Функциональные возможности и производительность СУБД
Системы управления базами данных
Оглавление
1. Понятие СУБД.. 1
2. Архитектура СУБД.. 2
3. Классификация СУБД.. 5
4. Функциональные возможности и производительность СУБД.. 7
5. Режимы работы пользователя с СУБД.. 11
6. Направления развития СУБД.. 12
Понятие СУБД
В современной технологии баз данных предполагается, что создание базы данных, её поддержка и обеспечение доступа пользователей к ней осуществляются централизованно с помощью специального программного инструментария – системы управления базами данных (СУБД).
Система управления базами данных (СУБД) – это совокупность языковых и программных средств, предназначенных для создания, ведения и совместного использования БД многими пользователями.
Современная СУБД содержит в своем составе программные средства создания баз данных, средства работы с данными и сервисные средства. С помощью средств создания БД проектировщик, используя язык описания данных (ЯОД), переводит логическую модель БД в физическую структуру, а на языке манипуляции данными (ЯМД) разрабатывает программы, реализующие основные операции с данными (в реляционных БД – это реляционные операции). При проектировании привлекаются визуальные средства, т.е. объекты, и программа-отладчик, с помощью которой соединяются и тестируются отдельные блоки разработанной программы управления конкретной БД.
Средства работы с данными предназначены для пользователя БД. Они позволяют установить удобный (как правило, графически многооконный) интерфейс с пользователем, создать необходимую функциональную конфигурацию экранного представления выводимой и вводимой информации (цвет, размер и количество окон, пиктограммы пользователя и т.д.), производить операции с данными БД, манипулируя текстовыми и графическими экранными объектами.
Сервисные средства позволяют при проектировании использовании БД привлечь к работе с БД другие системы. Например, воспользоваться данными из табличного процессора Exсel или обратиться к сетевому серверу.
Рисунок 1 – Состав СУБД
Архитектура СУБД
В среде СУБД можно выделить следующих пять основных компонентов: аппаратное обеспечение, программное обеспечение, данные, процедуры и пользователи.
Аппаратное обеспечение. Для работы СУБД и приложений необходимо некоторое аппаратное обеспечение. Одни СУБД предназначены для работы только с конкретными типами операционных систем или оборудования, другие могут работать с широким кругом аппаратного обеспечения и различными операционными системами. Для работы СУБД обычно требуется некоторый минимум оперативной и дисковой памяти, но такой минимальной конфигурации может оказаться совершенно недостаточно для достижения приемлемой производительности системы.
Программное обеспечение. Этот компонент включает операционную систему, программное обеспечение самой СУБД, прикладные программы, включая и сетевое программное обеспечение, если СУБД используется в сети. Обычно приложения создаются на языках третьего поколения, таких как С, COBOL, Fortran, Ada или Pascal, или на языках четвертого поколения, таких как SQL, операторы которых внедряются в программы на языках третьего поколения. СУБД может иметь свои собственные инструменты четвертого поколения, предназначенные для быстрой разработки приложений с использованием встроенных непроцедурных языков запросов, генераторов отчетов, форм, графических изображений и даже полномасштабных приложений.
Данные – наиболее важный компонент с точки зрения конечных пользователей. База данных содержит как рабочие данные, так и метаданные, т.е. "данные о данных".
Процедуры, к которым относят инструкции и правила, которые должны учитываться при проектировании и использовании базы данных: регистрация в СУБД; использование отдельного инструмента СУБД или приложения; запуск и останов СУБД; создание резервных копий СУБД; обработка сбоев аппаратного и программного обеспечения, включая процедуры идентификации вышедшего из строя компонента, исправления отказавшего компонента (например, посредством вызова специалиста по ремонту аппаратного обеспечения), а также восстановления базы данных после устранения неисправности; изменение структуры таблицы, реорганизация базы данных, размещенной на нескольких дисках, способы улучшения производительности и методы архивирования данных на вторичных устройствах хранения.
Пользователи: клиенты БД, администратор БД, прикладные программисты. Более подробно этот компонент рассматривается в лекции №9 (Администрирование БД)
СУБД значительно различаются по характеристикам и функциям. Логически в них можно выделить три компоненты. (Рис2)
Подсистема средств проектирования представляет собой набор инструментов, упрощающих проектирование и реализацию баз данных и их приложений. Как правило, этот набор включает в себя средства для создания таблиц, форм, запросов и отчетов. В СУБД имеются также языки программирования и интерфейсы для них. Например, в Access – макроязык, не требующий глубокого знания программирования, и версия языка Basic – Visual Basic for Application.
Подсистема обработки обеспечивает обработку компонентов приложений, созданных с помощью средств проектирования. Например, в Access 2002 имеется компонент, реализующий построение формы и связывающий элементы формы с данными таблиц.
Третий компонент СУБД – ее ядро (DBMS Engine) выполняет функцию посредника между подсистемой средств проектирования и обработки и данными. Ядро СУБД получает запросы от двух других компонентов, выраженные в терминах таблиц, строк и столбцов, и преобразует эти запросы в команды операционной системы, выполняющие запись и чтение данных с физического устройства.
Кроме того, ядро СУБД участвует в управлении транзакциями, блокировке, резервном копировании и восстановлении.
Microsoft представляет два различных ядра для Access 2002: Jet Engine и SQL Server. Ядро Jet Engine используется для персональных и коллективных баз данных небольшого объема. Ядро SQL Server предназначено для крупных баз данных.
| База данных Содержит: Данные пользователей Метаданные Индексы Метаданные приложений |
| Средства проектирования Средство для создания таблиц Средство для создания форм Средство для создания запросов Средство для создания отчетов |
| Подсистема обработки Процессор форм Процессор запросов Генератор отчетов Средства обработки, реализованные на процедурных языках |
| Ядро СУБД |
 |
| |
| Разработчики |
| Пользователи |
| Прикладные программы |
| Прикладные программы |
Рисунок 2 – Компоненты системы базы данных
Классификация СУБД
Классифицировать СУБД модно, используя различные признаки классификации.
По степени универсальности различают СУБД общего и специального назначения.
СУБД общего назначения не ориентированы на какую-либо конкретную предметную область или на информационные потребности конкретной группы пользователей. Развитые функциональные возможности таких СУБД обеспечивают безболезненную эволюцию построенную на их основе автоматизированных информационных систем в рамках их жизненного цикла.
Однако в некоторых случаях доступные СУБД общего назначения не позволяют добиться требуемой производительности и/или удовлетворить заданные ограничения по объему памяти, предоставляемой для хранения БД. Тогда приходится разрабатывать специализированную СУБД для данного конкретного применения. Примером специализированной СУБД может быть система IMDASE, используемая для автоматизации проектных и конструкторских разработок.
Важнейшим классификационным признаком СУБД является тип модели данных, поддерживаемый СУБД. По этому признаку СУБД делятся на:
· иерархические. Первой иерархической СУБД была система IMS (Information Management System) компании IBM, коммерческое распространение которой началось в 1968 г.;
· сетевые. Первой сетевой СУБД считается система IDS (Integrated Data Store), разработанная компанией General Electric немного позже системы IMS;
· реляционные. Первые коммерческие реляционные СУБД от компании IBM, Oracle Corporation, relation Technology Inc. И других поставщиков появились в начале 80-х годов. Реляционные СУБД просты в использовании, повышают производительность программистов при разработке прикладных программ, хорошо приспособлены для работы в архитектуре клиент/сервер, позволяют параллельную обработку БД, хорошо приспособлены к графическим пользовательским интерфейсам. Реляционные СУБД продолжают совершенствоваться, предоставляя пользователю возможность решать все более сложные задачи;
· объектно-реляционные (постреляционные). Объектно-реляционные СУБД продолжают использовать стандартный язык запросов для реляционных БД – SQL, но с объектными расширениями;
· объектно-ориентированные. В основе объектно-ориентированных СУБД лежит объектно-ориентированная модель обработки данных.
· Многомерные, в основе которых лежит многомерная модель данных.
На самом общем уровне все СУБД можно разделить на:
- профессиональные (промышленные), которые представляют собой программную основу для разработки автоматизированных систем управления крупными экономическими объектами. На их базе создаются комплексы управления и обработки информации крупных предприятий, банков или даже целых отраслей. В настоящее время характерными представителями профессиональных СУБД являются такие программные продукты: Oracle, DB2, Sybase, Informix, Inqres, Progress.
- персональные (настольные). Это программное обеспечение, ориентированное на решение задач локального пользователя или компактной группы пользователей и предназначенная для использования на персональном компьютере, это объясняет их второе название – настольные. К ним относятся DBASE FoxBase, FoxPro, Clipper, Paradox, Access.
В настоящее время среди СУБД выделяют СУБД (условно говоря) промежуточные между профессиональными и персональными: SQL, Windows/SQL Base, Interbase, Microsoft SQL Server.
Функциональные возможности и производительность СУБД
К основным функциям СУБД относятся:
Ведение системного каталога, доступного конечным пользователям.
Системный каталог, или словарь данных, является хранилищем информации, описывающей данные в базе данных (по сути «данные о данных», или метаданные). Обычно в системном каталоге хранятся следующие сведения:
· имена, типы и размеры элементов данных;
· имена связей;
· накладываемые на данные ограничения поддержки целостности;
· имена санкционированных пользователей, которым предоставлено право доступа к данным;
· внешняя, концептуальная и внутренняя схема и отображения между ними;
· статистические данные, например частота транзакций и счетчики обращения к объектам базы данных.
Наличие системного каталога позволяет:
· централизовано хранить информацию о данных, что обеспечивает контроль доступа к этим данным и любому другому ресурсу;
· легко обнаружить избыточность и противоречивость описания отдельных элементов данных;
· проконтролировать внесение в базу данных изменений и определить их последствия еще до их внесения, поскольку в системном каталоге зафиксированы все существующие элементы данных, установленные между ними связи, а также все их пользователи;
· усилить меры обеспечения безопасности;
· выполнить аудит сохраняемой информации.
Поддержка транзакций. Транзакция представляет собой набор действий, выполняемых отдельным пользователем или прикладной программой с целью доступа или изменения содержимого базы данных. Примерами транзакций может служить добавление в базу данных сведений о новом сотруднике, обновление сведений о зарплате некоторого сотрудника, удаление сведений о сотруднике. Если во время выполнения транзакции произойдет сбой, например из-за выхода из строя компьютера, база данных попадает в противоречивое состояние, поскольку некоторые изменения уже будут снесены, а остальные нет. Поэтому все частичные изменения должны быть отменены для возвращения базы данных, в прежнее, непротиворечивое состояние. СУБД должна иметь механизм, который гарантирует выполнение либо всех операций обновления данной транзакции, либо ни одной из них.
Поддержка параллельной работы. СУБД должна иметь механизм, который гарантирует корректное обновление базы данных при параллельном выполнении операций обновления многими пользователями. Параллельный доступ сравнительно просто организовать, если все пользователи выполняют только чтение данных, поскольку в этом случае они не могут помешать друг другу. Однако, когда два или больше пользователей одновременно получают доступ к базе данных, легко может возникнуть конфликт с нежелательными последствиями.
Восстановление базы данных после сбоев. СУБД должна предоставлять средства восстановления базы данных на случай какого-либо ее повреждения или разрушения. Подобный сбой может произойти в результате выхода из строя системы или запоминающего устройства, ошибки аппаратного или программного обеспечения, которые могут привести к остановке СУБД. Кроме того, пользователь может обнаружить ошибку во время выполнения транзакции и потребовать ее отмены. Во всех случаях СУБД должна предоставлять механизм восстановления базы данных и возврата ее к непротиворечивому состоянию.
Для восстановления БД нужно располагать некоторой дополнительной информацией, т.е. поддержание надежности хранения в БД требует избыточности хранения данных, причем та часть данных, которая используется для восстановления, должна хранится особо надежно. Наиболее распространенным методом поддержания такой избыточной информации является ведение журнала изменений БД.
Журнал – это особая часть БД, недоступная пользователям СУБД и поддерживаемая с особой тщательностью (иногда поддерживаются две копии журнала, располагаемые на разных физических дисках), в которую поступают записи обо всех изменениях основной части БД.
Контроль доступа к данным. СУБД должна иметь механизм, гарантирующий возможность доступа к базе данных только санкционированных пользователей.
Поддержка обмена данными. СУБД должны поддерживать работу в локальной сети, чтобы вместо нескольких разрозненных баз данных для каждого отдельного пользователя можно было бы установить одну централизованную базу и использовать ее как общий ресурс для всех существующих пользователей. При этом предполагается, что не база данных должна быть распределена в сети, а удаленные пользователи должны иметь возможность доступа к централизованной базе данных. Такая топология называется распределенной обработкой.
Поддержка целостности данных. Целостность базы данных означает корректность и непротиворечивость хранимых данных. Она может рассматриваться как еще один тип защиты базы данных. Целостность обычно выражается в виде ограничений или правил сохранения непротиворечивости данных, которые не должны нарушаться в базе. СУБД должна обладать инструментами контроля за тем, чтобы данные и их изменения соответствовали заданным правилам.
Поддержка независимости от данных. Независимость от данных обычно достигается за счет реализации механизма поддержки представлений или подсхем. Физическая независимость от данных достигается довольно просто, так как обычно имеется несколько типов допустимых изменений физических характеристик базы данных, которые никак не влияют на представления. СУБД должна обладать инструментами поддержки независимости программ от фактической структуры базы данных.
Вспомогательные функции. СУБД должна предоставлять некоторый набор различных вспомогательных функций, обычно предназначенных для администрирования базы данных, импорта и экспорта БД, мониторинга характеристик функционирования и использования базы данных, статистического анализа (оценка производительности или степени использования базы данных), реорганизации индексов, перераспределения памяти.
На заре технологии БД было легко установить границу между СУБД и приложением: приложения были отдельными программами, которые вызывали СУБД. Сегодня, в особенности с появлением СУБД для ПК эта граница стала несколько размытой. Поэтому будем считать, что все формы, отчеты, меню, как и программный код, содержащийся в них, входят в приложение БД. Автономные программы, вызывающие СУБД также являются частью приложения. Все структуры, правила и ограничения, касающиеся таблицы, а также определения связей относятся к ведению СУБД и входит в состав БД.
Приложения выполняют пять основных функций: 1. Создание, чтение, обновление и удаление представлений. 2. Формирование представлений. 3. Реализация ограничений. 4. Обеспечение механизма безопасности и контроля. 5. Реализация логики обработки информации.
Производительность СУБД оценивается:
· временем выполнения запросов;
· скоростью поиска информации в неиндексированных полях;
· временем выполнения операций импортирования базы данных из других форматов;
· скоростью создания индексов и выполнения таких массовых операций, как обновление, вставка, удаление данных;
· максимальным числом параллельных обращений к данным в многопользовательском режиме;
· временем генерации отчета.
На производительность СУБД оказывают влияние два фактора:
· СУБД, которые следят за соблюдением целостности данных, несут дополнительную нагрузку, которую не испытывают другие программы;
· Производительность собственных прикладных программ сильно зависит от правильного проектирования и построения базы данных.
Самые быстрые программные изделия отнюдь не обладают самыми развитыми функциональными возможностями на уровне процессора СУБД.