Физическая и логическая модели БД

Понятия БД и СУБД.

База данных представляет собой совокупность структуриро­ванных данных, хранимых в памяти вычислительной системы и ото­бражающих состояние объектов и их взаимосвязей в рассматриваемой предметной области.

Логическую структуру данных, хранимых в базе, называют мо­делью представления данных. К основным моделям представления данных (моделям данных) относятся иерархическая, сетевая, реля­ционная.

Система управления базами данных (СУБД) — это комплекс языко­вых и программных средств, предназначенный для создания, ведения и совместного использования БД многими пользователями. Обычно СУБД различают по используемой модели данных. Так, СУБД, осно­ванные на использовании реляционной модели данных, называют ре­ляционными СУБД.

Словарь данных представляет собой подсистему БД, предназначен­ную для централизованного хранения информации о структурах дан­ных, взаимосвязях файлов БД друг с другом, типах данных и форма­тах их представления, принадлежности данных пользователям, кодах защиты и разграничения доступа и т. п.

Информационные системы, основанные на использовании БД, обычно функционируют в архитектуре клиент-сервер. В этом случае БД размещается на компьютере-сервере, и к ней осуществляется сов­местный доступ.

Сервером определенного ресурса в компьютерной сети называется компьютер (программа), управляющий этим ресурсом, клиентом — компьютер (программа), использующий этот ресурс. В качестве ресур­са компьютерной сети могут выступать, к примеру, базы данных, фай­лы, службы печати, почтовые службы.

Достоинством организации информационной системы на архитек­туре клиент-сервер является удачное сочетание централизованного хранения, обслуживания и коллективного доступа к общей корпора­тивной информации с индивидуальной работой пользователей.

Согласно основному принципу архитектуры клиент-сервер, данные обрабатываются только на сервере. Пользователь или приложение фор­мируют запросы, которые поступают к серверу БД в виде инструкций языка SQL. Сервер базы данных обеспечивает поиск и извлечение нуж­ных данных, которые затем передаются на компьютер пользователя. Достоинством такого подхода в сравнении предыдущим является за­метно меньший объем передаваемых данных.

Выделяют следующие виды СУБД :

* полнофункциональные СУБД;

* серверы БД;

* средства разработки программ работы с БД.

По характеру использования СУБД делят на многопользователь­ские (промышленные) и локальные (персональные).

Промышленные, СУБД представляют собой программную основу для разработки автоматизированных систем управления крупными экономическими объектами. Промышленные СУБД должны удовле­творять следующим требованиям:

* возможность организации совместной параллельной работы мно­гих пользователей;

* масштабируемость;

* переносимость на различные аппаратные и программные платформы;

* устойчивость по отношению к сбоям различного рода, в том чис­ле наличие многоуровневой системы резервирования хранимой информации;

* обеспечение безопасности хранимых данных и развитой струк­турированной системы доступа к ним.

Персональные СУБД — это программное обеспечение, ориентиро­ванное на решение задач локального пользователя или небольшой группы пользователей и предназначенное для использования на пер­сональном компьютере. Это объясняет и их второе название — на­стольные. Определяющими характеристиками настольных систем яв­ляются:

* относительная простота эксплуатации, позволяющая создавать на их основе работоспособные пользовательские приложения;

* относительно ограниченные требования к аппаратным ресурсам.

По используемой модели данных СУБД разделяют на иерархические, сетевые, реляционные, объектно-ориентированные и др. Некоторые СУБД могут одновременно поддерживать несколько моделей данных.

Для работы с данными, хранящимися в базе, используются следу­ющие типы языков:

* язык описания данных — высокоуровневый непроцедурный язык
декларативного типа, предназначенный для описания логической
структуры данных;

* язык манипулирования данными — совокупность конструкций, обеспечивающих выполнение основных операций по работе с дан­ными: ввод, модификацию и выборку данных по запросам.

Названные языки в различных СУБД могут иметь отличия. Наи­большее распространение получили два стандартизованных языка: QBE — язык запросов по образцу и SQL — структурированный язык запросов. QBE в основном обладает свойствами языка манипулирования данными, SQL сочетает в себе свойства языков обоих типов.

СУБД реализует следующие основные функции низкого уровня:

* управление данными во внешней памяти;

* управление буферами оперативной памяти;

* управление транзакциями;

* ведение журнала изменений в БД;

* обеспечение целостности и безопасности БД.

Реализация функции управления данными во внешней памяти обес­печивает организацию управления ресурсами в файловой системе ОС.

Необходимость буферизации данных обусловлена тем, что объем оперативной памяти меньше объема внешней памяти. Буферы пред­ставляют собой области оперативной памяти, предназначенные для ускорения обмена между внешней и оперативной памятью. В буферах временно хранятся фрагменты БД, данные из которых предполагает­ся использовать при обращении к СУБД или планируется записать в базу после обработки.

Механизм транзакций используется в СУБД для поддержания це­лостности данных в базе. Транзакцией называется некоторая недели­мая последовательность операций над данными БД, которая отсле­живается СУБД от начала и до завершения. Если по каким-либо причинам (сбои и отказы оборудования, ошибки в программном обес­печении, включая приложение) транзакция остается незавершенной, то она отменяется.

Транзакции присущи три основных свойства:

* атомарность (выполняются все входящие в транзакцию операции или ни одна);

* сериализуемость (отсутствует взаимное влияние выполняемых в одно и то же время транзакций);

* долговечность (даже крах системы не приводит к утрате резуль­татов зафиксированной транзакции).

Примером транзакции является операция перевода денег с одного счета на другой в банковской системе. Сначала снимают деньги с од­ного счета, затем начисляют их на другой счет. Если хотя бы одно из действий не выполнится успешно, результат операции окажется не­верным и будет нарушен баланс операции.

Ведение журнала изменений выполняется СУБД для обеспечения надежности хранения данных в базе при наличии аппаратных и про­граммных сбоев.

Обеспечение целостности БД составляет необходимое условие успешного функционирования БД, особенно при ее сетевом исполь­зовании. Целостность БД — это свойство базы данных, означающее, что в ней содержится полная, непротиворечивая и адекватно отража­ющая предметную область информация. Целостное состояние БД опи­сывается с помощью ограничений целостности в виде условий, кото­рым должны удовлетворять хранимые в базе данные.

Обеспечение безопасности достигается в СУБД шифрованием дан­ных, парольной защитой, поддержкой уровней доступа к базе данных и отдельным ее элементам (таблицам, формам, отчетам и др.).

Этапы создания БД.

Проектирование баз данных информационных систем является до­статочно трудоемкой задачей. Оно осуществляется на основе форма­лизации структуры и процессов предметной области, сведения о которой предполагается хранить в БД. Различают концептуальное и схемно-структурное проектирование.

Концептуальное проектирование БД ИС является в значительной степени эвристическим процессом. Адекватность построенной в его рамках инфологической модели предметной области проверяется опытным путем, в процессе функционирования ИС.

Перечислим этапы концептуального проектирования:

1. Изучение предметной области для формирования общего пред­ставления о ней;

2. Выделение и анализ функций и задач разрабатываемой ИС;

3. Определение основных объектов-сущностей предметной области
и отношений между ними;

4. Формализованное представление предметной области.

При проектировании схемы реляционной БД можно выделить сле­дующие процедуры:

1.Определение перечня таблиц и связей между ними;

2.Определение перечня полей, типов полей, ключевых полей каж­дой таблицы (схемы таблицы), установление связей между таб­лицами через внешние ключи;

3.Установление индексирования для полей в таблицах;

4.Разработка списков (словарей) для полей с перечислительными
данными;

5.Установление ограничений целостности для таблиц и связей;

6.Нормализация таблиц, корректировка перечня таблиц и связей.

Реляционные БД.

Реляционная база данных представляет собой множество взаимосвязанных таблиц, каждая из которых содержит информацию об объектах определенного вида. Каждая строка таблицы содержит данные об одном объекте (например, автомобиле, компьютере, клиенте), а столбцы таблицы содержат различные характеристики этих объектов - атрибуты (например, номер двигателя, марка процессора, телефоны фирм или клиентов).

Строки таблицы называются записями. Все записи таблицы имеют одинаковую структуру - они состоят из полей (элементов данных), в которых хранятся атрибуты объекта (рис. 1). Каждое поле записи содержит одну характеристику объекта и представляет собой заданный тип данных (например, текстовая строка, число, дата). Для идентификации записей используется первичный ключ. Первичным ключом называется набор полей таблицы, комбинация значений которых однозначно определяет каждую запись в таблице.

Первичный ключ

В каждой таблице БД может существовать первичный ключ. Под первичным ключом понимают поле или набор полей, однозначно (уникально) идентифицирующих запись. Первичный ключ должен быть минимально достаточным: в нем не должно быть полей, удаление которых из первичного ключа не отразится на его уникальности.

Данные таблицы «Преподаватель»

Таб. №	ФИО	Уч. степень	Уч. звание	Код кафедры
	Андреев А.П.	Д-р техн. наук	Профессор
	Апухтин И.С.	Канд. техн. наук	Доцент
	Глухов И.Л.	Канд. техн. наук	Доцент
	Сеченов Ю.Б.	Канд. техн. наук	Доцент

В качестве первичного ключа в таблице «Преподаватель» может выступать только «Таб. №», значения других полей могут повторяться внутри данной таблицы.

Вторичный ключ

Вторичные ключи - это основной механизм для организации связей между таблицами и поддержания целостности и непротиворечивости информации в базе данных.

Вторичный – это поле таблицы, которое может содержать только те значения, которые находятся в ключевом поле другой таблицы, на которую ссылается вторичный ключ. Вторичный ключ связывает две таблицы.

Между двумя или более таблицами базы данных могут существовать отношения подчиненности. Отношения подчиненности определяют, что для каждой записи главной таблицы {master,называемой еще родительской} может существовать одна или несколько записей в подчиненной таблице {detail, называемой еще дочерней}.

Существует три разновидности связей между таблицами базы данных:

- «один-ко-многим»

- «один-к-одному»

- «многие-ко-многим»

Отношение «один-к-одному» имеет место, когда одной записи в родительской таблице соответствует одна запись в дочерней таблице.

Отношение «многие-ко-многим» имеет место, когда:

а) записи в родительской таблице может соответствовать больше одной записи в дочерней таблице;

б) записи в дочерней таблице может соответствовать больше одной записи в родительской таблице.

Отношение «один-ко-многим» имеет место, когда одной записи родительской таблицы может соответствовать несколько записей в дочерней таблице.

Физическая и логическая модели БД

Логическая модель данных. На следующем, более низком уровне находится логическая модель данных предметной области. Логическая модель описывает понятия предметной области, их взаимосвязь, а также ограничения на данные, налагаемые предметной областью. Примеры понятий - "сотрудник", "отдел", "проект", "зарплата". Примеры взаимосвязей между понятиями - "сотрудник числится ровно в одном отделе", "сотрудник может выполнять несколько проектов", "над одним проектом может работать несколько сотрудников". Примеры ограничений - "возраст сотрудника не менее 16 и не более 60 лет".

Логическая модель данных является начальным прототипом будущей базы данных. Логическая модель строится в терминах информационных единиц, но без привязки к конкретной СУБД. Более того, логическая модель данных необязательно должна быть выражена средствами именно реляционной модели данных. Основным средством разработки логической модели данных в настоящий момент являются различные варианты ER-диаграмм (Entity-Relationship, диаграммы сущность-связь). Одну и ту же ER-модель можно преобразовать как в реляционную модель данных, так и в модель данных для иерархических и сетевых СУБД, или в постреляционную модель данных. Однако, т.к. мы рассматриваем именно реляционные СУБД, то можно считать, что логическая модель данных для нас формулируется в терминах реляционной модели данных.

Решения, принятые на предыдущем уровне, при разработке модели предметной области, определяют некоторые границы, в пределах которых можно развивать логическую модель данных, в пределах же этих границ можно принимать различные решения. Например, модель предметной области складского учета содержит понятия "склад", "накладная", "товар". При разработке соответствующей реляционной модели эти термины обязательно должны быть использованы, но различных способов реализации тут много - можно создать одно отношение, в котором будут присутствовать в качестве атрибутов "склад", "накладная", "товар", а можно создать три отдельных отношения, по одному на каждое понятие.

При разработке логической модели данных возникают вопросы: хорошо ли спроектированы отношения? Правильно ли они отражают модель предметной области, а следовательно и саму предметную область?

Физическая модель данных. На еще более низком уровне находится физическая модель данных. Физическая модель данных описывает данные средствами конкретной СУБД. Мы будем считать, что физическая модель данных реализована средствами именно реляционной СУБД, хотя, как уже сказано выше, это необязательно. Отношения, разработанные на стадии формирования логической модели данных, преобразуются в таблицы, атрибуты становятся столбцами таблиц, для ключевых атрибутов создаются уникальные индексы, домены преображаются в типы данных, принятые в конкретной СУБД.

Ограничения, имеющиеся в логической модели данных, реализуются различными средствами СУБД, например, при помощи индексов, декларативных ограничений целостности, триггеров, хранимых процедур. При этом опять-таки решения, принятые на уровне логического моделирования определяют некоторые границы, в пределах которых можно развивать физическую модель данных. Точно также, в пределах этих границ можно принимать различные решения. Например, отношения, содержащиеся в логической модели данных, должны быть преобразованы в таблицы, но для каждой таблицы можно дополнительно объявить различные индексы, повышающие скорость обращения к данным. Многое тут зависит от конкретной СУБД.

При разработке физической модели данных возникают вопросы: хорошо ли спроектированы таблицы? Правильно ли выбраны индексы? Насколько много программного кода в виде триггеров и хранимых процедур необходимо разработать для поддержания целостности данных?