1.1 Общие понятия и определения баз данных

Данные содержат различные события или сущности. Для работы с данными были созданы различные информационные системы, позволяющие работать с данными и обрабатывать их. Одни и те же данные разными людьми могут быть восприняты по разному. Поэтому основная задача информационной системы - верная интерпретация данных с учетом контекста, в котором они хранятся и обрабатываются.

Информация - это содержание или хранение данных в определенном месте с определенной целью.

Рисунок 1.1 - Объединение данных

Часто данные представляют как составной элемент информации. На рисунке 1 отображены два составляющих информацию элемента - значение и атрибут.

Атрибут - это определенное свойство конкретного объекта предметной области. Например у объекта «Книга» есть атрибуты «Наименование» и «Автор».

Значение - это либо одно определенное значение атрибута, либо несколько атрибутов со своими значениями. Например, значение «Три толстяка» атрибута «Наименование» у объекта «Книга».

Данные при проектировании информационной системы, часто определяют с двух разных сторон - со стороны пользователя и со стороны компьютера Михеев Е.В. Информационные технологии в профессиональной деятельности. - Москва: ТК Велби, Проспект, 2007г. 448стр. ISBN 5-94157-508-4.

Со стороны пользователя данные определяются в процессе выборок и отчетов. В данном случае структура данных может быть различной в зависимости от предметной области, области применения данных, особенностей восприятия пользователем и т.д. Это определение данных называют внутренней схемой

Со стороны компьютера информация хранится в виде кодированных данных с определенной структурой размещения и хранения. Все это находится в файле в виде набора записей или полей. Для корректной работы информационной системы необходима модель, описывающая структура данных в этом файле и взаимосвязи между ними.

Выделяют также еще один вариант определения данных. Этот подход рассматривает данные как основополагающие информационной системы. Называют такой подход концептуальной схемой. Основные понятия:

- общее определение данных в рассматриваемой предметной области;

- независимость от физического способа хранения данных, а также от способов осуществления доступа к ним;

- отсутствии целенаправленной ориентации на определенное использование.

База данных -- это совокупность сведений (о реальных объектах, процессах, событиях или явлениях), относящихся к определенной теме или задаче, организованная таким образом, чтобы обеспечить удобное представление этой совокупности как в целом, так и любой ее части.

База данных, в обычном, строгом смысле слова -- файл данных, для определения и обращения к которому используются средства управления базой данных. Это означает, во-первых, что этот файл определен посредством схемы, не зависящей от программ, которые к нему обращаются, и, во-вторых, что он реализован в виде запоминающего устройства с прямым доступом.

При создании концептуальной схемы базы данных определяются с выбором основных информационных объектов. После этого указываются характеристики каждого объекта и связи между ними Смирнова, Г. Н. Проектирование экономических информационных систем - М. : Финансы и статистка, 2009. - С. 85..

После создания концептуальной схемы происходи построение концептуальной модели по требуемой предметной области. Эта модель представляет собой описание предметной области пользователем, и является независимой от программной и аппаратной части.

У концептуальной модели выделяют три основных свойства:

- она основа всех объектах, находящихся в составе предметной
области;

- при добавлении новых объектов в концептуальную модель уже имеющиеся объекты и их свойства не изменяются;

- представляет предметную область в удобном для пользователя
виде.

Основные понятия концептуальной схемы данных базы данных включают в себя:

1 Сущности

- Независимые от идентификатора

- Зависимые от идентификатора

2 Отношения

- Отношения, идентифицирующие связь

- Отношения, не идентифицирующие связь

- Отношения категоризации

- Неспецифические отношения

3 Атрибуты / ключи

- Атрибуты

- Первичные ключи

- Альтернативные ключи

- Внешние ключи

Сущность - это большое количество реальных или абстрактных
объектов. Любой из этих объектов может содержать неограниченное количество атрибутов.

Сущность будет независима от идентификатора, если каждый экземпляр сущности может определяться без необходимости проверки его отношения с другими сущностями.

Сущность будет зависимой от идентификатора, если идентификация экземпляра сущности зависит от его отношения с другими сущностями.

На диаграммах сущность изображается в виде прямоугольника, причем у зависимой сущности у прямоугольника будут скругленные углы, у независимой нет. В центре этого прямоугольника пишется имя сущности Бойко, В. В. Проектирование баз данных информационных систем. - М.: Финансы и статистика, 2009. - С. 302..

Правила определения сущностей:

1 У каждой сущности в обязательном порядке должно быть уникальное
имя

2 Сущность может обладать несколькими атрибутами, принадлежащими непосредственно сущности, либо наследуемые через отношения.

3 У сущности существует один или несколько атрибутов, посредством которых сущность может быть однозначно идентифицирована (эти атрибуты носят название первичных и альтернативных ключей)

4 У каждой сущности может быть любое количество связей с другими сущностями в модели предметной области

5 Сущность является зависимой от идентификатора в том случае, если внешний ключ сущности использован в как первичный ключ. Сущность является независимой от идентификатора если использована только часть внешнего ключа, либо он вообще не используется.

Объекты, выделенные в составе предметной области, обязательно имеют взаимосвязи. Все отношения между объектами называют связи. Существует несколько видов отношений между объектами:

Один к одному (1:1).

Один ко многим (1:М).

Многие ко многим (М:М).

Отношение «один к одному» (1:1) означает, что одной записи в объекте X может соответствовать только одна запись в объекте Y и наоборот.

Рисунок 1.2 - Пример отношения «Один к одному»

Отношение «один ко многим» (1:М) означает, что одной записи в объекте X может соответствовать 0,1, или более записей в объекту Y. но каждая запись объекта Y связана не более чем с 1 записью объекта X.

Рисунок 1.3 - Пример отношения «Один ко многим»

Отношение многие ко многим (М:М) означает, что одной записи в объекте X соответствует 0,1 или более записей объекта Y и наоборот.

Рисунок 1.4 - Пример отношения «Многие ко многим»

Правила, удовлетворение которым является обязательным условием для элементов данных, называются ограничениями целостности. Их делят на явные ограничения и неявные ограничения.

Неявные ограничения определяют по структуре данных. Например, если у объекта «Сотрудник» имеется атрибут «Дата приема на работу» этот факт выступает как ограничение целостности и означает что каждый сотрудник предприятия имеет дату приема на работу,

Явные ограничения добавляются непосредственно в базу данных посредством использования языка контроля данных. Явными ограничениями чаще всего являются условия, которые накладывают на значение атрибутов. Например, атрибут «Табельный номер» уникальный, «оклад» не может быть ниже нуля и т.д.

Существуют еще статические и динамические ограничения целостности.

Статические ограничения существуют во всех состояниях работы программного обеспечения, а динамические указывают на возможность перехода программы из одного состояния в другое.

Проверку соблюдения ограничений целостности выполняет СУБД в процессе работы. СУБД проверяется ограничения в любой момент, когда они могут быть нарушены. Если какой-либо командой будет произведено нарушение ограничения целостности

Если какая-либо команда нарушает ограничения, то она не будет выполняться и СУБД выдаст сообщение об ошибке. То есть с помощью ограничений целостности достигается логическая непротиворечивость данных при переходе базы данных в разные состояния Истомин, Е. П. Высокоуровневые методы информатики и программирования. - М. : Андреевский Издательский дом, 2008. - С. 116..

1.2 Модель данных

Модель данных - это множество правил, посредством которых производится создание структуры данных в базе данных, производятся операции над данными, а также которыми описываются ограничения целостности и определяются возможные виды связей и значений данных. Выделяю три составляющих части модели данных:

- Совокупность всех возможных структур хранения данных. В данном случае можно провести параллель со структурами данных в языках программирования - векторами, массивами, структурами.

- Совокупность всех операторов, которые можно применить к любым типам данных. Пример - операции создания и изменения структуры данных, добавление новых данных, поиск среди данных по различным параметрам.

- Совокупность ограничений целостности, определяющих все непротиворечивые состояния базы данных, и все возможные изменения её состояния. Эти правила определены предметной областью и типом данных. Например запись типа счетчик может быть только целым числом (ограничение на тип данных) и не может быть меньше нуля (ограничение предметной области).

Структуризация данных основывается на использовании концепций «агрегации» и «обобщения». Один из первых вариантов структуризации данных был предложен Ассоциацией по языкам обработки данных (Conference on Data Systems Languages, CODASYL) (см. рисунок 1.5).

Рисунок 1.5 - Композиция структур данных по версии CODASYL

Элемент данных - это наименьшая именованная единица представления данных, к которой СУБД может обращаться напрямую и с помощью которой выполняется построение других структур. Обязательным условием для каждого элемента является определение его типа.

Агрегат данных - именованный набор элементов данных, содержащихся в записи, которую можно рассмотреть как единое целое. Он может быть простым (включающим только элементы данных) и составным (включающим наряду с элементами данных и другие агрегаты).

Запись - именованный набор элементов данных или элементов данных и агрегатов. Или, по другому, запись - это агрегат, который не входит в состав другого агрегата. Запись может иметь сложную иерархическую структуру, так как разрешается неоднократное применение агрегации. Различают тип записи (её структуру) и экземпляр записи, т.е. запись с конкретными значениями элементов данных. Одна запись может описывать описывает свойства только одной сущности ПО (экземпляра). Иногда термин «запись» заменяют термином «группа». Дейт, К. Введение в системы баз данных. - СПб. : Питер, 2009. - С. 124.

Пример записи, содержащей сведения о сотруднике, приведён на рисунке 1.6.

Рисунок 1.6 - Пример записи типа СОТРУДНИК

Данная запись имеет несколько атрибутов - Номер пропуска, Дата рождения, номер отдела и т.д. Также она имеет три агрегата: два простых - это агрегаты ФИО и Адрес, и повторяющийся агрегат Телефоны.

Среди элементов данных (полей записи) выделяются одно или несколько ключевых полей. Значения ключевых полей позволяют классифицировать сущность, к которой относится конкретная запись. Ключи с уникальными значениями называются потенциальными. Каждый ключ может представлять собой агрегат данных. Один из ключей назначается первичным, остальные являются вторичными. Первичный ключ идентифицирует экземпляр записи, его значение должно быть уникальным и обязательным для записей одного типа. Для примера на рис. 1.3 потенциальными ключами являются поля № пропуска и Паспорт, а первичным ключом целесообразнее выбрать поле № пропуска, т.к. оно явно занимает меньше памяти, чем паспортные данные Карминский, А. М. Информатизация бизнеса. Концепции, технологии, системы. - М. : Астрэль 2008. - С. 355..

Набор (или групповое отношение) - поименованная совокупность записей, образующих двухуровневую иерархическую структуру. Каждый тип набора представляет собой связь между двумя или несколькими типами записей. Для каждого типа набора один тип записи объявляется владельцем набора, остальные типы записи объявляются членами набора. Каждый экземпляр набора должен содержать только один экземпляр записи типа владельца и столько экземпляров записей типа членов набора, сколько их связано с владельцем. Для группового отношения также различают тип и экземпляр.

Любая операция над данными включает в себя селекцию данных (select), то есть выделение из всей совокупности именно тех данных, над которыми должна быть выполнена требуемая операция, и действие над выбранными данными, которое определяет характер операции. Условие селекции - это некоторый критерий отбора данных, в котором могут быть использованы логическая позиция элемента данных, его значение и связи между данными.

По типу производимых действий различают следующие операции:

- идентификация данных и нахождение их позиции в БД;

- выборка (чтение) данных из БД;

- включение (запись) данных в БД;

- удаление данных из БД;

- модификация (изменение) данных БД.

Обработка данных в БД осуществляется с помощью процедур базы данных - транзакций. Транзакцией называют упорядоченное множество операций, переводящих БД из одного согласованного состояния в другое. Транзакция либо выполняется полностью, т.е. выполняются все входящие в неё операции, либо не выполняется совсем, если в процессе её выполнения возникает ошибка Сорокин, А. В. Разработка баз данных. - СПб. :Питер, 2007. - С. 287..

1.3 Система управления базами данных

Система управления базами данных (СУБД) - это приложение, посредством которого осуществляется обработка базы данных пользователем или группой пользователем. Попросту говоря, система управления базами данных является интерфейсом между базой данных и пользователями с их задачами.

В ходе эволюции файловой системы, а затем и концепции баз данных, фрагмент логики программы, отвечающий за управление данными, был выделен в отдельный компонент, названный СУБД. Одно из важнейших требований, предъявляемых к СУБД - это обеспечение независимости данных от программ; при этом все данные должны храниться в соответствии с некоторой стандартной внутренней структурой, доступ к которым может быть предоставлен всем прикладным программам, нуждающимся в этих данных.

СУБД изолируют данные от прикладных программ таким образом, что при изменении данных не нужно менять программу, либо реорганизовывать данные. Для работы с данными в распоряжение пользователей предоставляется язык запросов, с помощью которого они могут стандартным образом выбирать и изменять данные.

СУБД являются посредниками между логической структурой данных, необходимых разным приложениям, и физическими хранилищами данных (обычно это файловая система персонального компьютера или сервера, хотя последнее время хранилища могут распределяться между многими серверами). Физическая структура данных (в частности, файловая) должна быть скрыта от программистов. СУБД должны хранить логическую структуру (метаданные), предотвращая несогласованные изменения данных, нарушающие эту структуру Ребекка, М. Райордан Основы реляционных баз данных. - М. : Русская редакция. - С. 117..

СУБД является весьма сложным видом программного обеспечения, предназначенная для предоставления перечисленных выше сервисов и состоит из нескольких программных компонентов (модулей), каждый их которых предназначен для выполнения специфической операции.

Функции СУБД:

1 Хранение, извлечение и обновление данных. С помощью СУБД пользователь получает возможность выполнять указанные действия над базами данных. Это самая фундаментальная функция СУБД. Причем, способ реализации этой функции должен быть скрыт от конечного пользователя.

2 Каталог, доступный конечным пользователям. Любая СУБД имеет доступный как программистам, так и пользователям, каталог, в котором хранится описание элементов данных. Системный каталог (его еще называют словарь данных) содержит информацию о данных в базе данных (метаданные). В зависимости от типа используемой СУБД объем информации, а также способ ее использования могут быть различными. Чаще всего в системном каталоге находятся следующие данные:

- имена, типы и размеры элементов данных;

- имена связей;

- накладываемые на данные ограничения поддержки целостности;

- имена санкционированных пользователей;

- внешняя, концептуальная и внутренняя схемы и отображения между ними;

- статистические данные (частота транзакций, счетчик обращения к объектам базы данных).

Системный каталог позволяет достичь определенных преимуществ:

- информация о данных может быть централизованно собрана и сохранена, что позволит контролировать доступ к этим данным, как и к любому другому ресурсу;

- можно определить смысл данных, что поможет другим пользователям понять их назначение;

- упрощается сообщение, так как сохраняются точные определения смысла данных. В системном каталоге также могут быть указаны один или несколько пользователей, которые являются владельцами данных или обладают правом доступа к ним;

- благодаря централизованному хранению избыточность и противоречивость описания отдельных элементов данных могут быть легко обнаружены;

- внесенные в базу данных изменения могут быть запротоколированы;

- последствия любых изменений могут быть определены еще до их внесения, поскольку в системном каталоге зафиксированы все существующие элементы данных, установленные между ними связи, а также все их пользователи;

- меры обеспечения безопасности могут быть дополнительно усилены;

- появляются новые возможности организации поддержки целостности данных;

- может выполняться аудит сохраняемой информации.

3 Поддержка транзакций. СУБД должна иметь механизм, который гарантирует выполнение либо всех операций обновления данной транзакции, либо ни одной из них. Транзакция представляет собой набор действий, выполняемых отдельным пользователем или прикладной программой с целью доступа или изменения содержимого базы данных (например, удаление сведений о сотруднике из база данных и передача ответственности за всю курируемую им работу другому сотруднику). Если во время выполнения транзакции произойдет сбой, например, из-за выхода из строя компьютера, база данных попадет в противоречивое состояние, поскольку некоторые изменения уже будут внесены, а остальные нет. В этом случае все частичные изменения должны быть отменены для возвращения базы данных в исходное непротиворечивое состояние.

4 Сервисы управления параллельностью. Любая СУБД должна иметь механизм, который позволяет работать с базой данных нескольким пользователям, обеспечивая при этом корректное обновление данных в базе данных. Одна из основных целей создания и использования СУБД заключается в том, чтобы множество пользователей могло осуществлять доступ к совместно обрабатываемым данным. Параллельный доступ сравнительно просто организовать, если все пользователи выполняют только чтение данных. Конфликтные ситуации с нежелательными последствиями легко могут возникнуть, когда два и более пользователей пытаются обновить данные. СУБД должна гарантировать, что при одновременном доступе к базе данных многих пользователей таких конфликтов не произойдет.

5 Сервисы восстановления. Любая СУБД должна обеспечить функцию восстановления базы данных, в случае её повреждения или разрушения. Это может обусловлено различными ошибками программного обеспечениями, сбоями в работе аппаратура и т.д. К тому же пользователь может потребовать отмены операции. Во всех подобных случаях СУБД должна предоставить механизм восстановления базы данных и возврата к ее непротиворечивому состоянию. Сервисы восстановления тесно связаны с управлением транзакциями.

6 Сервисы контроля доступа к данным. СУБД имеет механизм, обеспечивающий только санкционированный доступ к базе данных. Это позволяет разграничить уровни доступа пользователей, а также ограничить доступ к информации, которая является, скажем, конфиденциальной.

7 Поддержка обмена данными. СУБД должна обладать способностью к интеграции с коммуникационным программным обеспечением. Большинство пользователей осуществляют доступ к базе данных с помощью терминалов. Иногда эти терминалы подсоединены непосредственно к компьютеру с СУБД. В других случаях терминалы могут находиться на значительном удалении и обмениваться данными с компьютером, на котором располагается СУБД, через сеть. В любом случае СУБД получает запросы в виде сообщений обмена данными и аналогичным образом отвечает на них. Такая передача данных управляется менеджером обмена данными. Хотя этот менеджер не является частью собственно СУБД, тем не менее, чтобы быть коммерчески жизнеспособной, любая СУБД должна обладать способностью интеграции с разнообразными существующими менеджерами обмена данными. Даже СУБД для персональных компьютеров должны поддерживать работу в локальной сети, чтобы вместо нескольких баз данных для каждого пользователя можно было установить одну централизованную базу данных и использовать ее как общий ресурс для всех пользователей. При этом предполагается, что не база данных должна быть распределена в сети, а удаленные пользователи должны иметь возможность доступа к централизованной базе данных. Такая топология называется распределенной обработкой.

8 Службы поддержки целостности данных. СУБД должна обладать инструментами контроля за тем, чтобы данные и их изменения соответствовали заданным правилам. Целостность базы данных означает корректность и непротиворечивость хранимых данных. Она может рассматриваться как еще один тип защиты базы данных, но в более широком смысле целостность связана с качеством самих данных. Целостность обычно выражается в виде ограничений или правил сохранения непротиворечивости данных (например, сотрудник не имеет права работать больше, чем на полторы ставки в данной организации).

9 Службы поддержки независимости от данных. СУБД должна обладать инструментами поддержки независимости программ от фактической структуры базы данных. Обычно она достигается за счет реализации механизма поддержки представлений или подсхем. Физическая независимость от данных достигается достаточно просто, что нельзя сказать о логической независимости от данных. Как правило, система легко адаптируется к добавлению нового объекта, атрибута или связи, но не к их удалению. В некоторых системах вообще запрещается вносить любые изменения в уже существующие компоненты логической схемы.

10 Вспомогательные службы. СУБД должна предоставлять некоторый набор различных вспомогательных служб. Вспомогательные утилиты обычно предназначены для оказания помощи администратору баз данных в эффективном администрировании базы данных Сорокин, А. В. Разработка баз данных. - СПб. : Питер, 2008. - С. 285..

Выводы по главе 1

База данных помогает систематизировать и хранить информацию из определенной предметной области, облегчает доступ к данным, поиск и предоставление необходимых сведений. Простейшей базой данных можно считать телефонный справочник или список книг в домашней библиотеке.

В основе любой базы данных находится модель данных - способ организации и хранения данных в базе данных. На основании используемой модели данных осуществляются все операции с данными.

Для управления данными в базе данных используются систему управления базами данных. Они имеют в своём составе набор однотипных функций, отличающийся только в некоторых случаях.

Система управления базами данных помимо того что предоставляет пользователю возможность работы с данными, следит за сохранностью данных, за выполняемыми операциями, а также контролирует целостность данных.

база данные сетевой распределенный

2. Общий анализ функционирования рекламного агентства «Софит»