Информационныесистемыи базыданных Лекция 8.ermak.cs.nstu.ru/neurotech/html/metodmat/Automat2011/Lect8_1.pdf · ГавриловА.В. НГТУ,

Информационные системы ибазы данныхЛекция 8.АХТП

Гаврилов А.В. НГТУ, кафедра АППМ

2

ЛитератураБазы данных: модели, разработка, реализация / Т, С. Карпова. — СПб.: Питер,2001. М.Р. Когаловский. “Энциклопедия технологий базданных”. М. Финансы и статистика, 2002. К. Дейт. “Введение в системы баз данных”. 7-еизд., М.; СПб.: Вильямс.- 2001 Введение в системы управления базами данныхПушников А.Ю.


3

Области использования ВТПервая область — применение вычислительнойтехники для выполнения численных расчетов, которые слишком долго или вообще невозможнопроизводить вручную. Характерной особенностью данной областиприменения вычислительной техники является

наличие сложных алгоритмов обработки, простые по структуре данные, объем данных сравнительно невелик.


4

2-ая область применения

Вторая область — это использованиесредств вычислительной техники вавтоматизированных информационныхсистемах


5

Функции информационныхсистемИнформационная система представляет собойпрограммно-аппаратный комплекс, обеспечивающий выполнение следующихфункций:

Надежное хранение информации в памяти компьютера;Выполнение специфических для данного приложенияпреобразований информации и вычислений;Предоставление пользователям удобного и легкоосваиваемого интерфейса.


6

Особенности ИСБольшие объемы информации, Сложная структура данных

Классическими примерамиинформационных систем являютсябанковские системы, системырезервирования авиационных илижелезнодорожных билетов, мест вгостиницах, база данных опроизводственном подразделении илипроцессе и т. д.


7

Долговременная памятьстарых компьютеров

на заре вычислительной техники возможности компьютеровпо хранению информации были очень ограниченными.В первых компьютерах использовались два вида устройстввнешней памяти — магнитные ленты и барабаны. Емкость магнитных лент была достаточно велика, но посвоей физической природе они обеспечивалипоследовательный доступ к данным. Магнитные барабаны давали возможность произвольногодоступа к данным, но имели ограниченный объем хранимойинформации.Эти ограничения не являлись слишком существенными длячисто численных расчетов


8

Именно требования нечисловых приложенийвызвали появление съемных магнитных дисков сподвижными головками, что явилось революциейв истории вычислительной техники.

Эти устройства внешней памяти обладалисущественно большей емкостьюобеспечивали удовлетворительную скоростьдоступа к данным в режиме произвольнойвыборки, возможность смены дискового пакета наустройстве позволяла иметь практическинеограниченный архив данных.


9

С появлением магнитных дисков началасьистория систем управления данными вовнешней памяти.


10

Файлы и файловыесистемыС точки зрения прикладной программы, файл —это именованная область внешней памяти, вкоторую можно записывать и из которой можносчитывать данные.

Система управления файлами берет на себяраспределение внешней памяти, отображение имен файлов в соответствующиеадреса во внешней памятии обеспечение доступа к данным.


11

Зависимость от данныхструктура записи файла была известна только программе, которая с ним работаладля того, чтобы извлечь некоторую информацию из файла, необходимо было точно знать структуру записи файла сточностью до бита. Каждая программа, работающая с файлом, должна былаиметь у себя внутри структуру данных, соответствующуюструктуре этого файла. Поэтому при изменении структуры файла требовалосьизменять структуру программыТакая ситуации характеризовалась как зависимостьпрограмм от данных.Это было первым существенным недостатком файловыхсистем, который явился толчком к созданию новых системхранения и управления информацией.


12

Авторизация доступаВ большинстве современных систем управления файламиприменяется подход к защите файлов, впервыереализованный в ОС UNIX. Администрирование режимом доступа к файлу в основномвыполняется его создателем-владельцем. Для множества файлов, отражающих информационнуюмодель одной предметной области, такойдецентрализованный принцип управления доступомвызывал дополнительные трудности.Отсутствие централизованных методов управлениядоступом к информации послужило еще одной причинойразработки СУБД.


13

Параллельная работанеобходимость обеспечения эффективнойпараллельной работы многих пользователей содними и теми же файлами.Если все пользователи собираются толькочитать файл, то все нормально.Но если хотя бы один из них будет изменятьфайл, для корректной работы этихпользователей требуется взаимнаясинхронизация их действий по отношению кфайлу.


14

Первый этап — базыданных на больших ЭВМ

История развития СУБД насчитываетболее 30 лет. В 1968 году была введена в эксплуатациюпервая промышленная СУБД система IMS фирмы IBM. В 1975 году появился первый стандартассоциации по языкам систем обработкиданных - Conference of Data System Languages (CODASYL),


15

В дальнейшее развитие теории базданных большой вклад был сделанамериканским математиком Э. Ф. Коддом, который является создателемреляционной модели данных. В 1981 году Э. Ф. Кодд получил засоздание реляционной модели иреляционной алгебры престижную премиюТьюринга Американской ассоциации повычислительной технике.


16

четыре этапа в развитииобработки данных.Этап 1:

Первый этап развития СУБД связан с организацией базданных на больших машинах типа IBM 360/370, ЕС-ЭВМ имини-ЭВМ типа PDP11 (фирмы Digital Equipment Corporation – DEC)Базы данных хранились во внешней памяти центральнойЭВМ, пользователя-ми этих баз данных были задачи, запускаемые в основном в пакетном режиме. Интерактивный режим доступа обеспечивался с помощьюконсольных терминалов, которые не обладалисобственными вычислительными ресурсами (процессором, внешней памятью) и служили только устройствами ввода-вывода для центральной ЭВМ


17

Особенности этого этапаразвития выражаются вследующем

Все СУБД базируются на мощных мультипрограммныхоперационных системах (MVS SVM, RTE, OSRV, RSX, UNIX), поэтому в основном поддер-живается работа сцентрализованной базой данных в режиме распределенно-годоступа.Функции управления распределением ресурсов в основномосуществляются операционной системой (ОС),Поддерживаются языки низкого уровня манипулированияданными, ориен-тированные на навигационные методыдоступа к данным.Значительная роль отводится администрированию данных.


18

Этап 2:Проводятся серьезные работы по обоснованию иформализации реляционной модели данных, и была созданапервая система (System R), реализующая идеологиюреляционной модели данных.Проводятся теоретические работы по оптимизации запросови управлению распределенным доступом кцентрализованной БД, было введено понятие транзакции.Результаты научных исследований открыто обсуждаются впечати, идет мощный поток общедоступных публикаций, касающихся всех аспектов теории и практики баз данных, ирезультаты теоретических исследований активновнедряются в коммерческие СУБД,Появляются первые языки высокого уровня для работы среляционной моделью данных. Однако отсутствуютстандарты для этих первых языков.


19

Эпоха персональныхкомпьютеровЭтап 3:

Все СУБД были рассчитаны на создание БД в основном смонопольным доступом.В редких случаях предполагаласьпоследовательная работа нескольких поль-зователей, например, сначала оператор, который вводил бухгалтерскиедоку-менты, а лотом главбух, который определял проводки, соответствующие пер-вичным документам.Большинство СУБД имели развитый и удобныйпользовательский интерфейс. Инструментальная средасостояла из готовых элементов приложения в видешаблонов экранных форм, 'отчетов, (этикеток'(Labels), графических конструкторов запросов, которые достаточнопросто могли быть собраны в единый комплекс.


20

Во всех настольных СУБД поддерживался только внешнийуровень представления реляционной модели, то есть тольковнешний, табличный вид структур данных.При наличии высокоуровневых языков манипулированияданными типа реляционной алгебры и SQL в настольныхСУБД поддерживались низкоуровневые языкиманипулирования данными на уровне отдельных строктаблиц.В настольных СУБД отсутствовали средства поддержкиссылочной и структурной целостности базы данных. Этифункции должны были выполнять приложения, однакоскудость средств разработки приложений иногда непозволяла это сделать, и в этом случае эти функции должныбыли выполняться пользователем, требуя от негодополнительного контроля при вводе и измененииинформации, хранящейся в БД.


21

Наличие монопольного режима работыфактически привело к вырождениюфункций администрирования БД и в связис этим - к отсутствию инструментальныхсредств администрирования БД.И, наконец, последняя и в настоящиймомент весьма положительнаяособенность - это сравнительно скромныетребования к аппаратному обеспечениюсо стороны настольных СУБД.


22

В принципе, их даже трудно назватьполноценными СУБД, Яркие представители этого семейства —очень широко использовавшиеся донедавнего времени СУБД Dbase (DbaseIII+, DbaselV), FoxPro, Clipper, Paradox.


23

Распределенные базы данных

Этап 4:Практически все современные СУБД обеспечивают поддержкуполной реляционной модели, а именно:структурной целостности — допустимыми являются толькоданные, представленные в виде отношений реляционноймодели;языковой целостности, то есть языков манипулированияданными высокого уровня (в основном SQL);ссылочной целостности, контроля за, соблюдением ссылочнойцелостности в течение всего времени функционированиясистемы, и гарантий не возможности со стороны СУБДнарушить эти ограничения,Большинство современных СУБД рассчитаны намногоплатформенную архитектуру,


24

Необходимость поддержки многопользовательской работы сбазой данных и возможность децентрализованного храненияданных потребовали развития средств администрированияБД с реализацией общей концепции средств за-щитыданных.Потребность в новых реализациях вызвала созданиесерьезных теоретических трудов по оптимизацииреализаций распределенных БД и работе сраспределенными транзакциями и запросами с внедрениемполученных результатов в коммерческие СУБД.Для того чтобы не потерять клиентов, которые ранееработали на настольных СУБД, практически всесовременные СУБД имеют средства подключенияклиентских приложений, разработанных с использованиемнастольных СУБД, и средства экспорта данных из форматовнастольных СУБД второго этапа развития.


25

Именно к этому этапу можно отнести разработку рядастандартов в рамках языков описания и манипулированияданными начиная с SQL89, SQL92, SQL99 и технологий пообмену данными между различными СУБД, к которым можноотнести и протокол ODBC (Open DataBase Connectivity), предложенный фирмой Microsoft.Именно к этому этапу можно отнести начало работ, связанных с концепцией объектно-ориентированных БД -СУБД. Представителями СУБД, относящимся к этому этапу, можносчитать MS Access и все современные серверы баз данныхОгасlе7, Огас1е 8.4, MS SQL6.5, MS SQL7.0, System 10, System 11, Informix, DB2, SQL Base и другие современныесерверы баз данных, которых в настоящий моментнасчитывается несколько десятков.


26

Основные функции СУБД1. создание (конструирование) базы данных

путем описания структуры хранимойинформации и взаимосвязей между еечастями;

2. занесение, хранение и удалениеинформации из базы данных - т. е. поддержание БД в актуальномсостоянии;

3. обслуживание выборок и запросовпользователей


27

Основные функции СУБД

1.Непосредственное управление данными во внешней памятиЭта функция включает обеспечение необходимых структур внешней памяти как для храненияданных, непосредственно входящих в БД, так и для служебных целей, например, дляубыстрения доступа к данным2.Управление буферами оперативной памятиСУБД обычно работают с БД значительного размера. Практически единственным способомреального увеличения скорости работы с такими БД является буферизация данных воперативной памяти.

3.Управление транзакциямиТранзакция - это последовательность операций над БД, рассматриваемых СУБД какединое целое. Либо транзакция успешно выполняется, и СУБД фиксирует (COMMIT) изменения БД, произведенные этой транзакцией, во внешней памяти, либо ни одно изэтих изменений никак не отражается на состоянии БД. Понятие транзакции необходимодля поддержания логической целостности БД.

4.Поддержка языков БДДля работы с базами данных используются специальные языки, в целом называемыеязыками баз данных.

5.ЖурнализацияОдним из основных требований к СУБД является надежность хранения данных во внешней памяти,поэтому большинство СУБД на сегодняшний день являются журналируемыми, то есть все данныеподлежат детальной «описи»


28

Схема обработки данных винформационной системе

пользова-тель

прикладныепрограммы

системауправления

базами данныхоперационная

система

информа-ция

Логическоеописание данных

Физическоеописание данных


29

Технологическая схемаработы СУБД

Прикладнаяпрограмма

Рабочаяобласть

состояние

подсхемаприкладнойпрограммы

схема

описаниефизическойорганизациибазы данных

системауправлениябазой данных

операционнаясистема

физическая базаданных

системныебуферы

1 2

3

45

6

8

7

11

10

9


30

1. Прикладная программа выдает запрос на чтение записисистеме управления базой данных (1). Программа сообщаетимя пользователя, затребовавшего данные и передает взапросе значение ключа сегмента или записи.

2. Система управления базой данных получает в распоряжениеподсхему, используемую прикладной программой (описаниеданных для прикладной программы), и осуществляет в нейпоиск описания данных на которые выдан запрос (2).

3. Система управления базой данных получает в распоряжениесхему (глобальное логическое описание данных) и с еепомощью определяет какого типа или каких типов логическиеданные необходимы (3).

4. Система управления базой данных просматривает описаниефизической организации базы данных и определяет, какуюфизическую запись (или запись) требуется считать (4).


31

5. Система управления базой данных выдает операционнойсистеме команду чтения (5) требуемой записи (или записей).

6. Операционная система взаимодействует с физическойпамятью, в которой хранятся данные (6).

7. Запрошенные данные передаются из памяти в системныебуферы (7).

8. Система управления базой данных, осуществляя сравнениесхемы и подсхемы, выделяет ту логическую запись, котораязапрошена прикладной программой (8). Любоепреобразование данных, необходимость в котором возникаетиз-за различия в описании одних тех же данных в схеме иподсхеме, выполняется системой управления базой данных.

9. Система управления базой данных передает данные изсистемных буферов в рабочую область прикладнойпрограммы (9).

10. Система управления базой данных передает прикладнойпрограмме информацию о результатах выполнения различныхпроцедур по обслуживанию запроса (10). Эта информациясодержит также сведения об ошибках, если они имеют место.

11. Прикладная программа обрабатывает данные, помещенные вее рабочую область (11).


32

Этапы разработкиинформационных систем

1. Постановка задачи. Необходимо четко сформулировать цель работы, предполагаемыерезультаты, объем работ, который предполагается выполнять на ЭВМ; оценить имеющеесяпрограммное обеспечение и стоимость закупки или разработки недостающего; решитьвопрос о целесообразности разработки; подготовить проект договора, техническоезадание, календарный план, соглашение о цене.

2. Обследование предметной области, то есть структуры, функциональных связей идокументооборота предприятия. Разработка требований к блокам ИС.

3. Разбиение общих задач на отдельные блоки, обоснование целесообразностиавтоматизации отдельных задач, выбор состава и очередности решения задач

4. Концептуальное проектирование: исследование потоков и структуры информации, построение функционально-информационной схемы (концептуальной схемы) иструктурных единиц информации (часто на основе реально используемых документов инормативно-справочного обеспечения). Этап заканчивается построением модели“сущность-связь” – неформальной модели предметной области, позволяющейописывать объекты предметной области и их взаимоотношения. Основным достоинствоммодели является ее относительная простота и понятность за счет примененияестественного языка, что позволяет использовать модель в качестве инструмента общенияразработчика и будущего пользователя при сборе информации о предметной области базыданных. Сущность – это собирательное понятие, некоторая абстракция реальносуществующего объекта, процесса или явления, о котором необходимо хранитьинформацию в системе. В качестве сущностей в моделях предметной областирассматривают материальные (предприятия, изделия, сотрудники и т. п.) и нематериальные(явления, структуры) объекты реальной действительности. В моделях предметной областитипа “сущность-связь” каждая рассматриваемая конкретная сущность является узловойточкой сбора информации об этой сущности. В модели используется также понятие“экземпляр сущности”. Графически модель “сущность-связь” представляется в виде ER-диаграмм (Entity-Relation Diagrams).


33

5. Проектирование реализации: формальное описание задач, разработка блок-схем программного обеспечения, составлениеспецификации программных модулей, подлежащих реализации.

6. Разработка алгоритма и отладка программ. Алгоритм – этоконечная последовательность точно определенных действий, однозначно определяющая процесс преобразования исходных ипромежуточных данных, приводящий к решению задачи.

7. Трансляция программ. Транслятор – это программа, переводящая текст программы, написанный на алгоритмическомязыке, в машинные коды.

8. Тестирование программ. Программа, не имеющая синтаксическихошибок, может иметь логические ошибки и выдавать неверныерезультаты. Поэтому как отдельные блоки, так и программа вцелом должны быть проверены с помощью тестовых задач сизвестными решениями.


34

9. Подготовка инструкции пользователю. Программа должнабыть эргономичной, то есть обеспечивать удобный диалог спользователем. Набор подсказок, как правило, включается вменю и специальный блок программы.

10. Обеспечение секретности информации иадминистрирование системы, то есть настройка системыдопусков и паролей, а также ликвидация сбоев в работесистемы.

11. Совершенствование системы. Серьезные фирмы-поставщики программного обеспечения не прерываютсвязей с клиентами и снабжают их новыми программнымиблоками по льготным ценам.

Информационныесистемыи базыданных Лекция 8.ermak.cs.nstu.ru/neurotech/html/metodmat/Automat2011/Lect8_1.pdf · ГавриловА.В. НГТУ,

Documents