Основные функции СУБД

Введение

База данных - это реализованная с помощью компьютера информационная структура (модель), отражающая состояние объектов и их отношения.

Надо отметить, что база данных - это, собственно, хранилище информации и не более того. Однако, работа с базами данных трудоемкая и утомительная. Для создания, ведения и осуществления возможности коллективного пользования базами данных используются программные средства, называемые системами управления базами данных (СУБД).

Базы данных на ПК развивались по направлению от настольных (desktop), или локальных приложений, когда реально с БД могло работать одно приложение, до систем коллективного доступа к БД. Локальное приложение устанавливалось на единичном ПК; там же располагалась и база данных (БД), с которой работало данное приложение. Однако необходимость коллективной работы с одной и той же БД повлекло за собой перенос БД на сервер. Приложение, работающее с БД, располагалось также на сервере.

Для анализа свойств баз данных предлагается выделять характеристики качества системы управления базой данных и содержащейся в ней информации. Состав этих характеристик рекомендуется систематизировать на основе требований международного стандарта ISO 9126.

Современные базы данных — один из тех объектов в сфере информатизации, от которых иногда требуется особенно высокое качество и наличие возможности его оценки.

Глава 1. Понятие, состав информационной системы

База данных - это реализованная с помощью компьютера информационная структура (модель), отражающая состояние объектов и их отношения.

Базы данных - важнейшая составная часть информационных систем. Информационные системы предназначены для хранения и обработки больших объемов информации. Изначально такие системы существовали в письменном виде. Для этого использовались различные картотеки, папки, журналы, библиотечные каталоги и т.д. Любая информационная система должна выполнять три основные функции: ввод данных, запросы по данным, составление отчетов.

Ввод данных. Система должна предоставлять возможность накапливания и упорядочивания данных. Необходимо обеспечить просмотр этих данных, внесение в них изменений и дополнений с тем, чтобы поддерживать актуальность информации.

Запросы по данным. В системе должна существовать возможность находить и просматривать отдельные части накопленной информации.

Составление отчетов. Время от времени возникает необходимость обобщать и анализировать большую группу данных (или даже все данные) информационной системы, представляя ее в виде документа.

Обслуживание информационных систем, реализованных в письменном (бумажном) виде, сопряжено со многими трудностями: чем больше информационная система, тем больше бумаги (карточек) и места требуется для их хранения (в этом можно убедиться на примере библиотеки); много времени тратится на поиск нужной информации. Сложности возникают при обновлении, анализе и обработке данных.

Виды баз данных

Поскольку основу любой базы данных составляет информационная структура, базы данных делят на три рассмотренные выше типа: табличные (реляционные), сетевые, иерархические.

Опыт использования баз данных позволяет выделить общий набор их рабочих характеристик:

• полнота - чем полнее база данных, тем вероятнее, что она содержит нужную информацию (однако, не должно быть избыточной информации);

• правильная организация - чем лучше структурирована база данных, тем легче в ней найти необходимые сведения;

• актуальность - любая база данных может быть точной и полной, если она постоянно обновляется, т.е. необходимо, чтобы база данных в каждый момент времени полностью соответствовала состоянию отображаемого ею объекта;

• удобство для использования - база данных должна быть проста и удобна в использовании и иметь развитые методы доступа к любой части информации.

Соответственно возможностям организации реляционных, иерархических и сетевых информационных структур, существуют и аналогичные виды баз данных. В них данные представлены в формах, адекватных соответствующим структурам. Однако иерархические и сетевые базы данных являются гораздо менее распространенными, чем реляционные и не могут быть реализованы с помощью наиболее популярных СУБД, входящих в состав программного обеспечения ЭВМ.

Реляционные базы данных

          Наиболее распространенными в практике являются реляционные базы данных. Название “реляционная” (в переводе с английского relation - отношение) связано с тем, что каждая запись в таблице содержит информацию, относящуюся только к одному конкретному объекту.

Реляционные базы данных удобны еще и тем, что для получения ответов на различные запросы существует разработанный математический аппарат, который называется исчислением отношений или реляционной алгеброй. Ответы на запросы получаются путем “разрезания” и “склеивания” таблиц по строкам и столбцам. При этом ясно, что ответы также будут иметь форму таблиц.

2. Системы управления базами данных (СУБД)

База данных предполагает наличие комплекса программных средств, обслуживающих эту базу данных и позволяющих использовать содержащуюся в ней информацию. Такие комплексы программ называют СУБД. СУБД - это программная система, поддерживающая наполнение и манипулирование данными, представляющими интерес для пользователей при решении прикладных задач. Иными словами, СУБД является интерфейсом между базой данных и прикладными задачами.

В настоящее время выделяют пять уровней проблематики систем управления базами данных:

• реляционные базы данных, 1970 - 90 гг.;

• объектно-ориентированные базы данных, 1980 - 90 гг.;

• интеллектуальные базы данных, 1985 - 90 гг.;

• распределенные базы данных, начало 1990 гг.;

• базы данных мультимедиа и виртуальной реальности настоящего времени.

Обычно современная СУБД содержит следующие компоненты:

     ядро, которое отвечает за управление данными во внешней и оперативной памяти и журнализацию,

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

     подсистему поддержки времени исполнения, которая интерпретирует программы манипуляции данными, создающие пользовательский интерфейс с СУБД,

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

Архитектурно СУБД состоит из двух основных компонентов; языка описания данных (ЯОД), позволяющего создать схему описания данных в базе, и языка манипулирования данными (ЯМД), выполняющего операции с базой данных (наполнение, обновление, удаление, выборку информации). Данные языки могут быть реализованы в виде тренажеров или интерпретаторов. Помимо ЯОД и ЯМД к СУБД следует отнести средства (или языки) подготовки отчетов (СПО), позволяющие подготовить сводки (отчеты) на основе информации, найденной в базе данных, по заданным формам.

Язык описания данных (ЯОД) - это язык высокого уровня декларативного (непроцедурного) типа, предназначенный для формализованного описания типов данных, их структур и взаимосвязей. Исходные тексты описания данных на этом языке после трансляции отображаются в управляющие таблицы, задающие размещение в памяти ЭВМ и связи между собой рассматриваемых данных. В соответствии с этими описаниями СУБД находит в базе требуемые данные, правильно преобразует их и передает, например, в прикладную программу пользователя, которой они потребовались. При записи данных в базу СУБД по этим описаниям определяет место в памяти ЭВМ, куда их требуется поместить, преобразует к заданному виду и устанавливает необходимые связи.

Язык манипулирования данными (или язык запросов) представляет собой систему команд, например, следующего типа:

• произвести выборку данного, значение, которого удовлетворяет заданным условиям;

• произвести выборку всех данных определенного типа, значения которых удовлетворяют заданным условиям;

• найти в базе позицию данного и поместить туда новое значение (или удалить данное) и т.д.

Широкое распространение имеют СУБД для персональных компьютеров типа DBASE (DBASE III, IV, FoxPro, Paradox), Clipper, Clarion. Эти СУБД ориентированы на однопользовательский режим работы с базой данных и имеют очень ограниченные возможности. Языки подобных СУБД представляют собой сочетание команд выборки, организации диалога, генерации отчетов. В связи с развитием компьютерных сетей, в которых персональные компьютеры выступают в качестве развитых (интеллектуальных) терминалов, новые версии СУБД все в большей степени включают в себя возможности описанного ниже языка манипулирования данными SQL.

В последнее время стали среди СУБД популярными ACCESS (входит в состав MS Office), Lotus, Oracle.

3. Основные функции СУБД

1.              управление данными - можно указать, кому разрешено знакомиться с данными, корректировать их или добавлять новую информацию. Можно также определять правила коллективного доступа, в том числе:

1.1               управление данными во внешней памяти (на дисках);

1.2               управление данными в оперативной памяти с использованием дискового кэша;

2.                  журнализация изменений, резервное копирование и восстановление базы данных после сбоев;

3.                  поддержка языков БД (язык определения данных, язык манипулирования данными);

4.                  определение данных - определить, какая именно информация будет храниться в базе данных, задать свойства данных, их тип (например, число цифр или символов), а также указать, как эти данные связаны между собой. В некоторых случаях есть возможность задавать форматы и критерии проверки данных;

5.                  обработка данных - данные могут обрабатываться самыми различными способами. Можно выбирать любые поля, фильтровать и сортировать данные. Можно объединять данные с другой, связанной с ними, информацией и вычислять итоговые значения.

4.Классификация СУБД

Базы данных на ПК развивались по направлению от настольных (desktop), или локальных приложений, когда реально с БД могло работать одно приложение, до систем коллективного доступа к БД. Локальное приложение устанавливалось на единичном ПК; там же располагалась и база данных (БД), с которой работало данное приложение. Однако необходимость коллективной работы с одной и той же БД повлекло за собой перенос БД на сервер. Приложение, работающее с БД, располагалось также на сервере. Менее характерным был другой способ, заключавшийся в хранении приложения, обращавшегося к БД, на конкретном компьютере пользователей ("клиентов"). Были выпущены новые версии локальных СУБД, которые позволяли создавать приложения, одновременно работающие с одной БД на файловом сервере. Основной проблемой была явная или неявная обработка транзакций и неизбежно встающая при коллективном доступе проблема обеспечения смысловой и ссылочной целостности БД при одновременном изменении одних и тех же данных.

По модели данных

По типу управляемой базы данных СУБД разделяются на:

     Иерархические

     Сетевые

     Реляционные

     Объектно-реляционные

     Объектно-ориентированные.

По архитектуре организации хранения данных:

     локальные СУБД (все части локальной СУБД размещаются на одном компьютере).

     распределенные СУБД (части СУБД могут размещаться на двух и более компьютерах).

По способу доступа к БД

     Файл-серверные.

В файл-серверных СУБД файлы данных располагаются централизованно на файл-сервере. Ядро СУБД располагается на каждом клиентском компьютере. Доступ к данным осуществляется через локальную сеть. Синхронизация чтений и обновлений осуществляется посредством файловых блокировок. Преимуществом этой архитектуры является низкая нагрузка на ЦП сервера, а недостатком — высокая загрузка локальной сети.

На данный момент файл-серверные СУБД считаются устаревшими.

Примеры: Microsoft Access, Borland Paradox.

     Клиент-серверные.

Такие СУБД состоят из клиентской части (которая входит в состав прикладной программы) и сервера. Клиент-серверные СУБД, в отличие от файл-серверных, обеспечивают разграничение доступа между пользователями и мало загружают сеть и клиентские машины. Сервер является внешней по отношению к клиенту программой, и по надобности его можно заменить другим. Недостаток клиент-серверных СУБД в самом факте существования сервера (что плохо для локальных программ — в них удобнее встраиваемые СУБД) и больших вычислительных ресурсах, потребляемых сервером.

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

     Встраиваемые.

Встраиваемая СУБД — библиотека, которая позволяет унифицированным образом хранить большие объёмы данных на локальной машине. Доступ к данным может происходить через SQL либо через особые функции СУБД. Встраиваемые СУБД быстрее обычных клиент-серверных и не требуют установки сервера, поэтому востребованы в локальном ПО, которое имеет дело с большими объёмами данных (например, геоинформационные системы).

Примеры: OpenEdge, SQLite, BerkeleyDB, один из вариантов Firebird, один из вариантов MySQL, Sav Zigzag, Microsoft SQL Server Compact, ЛИНТЕР.

Местоположение БД определяет так называемую архитектуру базы данных. Имеются четыре разновидности архитектур баз данных:

- локальные базы данных;

- архитектура "файл-сервер";

- архитектура "клиент-сервер";

- многозвенная архитектура.

Использование той или иной архитектуры накладывает сильный отпечаток на общую идеологию работы приложения и на программный код приложения. При работе с локальными базами данных сами базы данных расположены на том же компьютере, что и приложения, осуществляющие доступ к ним. Работа с базой данных происходит в однопользовательском режиме. Приложение ответственно за поддержание целостности базы и за выполнение запросов к базе данных.

При работе в архитектуре "файл-сервер" база данных и приложение расположены на файловом сервере сети. Возможна многопользовательская работа с одной и той же базой данных, когда каждый пользователь со своего компьютера запускает приложение, расположенное на сетевом сервере. Тогда на компьютере пользователя запускается копия приложения. По каждому запросу к базе данных из приложения, данные из таблиц базы данных, перегоняются на компьютер пользователя, независимо от того, сколько реально нужно данных для выполнения запроса. После этого выполняется запрос.

Каждый пользователь имеет на своем компьютере локальную копию данных, время от времени обновляемых из реальной базы данных, расположенной на сетевом сервере. При этом изменения, которые каждый пользователь вносит в базу данных, могут быть до определенного момента неизвестны другим пользователям, что делает актуальной задачу систематического обновления данных на компьютере пользователя из реальной базы данных. Другой актуальной задачей является блокирование записей, которые изменяются одним из пользователей; это необходимо для того, чтобы в это время другой пользователь не внес изменений в те же данные.

В архитектуре "файл-сервер" вся тяжесть выполнения запросов к базе данных и управления целостностью базы данных ложится на приложение пользователя. База данных на сервере является пассивным источником данных.

Кардинальных различий с точки зрения архитектуры между однопользовательской архитектурой и архитектурой "файл-сервер" нет. И в том, и в ином случае в качестве СУБД применяются так называемые "персональные" (или "настольные", "локальные") СУБД, такие как paradox, dbase и пр. Сама база данных в этом случае представляет собой набор таблиц, индексных файлов, файлов полей комментариев (memo-полей) и пр., хранящихся в одном каталоге на диске в виде отдельных файлов.

В ходе эксплуатации были выявлены общие недостатки файл-серверного подхода при обеспечении многопользовательского доступа к базе данных:

- Вся тяжесть вычислительной нагрузки при доступе к базе данных ложится на приложение клиента, что является следствием принципа обработки информации в системах "файл-сервер": при выдаче запроса на выборку информации из таблицы вся таблица базы данных копируется на клиентское место, и выборка осуществляется на клиентском месте. Локальные СУБД используют так называемый "навигационный подход", ориентированный на работу с отдельными записями.

- Не оптимально расходуются ресурсы клиентского компьютера и сети; например, если в результате запроса мы должны получить 2 записи из таблицы объемом 10000 записей, все 10000 записей будут скопированы с файл-сервера на клиентский компьютер; в результате возрастает сетевой трафик, и увеличиваются требования к аппаратным мощностям пользовательского компьютера.

В базе данных на файл-сервере гораздо проще вносить изменения в отдельные таблицы, минуя приложения, непосредственно из инструментальных средств (например, из утилиты database desktop фирмы borland для файлов paradox или dbase); подобная возможность облегчается тем обстоятельством, что, фактически, у локальных СУБД база данных – понятие более логическое, чем физическое, поскольку под базой данных понимается набор отдельных таблиц, сосуществующих в едином каталоге на диске. Все это позволяет говорить о низком уровне безопасности – как с точки зрения хищения и нанесения вреда, так и с точки зрения внесения ошибочных изменений.

Недостаточно развитый аппарат транзакций для локальных СУБД служит потенциальным источником ошибок как с точки зрения одновременного внесения изменений в одну и ту же запись, так и с точки зрения отката результатов серий объединенных по смыслу в единое целое операций над базой, когда некоторые из них завершились успешно, а некоторые - нет; это может нарушать ссылочную и смысловую целостность базы данных.

Недостатки настольных СУБД обычно проявляются не сразу, а лишь в процессе длительной эксплуатации, когда объем хранимых данных и число пользователей становятся достаточно велики – это приводит к снижению производительности приложений, использующих такие СУБД.

Поскольку настольные СУБД не содержат специальных приложений и сервисов, управляющих данными, а используются для этой цели файловые сервисы операционной системы, вся реальная обработка данных в таких СУБД осуществляется в клиентском приложении, и любые библиотеки доступа к данным в этом случае также находятся в адресном пространстве клиентского приложения. Поэтому при выполнении запросов данные, на основании которых выполняется такой запрос (это может быть одна или несколько таблиц целиком, либо, если повезет, один или несколько индексов и выбранные с их помощью части таблиц), должны быть доставлены в то же самое адресное пространство клиентского приложения. Это и приводит к перегрузке сети при увеличении числа пользователей и объема данных, а также грозит иными неприятными последствиями, например разрушением индексов и таблиц. Недаром до сих пор популярны утилиты для "ремонта" испорченных файлов настольных СУБД.

Недостатки архитектуры "файл-сервер" решаются при переводе приложений в архитектуру "клиент-сервер", которая знаменует собой следующий этап в развитии СУБД.

Характерной особенностью архитектуры "клиент-сервер" является перенос вычислительной нагрузки на сервер базы данных (sql-сервер) и максимальная разгрузка приложения клиента от вычислительной работы, а также существенное укрепление безопасности данных – как от злонамеренных, так и просто ошибочных изменений.

БД в этом случае помещается на сетевом сервере, как и в архитектуре "файл-сервер", однако прямого доступа к базе данных (БД) из приложений не происходит. Функция прямого обращения к БД осуществляет специальная управляющая программа – сервер БД (sql-сервер), поставляемый разработчиком СУБД.

Архитектура "клиент-сервер" разделяет функции приложения пользователя (называемого клиентом) и сервера.

Приложение-клиент формирует запрос к серверу, на котором расположена БД, на структурном языке запросов sql, являющимся промышленным стандартом в мире реляционных БД. Удаленный сервер принимает запрос и переадресует его sql-серверу БД. sql-сервер – это специальная программа, управляющая удаленной базой данных. sql-сервер обеспечивают интерпретацию запроса, его выполнение в базе данных, формирование результата выполнения запроса и выдачу его приложению-клиенту. При этом ресурсы клиентского компьютера не участвуют в физическом выполнении запроса; клиентский компьютер лишь отсылает запрос к серверной БД и получает результат, после чего интерпретирует его необходимым образом и представляет пользователю.

Так как клиентскому приложению посылается результат выполнения запроса, по сети "путешествуют" только те данные, которые необходимы клиенту. В итоге снижается нагрузка на сеть. Поскольку выполнение запроса происходит там же, где хранятся данные (на сервере), нет необходимости в пересылке больших пакетов данных. Кроме того, sql-сервер, оптимизирует полученный запрос таким образом, чтобы он был выполнен в минимальное время с наименьшими накладными расходами. Всё это повышает быстродействие системы и снижает время ожидания результата запроса.
При выполнении запросов сервером существенно повышается степень безопасности данных, поскольку правила целостности данных определяются в базе данных на сервере и являются едиными для всех приложений, использующих эту БД. Таким образом, исключается возможность определения противоречивых правил поддержания целостности. Мощный аппарат транзакций, поддерживаемый sql-серверами, позволяет исключить одновременное изменение одних и тех же данных различными пользователями и предоставляет возможность откатов к первоначальным значениям при внесении в БД изменений, закончившихся аварийно.

Функциями приложения-клиента являются:

- Посылка к серверу запросов;

- Интерпретация результатов запросов, полученных от сервера, и представление их пользователю в требуемой форме;

- Реализация интерфейса пользователя.

sql-сервер должен быть загружен на момент принятия запроса клиента.

Функциями сервера БД являются:

- Прием запросов от приложений-клиентов, интерпретация запросов, выполнение запросов в БД, отправка результата выполнения запроса приложению-клиенту;

- Управление целостностью БД, обеспечение системы безопасности, блокировка неверных действий приложений-клиентов;

- Хранение бизнес-правил, часто используемых запросов в уже интерпретированном виде;

- Обеспечение одновременной безопасной от отказоустойчивой многопользовательской работы с одними и теми же данными.

В архитектуре "клиент-сервер" используются так называемые "удаленные" (или "промышленные") СУБД. Промышленными они называются из-за того, что именно СУБД этого класса могут обеспечить работу информационных систем масштаба среднего и крупного предприятия, организации, банка. Локальные СУБД предназначены для однопользовательской работы или для обеспечения работы информационных систем, рассчитанных на небольшие группы пользователей.

К разряду промышленных СУБД принадлежат oracle, informix, sybase, ms sql server, db2, interbase и ряд других.

Как правило, sql-сервер управляется отдельным сотрудником или группой сотрудников (администраторы sql-сервера). Они управляют физическими характеристиками баз данных, производят оптимизацию, настройку и переопределение различных компонентов БД, создают новые БД, изменяют существующие и т.д., а также выдают привилегии различным пользователям.

Кроме этого, существует отдельная категория сотрудников, называемых администраторами баз данных. Как правило, это администраторы сервера, разработчики БД или пользователи, имеющие привилегии на создание, изменение, настройку оптимальных параметров отдельных серверных БД. Администраторы БД также отвечают за предоставление прав на разноуровневый доступ к сопровождаемым ими БД для других пользователей.

           Механизмы доступа

           При выборе СУБД необходимо иметь представление, с помощью каких средств разработки будет создаваться информационная система на основе данной СУБД, а также о том, каким образом разработанные приложения будут манипулировать данными. От того, правильно ли выбран механизм доступа к данным, зависит очень многое, в частности производительность приложений, возможность применения тех или иных функциональных особенностей данной СУБД, простота разработки пользовательского интерфейса и ряд других факторов.

Существует несколько способов доступа к данным из средств разработки и клиентских приложений.

Подавляющее большинство СУБД содержит в своем составе библиотеки, предоставляющие специальный прикладной программный интерфейс (application programming interface, api) для доступа к данным этой СУБД. Обычно такой интерфейс представляет собой набор функций, вызываемых из клиентского приложения. В случае настольных СУБД эти функции обеспечивают чтение/запись файлов базы данных (БД), а в случае серверных СУБД инициируют передачу запросов серверу баз данных и получение от сервера результатов выполнения запросов или кодов ошибок, интерпретируемых клиентским приложением. Библиотеки, содержащие api для доступа к данным серверной СУБД, обычно входят в состав ее клиентского программного обеспечения, устанавливаемого на компьютерах, где функционируют клиентские приложения.

В последнее время windows-версии клиентского программного обеспечения наиболее популярных серверных СУБД, в частности microsoft sql server, oracle, informix, содержат также СОМ-серверы, предоставляющие объекты для доступа к данным и метаданным.
Использование клиентского api (или клиентских СОМ-объектов) является наиболее очевидным способом манипуляции данными в приложении. Однако в этом случае созданное приложение сможет использовать данные только СУБД этого производителя, и замена ее на другую повлечет за собой переписывание значительной части кода клиентского приложения – клиентские api, а объектные модели не подчиняются никаким стандартам и различны для различных СУБД.

Другой способ манипуляции данными в приложении базируется на применении универсальных механизмов доступа к данным. Универсальный механизм доступа к данным обычно реализован в виде библиотек и дополнительных модулей, называемых драйверами или провайдерами. Библиотеки содержат некий стандартный набор функций или классов, нередко подчиняющийся той или иной спецификации. Дополнительные модели, специфичные для той или иной СУБД, реализуют непосредственное обращение к функциям клиентского api конкретных СУБД.

Отметим, что достоинством универсальных механизмов является возможность применения одного и того же абстрактного api, а во многих случаях – СОМ-серверов, компонентов, классов для доступа к различным типам СУБД. Поэтому приложения, использующие универсальные механизмы доступа к данным, легко модифицировать, если необходима смена СУБД.

Наиболее популярными среди универсальных механизмов доступа к данным можно назвать следующие:

open database connectivity (odbc).

ole db.

activex data objects (ado).

borland database engine (bde).