1. Понятие информации, свойства информации
Информация — сведения об объектах и явлениях окружающей среды, их параметрах, свойствах и состояниях, которые воспринимают информационные системы (живые организмы, управляющие машины и др.) в процессе жизнедеятельности и работы.
Применительно к компьютерной обработке данных под информацией понимают некоторую последовательность символических обозначений (букв, цифр, закодированных графических образов и звуков и др.), несущую смысловую нагрузку и представленную в понятном компьютеру виде.
Информация обладает следующими свойствами: 1) достоверность - она отражает истинное положение дел; 2) полнота - ее достаточно для понимания и принятия решений; 3) точность - степень ее близости к реальному состоянию объекта, процесса, явления; 4) ценность - зависит от того, насколько она важна для решения задачи; 5) своевременность; 6) понятность; 7) доступность - по уровню восприятия; 8) краткость; 9) объективность - независимость от чьего-либо мнения или сознания; 10) релевантность — способность информации соответствовать нуждам (запросам) потребителя.
2. Основные понятия теории баз данных
База данных – интегрированная совокупность хранящихся вместе данных, предназначенная для совместного использования одним или несколькими пользователями и снабженная описанием хранящихся в ней данных.
База данных – 1) совокупность данных, хранящихся на магнитных носителях; 2) набор прикладных программ, которые работают с этими данными; 3) БД является интегрированной, содержит данные для многих пользователей.
БД строится на основании предметной области.
Предметная область - это отражение в БД совокупности объектов реального мира с их связями, относящихся к некоторой области знаний и имеющих практическую ценность для пользователей.
БД является динамической информационной моделью некоторой предметной области, отображением внешнего мира (объекта, явления, процесса). Каждому объекту присущ ряд характерных для него свойств (признаков, параметров). Например, свойства объекта СТУДЕНТ: фамилия, имя, отчество, год рождения, факультет, курс, группа и т.д.
Свойства объекта отображаются с помощью переменных величин, которые являются элементарными единицами информации и называются атрибутами. Атрибут - это логически неделимый элемент, относящийся к свойству некоторого объекта или процесса. Для каждого атрибута определяется множество его значений. Так, атрибут ДЕНЬ НЕДЕЛИ может иметь семь значений.
Атрибуты подразделяются на атрибуты-признаки и атрибуты-основания. Атрибуты-признаки (ключи) являются качественной характеристикой объекта и обычно участвуют в логических операциях, таких как сравнение, сортировка, компоновка, редактирование. Атрибуты-основания характеризуют количественную сторону объекта, зависят от атрибутов-признаков и принимают участие в вычислительных операциях. Атрибуты-основания без атрибутов-признаков не дают определения объекта. Любой документ самой сложной структуры можно представить в виде атрибутов-признаков и атрибутов-оснований. Однако ни сам документ, ни его атрибуты не относятся к основным элементам проектируемой БД. Таким элементом является составная единица информации - показатель, состоящая из одного атрибута-основания и присущих ему атрибутов-признаков. Всякий документ можно разделить на показатели.
3. Цели создания и использования баз данных
Использование БД в основном обеспечивает:
1) централизованное управление данными;
2) независимость данных и программ;
3) реализацию отношений между данными;
4) совместимость компонентов БД;
5) простоту изменения логической и физической структур БД; 6) целостность, восстановление и защиту БД и др.
При централизованном управлении выделяют ряд преимуществ:
• сокращение избыточности хранимых данных,
• устранение возможных противоречий данных,
• совместное использование данных,
• соблюдение стандартов в данных.
Необходимость независимости данных и программ объясняется двумя основными причинами:
1. В разных ПП одни и те же данные могут понадобиться в различной форме.
2. В целях эффективности работы в СУБД должна существовать возможность изменения структуры хранения данных и стратегии доступа к ним без модификации ПП.
Независимость данных проявляется в трех формах: физической и логической независимости, а также независимости от стратегий доступа.
Реализация отношений между данными
Данные в БД, так же как и в реальном мире (предметной области) связаны между собой отношениями (связями). Обычно рассматривают 4 типа отношений.
1) Отношение один к одному (1:1) означает, что каждому экземпляру объекта А может соответствовать только один экземпляр объекта В и, наоборот, любому экземпляру объекта В может соответствовать только один экземпляр объекта А. Например: ФАКУЛЬТЕТ - ДЕКАН.
2) Отношение один ко многим (1:N): ФАКУЛЬТЕТ - КАФЕДРА, ГРУППА - СТУДЕНТ, КЛИЕНТ - ЗАКАЗ.
3) Отношение многие к одному (N:1).
4) Отношение многие ко многим (M:N): ПРЕПОДАВАТЕЛЬ - ПРЕДМЕТ; ИЗДЕЛИЕ - МАТЕРИАЛ.
Совместимость компонентов БД означает, что изменение в любом компоненте не должно влиять на последующие компоненты. Так, замена версии ОС не влечет за собой замены СУБД или изменения в ПП.
Простота изменения логической и физической структур БД. Логическая структура БД отражает состояние некоторого объекта, явлений в реальном мире. В связи с переменами в реальном мире она может изменяться. Поэтому требуется модификация соответствующих логических схем, существующих элементов и их характеристик, суть которой заключается в появлении новых элементов и связей.Изменение физической структуры БД необходимо для повышения эффективности процесса обработки информации, это может быть связано с реорганизацией БД, заменой устройств хранения данных и т.п.
Целостность, восстановление, защита и секретность БД. Целостность БД - это соответствие структуры и содержимого БД реальному состоянию объекта. При использовании БД ее содержимое запоминается в некоторые моменты времени. С возникновением ошибки последнее сохраненное содержимое БД восстанавливается с помощью программ восстановления. Для обеспечения защиты БД от постороннего вмешательства используются три типа контроля: защита от доступа на уровне записей, программ и пользователей, частей БД. Секретность данных обычно обеспечивается идентификацией по имени или коду пользователя.
4. Уровни представления данных (концептуальный, внешний, внутренний)
Описание данных можно выполнять на следующих уровнях: - абстракции реального мира;
- представления некоторого пользователя;
- представления БД на физических носителях.
3 уровня представления данных:
1. концептуальный уровень с концептуальной схемой;
2. внешний уровень с внешними схемами, которые соответствуют различным группам пользователей;
3. внутренний уровень с внутренней (физической) схемой.
Лишь физическая база существует материально, другие уровни описываются абстрактно.
1. Концептуальная модель представляет информацию подобно той форме данных, в которой они существуют в реальном мире. Концептуальная модель описывается концептуальной схемой, которая включает в себя описание каждого объекта модели. Концептуальная схема описывает не только информационное содержание данных.
2. Внешняя модель является информационным содержанием БД в том виде, в каком его представляет конкретный пользователь. Внешняя модель БД определяется внешней схемой, которая состоит из описания всех типов внешних записей.
3. На внутреннем уровне БД можно представить как совокупность наборов данных. Набор данных состоит из логических записей (внутренние записи). Внутренняя запись состоит из двух частей: служебной и информационной.
Поля служебной части идентифицируют экземпляры внутренней записи и определяют их отношения с другими внутренними записями. Доступ к служебной части имеет только СУБД.
Поля информационной части экземпляров внутренней записи содержат значения атрибутов.
Внутренняя модель описывается внутренней схемой. Внутренняя схема определяет различные типы хранимых записей, существующие индексы.
5. Назначение и основные функции СУБД, этапы развития СУБД
Система управления базами данных (СУБД) - комплекс программных средств, обеспечивающих полный доступ к базе данных.
Функции СУБД:
1) Непосредственное управление данными во внешней памяти.
В данной функции можно определить следующие задачи:
- описание и хранение данных;
- выполнение запросов по данным;
- формирование отчётов.
2) Управление буферами оперативной памяти необходимо для увеличения скорости работы системы.
3) Управление транзакциями. Транзакция - последовательность операций над БД, рассматриваемых СУБД как единое целое. Понятие транзакции необходимо для поддержания логической целостности БД.
4) Журнализация - ведение журнала изменений БД - помогает при восстановлении БД после сбоев.
5) Поддержка языков БД. Для работы с БД используются специальные языки, в целом называемые языками БД. Эти языки являются структурными компонентами СУБД.
Этапы развития СУБД:
1) мини-ЭВМ: возможность коллективного использования ресурсов и оборудования; централизованное хранение данных; недостаток- отсутствие персонализации рабочей среды.
2) настольные СУБД: взаимодействие с данными выполняется с помощью файловых сервисов операционной системы; обработка данных целиком и полностью осуществляется в пользовательском (клиентском) приложении;
3) сетевые многопользовательские настольные СУБД: позволяют обрабатывать данные нескольким пользователям одновременно.
4) серверные СУБД, архитектура «клиент-сервер»: централизация хранения и обработки данных на одном выделенном компьютере, где функционирует специальное приложение, сервер баз данных. При использовании серверных СУБД выполнение запросов производится сервером, клиентские приложения получают от сервера только результаты самого запроса.
5. Назначение и основные функции СУБД, этапы развития СУБД
Система управления базами данных (СУБД) - комплекс программных средств, обеспечивающих полный доступ к базе данных.
Функции СУБД:
1) Непосредственное управление данными во внешней памяти.
В данной функции можно определить следующие задачи:
- описание и хранение данных;
- выполнение запросов по данным;
- формирование отчётов.
2) Управление буферами оперативной памяти необходимо для увеличения скорости работы системы.
3) Управление транзакциями. Транзакция - последовательность операций над БД, рассматриваемых СУБД как единое целое. Понятие транзакции необходимо для поддержания логической целостности БД.
4) Журнализация - ведение журнала изменений БД - помогает при восстановлении БД после сбоев.
5) Поддержка языков БД. Для работы с БД используются специальные языки, в целом называемые языками БД. Эти языки являются структурными компонентами СУБД.
Этапы развития СУБД:
1) мини-ЭВМ: возможность коллективного использования ресурсов и оборудования; централизованное хранение данных; недостаток- отсутствие персонализации рабочей среды.
2) настольные СУБД: взаимодействие с данными выполняется с помощью файловых сервисов операционной системы; обработка данных целиком и полностью осуществляется в пользовательском (клиентском) приложении;
3) сетевые многопользовательские настольные СУБД: позволяют обрабатывать данные нескольким пользователям одновременно.
4) серверные СУБД, архитектура «клиент-сервер»: централизация хранения и обработки данных на одном выделенном компьютере, где функционирует специальное приложение, сервер баз данных. При использовании серверных СУБД выполнение запросов производится сервером, клиентские приложения получают от сервера только результаты самого запроса.
6. Структура системы управления базами данных
СУБД содержит следующие компоненты:
1) язык описания данных (ЯОД) и программные модули языка;
2) язык манипулирования данными (ЯМД) и процессоры, реализующие язык;
3) дополнительные компоненты СУБД.
Язык описания данных включает в себя 3 компонента: язык описания концептуальных схем (или просто схем), внешних схем (подсхем) и внутренних схем БД. Язык описания данных схемы идентифицирует и описывает, с одной стороны, классы объектов, с которыми имеет дело пользователь, а с другой - связи между этими классами объектов. Используется ЯОД как при создании БД, так и при ее модификации.
Язык манипулирования данными используется для работы с данными, т. е. загрузки, поиска, изменения данных. Он может быть встроен в языки высокого уровня. Язык манипулирования данными может быть автономным, если его команды достаточны для получения программ доступа к БД.
Дополнительные компоненты СУБД - это служебные программы, играющие важную роль в процессе работы с БД и предназначенные для:
- создания (загрузки) БД;
- копирования содержимого БД с целью ее восстановления;
- реорганизации БД, чтобы получить более эффективный ее вариант;
- печати как частей, так и БД;
- сбора и получения статистических данных об использовании записей, файлов, путей доступа и т. п.;
- восстановления содержимого БД, начиная с некоторой контрольной точки, при возникновении аварийных ситуаций.
7. Понятие архитектуры «клиент-сервер»
Архитектура "клиент-сервер" состоит из 2 компонентов: сервер баз данных и клиентское приложение. Задача - централизация хранения и обработки данных.
Для централизации используется так называемый сервер баз данных, выполненный как приложение или сервис операционной системы, и только он может реально манипулировать файлами, в которых хранятся данные, - для клиентских приложений эти файлы абсолютно бесполезны.
Обязанности сервера баз данных:
• выполнение пользовательских запросов на выбор и модификацию данных и метаданных, получаемых от клиентских приложений;
• хранение и резервное копирование данных;
• поддержка ссылочной целостности данных согласно определенным в базе данных правилам;
• обеспечение авторизованного доступа к данным на основе проверки прав и привилегий пользователей;
• протоколирование операций и ведение журнала транзакций.
Преимущества архитектуры «клиент-сервер»:
- централизованное хранение данных;
- общий доступ к ресурсам;
- высокая персонализация среды;
- снижение нагрузки на сеть.
8. Характеристика настольных СУБД
Настольные СУБД как таковые не содержат специальных приложений и сервисов, управляющих данными, взаимодействие с ними осуществляется с помощью файловых сервисов операционной системы. Нередко подобные СУБД имеют в своем составе и средства разработки, ориентированные на работу с данными формата, характерного для этой СУБД, и позволяющие создать более или менее комфортный пользовательский интерфейс. Что же касается обработки данных - она целиком и полностью осуществляется в пользовательском (клиентском) приложении.
Следующим шагом в развитии настольных СУБД было появление их сетевых многопользовательских версий, позволяющих обрабатывать данные, находящиеся в общедоступном хранилище (например, на сетевом диске) нескольким пользователям одновременно. От чисто настольных СУБД их многопользовательские версии отличаются наличием механизма блокировок частей файлов данных, что позволяет обращаться к одному и тому же файлу нескольким пользователям одновременно.
Недостатки подобных СУБД не очевидны и становятся заметны, как правило, при росте хранимых объемов данных и увеличении числа пользователей. Обычно они проявляются в снижении производительности и в возникновении сбоев при обработке данных после некоторого времени использования клиентских приложений. Причина подобных проблем кроется в основном принципе работы таких СУБД и основанных на них информационных систем, заключающемся в обработке данных внутри пользовательского приложения. Если с помощью такой системы требуется выполнить запрос согласно какому-либо критерию (например, выбрать заказы, обработанные за последние два часа, из таблицы заказов), то, в лучшем случае, приложение должно прочесть с сетевого диска весь индекс, найти в нем сведения о местоположении записей в файлах, содержащих таблицу, и затем прочесть эти части файлов. В общем же случае, когда таблица не проиндексирована по данному полю, ее необходимо загрузить с сетевого диска и проанализировать.
Еще одна проблема настольных СУБД заключается в возможности нарушения ссылочной целостности данных, так как единственным механизмом, контролирующим ее, является пользовательское приложение. Поэтому все пользовательские приложения должны содержать соответствующий код, и доступ к файлам базы данных из любых других приложений должен быть запрещен. В наиболее популярных настольных СУБД (например, Microsoft Access, Corel Paradox) код, контролирующий стандартную ссылочную целостность, содержится в библиотеках, используемых всеми приложениями, работающими с этой базой данных, а сама база данных при этом может содержать описание правил ссылочной целостности.
9. Характеристика серверных СУБД
Принцип централизации хранения и обработки данных является базовым принципом серверных СУБД.
Современные серверные СУБД обладают широкими возможностями управления пользовательскими привилегиями и правами доступа к различным объектам базы данных. Как правило, в базе данных хранятся сведения о ее пользователях, их паролях и привилегиях, а каждый объект базы данных принадлежит какому-либо пользователю. Владелец объекта может предоставить другим пользователям право использовать его тем или иным способом (например, позволить читать из него данные какому-либо другому пользователю). Большинство серверных СУБД поддерживает так называемые роли, представляющие собой совокупность прав на доступ к тем или иным объектам базы данных. В этом случае каждый пользователь может иметь одну или несколько ролей и соответственно определенные в этих ролях привилегии.
Современные серверные СУБД обладают также широкими возможностями резервного копирования и архивации данных, а нередко и оптимизации выполнения запросов. Они также, как правило, предоставляют возможность параллельной обработки данных, особенно в случае использования многопроцессорных компьютеров в качестве сервера баз данных.
Современные серверные СУБД обычно предоставляют дополнительный набор сервисов, связанных с обслуживанием хранения и обработки данных, созданием клиентских приложений, сменой СУБД или ее версии, обслуживанием нескольких баз данных, публикацией данных в Internet.
На сегодняшний день известно более двух десятков серверных СУБД, однако, наиболее популярными, исходя из числа продаж и инсталляций, следует признать Oracle, Microsoft SQL Server, Informix, Sybase, DB2. Oracle является бессменным лидером на рынке производителей коммерческих СУБД и второй (после Microsoft) по величине компанией, производящей программное обеспечение.
10. Понятие модели данных
Модель – это отражение объектов, процессов, явлений реального мира. База данных является отображением предметной области, следовательно, объекты и отношения в БД и реальном мире должны соответствовать друг другу.
В соответствии с трёхуровневой архитектурой представления данных выделяют модели данных по отношению к каждому уровню - физические, даталогические и инфологические модели.
Инфологические модели (описание данных на концептуальном уровне) отражают в удобной форме информационно-логический уровень абстрагирования, связанный с определением и описанием объектов предметной области, их свойств и взаимосвязей.
Даталогические модели ориентированы на конкретную СУБД.
Физические модели данных описывают, каким образом БД располагается на дисках, как обеспечить доступ к БД.
Различают 2 понятия - “модель данных” (средство моделирования) и “модель БД” (результат процесса моделирования).
Модель данных - формализованное описание информационных структур и операций над ними.
Модель БД – множество конкретных типов объектов и отношений между ними, операций над объектами, ограничений над объектами и операциями.
Этапы построения БД:
- Анализ предметной области;
- Формирование модели предметной обл.;
- Логическая модель БД;
- Физич. модель БД.
11. Характеристика иерархической модели данных
Иерархическая модель данных - наиболее простая среди всех даталогических моделей. Появление иерархической модели связано с тем, что в реальном мире многие связи соответствуют иерархии.
Основными информационными единицами в иерархической модели являются: база данных, сегмент (запись) и поле (неделимая единица данных, доступная пользователю с помощью СУБД).
Тип сегмента - совокупность элементов данных, входящих в сегмент.
Экземпляр сегмента - конретные значения полей или элементов данных, входящих в сегмент.
В иерархической модели сегменты объединяются в ориентированный древовидный граф.
Достоинства иерархической модели:
1) эффективное использование памяти ЭВМ;
2) высокая скорость выполнения операций над данными;
3) низкие затраты на реализацию БД.
Недостатки иерархической модели:
1) громоздкость для обработки информации со сложными логическими связями;
2) сложность понимания для обычного пользователя;
3) сложность обновления БД;
4) отсутствие отношений N:M;
5) отсутствие стандартных операций по обработке данных
12. Характеристика сетевой модели данных
Цель разработки сетевой модели - создание иерархической модели, позволяющей описывать связи типа N:M, и уменьшение недостатков этой модели.
Базовые объекты сетевой модели:
1) Элемент данных - минимальная информационная единица, доступная пользователю с использованием СУБД.
2) Агрегат данных - совокупность элементов данных, относящихся к одному понятию.
3) Запись - совокупность агрегатов и элементов данных, моделирующая некоторый класс объектов реального мира. Различают понятия тип записи и экземпляр записи.
4) Набор данных - двухуровневый граф, связывающий 2 типа записи отношением 1: N.
Достоинства:
1) допустимо образование произвольных связей;
2) низкие затраты памяти;
3) оперативность обработки данных.
Недостатки:
1) высокая сложность схемы БД;
2) слабый контроль целостности связей;
3) нет стандартных операций по обработке данных;
4) сложность модификации структуры БД.
13. Характеристика реляционной модели данных
Реляционная модель данных - модель, в которой БД представляются в виде двумерных таблиц (отношений), поиск и обработка в которых не зависят от организации хранения данных в памяти ПК. Реляционную модель ввел в 1970 г. Э.Ф.Кодд.
Рассмотрим реляционную модель на примере таблиц. Строки таблиц соответствуют записям, а столбцы - полям записей. Представление наборов данных в виде отношений есть основа реляционных моделей БД.
Базовые понятия:
1) элемент данных - значения в ячейках таблицы;
2) домен - набор допустимых значений в столбце таблицы;
3) кортеж - набор допустимых значений в одной строке;
4) отношение - сама таблица.
Реляционная модель отличается от иерархической и сетевой простым способом представления данных в виде таблиц. Основной принцип реляционного подхода к проектированию моделей БД заключается в формировании новых таблиц из уже существующих.
14. Достоинства реляционных моделей данных
1. Упрощение схемы данных для пользователя. Преимуществом реляционной модели является простая и удобная для пользователя схема данных, представляемая в виде таблиц.
2. Улучшение логической и физической независимости. Логическая независимость допускает возможность применения одной концептуальной модели различными пользователями. Физическая независимость реляционной модели состоит в том, что модель данных не включает никаких физических описаний. Представление отношений и путей доступа описывается независимо от описания логической схемы отношений.
3. Обеспечение пользователя языками высокого уровня. Для реляционных моделей бессмысленно использовать процедурный язык (с его помощью задают информацию, которую желают получить, при этом указывают способ доступа к этой информации), поскольку обеспечена физическая независимость данных.
4. Оптимизация доступа к БД. Увеличение физической независимости и использование непроцедурных языков требуют от системы выбора наилучшей стратегии доступа. Поскольку в программе не определяется стратегия доступа, то система выбирает наиболее эффективную из возможных.
5. Улучшение целостности и защиты данных. Для обеспечения безопасности и секретности необходимо указать информацию, которую нужно защитить, и пользователей, применяющих данную информацию. Эффективность описания достигается применением непроцедурных языков, поскольку они способны идентифицировать информацию вне зависимости от любого пути доступа.
6. Возможности различных применений. Использование простой реляционной схемы и языка запросов, рассчитанного на непрограммистов, позволяет расширить области применений.
15. Модели данных «сущность-связь» и семантические сети
Модель данных «сущность-связь» относится к классу инфологических моделей. Она базируется на представлении о том, что реальный мир состоит из различных объектов (сущностей), связанных определенными отношениями.
Основные понятия модели:
1) Сущность - класс однотипных объектов, информация о которых должна быть учтена в модели. Каждая сущность должна иметь название, выраженное существительным в единственном числе. Каждая сущность в модели изображается в виде прямоугольника с наименованием.
2) Экземпляр сущности - конкретный представитель данной сущности.
3) Атрибут сущности - характеристика, свойство сущности.
4) Ключ сущности - набор атрибутов, значения которых в совокупности являются уникальными для каждого экземпляра сущности.
5) Связь – некоторая ассоциация м/у двумя сущностями. Различают прямую и обратную связи.
Семантическая сеть - один из способов представления знаний - была первоначально задумана как психологическая модель человеческой памяти. Введение понятия семантической сети позволяет просто и понятно описывать сложные процессы.
Семантической сетью называют направленный граф с помеченными вершинами и дугами, в котором вершинам соответствуют конкретные объекты, а дугам - семантические отношения между ними.
В семантических сетях используют четыре основных типа объектов: понятия, события, свойства и значения.
Понятия представляют собой сведения об абстрактных или физических объектах предметной области.
События - это действия, которые могут перевести предметную область из текущего состояния в некоторое новое.
Свойства используются для характеристики (уточнения) понятий, событий.
Значения - это величины из какого-нибудь множества, которые могут принимать свойства.
16. Понятие ключей и ссылочной целостности данных в реляционных моделях
Любая таблица реляционной базы данных состоит из строк (называемых также записями) и столбцов (называемых также полями).
Поскольку строки в любой таблице неупорядочены (они организованы в порядке ввода строк), нужна колонка для уникальной идентификации каждой строки. Такая колонка называется первичным ключом. Первичный ключ любой таблицы обязан содержать уникальные непустые значения для каждой строки. Если первичный ключ состоит из более чем одной колонки, он называется составным первичным ключом.
Типичная база данных обычно состоит из нескольких связанных таблиц. Колонка, указывающая на запись в другой таблице, связанную с данной записью, называется внешним ключом. Иными словами, внешний ключ — это колонка или набор колонок, чьи значения совпадают с имеющимися значениями первичного ключа другой таблицы. Подобное взаимоотношение между таблицами называется связью. Связь между двумя таблицами устанавливается путем присваивания значений внешнего ключа одной таблицы значениям первичного ключа другой.
Если каждый клиент в таблице «Клиенты» может разместить только один заказ, говорят, что эти две таблицы связаны соотношением один-к-одному. Если же каждый клиент в таблице «Клиенты» может разместить ноль, один или много заказов, говорят, что эти две таблицы связаны соотношением один-ко-многим. Группа связанных таблиц называется схемой базы данных.
Дата добавления: 2015-11-04; просмотров: 114 | Нарушение авторских прав
| <== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |