две основные области ее применения.

Первая область - применение вычислительной техники для выполнения численных расчетов, которые слишком долго или вообще не предоставляется возможным производить вручную.

Развитие данной области способствовало интенсификации методов численного решения сложных математических задач, развитию языков программирования как класса, ориентированных на удобную запись численных алгоритмов, становлению обратной связи с разработчиками новых архитектур ЭВМ.

Вторая область - это использование средств вычислительной техники в автоматических или автоматизированных информационных системах.

В самом широком смысле информационная система представляет собой программно-аппаратный комплекс, функции которого состоят в надежном хранении информации в памяти компьютера, выполнении специфических для данного приложения преобразований информации и/или вычислений, предоставлении пользователям простого осваиваемого интерфейса. Обычно такие системы имеют дело с большими объемами информации, и эта информация имеет достаточно сложную структуру.

Вторая область использования вычислительной техники возникла не много позже первой. Это связано с тем, что на заре вычислительной техники возможности компьютеров по хранению информации были крайне ограниченны.

Но поскольку в информационных системах требуется поддержка сложных структур данных, эти индивидуальные средства управления данными составляли существенную часть информационных систем, практически повторяясь (как программные компоненты) от одной системы к другой. Стремление выделить общую часть информационных систем, ответственную за управление сложно структурированными данными явилось первой побудительной причиной создания СУБД, которая, возможно, могла бы представлять некоторую общую библиотеку программ, доступную любой информационной системе.

Однако очень скоро стало известно, что невозможно обойтись такой общей библиотекой программ, реализующей над стандартной базовой файловой системой более сложные методы хранения данными.

Вообще, согласованность данных является ключевым понятием баз данных. На самом деле, если информационная система поддерживает согласованное хранение информации в нескольких файлах, можно говорить о том, что она поддерживает БД. Если же некая вспомогательная система управления данными позволяет работать с несколькими файлами, обеспечивая их согласованность, можно назвать ее системой управления базами данных.

Уже только требование поддержания согласованности данных в нескольких файлах не позволяет обойтись только библиотекой функций: такая система должна обладать некоторыми собственными данными (метаданными) и даже знаниями, определяющими целостность данных.

Данные Хоменко, А.Д. Базы данных [текст]. Учебник для вузов/ А.Д. Хоменко, В.М. Цыганков, М.Г. Мальцев - М.: изд-во Корона-Принт, 2004. - 325 с. - ISBN 5-7931-0284-1. - это информация, зафиксированная в определенной (структурированной) форме, пригодной для последующей обработки, хранения и передачи. К данным необходим «прозрачный» доступ сразу нескольких пользователей, т.е. любой пользователь должен иметь возможность получать необходимую ему информацию, актуализировать ее, заносить новую и удалять старую (обновлять), причем конечный потребитель данной информации может обо всех этих операциях и не знать. Банк данных (БнД) - это информационная система, включающая в себя информационные, математические (алгоритмические), программные, языковые, организационные и технические средства (аппаратная платформа и операционная система) обеспечивающие в совокупности централизованную поддержку и коллективное использование данных пользователем БнД. Языковые средства - языки, с помощью которых описывается структура данных (DDL) и языки манипулирование данными (DML - SQL). База Данных (БД) - это структурированная определенным образом совокупность данных, относящихся к конкретной задаче. БД может быть как локальная, так и распределенная.

Система Управления Базами Данных (СУБД) представляет собой комплекс инструментальных средств (программных и языковых) реализующих централизованное управление БД и предоставляющих доступ к данным (изменения, добавления, удаления, резервного копирования и т.д.). СУБД должна обеспечивать поиск, модификацию и сохранность данных, а также оперативный доступ (время отклика), защиту целостности данных от аппаратных сбоев и программных ошибок, разграничение прав и защита от несанкционированного доступа, поддержка совместной работы нескольких пользователей с данными.

При работе с СУБД можно выделить несколько уровней представления данных Роланд, Ф. Основные концепции баз данных [текст]/ Ф. Роланд. - М.: Издательский дом "Вильямс", 2002. - 256 с. - ISBN: 5-8459-0297-5.:

- Внешний уровень (уровень конечного пользователя). В некотором смысле это самый главный уровень. Именно с ним работает конечный пользователь или конечная программа. Пользователь воспринимает данные как совокупность некоторых взаимосвязанных полей в удобном виде, позволяющих ему решать свою задачу.

- Концептуальный уровень (уровень программиста и администратора) - это обобщенное представление обо всех данных, хранящихся в базе. Или совокупность внешних представлений. На этом уровне работает программист, создающий прикладные программы. И администратор, разрабатывающий структуру (схему) базы данных. Администратору доступна вся схема, вся информация, а программисту - только некая часть, ограниченная его привилегиями.

- Физический уровень (уровень реализации). На физическом уровне определяются способы хранения данных с учетом подробностей и доступа к ним. Сервер СУБД реализует именно этот уровень.

По логическому представлению структуры данных СУБД делятся на несколько типов: реляционные, сетевые и иерархические. Главная характеристика, определяющая тип - это используемое представление данных.

Главной структурой в иерархических моделях данных является «дерево». Особенности такого представления в наличии корня - единственной точки входа в дерево, и что каждый порожденный узел имеет только одного родителя. Недостатком этой системы является высокая избыточность. Одна запись БД - это совокупность деревьев. Через такую структуру нельзя построить отношение N:N (многие ко многим).

Основной структурой в сетевых моделях данных является «сеть». При таком представлении имеется несколько входов в сеть - неоднозначность доступа к данным. Особенности такого представления: один или несколько узлов могут иметь больше одного родителя; время доступа изменяется в зависимости от начального входа. Время доступа в сетевой структуре может быть больше, чем в иерархической структуре.

Пробелом обеих этих структур является то, что при добавлении новых вершин или установлении новых связей возникают проблемы выгрузки данных из базы, перегенерации полностью структуры, загрузка данных обратно в базу. При этом возникает вероятность потерять данные при обратной загрузке.

Сегодня фундамент современной информационной технологии составляют базы данных и системы управления базами данных, роль которых как единого средства хранения, обработки и доступа к большим объемам информации постоянно возрастает.

При этом существенным является постоянное увеличение объемов информации, находящийся в БД, что влечет за собой требование увеличения производительности этих систем. Резко возрастает также в разнообразных применениях спрос на интеллектуальный доступ к информации. Это особенно проявляется при создании логической обработки информации в системах баз знаний, на основе которых появляются современные экспертные системы. Быстрое развитие потребностей применений БД выдвигает новые требования к СУБД: поддержка широкого спектра типов представляемых данных и операций над ними (включая фактографические, картинно-графические данные); естественные и эффективные представления в БД разнообразных отношений между объектами предметных областей (например, пространственно-временных с обеспечением визуализации данных); поддержка непротиворечивости данных и реализация дедуктивных БД; обеспечение целостности БД в широком диапазоне разнообразных предметных областей и операционных обстановок; управление распределенными БД, интеграция неоднородных баз данных; существенное увеличение надежности функционирования БД.

1.2 Основные понятия

Всякая прикладная программа является отображением какой-то части реального мира и поэтому содержит его формализованное описание в виде данных.

Крупные массивы данных размещают, как правило, отдельно от исполняемого программы, и организуют в виде Базы данных. Начиная с 60-х годов для работы с данными, стали использовать особые программные комплексы, называемые системами управления базами данных (СУБД). Системы управления базами данных отвечают за:

физическое размещение данных и их описаний;

поиск данных;

поддержание баз данных в актуальном состоянии;

защиту данных от некорректных обновлений и несанкционированного доступа;

обслуживание одновременных запросов к данным от нескольких пользователей (прикладных программ).

База данных Роланд, Ф. Основные концепции баз данных [текст]/ Ф. Роланд. - М.: Издательский дом "Вильямс", 2002. - 256 с. - SBN: 5-8459-0297-5. - это совокупность записей различного типа, содержащая перекрестные ссылки.

Файл - это совокупность записей одного типа, в котором перекрестные ссылки отсутствуют.

Более того, в определении нет упоминания о компьютерной архитектуре. Дело в том, что, хотя в большинстве случаев БД действительно представляет собой один или (чаще) несколько файлов, физическая их организация существенно отличается от логической.

Таблицы могут храниться как в отдельных файлах, так и все вместе. И, наоборот, для хранения одной таблицы иногда используются несколько файлов. Для поддержки перекрестных ссылок и быстрого поиска обычно выделяются дополнительные специальные файлы.

Поэтому при работе с базами данных обычно применяются понятия более высокого логического уровня: запись и таблица, без углубления в подробности их физической структуры.

Таким образом, сама по себе база данных - это только набор таблиц с перекрестными ссылками. Чтобы универсальным способом извлекать из нее группы записей, обрабатывать их, изменять и удалять, требуются специальные программы, называются СУБД.

По характеру использования СУБД делят на персональные (СУБДП) и многопользовательские (СУБДМ).

К персональным СУБД относятся VISUAL FOXPRO, ACCESS и др. К многопользовательским СУБД относятся, например, СУБД ORACLE и INFORMIX. Многопользовательские СУБД включают в себя сервер БД и клиентскую часть, работают в неоднородной вычислительной среде допускаются разные типы ЭВМ и различные операционные системы. Поэтому на базе СУБДМ можно создать информационную систему, функционирующую по технологии клиент-сервер. Универсальность многопользовательских СУБД отражается соответственно на высокой цене и компьютерных ресурсах, требуемых для поддержки СУБДП представляет собой совокупность языковых и программных средств, предназначенных для создания, ведения и использования БД.

Персональные СУБД обеспечивают возможность создания персональных БД и недорогих приложений, работающих с ними, и при необходимости создания приложений, работающих с сервером БД.

Для обработки команд пользователя или операторов программ в СУБДП используются интерпретаторы команд (операторов) и компиляторы. С помощью компиляторов в ряде СУБДП можно получать исполняемые автономно приложения ехе-программы.

Обеспечение целостности БД-необходимое условие успешного функционирования БД. Для обеспечения целостности БД накладывают ограничения целостности в виде некоторых условий, которым должны удовлетворять хранимые в базе данные.

Обеспечение безопасности.

Достигается в СУБД шифрованием прикладных программ, данных, защиты паролем, поддержкой уровней доступа к базе данных, к отдельной таблице.

Расширение возможностей пользователя СУБДП достигается за счет подключения систем распространения Си или Ассемблера.

Поддержка функционирования в сети обеспечивается:

средствами управления доступом пользователей к совместно используемым данным, т.е. средствами блокировки файлов (таблиц), записей, полей, которые в разной степени реализованы в разных СУБДП;

средствами механизма транзакций, обеспечивающими целостность БД при функционировании в сети.

1.3 Функции СУБД Дейт, К. Дж. Введение в системы базы данных [текст]/ К. Дж. Дейт. - М.: изд-во Вильямс, 2006. - 1328 с. - ISBN 5-5489-0788-8.

Более точно, к числу функций СУБД принято относить следующие:

¦ Определение данных

СУБД должна предоставлять средства определения данных в виде исходной формы и преобразования этих определений в соответствующую объектную форму. Иначе говоря, СУБД должна включать в себя компоненты процессора ЯОД (языка определения данных) или компилятора ЯОД для каждого из поддерживаемых ею языков определения данных. СУБД должна также правильно трактовать синтаксис языка определения данных, чтобы ей можно было, например, сообщить, что внешние записи EMPLOYEE включают поле SALARY. Эту информацию СУБД должна использовать при анализе и выполнении запросов обработки данных.

¦ Манипулирование данными

СУБД должна быть способна обрабатывать запросы пользователя на выборку, изменение или удаление данных, уже существующих в базе, или на добавление в нее новых данных. Другими словами, СУБД должна включать в себя компонент процессора ЯМД или компилятора ЯМД, обеспечивающего поддержку языка манипулирования данными(ЯМД).

В целом, запросы ЯМД подразделяются на планируемые и непланируемые.

а) Планируемый запрос -- это запрос, необходимость выполнения которого была предусмотрена заранее. Администратор базы данных, возможно, должен будет разработать физический проект базы данных таким образом, чтобы гарантировать достаточное быстродействие выполнения подобных запросов.

б) Непланируемый запрос -- это, наоборот, некоторый произвольный запрос на выборку или (что менее вероятно) на обновление, необходимость выполнения которого не была предусмотрена заранее и возникла по какой-то особой причине.

¦ Оптимизация и выполнение

Запросы ЯМД, планируемые или непланируемые, должны быть обработаны таким компонентом, как оптимизатор, назначение которого состоит в поиске достаточно эффективного способа выполнения каждого из запросов. Затем оптимизированные запросы выполняются под управлением диспетчера этапа прогона (run-time manager).

¦ Защита и поддержка целостности данных

СУБД должна контролировать пользовательские запросы и пресекать любые попытки нарушения ограничений защиты и целостности данных, определенные АБД (см. предыдущий раздел). Этот контроль может осуществляться во время компиляции, во время выполнения или на обоих этих этапах обработки запроса.

¦ Восстановление данных и поддержка параллельности

СУБД или другой связанный с ней программный компонент, обычно называемый диспетчером транзакций или диспетчером выполнения транзакций, должен обеспечивать необходимый контроль над восстановлением данных и управление параллельной обработкой.

¦ Словарь данных

СУБД должна поддерживать функцию ведения словаря данных. Сам словарь данных вполне можно считать самостоятельной базой данных (но не пользовательской, а системной). Словарь содержит "данные о данных", т.е. в нем находятся определения других объектов системы, а не просто обычные данные. В частности, в словаре данных должны быть записаны исходные и объектные формы всех существующих схем (внешних, концептуальной и т.д.) и отображений, а также установленные ограничения защиты и целостности данных.

¦ Производительность

Очевидно, что СУБД должна выполнять все указанные функции с максимально возможной эффективностью.

1.4 Типы СУБД Гарсиа-Молина, Г. Системы баз данных. Полный курс [текст]/ Г. Гарсиа-Молина, У. Джеффри, У. Дженнифер. - М.: изд-во Вильямс, 2004. - 546 с. - ISBN 5-8459-0384-Х.

Системы управления базами данных (СУБД), составляющие основу систем баз данных, можно классифицировать по количеству пользователей, местоположению сайта БД, а также по ожидаемому способу и сфере использования.

По количеству пользователей СУБД можно подразделить на однопользовательские (single-user) и многопользовательские (multiuser). Однопользовательская СУБД обслуживает в данный момент времени только одного клиента. Другими словами, если пользователь А использует базу данных, то пользователи В и С должны подождать, пока пользователь А не закончит работу с базой.

Если однопользовательская БД развернута на персональном компьютере, то ее называют настольной базой данных (desktop database). В противоположность этому, многопользовательская СУБД может обслуживать несколько пользователей одновременно. Если многопользовательская база данных обслуживает относительно небольшое число пользователей (менее 50) или, скажем, отдел предприятия, то она называется базой данных рабочей группы (workgroup database). Если же база данных используется в рамках всего предприятия и обслуживает большое число (более 50, как правило, сотни) пользователей нескольких подразделений и отделов, то такая БД называется базой данных предприятия (enterprise database).

Возможно, классификация СУБД по способу применения и сфере использования базы данных является самым распространенным и общепризнанным способом. Например, транзакции по продаже товаров или услуг, платежи и закупка товаров представляют собой важнейшие каждодневные операции. Время, которое отводится на выполнение таких транзакций, весьма ограничено, а результат их действий должен фиксироваться и вступать в силу немедленно. СУБД, которые управляют работой баз данных, спроектированных для транзакций "немедленного отклика", называются транзакционными СУБД (transactional DBMS) или рабочими СУБД (production DBMS).

В отличие от них база данных поддержки решений (decision support database) предназначена в основном для получения необходимой информации при выработке стратегических или тактических решений на уровне среднего и высшего руководства предприятия. Поддержка решений, обеспечиваемая системой поддержки решений (decision support system, DSS), как правило, требует широкомасштабной обработки данных (манипулирования данными) для извлечения полезной информации из данных, полученных за некоторый длительный промежуток времени, с тем, чтобы принять верное решение по ценовой политике, спрогнозировать сбыт, состояние рынка и т. д.. Поскольку основная часть информации DSS извлекается из накопленных за некоторое время сведений, фактор времени, затраченного на получение данных в такой системе, не имеет столь существенного значения, как в транзакционных базах данных. К тому же информация систем DSS, как правило, базируется на большом объеме данных, полученных из различных источников. Для облегчения поиска в этой куче информации, структура БД DSS несколько отличается от структуры транзакционных БД. На самом деле, для обозначения баз данных, предназначенных для систем DSS, используется термин хранилище данных, или банк данных (Data Warehouse, DW).

2. Модели данных