Классификация СУБД. 3

Оглавление 

Введение                                          3

1. Теоретические основы системы управления базами данных (СУБД)       5

2. История развития системы управления базами данных (СУБД)                7

3. Структура и функции системы управления базами данных (СУБД)       9 4. Классификации системы управления базами данных (СУБД)                10

     4. 1. Классификация по степени универсальности                                    10

     4. 2. Классификация по модели данных                                                     12

     4. 3. Классификация по степени распределенности                                  17

     4. 4. Классификация по способу доступа  к базам данных                        18

     4. 5. Профессиональные, или промышленные и персональные (настольные) системы управления базами данных (СУБД)                          20

     4. 6. Другие виды классификаций              21

Заключение                         22  

Литература                         24

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

При создании автоматизированных систем управления для различных предприятий и организаций, как и при создании информационных систем для любой другой отрасли экономики, успех в большой степени зависит от правильного выбора системы управления базами данных (СУБД) – платформы любой информационной системы.

В связи с  этим актуальность выбранной темы определяется фактами, указанными ниже.

Эффективное управление государственной структурой, компанией, проектом, современным бизнесом во многом определяется возможностью своевременно проанализировать децентрализовано хранящиеся данные (информационные ресурсы) и принять адекватное решение. В настоящее время одним из таких ресурсов являются различные базы данных – корпоративные, государственные (специальные и общего пользования), коммерческие и персональные. Современная система управления базами данных должна обеспечивать эффективную работу с информацией, находящейся в хранилищах базы данных. Принципиальную роль в эффективном использовании информационных ресурсов играют информационные технологии.

Основные идеи современных информационных технологий базируются на концепции информации, воплощенной в виде данных и на концепции алгоритмов, воплощенной  в виде программного обеспечения. Обычно полезная информация организуются в  виде набора данных. Алгоритмы носят, в определенном смысле, вспомогательный характер и предназначены для получения, сбора, обработки и преобразования данных.

Таким образом, основой информационных технологий являются данные и процедуры, организованные в базы данных, адекватно отражающие реалии действительности в той или иной предметной области, и обеспечивающие пользователя актуальной информацией в соответствующих предметных областях.

В современном  деловом мире с его огромными  объемами информации наличие информационной системы становится жизненно необходимым условием успешной деятельности любой организации. Основными задачами информационной системы являются эффективное хранение, обработка и анализ данных. Для их решения применяются системы управления базами данных (СУБД).

В современных компаниях СУБД играет роль универсального хранилища данных, предоставляющего инструментальные средства построения запросов к сведениям, которые поступают через стандартные интерфейсы от приложений более высокого уровня, таких как аналитические или бухгалтерские системы [11].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Теоретические основы системы управления базами данных (СУБД)

В современных информационных системах информация обычно хранится с использованием автоматизированных банков данных. Банки данных могут быть очень большими и могут содержать разную информацию, используемую организацией.

Банк данных – это информационная система коллективного пользования, обеспечивающая централизованное хранение данных, их обновление и выдачу по запросам пользователей. Это комплекс аппаратного и программного обеспечения банка данных и персонала, обслуживающего его. Банк данных включает: одну или несколько баз данных; систему управления базами данных (СУБД); персонал, обеспечивающий работу банка данных [3].

База данных – это совокупность определенным образом организованных данных, хранящихся в запоминающихся устройствах ЭВМ. Обычно данные хранятся на жестком диске сервера организации [4].

В общем случае данные в базе данных являются интегрированными и разделяемыми. Эти два аспекта, интеграция и разделение данных, представляют собой наиболее важные преимущества использования банков данных на «большом» оборудовании и, по меньшей мере, один из них – интеграция – является преимуществом их применения и на «малом» оборудовании.

Под понятием интеграции данных подразумевается возможность представить базу данных как объединение нескольких отдельных файлов данных, полностью или частично исключающее избыточность хранения информации [10].

Под понятием разделимости данных подразумевается возможность использования несколькими различными пользователями отдельных элементов, хранимых в базе данных. Имеется в виду, что каждый из пользователей сможет получить доступ к одним и тем же данным, возможно, даже одновременно (параллельный доступ). Такое разделение данных, с параллельным или последовательным доступом, частично является следствием того факта, что база данных имеет интегрированную структуру.

Одним из следствий упомянутых выше характеристик базы данных (интеграции и разделимости) является то, что каждый конкретный пользователь обычно имеет дело лишь с небольшой частью всей базы данных, причем обрабатываемые различными пользователями части могут произвольным образом перекрываться. Фактически, даже те два пользователя базы данных, которые работают с одними и теми же частями базы данных могут иметь значительно отличающиеся представления о них.

База данных характеризуется моделью данных, т. е. формой организации данных в ней. По типу модели данных БД делятся на сетевые, иерархические и реляционные. В настоящее время практически применяется только реляционная структура, в которой база данных состоит из одной или нескольких двумерных таблиц. Каждая реляционная таблица представляет собой двумерный массив и обладает следующими свойствами:

1) каждый элемент таблицы – один элемент данных;

2) все ячейки в столбце таблицы однородные, т. е. все элементы в столбце имеют одинаковый тип (числовой, символьный и т. д.);

3) каждый столбец имеет уникальное имя;

4) одинаковые строки в таблице отсутствуют;

5) порядок следования строк и столбцов может быть произвольным.

Такая модель хранения данных обеспечивает удобство использования базы данных на ЭВМ. Учитывая, что таблицы базы данных могут быть связаны определенными отношениями, такая модель обеспечивает целостность данных и отсутствие избыточности хранения. Поэтому она используется в большинстве современных баз данных.

Система управления базами данных (СУБД) – специализированная программа или комплекс программ, предназначенная для организации и ведения базы данных. Она обеспечивает хранение данных и взаимодействие пользователя с БД, позволяя пользователям производить поиск, сортировку и выборку информации в базе данных, а некоторым пользователям – добавлять, удалять и изменять записи в БД [6].

 

2. История развития системы управления базами данных (СУБД)

СУБД выросли из файловых систем. Примерное начало становления СУБД – 60-е годы XX века.

Для управления данными американского проекта Apollo в начале 60-х гг. было создано программное обеспечение GUAM (North American Aviation (теперь Rockwell International)), в середине 60-х на базе GUAM создана первая коммерческая СУБД IMS (Information Management System).

В середине 60-х фирма General Electric создала систему IDS (Integrated Data Store) – сетевая СУБД (более сложные взаимосвязи, чем у иерархических СУБД, попытка создания стандарта баз данных).

Формирование стандартов БД происходило в 1965 году на конференции CODASYL (Conference on Data System Languages). В итоге была создана группа List Processing Task Force, переименованная в 1967 году в DBTG (Data Base Task Group) и был предложен стандарт в отчетах 1969, 1971 гг. на сетевые БД (логическая организация данных + язык управления данными). Стандарт не был одобрен ANSI, но на его основе разработано большое число систем (CODASYL или DBTG-систем).

DBTG-системы + системы на основе иерархического подхода – СУБД первого поколения. Они имеют ряд недостатков:

- для  выполнения  простых  запросов  требуют  написания  достаточно сложных программ;

- независимость от данных реализована в минимальной степени;

- отсутствие теоретических основ для описания (только технические стандарты).

В 1970 году была опубликована работа о реляционной модели данных, устраняющей недостатки иерархической и сетевой моделей. На базе этой модели появилось множество экспериментальных СУБД.

Первые коммерческие реляционные СУБД появились в конце 70-х - начале 80-х гг. (экспериментальная СУБД System R (IBM, Сан-Хосе, Калифорния) – создана для проверки реляционной модели, в ходе проекта создан язык SQL; СУБД DB2 (IBM); Oracle (Oracle Corporation)). Реляционные СУБД относятся к СУБД второго поколения.

Реляционная модель также имеет ряд недостатков, один из них –ограниченные возможности моделирования. Наиболее значимые работы по устранению этого недостатка реляционной модели (в области семантического моделирования данных – исследований о способах представления смыслового значения, о модели более точно описывающей реальный мир):

- в 1976 году Чен предложил модель «сущность-связь» (ER-модель) – технология проектирования баз данных;

- Кодд предложил расширенные версии реляционной модели (RM/T (1979) и RM/V2 (1990)).

В связи с возрастанием сложности приложений БД позже появились новые системы: объектно-ориентированные СУБД (OODBMS) и объектно-реляционные СУБД (ORDBMS). Они представляют собой СУБД третьего поколения [5].

 

 

 

3. Структура и функции системы управления базами данных (СУБД)

Система управления базами данных обычно содержит следующие компоненты:

- ядро, которое отвечает  за управление данными во внешней  и оперативной памяти;

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

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

- сервисные программы  (внешние утилиты), обеспечивающие  ряд дополнительных возможностей  по обслуживанию информационной  системы [9].

Основные функции СУБД:

1. Определение данных

СУБД должна предоставлять средства определения данных в виде исходной формы (схемы данных) и преобразования этих определений в соответствующую объектную форму, т. е. СУБД преобразовывает данные в форму, необходимую для хранения их в базе данных.

2. Манипулирование данными

СУБД должна быть способна обрабатывать запросы пользователя на выборку, изменение или удаление данных, уже существующих в базе, или на добавление в нее новых данных, т. е. СУБД обеспечивает интерфейс между пользователями и базами данных.

3. Управление хранением данных и доступом к ним

СУБД осуществляет программную  поддержку хранения данных в запоминающем устройстве ЭВМ и управляем всеми  действиями, производимыми с данными.

4. Защита и поддержка  целостности данных

СУБД должна контролировать пользовательские запросы и определять, кому доступны операции изменения данных, а кому доступны только операции получения данных. Также она следит за целостностью данных, хранящихся в БД. СУБД осуществляет журнализацию изменений, резервное копирование и восстановление базы данных после сбоев.

Таким образом, основная функция системы управления базами данных – осуществление интерфейса пользователя и базы данных. Большинство современных крупных банков данных рассчитаны на работу нескольких пользователей, поэтому СУБД осуществляет разделение времени между пользователями при одновременном их доступе к базе данных, а также разделение полномочий между разными типами пользователей. Например, бухгалтер на предприятии может только получать информацию из банка данных, а главный экономист может вносить изменения в банк данных [7].

 

4. Классификации системы управления базами данных (СУБД)

Существует достаточно много различных классификаций системы управления базами данных (СУБД), рассмотрим основные.

 

     4. 1. Классификация по степени универсальности

По степени универсальности  различают два класса СУБД:

- системы общего назначения;

- специализированные системы.

СУБД общего назначения не ориентированы на какую-либо предметную область или на информационные потребности  какой-либо группы пользователей. Каждая система такого рода реализуется как программный продукт, способный функционировать на некоторой модели ЭВМ в определенной операционной системе и поставляется многим пользователям как коммерческое изделие. Такие СУБД обладают средствами настройки на работу с конкретной базой данных. Использование СУБД общего назначения в качестве инструментального средства для создания автоматизированных информационных систем, основанных на технологии баз данных, позволяет существенно сокращать сроки разработки, экономить трудовые ресурсы. Этим СУБД присущи развитые функциональные возможности и даже определенная функциональная избыточность.

Специализированные СУБД создаются в редких случаях при  невозможности или нецелесообразности использования СУБД общего назначения.

СУБД общего назначения – это сложные программные комплексы, предназначенные для выполнения всей совокупности функций, связанных с созданием и эксплуатацией базы данных информационной системы.

Рынок программного обеспечения  ПК располагает большим числом разнообразных по своим функциональным возможностям коммерческих систем управления базами данных общего назначения, а также средствами их окружения практически для всех массовых моделей машин и для различных операционных систем.

Используемые в настоящее время СУБД обладают средствами обеспечения целостности данных и надежной безопасности, что дает возможность разработчикам гарантировать большую безопасность данных при меньших затратах сил на низкоуровневое программирование. Продукты, функционирующие в среде WINDOWS, выгодно отличаются удобством пользовательского интерфейса и встроенными средствами повышения производительности [2].

 

    

     4. 2. Классификация по модели данных

По модели данных классифицировать СУБД можно следующим образом:

- иерархические

- сетевые

- реляционные

- объектно-ориентированные

- объектно-реляционные

Рассмотрим эти модели более  подробно.

Иерархические СУБД – поддерживают древовидную организацию информации. Связи между записями выражаются в виде отношений предок/потомок, а у каждой записи есть ровно одна родительская запись. Это помогает поддерживать ссылочную целостность. Когда запись удаляется из дерева, все ее потомки также должны быть удалены.

Иерархические базы данных имеют централизованную структуру, т. е. безопасность данных легко контролировать. К сожалению, определенные знания о физическом порядке хранения записей все же необходимы, так как отношения предок/потомок реализуются в виде физических указателей из одной записи на другую. Это означает, что поиск записи осуществляется методом прямого обхода дерева. Записи, расположенные в одной половине дерева, ищутся быстрее, чем в другой.

Отсюда следует необходимость  правильно упорядочивать записи, чтобы время их поиска было минимальным. Это трудно, так как не все отношения, существующие в реальном мире, можно выразить в иерархической базе данных. Отношения «один ко многим» являются естественными, но практически невозможно описать отношения «многие ко многим» или ситуации, когда запись имеет несколько предков. До тех пор пока в приложениях будут кодироваться сведения о физической структуре данных, любые изменения этой структуры будут грозить перекомпиляцией [12].

Сетевые СУБД: сетевая модель расширяет иерархическую модель СУБД, позволяя группировать связи между записями в множества. С логической точки зрения связь – это не сама запись. Связи лишь выражают отношения между записями. Как и в иерархической модели, связи ведут от родительской записи к дочерней, но на этот раз поддерживается множественное наследование.

Следуя спецификации CODASYL, сетевая  модель поддерживает DDL (Data Definition Language – язык определения данных) и DML (Data Manipulation Language – язык обработки данных). Это специальные языки, предназначенные для определения структуры базы данных и составления запросов. Несмотря на их наличие программист по-прежнему должен знать структуру базы данных.

В сетевой модели допускаются отношения «многие ко многим», а записи не зависят друг от друга. При удалении записи удаляются и все ее связи, но не сами связанные записи.

В сетевой модели требуется, чтобы  связи устанавливались между  существующими записями во избежание  дублирования и искажения целостности. Данные можно изолировать в соответствующих  таблицах и связать с записями в других таблицах.

Программисту не нужно, при проектировании СУБД, заботиться о том, как организуется физическое хранение данных на диске. Это ослабляет зависимость приложений и данных. Но в сетевой модели требуется, чтобы программист помнил структуру данных при формировании запросов.

Оптимальную структуру  базы данных сложно сформировать, а  готовую структуру трудно менять. Если вид таблицы претерпевает изменения, все отношения с другими таблицами  должны быть установлены заново, чтобы  не нарушилась целостность данных. Сложность подобной задачи приводит к тому, что программисты зачастую отменяют некоторые ограничения целостности ради упрощения приложений.

Реляционные СУБД: в сравнении с рассмотренными выше моделями реляционная модель требует от сервера СУБД гораздо более высокого уровня сложности. В ней делается попытка избавить программиста от выполнения рутинных операций по управлению данными, столь характерных для иерархической и сетевой моделей.

В реляционной модели база данных представляет собой централизованное хранилище таблиц, обеспечивающее безопасный одновременный доступ к информации со стороны многих пользователей. В строках таблиц часть полей содержит данные, относящиеся непосредственно к записи, а часть – ссылки на записи других таблиц. Таким образом, связи между записями являются неотъемлемым свойством реляционной модели.

Каждая запись таблицы  имеет одинаковую структуру. Например, в таблице, содержащей описания автомобилей, у всех записей будет один и  тот же набор полей: производитель, модель, год выпуска, пробег и т. д. Такие таблицы легко изображать в графическом виде [12].

В реляционной модели СУБД достигается информационная и  структурная независимость. Записи не связаны между собой настолько, чтобы изменение одной из них  затронуло остальные, а измененная структура СУБД, базы данных не обязательно приводит к перекомпиляции работающих с ней приложений.

В реляционных СУБД применяется  язык SQL, позволяющий формулировать  произвольные, нерегламентированные запросы. Это язык четвертого поколения, поэтому  любой пользователь может быстро научиться составлять запросы. К тому же, существует множество приложений, позволяющих строить логические схемы запросов в графическом виде. Все это происходит за счет ужесточения требований к производительности компьютеров. К счастью, современные вычислительные мощности более чем адекватны.

Реляционные базы данных страдают от различий в реализации языка SQL, хотя это и не проблема реляционной  модели. Каждая реляционная СУБД реализует  какое-то подмножество стандарта SQL плюс набор уникальных команд, что усложняет задачу программистам, пытающимся перейти от одной СУБД к другой. Приходится делать нелегкий выбор между максимальной переносимостью и максимальной производительностью. В первом случае нужно придерживаться минимального общего набора команд, поддерживаемых в каждой СУБД. Во втором случае программист просто сосредоточивается на работе в данной конкретной СУБД, используя преимущества ее уникальных команд и функций СУБД.

Объектно-ориентированные  СУБД – позволяет программистам, которые работают с языками третьего поколения, интерпретировать все свои информационные сущности как объекты, хранящиеся в оперативной памяти. Дополнительный интерфейсный уровень абстракции обеспечивает перехват запросов, обращающихся к тем частям базы данных, которые находятся в постоянном хранилище на диске. Изменения, вносимые в объекты, оптимальным образом переносятся из памяти на диск.

Преимуществом объектно-ориентированных СУБД является упрощенный код. Приложения получают возможность интерпретировать данные в контексте того языка программирования, на котором они написаны. Реляционная база данных возвращает значения всех полей в текстовом виде, а затем они приводятся к локальным типам данных. В объектно-ориентированных БД этот этап ликвидирован. Методы манипулирования данными всегда остаются одинаковыми независимо от того, находятся данные на диске или в памяти [12].

Данные в объектно-ориентированных СУБД способны принять вид любой структуры, которую можно выразить на используемом языке программирования. Отношения между сущностями также могут быть произвольно сложными. Объектно-ориентированная БД управляет кэш-буфером объектов, перемещая объекты между буфером и дисковым хранилищем по мере необходимости.

С помощью объектно-ориентированных СУБД решаются две проблемы. Во-первых, сложные информационные структуры выражаются в них лучше, чем в реляционных базах данных, а во-вторых, устраняется необходимость транслировать данные из того формата, который поддерживается в СУБД. Например, в реляционной СУБД размерность целых чисел может составлять 11 цифр, а в используемом языке программирования – 16. Программисту придется учитывать эту ситуацию.

Объектно-ориентированные  СУБД выполняют много дополнительных функций. Это окупается сполна, если отношения между данными очень  сложны. В таком случае производительность объектно-ориентированных СУБД оказывается выше, чем у реляционных СУБД. Если же данные менее сложны, дополнительные функции оказываются избыточными.

В объектной модели данных поддерживаются нерегламентированные запросы, но языком их составления не обязательно является SQL. Логическое представление данных может не соответствовать реляционной модели, поэтому применение языка SQL станет бессмысленным. Зачастую удобнее обрабатывать объекты в памяти, выполняя соответствующие виды поиска.

Большим недостатком  объектно-ориентированных баз данных является их тесная связь с применяемым  языком программирования. К данным, хранящимся в реляционной СУБД, могут  обращаться любые приложения, тогда  как, к примеру, Java-объект, помещенный в объектно-ориентированную СУБД, будет представлять интерес лишь для приложений, написанных на Java.

Объектно-реляционные  СУБД объединяют в себе черты реляционной  и объектной моделей. Их возникновение  объясняется тем, что реляционные  базы данных хорошо работают со встроенными типами данных и гораздо хуже – с пользовательскими, нестандартными. Когда появляется новый важный тип данных, приходится либо включать его поддержку в СУБД, либо заставлять программиста самостоятельно управлять данными в приложении.

Не всякую информацию имеет смысл интерпретировать в виде цепочек символов или цифр. Представим себе музыкальную базу данных. Песню, закодированную в виде аудиофайла, можно поместить в текстовое поле большого размера, но как в таком случае будет осуществляться текстовый поиск?

Перестройка архитектуры  СУБД с целью включения в нее поддержки нового типа данных – не лучший выход из положения. Вместо этого объектно-реляционная СУБД позволяет загружать код, предназначенный для обработки «нетипичных» данных. Таким образом, база данных сохраняет свою табличную структуру, но способ обработки некоторых полей таблиц определяется извне, т. е. программистом [12].

 

     4. 3. Классификация по степени распределенности

Важнейшим классифицирующим признаком СУБД является степень распределенности. Здесь можно выделить локальные и распределенные СУБД.

В случае локальных СУБД и сама программа и база данных находятся на одном компьютере.

Технология распределенных баз данных, получившая в настоящее  время широкое распространение, способствует обратному переходу от централизованной обработки данных к децентрализованной.

Распределенная СУБД – это программный комплекс, предназначенный для управления распределенными базами данных и позволяющий сделать распределенность информации прозрачной для конечного пользователя.

Система управления распределенными  базами данных (СУРБД) состоит из единой логической базы данных, разделенной  на некоторое количество фрагментов. Каждый фрагмент базы данных сохраняется  на одном или нескольких компьютерах, которые соединены между собой линиями связи и каждый из которых работает под управлением отдельной СУБД. Любой из сайтов способен независимо обрабатывать запросы пользователей, требующие доступа к локально сохраняемым данным (что создает определенную степень локальной автономии), а также способен обрабатывать данные, сохраняемые на других компьютерах сети [12].

 

     4. 4. Классификация по способу доступа к базам данных

По способу доступа  к базам данных системы управления ими подразделяются на три типа:

- 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 процессор файлового сервера, а недостатком –высокая загрузка локальной сети.

На данный момент файл-серверные СУБД считаются устаревшими. Они могут применяться для обучения работе с базами данных или для хранения информации в небольших информационных системах. Например, Microsoft Access, Paradox, dBase.

- Клиент-серверные

Такие СУБД состоят из клиентской части и сервера. Клиент-серверные СУБД 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.

Клиент-серверные СУБД представляют больше возможностей для профессиональной работы с данными, поэтому они чаще всего используются в крупных предприятиях и организациях. Они больше всего подходят к крупным информационным системам с одним или несколькими серверами, обладающими большой производительностью. Даже в случае большого количества пользователей, работающих с ними, они не очень сильно загружают сеть. Например: Oracle, Firebird, Interbase, IBM DB2, MS SQL Server, Sybase, PostgreSQL, MySQL, ЛИНТЕР.

Встраиваемые

Встраиваемая СУБД –  библиотека, которая позволяет унифицированным  образом хранить большие объемы 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 объемами данных (например, геоинформационные системы). Например, OpenEdge, SQLite, BerkeleyDB, один из вариантов Firebird, один из вариантов MySQL, Sav Zigzag, Microsoft SQL Server Compact, ЛИНТЕР.

Таким образом, для использования  в крупных организациях, в том  числе на промышленных предприятиях, больше подходят клиент-серверные СУБД [8].

 

     4. 5. Профессиональные, или промышленные и персональные (настольные) СУБД

Профессиональные, или  промышленные СУБД предназначены для ведения больших БД. Они в состоянии одновременно обеспечить доступ к ним со стороны большого числа пользователей. Наиболее известными промышленными СУБД являются Oracle, MS SQL Server, Sybase, Informix, DB2, InterBase, Progress.