Реляционная модель данных

СОДЕРЖАНИ

Введение……………………………………………………… 2

Реляционная модель данных………………………………………4

Цели и задачи проектирования………………………………….8

Структура процесса проектирования………………………….9

Технология ведения  информационной системы………………..11

Заключение……………………………………………………13

Список литературы…………………………………………...14 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ

Человечество стремительно вступает в принципиально новую  для него информационную эпоху. Существенным образом меняются все слагаемые  образа жизни людей. В современном  обществе уровень информатизации характеризует  уровень развития государства. Начавшийся ХХI век специалисты называют веком компьютерных технологий. Их революционное воздействие касается государственных структур и институтов гражданского общества, экономической и социальной сфер, науки и образования, культуры и образа жизни людей. Многие развитые и развивающиеся страны в полной мере осознали те колоссальные преимущества, которые несет с собой развитие и распространение информационно-коммуникационных технологий. Не у кого не вызывает сомнения тот факт, что движение к информационному обществу - это путь в будущее человеческой цивилизации.

По своей глубокой сути информатизация представляет собой  процесс преобразования человеком  среды своего существования, биосферы в ноосферу, результатом которого будет создание высокоразвитой информсреды. Этот процесс затрагивает как среду обитания, так и собственно общество, самого человека.

Глубина совершаемых  преобразований порождает проблемы, от своевременного и эффективного решения  которых зависит не только ход  информатизации, но при неблагоприятном  исходе - существование общества в  целом и человека как биологического вида.

Проблемы информатизации производства и обработки информации, то есть проблемы создания и развития современного машинного производства в информационной сфере, порождены  противоречием между необходимостью своевременного использования во всех сферах человеческой деятельности больших  объемов высококачественной информации и невозможностью оперативно формировать  такие объемы с помощью традиционных информационных средств, технологий и  линий связи. В эту группу вопросов, в первую очередь, входят материально- техническая, технологическая проблемы и проблемы связи. Россия до сих пор остается великой державой - и гигантской территорией, и мощной индустриальной базой, и в то же время продолжает переживать глубокий политический и социально-экономический кризис, который может перейти либо в долговременный распад на основе трудно обратимого процесса суверенизации регионов, либо через временную стабилизацию в процесс, хотя и медленного, но достаточно устойчивого экономического и социального прогресса, способного обеспечить ей важную роль мировой державы и достойный уровень жизни ее населения.

Развитие и широкое  применение информационных и коммуникационных технологий (далее - ИКТ) является глобальной тенденцией мирового развития последних  десятилетий. Применение современных технологий обработки и передачи информации имеет решающее значение как для повышения конкурентоспособности экономики и расширения возможностей для интеграции ее в мировую систему хозяйства, так и для повышения эффективности процессов государственного управления на всех уровнях власти, на уровне местного самоуправления, в государственном и негосударственном секторах экономики,.

Не менее важным результатом распространения ИКТ  и проникновения их во все сферы  общественной жизни является создание технологических предпосылок для  развития гражданского общества за счет реального обеспечения прав граждан на свободный и оперативный доступ к информации через глобальную сеть Интернет.

Россия, несмотря на высокие темпы развития информационных технологий в последнее десятилетие, не смогла обеспечить сокращение разрыва  с промышленно-развитыми странами в уровне информатизации экономики и общества. Отчасти такое положение вызвано общеэкономическими причинами (затяжной кризис в экономике, низкий уровень материального благосостояние большинства населения и т.п.). Вместе с тем, недостаточное развитие ИКТ в России определяется целым рядом факторов, создающих искусственные препятствия для ускорения информатизации, для широкого внедрения и эффективного использования ИКТ в государственном и негосударственном секторах экономики, для развития отечественного сектора по производству ИКТ. К числу таких негативных факторов относятся:

- несовершенная,  неполная и устаревшая нормативно-правовая  база, разрабатывавшаяся без учета  возможностей, предоставляемых современными  информационными технологиями, изначально  ориентированная на ограничительный  подход по отношению к доступу  граждан и хозяйствующих субъектов к информации;

- недостаточное развитие  современных информационных технологий  в области государственного управления, создающее барьеры для ускоренного  распространения ИКТ в остальной  части экономики и общества; неготовность  органов власти всех уровней  к применению эффективных технологий  управления и организации взаимодействия  с гражданами и хозяйствующими субъектами;

- затратный, не  стимулирующий эффективный возврат  инвестиций характер существующей  практики использования бюджетных  средств, выделяемых на реализацию программ информатизации;

- недостаточное внимание  к уровню подготовки кадров как в области создания, так и в области использования информационных технологий;

- барьеры на пути  вхождения российских предприятий  ИКТ сектора на внутренний  российский и мировой рынки  из-за излишней зарегулированности экономической деятельности, требований обязательной, часто избыточной, сертификации и лицензирования видов деятельности;

- высокий уровень  монополизации в области инфраструктуры  телекоммуникаций, являющийся следствием  высоких входных барьеров и  приводящий, в отсутствии должного  регулирования, к нерыночным перекосам в тарифной политике;

- узко-техническое понимание роли и возможностей ИКТ, низкая культура работы с ИКТ.

Проблемы, решаемые в рамках настоящей федеральной  целевой программы, базируются на приоритетах  и целях стратегии социально-экономического развития России на период до 2010 года и  отвечают критериям формирования перечня  федеральных целевых программ, начиная  с 2002 года, одобренным Правительством Российской Федерации на заседании 21 сентября 2000 года, протокол № 31.

Процессы информатизации уже активно идут на всех уровнях. Многие мероприятия, направленные на развитие информационных технологий, реализуются или планируются к реализации в рамках других федеральных, региональных и ведомственных программ (например, ФЦП "Развитие электронной торговли в России на 2002 – 2006 годы", ФЦП "Развитие единой информационно-образовательной среды Российской Федерации в 2002-2006 годы", ФЦП "Создание и развитие информационно-теллекоммуникационной системы специального

назначения в интересах  органов государственной власти на 2001-2007 годы" и т.д.). В этом аспекте ФЦП "Электронная Россия на 2002-2010 годы" (далее – Программа) призвана не только дополнить другие программы в части формирования адекватной институционально-правовой среды для ИКТ-индустрии, развития инфраструктуры публичных сетей доступа и обеспечения эффективного взаимодействия государства и общества на основе широкого внедрения ИКТ, но и будет выполнять ряд более общих, координирующих функций по отношению к другим программам. В Программе будут, в частности определяться общие концептуальные направления развития ИКТ (основные принципы, общие стандарты и типовые решения по реализации различных проектов и т.д.) как одного из основных направлений социально-экономического развития страны. Реализация общих концептуальных направлений развития ИКТ будет осуществляться преимущественно в различных федеральные, ведомственные и региональных программах.

ФЦП не только предлагает решения очевидных проблем, она  ставит целый ряд новых. Некоторые  из этих проблем не могут быть решены в рамках "Электронной России 2002-2010". Для того, например, чтобы  при помощи информационных технологий приблизить российскую систему образования  к стандартам развитых стран Запада, разрабатывается программа "Развитие единой образовательной информационной среды на 2002-2006 гг.". И требуется  детальное обсуждение этих проблем. Выражаем надежду, что проект "Электронная  Россия" станет удобной площадкой  для начала такого обсуждения, в  котором смогут принять участие  не только специалисты, представляющие государственный аппарат и российский ИТ-рынок, но и все, кто осознает степень  важности поставленных программой вопросов.

РЕЛЯЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ДАННЫХ

В соответствии с  реляционной моделью база данных представляется в виде совокупности таблиц, над которыми могут выполняться  операции, формулируемые в терминах реляционной алгебры и реляционного исчисления. В реляционной модели операции над объектами базы данных имеют теоретико-множественный характер.

Концепции реляционной  модели данных связаны с именем известного специалиста в области систем баз данных Е. Кодда. Именно поэтому  реляционную модель данных часто называют моделью Кодда.

ОРГАНИЗАЦИЯ ДАННЫХ

Слово «реляционная»  происходит от английского relation — отношение. Для пояснения математического понятия «отношение» вспомним два определения.

Декартово произведение. Пусть D1, D2,…D n — произвольные конечные множества и не обязательно различные. Декартовым произведением этих множеств D1 Х D2 Х … Х D n -называется множество n-к вида: < d1 , d2 , …, d n >, где d1 принадлежит D1, d2 — D2 , а d n -D n .

Рассмотрим простейший пример. Пусть первое множество состоит  из двух элементов D1= {а1, а2}, второе—из трех: D2 ={b1, b2, b3}, Тогда их декартово произведение есть: D1 Х D2 = {а1 b1 ,а1 b2, а1b3, а2 b1, а2 b2, а2b3}.

Отношение. Отношением R, определенным на множествах D1, D2,…D n , называется подмножество декартова  произведения D1 Х D2 Х … Х D n . При этом множества D1, D2,…D n называются доменами отношения, а элементы декартова произведения - кортежами отношения. Число n определяет степень (арность) отношения, а количество кортежей - его мощность.

Отношения удобно представлять в виде таблиц. При этом строки таблицы  соответствуют кортежам, а столбцы - атрибутам. Каждый атрибут определен  на некотором домене. Доменом называют множество атомарных значений. Несколько  атрибутов отношения могут быть определены на одном и том же домене. Атрибут определяет роль домена в  отношении.

Атрибуты разных отношений также могут быть определены на одном и том же домене.

Атрибут, значения которого идентифицируют кортежи, называется ключом (ключевым атрибутом).

В некоторых отношениях кортежи идентифицируются конкатенацией  значений нескольких атрибутов. Тогда  говорят, что отношение имеет  составной ключ. Отношение может  содержать и несколько ключей. Один из ключей отношения объявляется  первичным. Значения первичного ключа  не могут обновляться. Все прочие ключи отношения называются возможными ключами.

Отметим важную особенность  реляционной модели данных. Если в  сетевых и иерархических моделях  данных для отражения ассоциаций между записями использовались групповые  отношения, то в реляционной модели данных такого понятия не существует. Для отражения ассоциаций между  кортежами отношении используется дублирование их ключей.

Атрибуты, представляющие собой копии ключей других отношений, называются внешними ключами.

Перечень атрибутов  отношения и его свойства определяет схему отношения. Два отношения  называются односхемными, если они построены но единой схеме.

Первоначальная модель Кодда содержала небольшой набор  средств ограничения целостности: не допускались кортежи с одинаковыми  значениями первичного ключа и обеспечивалась возможность наложения ограничений на значения доменов и, следовательно, атрибутов. Механизмов поддержания семантики ассоциаций (речь идет о таких ограничениях целостности, как режим включения и класс членства) в реляционной модели нет. Отношения существуют независимо друг от друга, хотя между кортежами этих отношений возникают порой достаточно сложные ассоциации.

Неразвитость средств  ограничения целостности послужила  толчком к последующему развитию модели Кодда, которое получило название расширенной реляционной модели данных. Последняя предполагает поддержку ряда служебных отношений, хранящих сведения об ассоциациях предметной области, а процедуры обработки пользовательских отношений учитывают эти сведения. Расширенная модель Кодда представляет существенно более развитые средства для поддержки ограничений целостности.

ОПЕРАЦИИ НАД ДАННЫМИ

К операциям обновления БД относятся запоминание новых  кортежей, удаление ненужных, корректировка  значении атрибутов существующих кортежей.

Операция ВКЛЮЧИТЬ требует задания имени отношения  и предварительного формирования значений атрибутов нового кортежа. Обязательно  должен быть задан ключ кортежа. Включение  не будет выполнено, если ключ имеет  неуникальное значение.

Операция УДАЛИТЬ  также требует наименования отношения, а также идентификации кортежа и группы кортежей, подлежащих удалению.

Операция ОБНОВИТЬ выполняется для названного отношения  и может корректировать как один, так и несколько кортежей отношения.

Далее рассмотрим основные операции обработки отношений. Отличительная  особенность этих операций заключается  в том, что единицей обработки  в них являются не кортежи, а отношения. Другими словами, на входе каждой операции используется одно или несколько  отношений, а результат выполнения операций — новое отношение.

Смысл любой обработки  реляционной базы данных состоит  либо в обновлении существующих отношений, либо в создании новых, поскольку  результат всякого запроса к  БД есть не что иное, как построение нового отношения, удовлетворяющего условиям выборки.

Операция ОБЪЕДИНЕНИЕ (С1 = А U В) предполагает, что на входе задано два односхемных отношения А и В. Результат объединения есть построенное по той же схеме отношение С, содержащее все кортежи А и все кортежи отношения В. Операция ПЕРЕСЕЧЕНИЕ (С2=А U В) предполагает на входе два односхемных отношения А и В. На выходе создается отношение по той же схеме, содержащее только те кортежи отношения А, которые есть в отношении В.

Операция ВЫЧИТАНИЕ (С3=А-В). Все три отношения строятся по одной схеме. В результирующее отношение С3 включаются только те кортежи  из А, которых нет в отношении В.

Операция ДЕКАРТОВО  ПРОИЗВЕДЕНИЕ (С4=А X В). Ее важное отличие от предшествующих состоит в том, что отношения А и В могут быть построены по разным схемам, а схема отношения С4 включает все атрибуты отношении А и В.

Операция ВЫБОРКА (горизонтальное подмножество). На входе  операции используется одно отношение. Результат выборки есть новое  отношение, построенное по той же схеме, содержащее подмножество кортежей исходного отношения, удовлетворяющих условию выборки.

Операция ПРОЕКЦИЯ (вертикальное подмножество). На входе  операции используется одно отношение. Результирующее отношение включает подмножество атрибутов исходного. Каждому кортежу исходного отношения соответствует такой кортеж в результирующем отношении, что значения одинаковых атрибутов этих двух кортежей совпадают. Но при этом в результирующем отношении кортежи-дубликаты устраняются, в связи с чем мощность результирующего отношения может быть меньше мощности исходного.

Операция СОЕДИНЕНИЕ. На входе операции используется два  отношения; обозначим их А и В. В каждом из отношений выделен атрибут, по которому будет осуществляться соединение; предположим, это атрибуты А1 и Б2). Оба атрибута должны быть определены на одном и том же домене. Схема результирующего отношения включает все атрибуты А и все атрибуты отношения В. Допускается, чтобы в схеме результирующего отношения вместо двух атрибутов, по которым выполняется соединение, был представлен только один.

Операция СОЕДИНЕНИЕ похожа на декартово произведение. Отличие состоит в том, что декартово произведение предполагает сцепление, каждого кортежа из А с каждым кортежем из В, а в операции соединения кортеж из отношения А сцепляется только с теми кортежами из В, для которых выполнено условие: В1=А1.

Операция ДЕЛЕНИЕ. На входе операции используется два  отношения А и В. Пусть отношение А, называемое делимым, содержит атрибуты (А1,А2, ...,Аn). Отношение В – делитель -содержит подмножество атрибутов А; положим, (А1,А2, ...,Аk), где (k<n). Результирующее отношение С определено на атрибутах отношения А, которых нет и В, т.е.

Аk+1, Аk+2 , ..., Аn.

Кортеж включается в результирующее отношение только, если его декартово произведение с отношением В содержится в делимом-отношении А.

Операции реляционной  модели данных предоставляют возможность  произвольно манипулировать отношениями, позволяя обновлять БД, а также  выбирать подмножества хранимых данных и представлять их в нужном виде.

Рассмотренные нами операции реляционной алгебры или  алгебры отношений, позволяют пошагово описать процесс получения результирующего  отношения.

Отметим особенности реляционной модели данных:

• множество объектов реляционной модели данных однородно - структура данных определяется только в терминах отношений;

• основная единица  обработки в операциях реляционной  модели данных не запись (как в сетевых  и иерархических моделях данных), а множество записей - отношение.

НОРМАЛИЗАЦИЯ ОТНОШЕНИЙ

Одна из важнейших  проблем проектирования схемы БД заключается в выделении типов  записей (отношений), определении состава  их атрибутов. Группировка атрибутов  должна быть рациональной, т. е. минимизирующей дублирование данных и упрощающей процедуры их обработки и обновления.

Сначала эти вопросы  решались интуитивно. Однако интуиция может подвести даже опытного специалиста, поэтому Коддом был разработан в  рамках реляционной модели данных аппарат, называемый нормализацией отношений. И хотя идеи нормализации сформулированы в терминологии реляционной модели данных, они в равной степени применимы и для других моделей данных.

Коддом выделено три нормальных формы отношений. Самая совершенная из них - третья. Предложен механизм, позволяющий  любое отношение преобразовать  к третьей нормальной форме. В  процессе таких преобразований могут  выделяться новые отношения.

Вначале введем понятие  простого и сложного атрибута. Простым  назовем атрибут, если значения его  атомарны, т. е. неделимы. В противовес ему сложный атрибут может иметь значение, представляющее собой конкатенацию нескольких значений одного или разных доменов. Аналогами сложного атрибута может быть вектор, агрегат данных, повторяющийся агрегат.

Первая нормальная форма. Отношение называется нормализованным  или приведенным к первой нормальной форме (1НФ), если все его атрибуты простые.

Ненормализованное отношение легко сделать нормализованным. Такое преобразование может привести к увеличению мощности отношения и изменению ключа.

Функциональная зависимость. Пусть Х и Y - два атрибута некоторого отношения, Говорят, что Y функционально  зависит от X, если в любой момент времени каждому значению Х соответствует  не более чем одно значение атрибута Y. Функциональную зависимость можно обозначить так: Х>Y.

Полная функциональная зависимость. Говорят, что неключевой атрибут функционально полно зависит от составного ключа, если он функционально зависит от ключа, но не находится в функциональной зависимости ни от какой части составного ключа.

Вторая нормальная форма. Отношение находится во второй нормальной форме, если оно находится  в первой нормальной форме и каждый неключевой атрибут функционально полно зависит от составного ключа.

Чтобы отношение  привести ко второй нормальной форме, необходимо:

а) построить его  проекцию, исключив атрибуты, которые  не находятся в полной функциональной зависимости от составного ключа;

б) построить дополнительно  одну или несколько проекций на часть  составного ключа и атрибуты, функционально зависящие от этой части ключа.

Транзитивная зависимость. Пусть X, Y, Z - три атрибута некоторого отношения. При этом Х>Y и Y>Z, но обратное соответствие отсутствует, т. е. Z не> или Y не>Х. Тогда говорят, что Z транзитивно зависит от X.

Третья нормальная форма. Отношение находится в  третьей нормальной форме, если оно  находится во второй нормальной форме и каждый неключевой атрибут нетранзитивно зависит от первичного ключа.

Основное достоинство  реляционного подхода - его простота и доступность. Пользователи абстрагированы от физической структуры памяти. Это  позволяет эксплуатировать БД без  знания методов и способов ее построения. Основные достоинства РМД следующие: простота, независимость данных; гибкость; непроцедурные запросы, теоретическое  обоснование на основе теории отношений. Это дает возможность пользователям  формировать их запросы более  компактно, в терминах более крупных агрегатов.

Как уже говорилось выше, в реляционной модели данных есть возможность определения одного атрибута или их множества в качестве ключа отношения. Это свойство позволяет  формировать запросы к базе данных очень компактно с использованием терминов реляционной алгебры и  реляционного счисления, что делает реляционную модель очень простой  для разработчика прикладного программного обеспечения.

С другой стороны, вся  информация, которая будет храниться  и использоваться в ИИСОД представляется в табличной форме, что является характерной чертой представления  информации в реляционных базах  данных, а в частности, в их разновидности табличных базах данных.

ЦЕЛИ  И ЗАДАЧИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Основная цель процесса проектирования БД состоит: в получении  такого проекта, который удовлетворяет следующим требованиям:

• корректности схемы  БД, т. е. база данных должна быть гомоморфным  образом моделируемой предметной области, где каждому объекту предметной области соответствуют данные в  памяти ЭВМ, а каждому процессу предметной области - адекватные процедуры обработки  данных. При этом результаты выполнения процесса и соответствующих ему  процедур обработки данных должны совпадать  в любой момент функционирования, если это предусмотрено проектом;

• обеспечение ограничений  на конфигурацию вычислительной системы, в первую очередь, на ресурсы внешней и оперативной памяти;

•эффективность  функционирования, т. е. Обеспечение  требований ко времени реакции системы на запросы и обновления БД;

• защита данных от разрушений при сбоях оборудования от некорректных обновлений и, если необходимо, от несанкционированного доступа.

•простота и удобство эксплуатации информационной системы;

• гибкость, т. е. возможность  развития и последующей адаптации  системы к изменениям в предметной области и к новым потребностям пользователей.

Удовлетворение первых четырех требований обязательно  для принятия проекта. Последние  два требования необязательны, так  как большая или меньшая простота и удобство эксплуатации выступают  только факторами оценки альтернативных вариантов проекта.

СТРУКТУРА ПРОЦЕССА ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Обследование предметной области. На этом этапе, после первоначального знакомства с предметной областью следует детальное изучение всех ее фрагментов, каждый из которых характеризуется локальным пользовательским представлением. Для каждого фрагмента определяются информационные объекты, анализируются процессы, их использующие, и устанавливаются явные ассоциации между информационными объектами.

Фрагменты предметной области исследуются последовательно. Причем сведения об очередном фрагменте  интегрируются с полученными при изучении предшествующих фрагментов.

 Система управления  БД – важнейший программный  компонент информационной системы,  оказывающий существенное влияние  на многие параметры системы, в том числе:

• пользовательские интерфейсы;

• эффективность функционирования;

• стоимость разработки приложений;

• стоимость эксплуатации;

• гибкость системы.

Выявление внешних  ограничений. Под внешними ограничениями  здесь понимаются ограничения среды  реализации информационной системы. Каждая среда реализации отлична от идеальной. Она содержит множество ограничений, среди которых наиболее важные для нас: технические, программные и организационные.

Технические ограничения  определяются конфигурацией вычислительной системы, параметрами функционирования её компонентов, надёжностью их работы и др.

Программные ограничения  в первую очередь подразумевают  операционную систему и языки прикладного программирования.

К организационным  ограничениям можно отнести требования к срокам разработки, имеющиеся трудовые ресурсы. Возможности по подготовке специалистов и т.п

Выделение СУБД-претендентов. Проектировщику информационной системы  в настоящее время предоставляется  достаточно большой выбор СУБД, разработанных  для разных конфигураций и типов ЭВМ.

Анализ основных параметров этих систем позволяет сразу  же отвергнуть ряд СУБД, заведомо непригодных  к использованию в разрабатываемой  информационной системе, оставив для  последующего рассмотрения несколько (не более двух-трех) систем претендентов.

На выбор СУБД-претендентов наибольшее влияние оказывает согласование ряда параметров среды реализации и  СУБД. К таким параметрам в первую очередь относятся:

• тип ЭВМ;

• операционная система;

• объемы оперативной  памяти;

• конфигурация вычислительной системы и наличие реализаций СУБД для нескольких типов ЭВМ.

Моделирование базы данных. Для каждой из выделенных СУБД моделируется база данных. Кроме определения  структуры данных и стратегии  их хранения в памяти машины, проектировщик  оценивает также затраты на разработку программного окружения базы данных и в целом на реализацию и эксплуатацию информационной системы.