Контрольная работа по «Информатике»

Базы данных. Модели данных

База данных (БД) – это совокупность взаимосвязанных, характеризующаяся возможностью использования для большого количества приложений, возможностью быстрого получения и модификации необходимой информации, минимальной избыточностью информации, независимостью прикладных программ, общим управляемым способом поиска.

Возможность применения баз данных для многих прикладных программ пользователя упрощает реализацию комплексных запросов, снижает избыточность хранимых данных и повышает эффективность использования информационной технологии. Основное свойство баз данных — независимость данных и использующих их программ. Независимость данных подразумевает, что изменение данных не приводит к изменению прикладных программ и наоборот.

Ядром любой базы данных является модель данных. Модель данных – это совокупность структур данных и операций их обработки.

Модели баз данных базируются на современном подходе  к обработке информации, состоящем  в том, что структуры данных обладают относительной устойчивостью. Структура  информационной базы, отображающая в структурированном виде информационную модель предметной области, позволяет сформировать логические записи, их элементы и взаимосвязи между ними. Взаимосвязи могут быть типизированы по следующим основным видам:

• "один к одному", когда одна запись может быть связана 
  только с одной записью;
• "один ко многим", когда одна запись взаимосвязана со многими другими;
• "многие ко многим", когда одна и та же запись может входить в отношения со многими другими записями в различных вариантах.

Применение того или иного вида взаимосвязей определило три основные модели баз данных: иерархическую, сетевую и реляционную.

Для пояснения логической структуры  основных моделей баз данных рассмотрим такую простую задачу: необходимо разработать логическую структуру БД для хранения данных о трех поставщиках: П1, П2, П3, которые могут поставлять товары Т1, Т2, Т3 в следующих комбинациях: поставщик П1 — все три вида товаров, поставщик П2 — товары Т1 и Т3, поставщик П3 — товары Т2 и Т3.

Иерархическая модель представляется в виде древовидного 
графа, в котором объекты выделяются по уровням соподчиненности (иерархии) объектов.

На верхнем, первом уровне находится  информация об объекте "поставщики" (П), на втором — о конкретных поставщиках  П1, П2, П3, на нижнем, третьем, уровне — о товарах, которые могут поставлять конкретные поставщики. В иерархической модели должно соблюдаться правило: каждый порожденный узел не может иметь больше одного порождающего узла (только одна входящая стрелка); в структуре может быть только один непорожденный узел (без входящей стрелки) — корень. Узлы, не имеющие входных стрелок, носят название листьев. Узел интегрируется как запись. Для поиска необходимой записи нужно двигаться от корня к листьям, т.е. сверху вниз, что значительно упрощает доступ.

Достоинство иерархической модели данных состоит в том, что она позволяет описать их структуру, как на логическом, так и на физическом уровне. Недостатками данной модели являются жесткая фиксированность взаимосвязей между элементами данных, вследствие чего любые изменения связей требуют изменения структуры, а также жесткая зависимость физической и логической организации данных. Быстрота доступа в иерархической модели достигнута за счет потери информационной гибкости (за один проход по дереву невозможно получить информацию о том, какие поставщики поставляют, например, товар Ti).

В иерархической модели используется вид связи между элементами данных "один ко многим". Если применяется  взаимосвязь вида "многие ко многим", то приходят к сетевой модели данных.

Сетевая модель базы данных для поставленной задачи представлена в виде диаграммы связей (рис. 2.). На диаграмме указаны независимые (основные) типы данных П1, П2, П3, т.е. информация о поставщиках, и зависимые — информация о товарах T1, T2, и Т3. В сетевой модели допустимы любые виды связей между записями и отсутствует ограничение на число обратных связей. Но должно соблюдаться одно правило: связь включает основную и зависимую записи

Достоинство сетевой модели БД —  большая информационная гибкость по сравнению с иерархической моделью. Однако сохраняется общий для обеих моделей недостаток — достаточно жесткая структура, что препятствует развитию информационной базы системы управления. При необходимости частой реорганизации информационной базы (например, при использовании настраиваемых базовых информационных технологий) применяют наиболее совершенную модель БД — реляционную, в которой отсутствуют различия между объектами и взаимосвязями.

В реляционной модели базы данных взаимосвязи между элементами данных представляются в виде двумерных таблиц, называемых отношениями. Отношения обладают следующими свойствами: каждый элемент таблицы представляет собой один элемент данных (повторяющиеся группы отсутствуют); элементы столбца имеют одинаковую природу, и столбцам однозначно присвоены имена; в таблице нет двух одинаковых строк; строки и столбцы могут просматриваться в любом порядке вне зависимости от их информационного содержания.

Преимуществами реляционной  модели БД являются простота логической модели (таблицы привычны для представления информации); гибкость системы защиты (для каждого отношения может быть задана правомерность доступа); независимость данных; возможность построения простого языка манипулирования данными с помощью математически строгой теории реляционной алгебры (алгебры отношений).

Для приведенной выше задачи о поставщиках и товарах  логическая структура реляционной БД будет содержать три таблицы (отношения): R1, R2, R3, состоящие соответственно из записей о поставках, о товарах и о поставках товаров поставщиками (рис. 3.)

СУБД и ее функции

Системой управления базами данных (СУБД) называют программную  систему, предназначенную для создания на ЭВМ общей базы данных, используемой для решения множества задач. Подобные системы служат для поддержания базы данных в актуальном состоянии и обеспечивают эффективный доступ пользователей к содержащимся в ней данным в рамках 
предоставленных пользователям полномочий.

СУБД предназначена  для централизованного управления базой данных в интересах всех работающих в этой системе.

По степени универсальности  различают два класса СУБД:

• системы общего назначения;
• специализированные системы.

СУБД общего назначения не ориентированы на какую-либо предметную область или на информационные потребности  какой-либо группы пользователей. Каждая система такого рода реализуется как программный продукт, способный функционировать на некоторой модели ЭВМ в определенной операционной системе и поставляется многим пользователям как коммерческое изделие. Такие СУБД обладают средствами настройки на работу с конкретной базой данных. Использование СУБД общего назначения в качестве инструментального средства для создания автоматизированных информационных систем, основанных на технологии баз данных, позволяет существенно сокращать сроки разработки, экономить трудовые ресурсы. Этим СУБД присущи развитые функциональные возможности.

Специализированные СУБД создаются в редких случаях при  невозможности или нецелесообразности использования СУБД общего назначения.

СУБД общего назначения — это сложные программные комплексы, предназначенные для выполнения всей совокупности функций, связанных с созданием и эксплуатацией базы данных информационной системы.

Используемые в настоящее  время СУБД обладают средствами обеспечения  целостности данных и надежной безопасности, что дает возможность разработчикам гарантировать большую безопасность данных при меньших затратах сил на низкоуровневое программирование. Продукты, функционирующие в среде WINDOWS, выгодно отличаются удобством пользовательского интерфейса и встроенными средствами повышения производительности.

Производительность СУБД оценивается:

• временем выполнения запросов;
• скоростью поиска информации в неиндексированных полях;
• временем выполнения операций импортирования базы данных из других форматов;
• скоростью создания индексов и выполнения таких массовых операций, как обновление, вставка, удаление данных;
• максимальным числом параллельных обращений к данным в многопользовательском режиме;
• временем генерации отчета. 
  На производительность СУБД оказывают влияние два фактора:

1. СУБД, которые следят за соблюдением целостности данных, несут дополнительную нагрузку, которую не испытывают другие программы;

2. производительность собственных прикладных программ сильно зависит от правильного проектирования и построения базы данных.

Интегрированные технологии в распределенных системах.

В распределенных системах используются три интегрированные  технологии.

1. Технология «клиент — сервер»;
2. Технология совместного использования ресурсов в рамках глобальных сетей;
3. Технология универсального пользовательского общения в виде электронной почты.

1.Основная форма взаимодействия  ПК в сети — это «клиент — сервер». Обычно один ПК в сети располагает информационно-вычислительными ресурсами (такими, как процессоры, файловая система, почтовая служба, служба печати, база данных), а другие ПК пользуются ими. Компьютер, управляющий тем или иным ресурсом, называется сервером этого ресурса, а компьютер, желающий им воспользоваться, — клиентом. Если ресурсом являются базы данных, то говорят о сервере баз данных, назначение которого обслуживать запросы клиентов, связанные с обработкой данных; если ресурс — файловая система, то говорят о файловом сервере или файл-сервере и т.д.

Один из основных принципов  технологии «клиент — сервер», заключается  в разделении операций обработки данных на три группы, имеющие различную природу. Первая группа — это ввод и отображение данных. Вторая группа объединяет прикладные операции обработки данных, характерные для решения задач данной предметной области. Наконец, к третьей группе относятся операции хранения и управления данными (базами данных или файловыми системами).

Согласно этой классификации  в любом техпроцессе можно  выделить программы трех видов:

• программы представления, реализующие операции первой 
  группы;
• прикладные программы, поддерживающие операции второй 
  группы;
• программы доступа к информационным ресурсам, реализующие операции третьей группы.

В соответствии с этим выделяют три модели реализации технологии «клиент — сервер»:

• модель доступа к удаленным данным (Remote Data Access - RDA);
• модель сервера базы данных (DataBase Server — DBS);
• модель сервера приложений (Application Server — AS).

В RDA-модели программы  представления и прикладные программы  объединены и выполняются на компьютере-клиенте, который поддерживает как операции ввода и отображения данных, так и прикладные операции. Доступ к информационным ресурсам обеспечивается или операторами языка SQL, если речь идет о базах данных, или вызовами функций специальной библиотеки. Запросы к информационным ресурсам направляются по сети удаленному компьютеру, например серверу базы данных, который обрабатывает запросы и возвращает клиенту необходимые для обработки блоки данных.

DBS-модель строится  в предположении, что программы,  выполняемые на компьютере-клиенте, ограничиваются вводом и отображением, а прикладные программы реализованы в процедурах базы данных и хранятся непосредственно на компьютере-сервере базы данных вместе с программами, управляющими и доступом к данным — ядру СУБД.

В AS-модели программа, выполняемая  на компьютере-клиенте, вешает задачу ввода и отображения данных, т. е. реализует операции первой группы. Прикладные программы выполняются одним либо группой серверов приложений (удаленный компьютер или (несколько компьютеров). Доступ к информационным ресурсам, необходимым для решения прикладных задач, обеспечивается также, как и в RDA-модели. Прикладные программы обеспечивают доступ к ресурсам различных типов — базам данных, индексированным файлам, очередям и др. RDA- и DBS-модели опираются на двухзвенную схему разделений операций. В AS-модели реализована трехзвенная схема разделения операций, где прикладная программа выделена как важнейшая.

2.В течение последнего  десятилетия получают все более  широкое развитие глобальные вычислительные и информационные сети — уникальный симбиоз компьютеров и коммуникаций. Идет активное включение всех стран во всемирные сетевые структуры. Мировой системой компьютерных коммуникаций ежедневно пользуются более 30 млн чел. Возрастает потребность в средствах структурирования, накопления, хранения, поиска и передачи информации. Удовлетворению этих потребностей служат информационные сети и их ресурсы. Совместное использование ресурсов сетей (библиотек программ, баз данных, вычислительных мощностей) обеспечивается технологическим комплексом и средствами доступа.