Работа с базами данных 2 (стр. 9 из 18)
СУБД — это набор ПС, позволяющий:
1) Описать и манипулировать данными, для чего предназначены соответствующие языки: язык описания данных (ЯОД) и язык манипулирования данными (ЯМД). Термин ЯД означает либо оба, либо один из названных языков. ЯД может быть включен в универсальный язык, либо представлять собой оригинальное языковое средство. В первом случае, включаемый язык называется подъязыком данных, во втором автономным ЯД.
2) Поддерживать модели данных пользователя.
3) Обеспечить защиту и целостность данных. Защита — это использование БД, пользователями имеющими на это право. Целостность — поддержка согласованности данных.
Логически в современных СУБД можно выделить:
1) Внутренняя часть — ядро СУБД (Data Base Engine — DBE).
2) Компилятор языка БД (SQL).
3) Набор утилит.
Ядро отвечает за следующие процессы:
1) Управление данными во внешней памяти.
2) Управление буферами оперативной памяти.
3) Управление транзакциями.
4) Журнализация.
Выделяют следующие компоненты ядра (DBE):
1) Менеджер данных.
2) Менеджер буфера.
3) Менеджер транзакций.
4) Менеджер журнала.
Ядро СУБД обладает собственным интерфейсом, недоступным пользователю напрямую. Этот интерфейс используется программами,производимыми компилятором SQL и утилитами БД.
При использовании архитектуры "клиент-сервер" ядро является основной составляющей сервера.
Основная функция компилятора — компиляция операторов языка БД в некоторую программу. Основной проблемой реляционных СУБД является то, что языки этих систем (SQL) являются непроцедурными.
2.2.1 Требования к современной СУБД
Традиционные файловые системы характеризуются тесной связью между физическими данными и прикладной программой. В ней отсутствуют практически все средства, предлагаемые СУБД.
Перечислим основные проблемы, возникающие в файловых системах:
1) Зависимость данных;
2) Жесткость и статичность;
3) Дублирование данных;
4) Отсутствие интеграции;
5) Невозможность обработки нетипичных запросов.
Современные СУБД разрабатываются с целью устранения этих недостатков.
Основные требования:
1) Независимость данных. Одна из самых важных задач при разработке БД — спроектировать ее так, чтобы изменение БД можно было выполнить без модификации прикладных программ. Для реализации этого требования структура БД должна отвечать требованиям физической и логической независимости данных. Физическая независимость данных — когда в файловой организации данных и в аппаратных средствах вносятся изменения, они должны быть отражены в ПО БД (т.е. в СУБД), но не должны затрагивать прикладные программы. Логическая независимость данных — представление данных в прикладной программе должно быть защищено от изменения:
- в глобальной логической структуре;
- в требованиях данных других прикладных программ.
Примеры возможных изменений:
а) модификация старых прикладных программ;
б) добавление новых прикладных программ, использующих новые типы данных;
в) добавление новых полей и создание новых связей.
Для достижения такой независимости необходимо отделить представление данных в каждой прикладной программе от общего логического представления и обеспечить возможность добавления новых полей в запись без перезаписи тех прикладных программ, которые используют эту запись. Тогда перечисленные изменения приведут к модификации общего логического представления и не коснутся прикладной программы.
Должны существовать три отдельных представления организации БД:
- физическое;
- общелогическое (концептуальная модель);
- представление данных в прикладных программах.
Итак, при логической независимости данных изменения ни в СУБД, ни в других прикладных программах не должны привести, в идеале, к изменению программы пользователя.
2) Универсальность. СУБД должна поддерживать разные модели данных.
3) Совместимость. Сохранение работоспособности при развитии программного и аппаратного обеспечения.
4) Минимальная избыточность данных.
5) Целостность данных.
а) физическая — защита данных от физических разрушений. Обеспечивается средствами ведения журнального файла, в котором регистрируются все изменения БД с некоторого момента времени. На момент начала веденияжурнального файла создается копия БД.
б) логическая — предупреждает неверное использование данных. Обеспечивается механизмом управления доступом к данным. Ограничение доступа ко всей БД, доступ не ко всей записи, а только к ее части, заданной областью допустимых значений.
в) семантическая — поддерживает осмысленное сочетание разных данных.
6) Защита данных от несанкционированного доступа.
а) конфиденциальность —защита от несанкционированного получения данных;
б) целостность — защита от несанкционированного изменения данных;
в) доступность — защита от несанкционированного удержания данных.
7) Обеспечение коллективного доступа к данным. Поскольку данные интегрированы, возникает проблема синхронизации параллельного доступа к одним и тем же данным многих пользователей. Обычно проблема возникает при записи. Также проблема возникает, когда процедура обновления завершается аварийно. В этом случае до разблокировки необходимо выполнить откат, или восстановление назад. При откате будут уничтожены все изменения БД, инициированные процедурой обновления.
8) СУБД должна поддерживать как централизованные, так и распределенные БД.
Существует несколько уровней представления данных:
1) Описание конкретного конечного пользователя, имеющего локальное описание;
2) Общее логическое описание, интегрирующее описание локальных пользователей;
3) Описание физической организации БД.
Описание модели на каком-либо языке называется схемой. В соответствии с уровнями представления различают:
1) Подсхема, или внешняя схема — представление локального пользователя;
2) Концептуальная схема, или модель описания логической структуры БД на языке СУБД.
3) Физическая, или внутренняя схема.
Указанные виды схем связывают больше с этапом эксплуатации БД, когда БД уже спроектирована, и общая логическая схема нашла свое отражение в конкретной СУБД.
На этапе проектирования можно выделить логическое пользовательское представление и информационную схему предметной области.
Все эти разновидности уровней описания принято связывать с понятием архитектура СУБД.
Описание предметной области, выполненное без ориентации на используемые в дальнейшем программные и технические средства, называется инфологической моделью предметной области, а сам этап проектирования — инфологическим проектированием. Концептуальная модель БД является моделью логического уровня, то есть обрабатывает логические связи между элементами данных безотносительно к их содержанию и среде хранения.
Эта модель строится в соответствии терминам той конкретной СУБД, в среде которой проектируется БД. Этот этап называется даталогическим проектированием.
Описание физической структуры БД называется схемой хранения. Этот этап называется физическим проектированием. На этом этапе могут выполняться следующие работы:
1) Выбор типа носителя;
2) Способ организации данных;
3) Метод доступа;
4) Определение размера физического блока;
5) Выбор методов сжатия или отказ от них;
6) Проблема утилизации и т.д.
В большинстве настольных СУБД этот этап проектирования скрыт от пользователя.
Описание логической структуры БД с точки зрения конкретного пользователя называется подсхемой. Это внешняя модель БД. Если СУБД поддерживает схему, схему хранения и подсхему, то она является СУБД с трехуровневой архитектурой. Если СУБД поддерживает уровень подсхем, то перед проектировщиком возникает задача их определения. Это можно рассматривать как еще один этап проектирования. Если определена подсхема, то пользователь имеет доступ только к тем данным, которые отражены в соответствующей подсхеме, что является одним из способов защиты информации от несанкционированного доступа к данным. В подсхеме могут также задаваться допустимые режимы обработки, что служит дополнительным механизмом защиты информации от разрушения.
В тех случаях, когда СУБД не поддерживает подсхемы, перечисленные функции могут выполнять другие компоненты системы. Близким к понятию подсхем является понятие "представление".
2.2.3 Работа СУБД
На рисунке представлена последовательность основных действий, реализуемых СУБД в процессе считывания записи для прикладной программы.
1) Прикладная программа А выдает запрос СУБД на чтение записи.
2) СУБД получает в распоряжение подсхему, исполняемую программой А, и осуществляет в ней поиск описания данных, на которые выдан запрос.
3) СУБД получает в распоряжение схему (глобальное логическое описание данных) и с ее помощью определяет необходимый тип логических данных.
4) СУБД просматривает описание физической организации БД и определяет, какую физическую запись требуется считать.
5) СУБД выдает операционной системе команду чтения требуемой записи.
6) Операционная система взаимодействует с физической памятью, в которой хранятся данные.
7) Запрошенные данные передаются из памяти в системный буфер.
8) СУБД осуществляет сравнение схемы и подсхемы, выделяет ту логическую запись, которая запрошена прикладной программой. Любое преобразование данных, необходимость которого возникает из-за различий в описании одних и тех же данных в схеме и подсхеме, выполняется СУБД.