Понятие базы данных и системы баз данных

С начала развития вычислительной техники образовались два основных направления ее использования:

· выполнение расчетов, которые невозможно производить вручную;

· создание автоматизированных информационных систем (АИС).

Создание АИС стало возможным с появлением жестких дисков большой емкости, обеспечивающих произвольный доступ к данным. Это предопределило развитие АИС разного назначения и масштаба, в первую очередь в области бизнес-приложений. Примерами являются автоматизированные системы управления предприятием, банковские системы, системы резервирования и продажи билетов.

Параллельно развивались системы управления физическими экспериментами, обеспечивающие оперативную обработку в реальном времени огромных потоков данных от датчиков, и автоматизированные библиотечные информационно-поисковые системы. Все это привело к появлению новой информационной технологии интегрированного хранения и обработки данных – концепции баз данных.

Система баз данных (СБД)– это система специально организованных данных (баз данных), программных, технических, языковых, организационно-методических средств для централизованного накопления и коллективного многоцелевого использования данных.

Терминологическое единство в рассматриваемой сфере отсутствует. Термин «система баз данных» (database system) широко используется в современной англоязычной литературе для определения человеко-машинной системы, включающей БД, СУБД, оборудование и персонал. Значительно реже используется термин «банк данных», который многими авторами признается архаичным.

База данных (БД)– именованная совокупность данных, отображающая состояние объектов и их отношений в рассматриваемой предметной области.

В ранних определениях БД указывалось на отсутствие дублирования данных. Однако дублирование может быть вызвано спецификой модели данных или технологическими причинами (обеспечение надежности, сокращение времени реакции). Но это должно быть отслеживаемое и управляемое дублирование.

Система управления базами данных (СУБД) – это совокупность языковых и программных средств, предназначенных для создания, ведения и совместного использования БД многими пользователями.

Иногда в составе СБД выделяют систему управления архивами. Под оперативным управлением СУБД находится часть данных, остальные данные (архивы) располагаются на носителях, не управляемых СУБД.

Основные требования к СБД можно сформулировать следующим образом:

· адекватность отображения предметной области (полнота, целостность, непротиворечивость и актуальность данных);

· возможность взаимодействия пользователей разных категорий, обеспечение высокой эффективности доступа;

· дружественность интерфейса;

· обеспечение секретности и конфиденциальности;

· обеспечение взаимной независимости программ и данных;

· обеспечение надежности – защита данных от случайного и преднамеренного разрушения, возможность восстановления данных в случае сбоев в системе;

· распределенная обработка данных и обеспечение эффективного доступа пользователей к данным в любой точке сети.

СБД является сложной человеко-машинной системой, включающей различные взаимосвязанные и взаимозависимые компоненты (подсистемы) (рис. 1).

Рис. 1. Компоненты СБД

Данные, отражающие состояние предметной области и используемые АИС, принято называть информационной базой. Информационная база включает:

· собственно данные;

· метаданные (описания этих данных).

Данные отделены от описаний, но в то же время данные не могут использоваться без обращения к соответствующим описаниям.

Языковые средства СУБД являются важнейшим компонентом СБД, так как обеспечивают интерфейс пользователей разных категорий с СБД (рис. 2). Языковые средства современных СУБД относятся к 4-му поколению.

Рис. 2. Классификация языковых средств СБД

На рис. 3 приведены компоненты языка 4-го поколения. К 1-му поколению относят машинные языки, ко 2-му – языки ассемблера, к 3-му – алгоритмические языки типа PL и Cobol, которые назывались языками высокого уровня, но уровень которых гораздо ниже, чем у языков 4-го поколения. К 5му поколению относят языки систем искусственного интеллекта (Prolog).

Для выражения обобщенного взгляда на данные применяют язык описания данных (ЯОД), включаемый в состав СУБД. ЯОД позволяет определять схемы БД, характеристики хранимых данных, параметры хранения их в памяти и может включать средства поддержки целостности, ограничения доступа, секретности. Одна БД на ЯОД разных СУБД может описываться по-разному.

Рис. 3. Компоненты языка 4-го поколения

Язык манипулирования данными (ЯМД) включает в себя средства запросов к БД и поддержания БД (добавление, удаление, обновление данных, создание и уничтожение БД, обеспечение запросов к справочнику БД). ЯМД разделяются:

На

o процедурные;

Программные средства СБД представляют собой сложный комплекс, обеспечивающий взаимодействие всех частей системы (рис. 4).

Рис. 4. Программные средства СБД

Программная составляющая СБД осуществляет обработку данных и взаимодействие с операционной системой (ОС) и прикладными программами. Взаимосвязь компонентов этого комплекса программных средств показана на рис. 5.

Рис. 5. Программная составляющая СБД

В составе комплекса выделяют следующие компоненты:

· ядро, обеспечивающее управление данными во внешней и оперативной памяти, а также протоколирование изменений;

· процессор языка БД, обеспечивающий обработку и оптимизацию запросов на выборку и изменение данных;

· подсистему (библиотеку) поддержки программных вызовов, которая обслуживает прикладные программы управления данными, взаимодействующие с СУБД через средства пользовательского интерфейса;

· сервисные программы (системные и внешние утилиты), обеспечивающие настройку СУБД, восстановление после сбоев и другое обслуживание.

Необходима координация между ОС и СУБД. Многопользовательские приложения, обработка распределенных запросов требуют эффективного использования ресурсов, которыми управляет ОС. Управление доступом и обеспечение защиты также интегрируются с соответствующими средствами ОС.

К техническим средствам СБД относятся: ЭВМ, периферийные средства ввода информации в БД, средства хранения данных и отображения выводимой информации. Для сетевых СБД необходимы коммуникационные средства (рис. 6).

Рис. 6. Технические средства СБД

В качестве ЭВМ используются универсальные компьютеры и специализированные серверы – машины с повышенной отказоустойчивостью, высокопроизводительными подсистемами ввода-вывода и развитой периферией. Для распределенных БД важны коммуникационное оборудование и сетевые протоколы. Специализированные технические средства – машины баз данных и сетевые компьютеры без дисковых накопителей широкого распространения не нашли. Карманные ПК используются в качестве коммуникационных устройств для доступа мобильных пользователей к корпоративным данным в глобальных сетях.

В СБД выполняются операции по вводу, хранению, обработке и выводу информации (рис. 7). При выполнении этих операций используются различные технологии и различные технические и программные средства.

Рис. 7. Операции с БД

Организационно-методические средства СБД представляют собой инструкции, методические и регламентирующие материалы для пользователей разных категорий. К ним же относятся методики проектирования БД.