Обеспечение баз данных. Трехуровневая архитектура БД

Тип данных. Это понятие в реляционной модели данных полностью адекватно понятию типа данных в языках про­граммирования. Обычно в современных реляционных БД до­пускается хранение символьных и числовых данных, битовых строк, специализированных числовых данных (таких как «деньги»), а также специальных «темпоральных» данных (дата, время, временной интервал). В нашем примере мы имеем дело с данными трех типов: строки символов, целые числа и «деньги».

Домен. Понятие домена более специфично для баз данных, хотя и имеет некоторые аналогии с подтипами в некоторых языках программирования. В самом общем виде домен опре­деляется заданием некоторого базового типа данных, к кото­рому относятся элементы домена, и произвольного логическо­го выражения, применяемого к элементу типа данных. Если вычисление этого логического выражения дает результат «ис­тина», то элемент данных является элементом домена. Наибо­лее правильная интуитивная трактовка понятия домена — понимание его как допустимого потенциального множества значений данного типа. Например, домен «Имена» в нашем примере определен на базовом типе строк символов, но в число его значений будут входить только те строки, которые могут изображать имя (в частности, такие строки не могут начинаться с мягкого знака). Следует отметить также семан­тическую нагрузку понятия домена: данные считаются срав­нимыми только в том случае, когда они относятся к одному домену. В нашем примере значения доменов «Номера пропус­ков» и «Номера групп» относятся к типу целых чисел, но не являются сравнимыми. В большинстве реляционных СУБД понятие домена не используется.

Схема отношения, схема базы данных. Схема отношения — это именованное множество пар имя атрибута, имя домена (или типа, если понятие домена не поддерживается). Степень, или «арность», схемы отношения — мощность этого множест­ва. Степень отношения СОТРУДНИКИ равна четырем, т. е. оно является 4-арным. Если все атрибуты одного отношения определены на разных доменах, целесообразно использовать для именования атрибутов имена соответствующих доменов (не забывая, конечно, о том, что это является всего лишь удобным способом именования и не устраняет различия меж­ду понятиями домена и атрибута). Схема БД (в структурном смысле) — это набор именованных схем отношений.

Кортеж, отношение. Кортеж, соответствующий данной схеме отношения, — это множество пар имя атрибута, значе­ние, которое содержит одно вхождение каждого имени атри­бута, принадлежащего схеме отношения. «Значение» является допустимым значением домена данного атрибута (или типа данных, если понятие домена не поддерживается). Тем самым степень, или «арность», кортежа, т. е. число элементов в нем, совпадает с «арностью» соответствующей схемы отношения. То есть кортеж — это набор именованных значений заданного типа. Отношение — это множество кортежей, соответствую­щих одной схеме отношения. Практически ориентированное понимание реляционной базы данных: обычным житейским представлением отношения является таблица, заголовок кото­рой — схема отношения, а строки — кортежи отношения-эк­земпляра; в этом случае имена атрибутов именуют столбцы этой таблицы. Поэтому иногда говорят «столбец таблицы», имея в виду «атрибут отношения». Этой терминологии при­держиваются в большинстве коммерческих реляционных СУБД. Реляционная база данных — это набор отношений, имена которых совпадают с именами схем отношений в схеме БД. Как видно, основные структурные понятия реляционной модели данных (если не считать понятия домена) имеют очень простую интуитивную интерпретацию, хотя в теории реляци­онных БД все они определяются абсолютно формально и точно.

К числу достоинств реляционного подхода можно отнести:

• наличие небольшого набора абстракций, которые позволяют сравнительно просто моделировать большую часть распространенных предметных областей и допускают точные формальные определения, оставаясь интуитивно понятными;
• наличие простого и в то же время мощного математического аппарата, опирающегося главным образом на теорию множеств и математическую логику и обеспечивающего теоретический базис реляционного подхода к организации баз данных;
• возможность ненавигационного манипулирования данными без необходимости знания конкретной физической организации баз данных во внешней памяти.

Для привязки даталогической модели к среде хранения используется физическая модель. Она определяет используемые запоминающие устройства, способ расположения элементов данных в памяти, способы физической реализации логических отношений между элементами данных. Модель физического уровня (или внутреннего уровня) строится с учетом ограничений СУБД и операционной системы.

Модель каждого из последующих уровней строится на основе фиксированных характеристик моделей предшествующих уровней (рис.12).

Рис. 12. Отражение предметной области в БД.

Указанные классы моделей имеют разный уровень абстракции. Выделение моделей разных уровней абстракции позволяет:

· разделить сложный процесс отображения «предметная область – база данных» на несколько итеративных более простых отображений;

· обеспечить специализацию разработчиков баз данных; возможность работать разными категориям пользователей с моделью соответствующего уровня;

· предоставить возможность активного и конструктивного участия в разработке баз данных лицам, не имеющим профессиональных навыков в области обработки данных;

· создать предпосылки автоматизации проектирования баз данных путем формализованного перехода с одного уровня моделей на другой.

Выполнение функций БД обеспечивается комплексом средств, называемым обеспечивающим составом, или обеспе­чением. Этот комплекс включает следующее:

1. Техническое обеспечение — все аппаратные средства, которые обеспечивают функционирование БД и работу поль­зователей.

2. Математическое обеспечение — совокупность мето­дов, способов, математических моделей и алгоритмов управ­ления базами данных и решения прикладных задач, например язык запросов SQL.

3. Программное обеспечение — программы, в среде кото­рых функционирует база данных и набор программ, необхо­димых для выполнения вспомогательных операций и решения пользовательских задач.

4. Информационное обеспечение — совокупность систем классификации и кодирования информации, входных доку­ментов и вспомогательных информационных массивов.

5. Лингвистическое обеспечение — множество языков, используемых в СУБД, а также набор словарей, образующих словарный запас информационной системы (интерфейсная модель пользователя, наиболее оптимальным образом обеспе­чивающая работу пользователя с СУБД).

6. Организационное обеспечение — комплекс мероприя­тий и руководящих документов, определяющих организацию повседневной эксплуатации банка данных и эффективное ин­формационное обслуживание пользователей (например, важ­ная для работы организация резервного копирования).

Способы доступа к данным на протяжении нескольких по­следних десятилетий развивались от громоздких, физически ориентированных методов начального периода обработки файлов к различным видам обработки баз данных. Одним из наиболее важных аспектов реляционной «революции» стала идея отделения логической структуры, как она понимается конечным пользователем, от физического представления, тре­буемого компьютерным оборудованием. Это суть философии структуры данных, представленной в модели ANSI/SPARC.

Трехуровневая архитектура баз данных — это стандартная их структура, состоящая из концептуального, внешнего (уро­вень логического проектирования) и внутреннего уровней.

На первом из названных уровне выполняется концепту­альное проектирование БД. Оно включает анализ информаци­онных потребностей пользователей и определение нужных им элементов данных. Результатом этого уровня является концеп­туальная схема, единое логическое описание всех элементов данных и отношений между ними. Концептуальный уровень — структурный уровень баз данных, определяющий ее логи­ческую схему.

Внешний уровень (уровень логического проектирования) составляют пользовательские представления данных БД. У каждой пользовательской группы свое представление данных в БД. Каждое такое представление имеет ориентированное на пользователя описание элементов данных и отношений между ними. Его можно напрямую вывести из концептуальной схемы. Совокупность всех таких пользовательских представ­лений данных и есть внешний уровень. Внешний уровень — структурный уровень БД, определяющий пользовательские представления данных.

Внутренний уровеньобеспечивает физический взгляд на БД: дисководы, физические адреса, индексы, указатели и т. д. За этот уровень отвечают проектировщики физической БД. Ни один пользователь не касается этого уровня. Внутренний уро­вень — структурный уровень БД, определяющий физический вид БД.

Концептуальное проектирование БД.

Главным итоговым результатом концептуального проекти­рования является определение основных информационных объ­ектов предметной области и отношений между ними. Выде­ление основных информационных объектов начинается с ана­лиза документов и регламентаций (положения, инструкции, бланки, формализованные карточки, отчеты, формы, жур­налы).

Анализ «бумажной» документации позволяет сформиро­вать перечень атрибутов, характеризующих те или иные ин­формационные объекты и отношения между ними.

В соответствии с технологической схемой обработки информации (см. рис.8) на основе предва­рительного формирования общего представления о предметной области, а также дополнительного изучения документации (структура журналов регистрации и учета документов, порядок ведения номенклатурных дел и т. д.) можно выделить следующие по­нятия и категории: жилой дом, квартиросьемщик, льготная категория граждан, ставка, лицевой счет, виды коммунальных оплат, и т.д.

В итоге перечень объектов и их атрибутов может быть следующим:

· Лицевой счет (Адрес, Площадь, Виды коммунальных услуг, Тариф, Количество проживаемых человек);

· Квартиросьемщики (Ф.И.О., Категория льготы);

· Оплата коммунальных услуг (Наименование услуги, Дата оплаты, Оплачено);

Таким образом, простая концептуальная модель БД разрабатываемой для технологической схемы (см. рис. 8) будет иметь следующий графический вид (рис.13).

Рис. 13. Пример концептуальной схемы БД.

Дата добавления: 2015-05-09