Что представляет трехуровневая архитектура субд
Трехуровневая архитектура СУБД
В процессе научных исследований, посвященных тому, как именно должна быть устроена СУБД, предлагались различные способы реализации. Самым жизнеспособным из них оказалась предложенная американским комитетом по стандартизации ANSI (American National Standards Institute) трехуровневая система организации БД, изображенная на рис. 1:
Рис. 1. Трехуровневая модель системы управления базой данных, предложенная ANSI
Архитектура включает три уровня: внутренний, концептуальный и внешний. В общих чертах они представляют собой следующее:
1. Уровень внешних моделей — самый верхний уровень, где каждая модель имеет свое «видение» данных. Этот уровень определяет точку зрения на БД отдельных пользователей (приложений). Каждое приложение видит и обрабатывает только те данные, которые необходимы именно этому приложению. Например, система распределения работ использует сведения о квалификации сотрудника, но ее не интересуют сведения об окладе, домашнем адресе и телефоне сотрудника, и наоборот, именно эти сведения используются в подсистеме отдела кадров.
Эта архитектура позволяет обеспечить логическую (между уровнями 1 и 2) и физическую (между уровнями 2 и 3) независимость при работе с данными. Логическая независимость предполагает возможность изменения одного приложения без корректировки других приложений, работающих с этой же базой данных. Физическая независимость предполагает возможность переноса хранимой информации с одних носителей на другие при сохранении работоспособности всех приложений, работающих с данной базой данных. Это именно то, чего не хватало при использовании файловых систем.
Выделение концептуального уровня позволило разработать аппарат централизованного управления базой данных.
Дата добавления: 2016-06-24 ; просмотров: 788 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Трехуровневая архитектура СУБД
Концептуальная, логическая и физическая модели предметной области
Трехуровневая архитектура СУБД
Предметная область представляет собой часть реального мира, которая исследуется или используется. Это может быть «Заказ» (см. пример в п. 1.3), «Изготовление изделий на заказ», «Сбыт готовой продукции», «Оформление заказов через Интернет» и др. Из-за сложности предметной области охватить ее аспекты в одноуровневой модели не представляется возможным. Поэтому используются три уровня: концептуальный (понятийный), логический и физический.
Концептуальный уровень отражает предметную область в самом общем виде. Он определяет содержание и структуру предметной области безотносительно к моделям данных (см. раздел 2) и типу используемой СУБД. Этот уровень должен быть понятен пользователю и полностью независим от того, как данные будут храниться в действительности. Изменения в этой модели должны производиться только при изменениях в реальном мире, чтобы эта модель продолжала быть отражением предметной области.
Логический уровень является промежуточным, на котором производится формализация модели. На этом уровне предметная область отображается в виде информационных объектов (сущностей) и связей между ними. Для реляционной модели сущности являются «прообразами» таблиц, а связи отображают отношения между ними. Логическая модель лежит в основе построения БД, в том числе и с использованием CASE-средств.
Физический уровень модели предметной области определяет способ реализации в среде выбранной СУБД. Одной логической модели может соответствовать несколько физических моделей (для разных СУБД). В CASE-средствах осуществляется автоматическое преобразование логической модели в физическую для выбранной конкретной СУБД. На основе физической модели осуществляется проектирование структуры базы данных. С использованием CASE-средств этот процесс происходит автоматически и называется прямым проектированием. CASE-средства позволяют также на основе существующей БД создавать физическую, а затем и логическую модели (обратное проектирование).
Первые попытки стандартизации общей архитектуры СУБД относятся к 1971 году, когда был предложен двухуровневый подход к архитектуре СУБД на основе использования системного представления, включающего понятие схемы базы данных и пользовательских представлений (подсхем).
В 1978 году комитетом ANSI/SPARC (ANSI, American National Standard Institute – Национальный институт стандартизации США; SPARC, Standard Planning and Requirements Committee – Комитет планирования стандартов и норм) официально зафиксировано различие между логическим и физическим представлением данных. В частности, была предложена обобщенная структура систем с базой данных.
Эта структура получила название трехуровневой архитектуры, включающей внутренний, концептуальный и внешний уровни (рис. 2.1).
Введение трехуровневой архитектуры БД позволило отделить пользовательское представление БД от ее физического представления.
Необходимость такого отделения обусловлена, прежде всего, следующими причинами:
· каждый пользователь должен иметь возможность обращаться к одним и тем же данным, используя собственное представление об этих данных, а также изменять его при необходимости, что не должно оказывать влияния на представление о данных других пользователей;
· обращение пользователя к БД на должно зависеть от особенностей хранения в ней данных;
· администратор БД может при необходимости изменять структуру хранения данных в базе, включая концептуальную структуру БД, причем данные действия не должны влиять на пользовательские представления данных;
· внутренняя структура хранения данных не должна зависеть от изменения физических устройств хранения информации.
Рис. 3.2. Трехуровневая архитектура СУБД
Таким образом, в трехуровневой модели СУБД:
Внутренний уровень – это уровень, определяющий физический вид БД, наиболее близкий к физическому хранению. Он связан со способами хранения информации на физических устройствах. К данному уровню имеют отношение дисководы, физические адреса, индексы, указатели и т.д. За работу данного уровня отвечают проектировщики физической БД, которые решают, какие физические устройства будут хранить данные, какие методы доступа к данным будут использоваться и какие меры следует принять для поддержания или повышения быстродействия СУБД. Для пользователей данный уровень закрыт.
Концептуальный уровень – структурный уровень, который дает представление о логической схеме БД. На данном уровне выполняется концептуальное проектирование БД, которое включает анализ информационных потребностей пользователей и определение нужных им элементов данных. Результатом концептуального проектирования является концептуальная схема БД, а также логическое описание всех элементов данных и отношений между ними. Как было сказано выше, концептуальная схема БД не связана напрямую с выбранной моделью данных и СУБД, в то время как логическая схема уже предполагает представление структуры данных в рамках выбранной модели (см. раздел 2).
Внешний уровень – структурный уровень БД, определяющий пользовательские представления данных. Каждый пользователь или группа пользователей получают свое собственное представление данных в БД. Такое пользовательское описание элементов данных и отношений между ними можно напрямую вывести из концептуальной схемы. Совокупность различных пользовательских представлений данных и образует внешний уровень [20, С.9-13].
В разделе 2.1 был показан пример схемы данных (рис. 2.1). Под схемой данных (схемой базы данных) понимается общее описание базы данных. В соответствии с трехуровневой архитектурой различают и три типа схем базы данных.
Внешнему уровню представления БД соответствуют, как правило, несколько внешних схем (подсхем) БД. Каждая из таких схем соответствует представлению данных определенной группы пользователей СУБД.
Концептуальная схема описывает все элементы данных, связи между ними, а также необходимые ограничения для поддержки целостности данных. Для каждой БД имеется только одна концептуальная схема данных.
Внутренняя схема является полным описанием внутренней модели данных и содержит определения хранимых записей, методы представления, описания полей данных, сведения об индексах и пр. Также как и для концептуальная схема, внутренняя схема для каждой БД только одна.
Исходя из различных схем БД в трехуровневой модели, следует, что СУБД должна устанавливать соответствие и следить за непротиворечивостью схем: внешними, концептуальной и внутренней.
В теории и практике баз данных принято различать понятия «описание базы данных» и «база данных» [20, С.12-13].
Под описанием базы данных понимают схему БД, создаваемую в процессе проектирования БД, изменение которой предполагается в исключительных случаях.
Под базой данных понимается вся информация, содержащаяся в базе, которая может изменяться с течением времени. Совокупность информации, хранящейся в БД в любой определенный момент времени, называется состоянием базы данных. Таким образом, одной и той же схеме БД может соответствовать множество различных состояний БД. Состояние БД также называется детализацией.
Главное назначение трехуровневой архитектуры – обеспечение независимости от данных, т.е. любые изменения на нижних уровнях БД не должны влиять на верхние уровни.
Независимость бывает двух типов:
· логическая – полная защищенность внешних схем от изменений, которые вносятся в концептуальную схему;
· физическая – защищенность концептуальной схемы от изменений, которые вносятся во внутреннюю схему.
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
Трехуровневая архитектура СУБД
Первые попытки стандартизации общей архитектуры СУБД относятся к 1971 году, когда был предложен двухуровневый подход к архитектуре СУБД на основе использования системного представления, включающего понятие схемы базы данных и пользовательских представлений (подсхем).
В 1978 году комитетом ANSI/SPARC (ANSI, American National Standard Institute – Национальный институт стандартизации США; SPARC, Standard Planning and Requirements Committee – Комитет планирования стандартов и норм) официально зафиксировано различие между логическим и физическим представлением данных. В частности, была предложена обобщенная структура систем с базой данных.
Эта структура получила название трехуровневой архитектуры, включающей внутренний, концептуальный и внешний уровни (рис. 2.1).
Введение трехуровневой архитектуры БД позволило отделить пользовательское представление БД от ее физического представления.
Необходимость такого отделения обусловлена, прежде всего, следующими причинами:
· каждый пользователь должен иметь возможность обращаться к одним и тем же данным, используя собственное представление об этих данных, а также изменять его при необходимости, что не должно оказывать влияния на представление о данных других пользователей;
· обращение пользователя к БД на должно зависеть от особенностей хранения в ней данных;
· администратор БД может при необходимости изменять структуру хранения данных в базе, включая концептуальную структуру БД, причем данные действия не должны влиять на пользовательские представления данных;
· внутренняя структура хранения данных не должна зависеть от изменения физических устройств хранения информации.
Рис. 3.2. Трехуровневая архитектура СУБД
Таким образом, в трехуровневой модели СУБД:
Внутренний уровень – это уровень, определяющий физический вид БД, наиболее близкий к физическому хранению. Он связан со способами хранения информации на физических устройствах. К данному уровню имеют отношение дисководы, физические адреса, индексы, указатели и т.д. За работу данного уровня отвечают проектировщики физической БД, которые решают, какие физические устройства будут хранить данные, какие методы доступа к данным будут использоваться и какие меры следует принять для поддержания или повышения быстродействия СУБД. Для пользователей данный уровень закрыт.
Концептуальный уровень – структурный уровень, который дает представление о логической схеме БД. На данном уровне выполняется концептуальное проектирование БД, которое включает анализ информационных потребностей пользователей и определение нужных им элементов данных. Результатом концептуального проектирования является концептуальная схема БД, а также логическое описание всех элементов данных и отношений между ними. Как было сказано выше, концептуальная схема БД не связана напрямую с выбранной моделью данных и СУБД, в то время как логическая схема уже предполагает представление структуры данных в рамках выбранной модели (см. раздел 2).
Внешний уровень – структурный уровень БД, определяющий пользовательские представления данных. Каждый пользователь или группа пользователей получают свое собственное представление данных в БД. Такое пользовательское описание элементов данных и отношений между ними можно напрямую вывести из концептуальной схемы. Совокупность различных пользовательских представлений данных и образует внешний уровень [20, С.9-13].
В разделе 2.1 был показан пример схемы данных (рис. 2.1). Под схемой данных (схемой базы данных) понимается общее описание базы данных. В соответствии с трехуровневой архитектурой различают и три типа схем базы данных.
Внешнему уровню представления БД соответствуют, как правило, несколько внешних схем (подсхем) БД. Каждая из таких схем соответствует представлению данных определенной группы пользователей СУБД.
Концептуальная схема описывает все элементы данных, связи между ними, а также необходимые ограничения для поддержки целостности данных. Для каждой БД имеется только одна концептуальная схема данных.
Внутренняя схема является полным описанием внутренней модели данных и содержит определения хранимых записей, методы представления, описания полей данных, сведения об индексах и пр. Также как и для концептуальная схема, внутренняя схема для каждой БД только одна.
Исходя из различных схем БД в трехуровневой модели, следует, что СУБД должна устанавливать соответствие и следить за непротиворечивостью схем: внешними, концептуальной и внутренней.
В теории и практике баз данных принято различать понятия «описание базы данных» и «база данных» [20, С.12-13].
Под описанием базы данных понимают схему БД, создаваемую в процессе проектирования БД, изменение которой предполагается в исключительных случаях.
Под базой данных понимается вся информация, содержащаяся в базе, которая может изменяться с течением времени. Совокупность информации, хранящейся в БД в любой определенный момент времени, называется состоянием базы данных. Таким образом, одной и той же схеме БД может соответствовать множество различных состояний БД. Состояние БД также называется детализацией.
Главное назначение трехуровневой архитектуры – обеспечение независимости от данных, т.е. любые изменения на нижних уровнях БД не должны влиять на верхние уровни.
Независимость бывает двух типов:
· логическая – полная защищенность внешних схем от изменений, которые вносятся в концептуальную схему;
· физическая – защищенность концептуальной схемы от изменений, которые вносятся во внутреннюю схему.
Трехуровневая архитектура
Что такое трехуровневая архитектура?
Трехуровневая архитектура — это широко применяемая архитектура программного обеспечения в которой приложения разделены на три логических и физических уровня: уровень представления (пользовательский интерфейс), уровень приложения, на котором осуществляется обработка данных, и уровень данных, предназначенный для хранения и управления данными, относящимися к приложению.
Основное преимущество трехуровневой архитектуры заключается в том, что поскольку каждый уровень имеет собственную инфраструктуру, разработкой каждого уровня может заниматься отдельная команда разработчиков. Кроме того, каждый уровень можно обновлять и масштабировать по мере необходимости, не затрагивая другие уровни.
На протяжении десятилетий трехуровневая архитектура оставалась самой распространенной архитектурой для клиент-серверных приложений. Сегодня большинство трехуровневых архитектур подлежат модернизации с использованием облачных технологий, таких как контейнеры и микросервисы, а также требуют миграции в облако.
Подробное описание трех уровней
Уровень представления
На уровне представления обеспечивается взаимодействие с пользователем приложения — это пользовательский интерфейс и уровень обмена данными. Его основное предназначение состоит в отображении информации и получении информации от пользователя. Этот уровень может работать в веб-браузере или как графический пользовательский интерфейс компьютерного или мобильного приложения. Уровни представления веб-приложений обычно разрабатываются с помощью HTML, CSS и JavaScript. Компьютерные и мобильные приложения могут быть написаны на любом языке в зависимости от платформы.
Уровень приложений
Уровень приложения, также известный как логический или промежуточный уровень, является центральным звеном приложения. На этом уровне обрабатывается информация, собранная на уровне представления — иногда с учетом другой информации из уровня данных — с помощью бизнес-логики, которая представляет собой набор бизнес-правил. Кроме того, уровень приложения может добавлять, изменять и удалять данные, расположенные на уровне данных.
Как правило, уровень приложения разрабатывается с помощью Python, Java, Perl, PHP или Ruby и взаимодействует с уровнем данных посредством вызовов API.
Уровень данных
Уровень данных, который также называется уровнем базы данных, уровнем доступа к данным или базовым уровнем, предназначен для хранения и управления информацией, обработанной приложением. Его роль может выполнять реляционная система управления базами данных, такая как PostgreSQL, MySQL, MariaDB, Oracle, DB2, Informix или Microsoft SQL Server, либо сервер базы данных NoSQL, такой как Cassandra, CouchDB или MongoDB.
В трехуровневом приложении обмен данными осуществляется только через уровень приложения. Уровень представления и уровень данных не могут взаимодействовать друг с другом напрямую.
Слои и уровни
В контексте трехуровневой архитектуры термины уровень (tier) и слой (layer) часто используются как взаимозаменяемые, однако это не совсем справедливо.
Между ними следует делать различие. «Слой» разделяет части программы по функциональному признаку, а «уровни» не только имеют разный функционал, но и работают в независимой от других уровней инфраструктуре. Например, приложение Контакты на вашем телефоне представляет собой трехслойное приложение, но вместе с тем оно является одноуровневым, поскольку все три слоя работают на телефоне.
Эта разница имеет важное значение, поскольку слои не позволяют получить те преимущества, которые дает разделение по уровням.
Преимущества трехуровневой архитектуры
Итак, главным преимуществом трехуровневой архитектуры является логическое и физическое разделение функциональных возможностей. Каждый уровень можно запустить в отдельной операционной системе и серверной платформе (веб-сервер, сервер приложений, сервер базы данных), наилучшим образом соответствующей его функциональным требованиям. Поскольку каждый уровень выполняется по крайней мере на одном выделенном аппаратном или виртуальном сервере, уровни можно настраивать и оптимизировать независимо друг от друга.
Другие преимущества (по сравнению с одноуровневой и двухуровневой архитектурой):
Трехуровневое приложение в веб-разработке
В случае веб-разработки уровни называются по-другому, но выполняют аналогичные функции:
Другие многоуровневые архитектуры
Несмотря на доминирующее положение трехуровневой архитектуры, в своей работе вы можете встретиться с другими вариантами многоуровневых архитектур приложений.
Двухуровневая архитектура
Двухуровневая архитектура — это изначальный вариант клиент-серверной архитектуры, состоящей из слоя представления и слоя данных; бизнес-логика может находиться в слое представления и/или в слое данных. В случае двухуровневой архитектуры слой представления, а следовательно и конечный пользователь, обладают прямым доступом к слою данных и возможности бизнес-логики часто ограничивается. В качестве примера двухуровневого приложения можно привести простое приложение для управления контактами, в котором пользователи вводят и извлекают контактную информацию.
N-уровневая архитектура
В общем случае N-уровневая архитектура, также называемая многоуровневой архитектурой, представляет собой любую архитектуру приложений, имеющую больше одного уровня. Однако приложения более чем с тремя уровнями встречаются крайне редко, поскольку дополнительные уровни не дают существенных преимуществ и могут сделать приложение более медленным, сложным в управлении и дорогим в обслуживании. Таким образом, n-уровневая архитектура и многоуровневая архитектура обычно являются синонимами трехуровневой архитектуры.
Трехуровневая архитектура и IBM Cloud
IBM Cloud предлагает продукты и услуги, помогающие модернизировать устаревшие трехуровневые приложения в процессе перехода в облако.
Сделайте первый шаг:
Что представляет трехуровневая архитектура субд
3. Жизненный цикл базы данных.
Процесс проектирования, реализации и поддержания системы базы данных называется жизненным циклом базы данных (ЖЦБД). Процедура создания системы называется жизненным циклом системы (ЖЦС).
Понимание и правильный подход к ЖЦБД очень важен и требует детального рассмотрения, так как в его основе лежит подход, ориентированный на данные. Элементы данных более стабильны, чем выполняемые функции системы. Создание правильной структуры данных требует сложного анализа классов единиц данных и отношений между ними. Если построить логичную схему базы данных, то в дальнейшем можно создать любое количество функциональных систем, использующих эту схему. Функционально-ориентированный подход можно применять лишь для создания временных систем, которые рассчитаны на недолгое время функционирования.
ЖЦБД состоит из следующих этапов:
1. Предварительное планирование – планирование БД, выполняемое в процессе разработки стратегического плана БД. В процессе планирования собирается следующая информация:
· какие прикладные программы используются, и какие функции они выполняют;
· какие файлы связаны с каждым из этих приложений;
· какие новые приложения и файлы находятся в процессе работы.
Данная информация помогает определить, как используется информация приложений, определить будущие требования к системе БД.
Информация этого этапа документируется в виде обобщенной модели данных.
2. Проверка осуществимости. Здесь определяется технологическая, операционная и экономическая осуществимость плана создания БД, т. е.:
· технологическая осуществимость – есть ли технология для реализации запланированной БД?
· операционная осуществимость – есть ли средства и эксперты, необходимые для успешного осуществления плана создания БД?
· экономическая целесообразность – можно ли определить выводы? Окупится ли запланированная система? Можно ли оценить издержки и выгоду?
3. Определение требований включает выбор целей БД, выяснение информационных требований к системе и требований к оборудованию и программному обеспечению. Таким образом, на данном этапе сбора данных и определения требований создаётся общая информационная модель, выражающаяся в следующих задачах:
· Определяются цели системы путём анализа информационных потребностей. Здесь также обязательно указывается, какую именно БД следует создавать (распределённую, целостную) и какие коммуникационные средства необходимы. Выходной документ – комментарий, описывающий цели системы.
· Определение пользовательских требований: документация в виде обобщённой информации (комментарии, отчёты, опросы, анкеты и т. д.); фиксация функций системы и определение прикладных систем, которые будут выполнять эти требования. Данные представляются в виде соответствующих документов.
· Определение общих требований к оборудованию и программному обеспечению, связанных с поддержанием желаемого уровня быстродействия. (Выяснение количества пользователей системы, числа входных сообщений в день, количество распечаток). Данная информация используется для выбора типов компьютеров и СУБД, объёма дисков, количества принтеров. Данные этого этапа излагаются в отчёте, содержащем примерные конфигурации оборудования и программного обеспечения.
· Разработка плана поэтапного создания системы, включающий выбор исходных приложений.
4. Концептуальное проектирование – создание концептуальной схемы БД. Спецификации разрабатываются в той степени, которая необходима для перехода к реализации.
Основным выходным документом является единая инфологическая модель (или схема БД на концептуальном уровне). При разработке данной модели используются информация и функции, которые должна выполнить система, определённые на этапе сбора и определения требований к системе. На данном этапе желательно также определить: 1) правила для данных; 2) правила для процессов; 3) правила для интерфейса.
5. Реализация – процесс превращения концептуальной модели в функциональную БД. Он включает в себя следующие этапы.
1) Выбор и приобретение необходимой СУБД.
2) Преобразование концептуальной (инфологической) модели БД в логическую и физическую модель данных:
· на основе инфологической модели данных строится схема данных для конкретной СУБД, при необходимости реализуется денормализация БД с целью ускорения обработки запросов во всех критичных по времени приложениях;
· определяются, какие прикладные процессы необходимо реализовать в схеме данных как хранимые процедуры;
· реализовать ограничения, предназначенные для обеспечения целостности данных и реализации правил для данных;
· спроектировать и сгенерировать триггеры для реализации всех централизованно определённых правил для данных и правил целостности данных, которые не могут быть заданы как ограничения;
· разработать стратегию индексирования и кластеризации; выполнить оценку размеров всех таблиц, кластеров и индексов;
· определить уровни доступа пользователей, разработать и внедрить правила обеспечения безопасности и аудита. Создать роли и синонимы для обеспечения многопользовательского доступа с согласованными уровнями полномочий доступа.
· разработать сетевую топологию БД и механизм бесшовного доступа к удалённым данным (реплицированная или распределённая БД).
3) Построение словаря данных, который определяет хранение определений структуры данных БД. Словарь данных также содержит информацию о полномочиях доступа, правилах защиты данных и контроля данных.
4) Заполнение базы данных.
5) Создание прикладных программ, контроль управления.
6) Обучение пользователей.
6. Оценка и усовершенствование схемы БД. Включает опрос пользователей с целью выяснения функциональных неучтенных потребностей. При необходимости вносятся изменения, добавление новых программ и элементов данных по мере изменения и расширения потребностей.
Таким образом, ЖЦБД включает в себя:
· Изучение предметной области и представление соответствующей документации (1-3).
· Построение инфологической модели (4).
· Оценка работы и поддержка БД (6).
4. Архитектура СУБД.
 |
Рис. Главные компоненты СУБД
Данные, метаданные — содержат не только данные, но и информацию о структуре данных ( метаданные). В реляционной СУБД метаданные включают в себя системные таблицы (отношения), имена отношений, имена атрибутов этих отношений и типы данных этих атрибутов.
Часто СУБД поддерживает индексы данных. Индекс — это структура данных, которая помогает быстро найти элементы данных при наличии части их значения (например, индекс, который находит кортежи конкретного отношения, имеющие заданное значение одного из атрибутов). Индексы — часть хранимых данных, а описания, указывающие, какие атрибуты имеют индексы — часть метаданных.
Менеджер памяти — получает требуемую информацию из места хранения данных и изменяет в нем информацию по требованию расположенных выше уровней системы.
В простых системах БД менеджером памяти может служить система файлов операционной системы. Однако для повышения эффективности, СУБД обычно осуществляет прямой контроль памяти. Менеджер памяти состоит из двух компонентов:
· Менеджер файлов контролирует расположение файлов на диске и получает блок или блоки, содержащие файлы, по запросу менеджера буфера (диск в общем случае делится на дисковые блоки — смежные области памяти, содержащие от 4000 до 16000 байт).
· Менеджер буфера управляет основной памятью. Он получает блоки данных с диска через менеджер файлов и выбирает страницу основной памяти для хранения конкретного блока. Он может временно сохранять дисковый блок в основной памяти, но возвращает его на диск, когда страница основной памяти нужна для другого блока. Страницы также возвращаются на диск по требованию менеджера транзакций.
Процессор «запроса» — обрабатывает запросы и запрашивает изменения данных или метаданных. Он предлагает лучший способ выполнения необходимой операции и выдает соответствующие команды менеджеру памяти.
Процессор (менеджер) запросов превращает запрос или действие с БД, которые могут быть выполнены на очень высоком уровне (например, в виде запроса SQL ), в последовательность запросов на хранимые данные типа отдельных кортежей отношения или частей индекса на отношении. Часто самой трудной частью обработки запроса является его организация, т. е. выбор хорошего плана запроса или последовательности запросов к системе памяти, отвечающей на запрос.
Типичные СУБД позволяют пользователю сгруппировать несколько запросов и/или изменений в одной транзакции. Транзакция — это группа операций, которые необходимо выполнить последовательно, как одно целое.
· атомарность — выполнение либо всех транзакций, либо ни одной из них (например, изъятие денег из банкомата и внесение соответственного дебета в счет клиента должны быть единственной атомарной транзакцией, не допускается выполнение каждой из этих операций по отдельности);
· непротиворечивость — состояние, при котором данные соответствуют всем возможным ожиданиям (например, условие непротиворечивости для БД авиационных линий состоит в том, что ни одно из мест в самолете не бронируется для двух пассажиров);
· изоляция — при параллельном выполнении двух или более транзакций их результаты должны быть изолированы друг от друга. Одновременное выполнение двух транзакций одновременно не должно привести к результату, которого не было бы, если они выполнялись последовательно (например, при продаже билетов на один и тот же рейс в случае свободного последнего места при одновременном запросе двух агентов, запрос одного должен быть выполнен, другого — нет);
· долговременность — после завершения транзакции результат не должен быть утрачен в случае сбоя системы, даже если этот сбой происходит сразу после завершения транзакции.
Рассмотрим также 3 типа обращения к СУБД:
1. Запросы — вопросы по поводу данных могут генерироваться двумя способами:
б) с помощью интерфейсов прикладных программ — запросы передаются через специальный интерфейс (через этот интерфейс нельзя передавать произвольные запросы);
2. Модификации — это операции по изменению данных. Они также могут выполняться либо с помощью общего интерфейса, либо через интерфейс прикладной программы;
3. Модификации схемы — это команды администраторов БД, которые имеют право изменять схему БД или создавать новую БД.
Архитектура клиент/сервер. Во многих вариантах современного ПО реализуется архитектура клиент/сервер: один процесс (клиент) посылает запрос для выполнения другому процессу (серверу). Как правило, БД часто разделяется на процесс сервера и несколько процессов клиента.
В простейшей архитектуре клиент/сервер вся СУБД является сервером, за исключением интерфейсов запроса, которые взаимодействуют с пользователем и посылают запросы или другие команды на сервер. Например, реляционная СУБД часто использует язык SQL для представления запросов от клиента к серверу. Затем сервер БД предоставляет клиенту ответ в виде таблицы (отношения). Существует тенденция увеличения нагрузки на клиента, т. к. при наличии множества одновременно работающих пользователей БД с сервером могут возникнуть проблемы.
5. Реляционная модель данных.
РМД некоторой предметной области представляет собой набор отношений, изменяющихся во времени. При создании информационной системы совокупность отношений позволяет хранить данные об объектах предметной области и моделировать связи между ними.
где D 1 
D 2 … D n – полное декартово произведение, т.е. набор всевозможных сочетаний из n элементов каждое, где каждый элемент берется их своего домена.
· Домен имеет уникальное имя (в пределах базы данных).
· Домен определен на некотором простом типе данных или на другом домене.
· Домен может иметь некоторое логическое условие, позволяющее описать подмножество данных, допустимых для данного домена.
· Домен несет определенную смысловую нагрузку.
Заголовок отношения – это фиксированное количество атрибутов отношения:
Заголовок отношения описывает декартово произведение доменов, на котором задано отношение. Заголовок статичен, он не меняется во время работы с базой данных. Если в отношении изменены, добавлены или удалены атрибуты, то в результате получим уже другое отношение (пусть даже с прежним именем).
Тело отношения содержит множество кортежей отношения. Каждый кортеж отношения представляет собой множество пар вида :
Отношение обычно записывается в виде:
,
,
.
Число атрибутов в отношении называют степенью (или —арностью) отношения. Мощность множества кортежей отношения называют мощностью отношения.
Схемой отношения называется перечень имен атрибутов данного отношения с указанием домена, к которому они относятся:
Схемы двух отношений называются эквивалентными, если они имеют одинаковую степень и возможно такое упорядочение имен атрибутов в схемах, что на одинаковых местах будут находиться сравнимые атрибуты, то есть атрибуты, принимающие значения из одного домена:
Таким образом, для эквивалентных отношений выполняются следующие условия:
· Таблицы имеют одинаковое количество столбцов.
· Таблицы содержат столбцы с одинаковыми наименованиями.
· Столбцы с одинаковыми наименованиями содержат данные из одних и тех же доменов.
· Таблицы имеют одинаковые строки с учетом того, что порядок столбцов может различаться.
Все такие таблицы есть различные изображения одного и того же отношения.
Свойства отношений. Свойства отношений непосредственно следуют из приведенного выше определения отношения. В этих свойствах в основном и состоят различия между отношениями и таблицами.
Рис. Схематическое изображение отношения
Реляционная модель представляет собой базу данных в виде множества взаимосвязанных отношений. В каждой связи одно отношение может выступать как основное, а другое отношение выступает в роли подчиненного. Таким образом, один кортеж основного отношения может быть связан с несколькими кортежами подчиненного отношения. Для поддержки этих связей оба отношения должны содержать наборы атрибутов, по которым они связаны. В основном отношении это первичный ключ отношения, который однозначно определяет кортеж основного отношения. В подчиненном отношении для моделирования связи должен присутствовать набор атрибутов, соответствующий первичному ключу основного отношения. Однако здесь этот набор атрибутов уже является вторичным ключом или внешним ключом, т.е. он определяет множество кортежей отношения, которые связаны с единственным кортежем основного отношения.
6. Проектирование реляционных баз данных.
При проектирование реляционной БД должны быть решены следующие проблемы:
2) Обеспечить эффективность выполнения запросов к базе данных (физическое проектирование БД).
После проведения этапа даталогического проектирования должны быть получены следующие результирующие документы:
· Построение корректной схемы данных ориентируясь на реляционную модель данных.
· Описание схемы БД в терминах выбранной СУБД.
· Описание внешних моделей в терминах выбранной СУБД.
· Описание декларативных правил поддержки целостности БД.
· Разработка процедур поддержки семантической целостности БД.
Итак, задача проектирования реляционной БД состоит в выборе схемы базы из множества альтернативных вариантов.
Корректной называется схема БД, в которой отсутствуют нежелательные зависимости между атрибутами отношений. Процесс разработки корректной схемы БД называется логическим проектированием.
Проектирование схемы БД можно выполнить двумя методами:
· Метод декомпозиции (разбиения) – исходное множество отношений, входящих в схему БД заменяется другим множеством отношений, являющихся проекциями исходных отношений! При этом число отношений возрастает.
· Метод синтеза – компоновка схемы БД из заданных исходных элементарных зависимостей между объектами предметной области.
Классическое проектирование БД связано с теорией нормализацией, которая основана на анализе функциональных зависимостей между атрибутами отношений. Функциональные зависимости определяют устойчивые отношения между объектами и их свойствами в рассматриваемой предметной области.
Метод декомпозиции представляет собой процесс последовательной нормализации схем отношений: каждая новая итерация соответствует нормальной форме более высокого порядка и обладает лучшими свойствами по сравнению с предыдущей. Т.о., изначально предполагается существование универсального отношения, содержащего все атрибуты БД, затем на основе анализа связей между атрибутами осуществляется (или – делается попытка осуществить) декомпозиция универсального отношения, т.е. переход к нескольким отношениям меньшей размерности, причем исходное отношение должно восстанавливаться с помощью операции естественного соединения.
Итак, каждой нормальной форме соответствует некоторый определенный набор ограничений, и отношений находится в некоторой нормальной форме, если удовлетворяет свойственному ей набору ограничений.
В теории реляционных БД обычно выделяют следующие нормальные формы:
первая нормальная форма (1 NF );
· вторая нормальная форма (2 NF );
· третья нормальная форма (3 NF );
· нормальная форма Байса-Кодда ( BCNF );
· четвертая нормальная форма (4 NF );
Основные свойства нормальных форм:
· каждая следующая нормальная форма в некотором смысле лучше предыдущей;
· при переходе к следующей нормальной форме свойства предыдущих нормальных свойств сохраняются.
Схемы БД называются эквивалентными, если содержание исходной БД можно получить естественным соединением отношений, входящих в результирующую схему, и при этом не появляется новых кортежей в исходной БД.
7. Нормальные формы отношений.
В основе процесса нормализации лежит адекватное отражение предметной области в виде таблиц, содержащих данные о моделируемом объекте, и возможность изменения состояния базы данных с течением времени. Как правило, из-за несоответствия модели данных предметной области могут возникнуть аномалии, которые проявляются при выполнении соответствующих операций:
· Аномалии вставки (INSERT) – хранение в одном отношении разнородной информации.
· Аномалии обновления (UPDATE) –избыточность данных отношения из-за хранения разнородной.
· Аномалии удаления (DELETE) – хранение разнородной информации в одном отношении.
Нормализация – разбиение таблицы на несколько, которые обладают лучшими свойствами при обновлении, вставке и удалении данных. Т.е. нормализация представляет собой процесс последовательной замены таблицы ее полными декомпозициями до тех пор, пока все они не будут находиться в 5НФ, однако, на практике достаточно привести таблицы к НФБК.
Если заменить на время нормализации коды первичных (внешних) ключей, то следует рассмотреть 2 случая:
ФЗ 
Следует заметить, что для проведения таких операций первоначально следует иметь, в качестве входных данных некоторые «большие» (универсальные) отношения.
Опр.1. Отношение 
находится в первой нормальной форме (1НФ) тогда и только тогда, когда ни одна из его строк не содержит в любом своем поле одного значения и ни одного из ключевых полей отношения не пусто.
По опр.1, любое отношение будет находиться в 1НФ, т.е. отношение, удовлетворяющее свойствам отношений: в отношении нет одинаковых кортежей; кортежи не упорядочены; атрибуты не упорядочены и различаются по наименованию; все значения атрибутов атомарны.
Опр.2. Отношение находится во второй нормальной форме (2НФ) тогда и только тогда, когда отношение находится в 1НФ и нет неключевых атрибутов, зависящих от части сложного ключа (т.е. все поля, не входящие в первичный ключ, связаны полной функциональной зависимостью с первичным ключом).
Если потенциальный ключ является простым, то отношение автоматически находится в 2НФ.
Чтобы устранить зависимость атрибутов от части сложного ключа, необходимо произвести декомпозицию отношения на несколько отношений. Атрибуты, которые зависят от части сложного ключа, выносятся в отдельное отношение.
Атрибуты отношения называются взаимно-независимыми, если ни один из них не является функционально зависимым от другого.
Опр.3. Отношение находится в третьей нормальной форме (3НФ) тогда и только тогда, когда отношение находятся в 2НФ и все неключевые атрибуты взаимно независимы (т.е. ни одно из неключевые полей отношения не зависит функционально от любого другого неключевого поля).
Чтобы устранить зависимость неключевых атрибутов, нужно произвести декомпозицию отношения на несколько отношений. При этом те неключевые атрибуты, которые являются зависимыми, выносятся в отдельное отношение.
При приведении отношений при помощи алгоритма нормализации к отношениям в 3НФ предполагается, что все отношения содержат один потенциальный ключ. Это не всегда верно. Бывают случаи, когда отношение может содержать несколько ключей.
Если отношение находится в НФБК, то оно автоматически находится в 3НФ, что следует из определения 4. Чтобы устранить зависимость от детерминантов, не являющихся потенциальными ключами, следует провести декомпозицию, вынося эти детерминанты и зависимые от них части в отдельное отношение.
Бывают случаи, когда отношение не содержит никаких функциональных зависимостей. Т.е. отношение является полностью ключевым, т.е. ключом отношения является все множество атрибутов. Т.о., мы имеем многозначную зависимость, т.к. взаимосвязь между атрибутами все-таки имеется.
Опр.5. Отношение находится в четвертой нормальной форме (4НФ) тогда и только тогда, когда отношение находится в НФБК и не содержит нетривиальных многозначных зависимостей.
Отношения с нетривиальными многозначными зависимостями возникают, как правило, в результате естественного соединения двух отношений по общему полю, которое не является ключевым ни в одном из отношений. Реально это ведет к хранению в одном отношении информации о двух независимых сущностях.
Для устранения нетривиальных многозначных зависимостей можно декомпозировать исходное отношение на несколько новых.
Опр.6. Отношение находится в пятой нормальной форме (5НФ) тогда и только тогда, когда любая имеющаяся зависимость соединения является тривиальной.
Опр.6. тождественно также следует определению.
Опр.7. Отношение не находится в 5НФ, если в отношении найдется нетривиальная зависимость соединения.
Т.о. если в каждой полной декомпозиции все проекции исходного отношения содержат возможный ключ, можно сделать вывод о том, что отношение находится в 5НФ. Отношение, не имеющее ни одной полной декомпозиции также находится в 5НФ.
Не зная ничего о том, какие потенциальные ключи имеются в отношении и как взаимосвязаны атрибуты, нельзя утверждать, что данное отношение находится в 5НФ или в других нормальных формах.
Возможным ключом отношения называется набор атрибутов отношения, который полностью и однозначно (функционально полно) определит значения всех остальных атрибутов отношения. В общем случае в отношении может быть несколько возможных ключей. Среди всех возможных ключей отношения как правило выбирают один, который считается главным и который называют первичным ключом отношения.
Взаимно-независимые атрибуты – это атрибуты, не зависящие один от другого. Если в отношение существует несколько ФЗ, то каждый атрибут или набор атрибутов, от которого зависит другой атрибут, называется детерминантом отношения.
9. Реляционная алгебра.
Реляционная алгебра представляет собой основу доступа к реляционным данным. Основная цель алгебры – обеспечить запись выражений. Выражения могут использоваться для:
· определения области выборки, т.е. определения данных для их выбора, как результата операции выборки;
· определения области обновления, т.е. определения данных для их вставки, изменения или удаления, как результата операции обновления;
· определение (именованных) виртуальных отношений, т.е. представление данных для их визуализации через представления;
· определение снимка, т.е. определение данных для сохранения в виде «мгновенного снимка» отношения;
· определение правил безопасности, т.е. определение данных, для которых осуществляется контроль доступа;
· определение требований устойчивости, т.е. определение данных, которые входят в область для некоторых операций управления одновременным доступом;
· определение правил целостности, т.е. некоторых особых правил, которым должна удовлетворять база данных, наряду с общими правилами, представляющими часть реляционной модели и применяемыми к каждой базе данных.
В реализациях конкретных реляционных СУБД сейчас не используется в чистом виде ни реляционная алгебра, ни реляционное исчисление. Фактическим стандартом доступа к реляционным данным стал язык SQL (Structured Query Language).
Реляционная алгебра, определенная Коддом состоит из 8 операторов, составляющих 2 группы:
Кроме того, в состав алгебры включается операция присваивания, позволяющая сохранить в базе данных результаты вычисления алгебраических выражений, и операция переименования атрибутов, дающая возможность корректно сформировать заголовок (схему) результирующего отношения.
Краткий обзор операторов реляционной алгебры.
Произведение – возвращает отношение, содержащее всевозможные кортежи, которые являются сочетанием двух кортежей, принадлежащих соответственно двум определенным отношениям.
Объединение – возвращает отношение, содержащее все кортежи, которые принадлежат или одному из двух определенных отношений, или обоим.
Пересечение – возвращает отношение, содержащее все кортежи, которые принадлежат одновременно двум определенным отношениям.
Вычитание – возвращает отношение, содержащее все кортежи, которые принадлежат первому из двух определенных отношений и не принадлежат второму.
Деление – для двух отношений, бинарного и унарного, возвращает отношение, содержащее все значения одного атрибута бинарного отношения, которые соответствуют (в другом атрибуте) всем значениям в унарном отношении.
1. Дейт К.Дж. Введение в системы баз данных, 6-е издание: Пер. с англ. – К.; М.; СПб.: Издательский дом «Вильямс», 2000. – 848 с.
2. Конноли Т., Бегг К., Страчан А. Базы данных: проектирование, реализация и сопровождение. Теория и практика, 2-е изд.: Пер. с англ. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2000. – 1120 с.
3. Карпова Т.С. Базы данных: модели, разработка, реализация. – СПб.: Питер, 2001. – 304 с.
4. Фаронов В.В., Шумаков П.В. Delphi 4. Руководство разработчика баз данных. – М.: «Нолидж», 1999. – 560 с.
5. Дж. Грофф, П.Вайнберг. SQL: Полное руководство: Пер. с англ. – К.: Издательская группа BHV, 2001. – 816 с.
6. Кен Гетц, Пол Литвин, Майк Гилберт. Access 2000. Руководство разработчика. Т.1, 2. Пер. с англ. – К.: Издательская группа BHV, 2000. – 1264 с, 912 c.
7. Маклаков С.В BPwin и EPwin. CASE-средства разработки информационных систем. – М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2001. – 304 с.
8. Ульман Д., Уидом Д. Введение в системы баз данных / Пер. с англ. – М.: «Лори», 2000. – 374 с.
9. Хомоненко А.Д., Цыганков В.М., Мальцев М.Г. Базы данных: Учебник для высших учебных заведений / Под ред. Проф. А.Д.Хомоненко. – Спб.: КОРОНА принт, 2000. – 416 с.