Алешин Л.И., Максимов Н.В. Информационные технологии

Подождите немного. Документ загружается.

211

этом случае он может быть сформирован таким образом, чтобы, напри-

мер, половина ёмкости отводилась под хранение данных, программ и

т.п., а другая половина полностью копировала первую. При этом обра-

зуются два совершенно одинаковых массива составляющих «зеркаль-

ные» диски, так называемый метод отражения (англ. «mirroring»). Ин-

формация записывается на оба диска одновременно и, в аварийной си-

туации с первым диском, она будет автоматически считана с другого.

Другой способ получил названия «метод дублирования» (англ. «duplex-

ing»). Он имеет более высокий уровень избыточности, но свободен от

некоторых недостатков предыдущего – каждый диск подключается к

собственному контроллеру.

CD библиотека (DVD-библиотека) представляет внешний диско-

вый массив хранения информации. Её можно подключить к корпоратив-

ному серверу и, тем самым, увеличить объём дисковой памяти, доступ-

ной пользователям в режиме онлайн. К одному или нескольким серве-

рам можно подключить несколько дисковых систем или массивов. Су-

ществует информационное хранилище, включающее 55 таких библиотек

общей ёмкостью около 3,5 Тб.

Эти устройства называют «роботизированными библиотеками»,

Jukebox или чейнджерами и используют в локальных, корпоративных и

территориальных распределённых сетях. Они вмещают от нескольких до

100, 620 и более компакт-дисков, позволяют поддерживать до 50 вирту-

альных компакт-дисков для непосредственного электронного копирова-

ния на CD/DVD, а также с помощью встроенного жёсткого диска объё-

мом в несколько десятков Гб. Аналогично осуществляется и автомати-

ческое архивирование массивов, определённых администратором сети, в

том числе перенос редко используемых данных на DVD. Вся такая биб-

лиотека представляет единую структуру или том, а каждый диск – от-

дельный каталог в томе.

Подобные технологии позволяет не только повысить устойчивость

системы к различным сбоям, но и, моментально переключившись на

другую часть массива, поддерживать постоянную работоспособность

системы, что наиболее часто

используется в работе серве-

ров. Кроме того, в данном

случае можно произвести за-

мену вышедшего из строя

накопителя на резервный без

отключения электропитания

и перезагрузки системы –

«горячая» замена. Названные

возможности дисковых бата-

рей и библиотек огромных

массивов данных (хранилищ

информации) в совокупности

Рис. 12-1. Сеть хранения данных

212

обеспечивают высокую надёжность хранения данных.

При использовании сетевых технологий для хранения информации

применяют различные информационные хранилища – базы обобщён-

ных данных, формируемые из множества различных внешних и внут-

ренних источников. Для сохранности ЭИР применяют и сети хранения

данных (Storage Area Network, SAN). В корпоративных сетях широко

используются специализированные NAS-серверы (Network Attached

Storage), осуществляющие совместимость, интеграцию и администриро-

вание серверов общего назначения и хранение огромных массивов дан-

ных (Рис. 12-1).

Основная задача таких хранилищ заключается в обеспечении на-

дёжного централизованного хранения ЭИР и необходимого ПО в соот-

ветствии с требованиями к их сохранности и защите.

В качестве информационных хранилищ используют RAID и CD

библиотеки (в том числе DVD).

Процесс проектирования системы хранения данных, обеспечиваю-

щей резервное копирование, архивирование, структурированное хранение и

восстановление данных в требуемые сроки должен опираться на пофайло-

вый анализ подлежащих хранению данных, рекомендуемый проводить

на основе следующей информации о файлах:

● даты создания, модификации, последнего обращения,

● расширение,

● расположение в каталогах файловой системы.

Процесс проектирования системы хранения сетевых данных

рекомендуется начинать со сбора и анализа информации о хранящих-

ся в сети данных. По всем серверам и рабочим станциям с критически

важными данными необходимо выяснить:

● время работы и требования ко времени восстановления в случае

сбоя;

● общий объём установленной дисковой памяти, в т.ч. занятый и

свободный объёмы;

● данные о файлах (даты создания, модификации, последнего обра-

щения к ним).

Нужно постараться упорядочить хранящиеся данные, поместив фай-

лы, подлежащие резервному копированию, архивированию и другим ви-

дам хранения, в отдельные каталоги. Оценив реальную скорость копи-

рования/восстановления информации, можно уточнить необходимое

число накопителей в устройствах хранения данных.

При очень больших объёмах информации, подлежащей резервному

копированию, архивированию и структурированному хранению, стано-

вится неудобно осуществлять мониторинг и администрирование этих

процессов непосредственно из ПО. В этом случае его интегрируют со

средствами сетевого управления.

213

Надёжность хранения информации

Сохранение машиночитаемых данных вызывает потребность ис-

пользования высоконадёжных аппаратно-программных средств. Для

безопасной эксплуатации технических средств информационных техно-

логий необходимо выполнять соответствующие технические, гигиени-

ческие и эргономические условия. Последние два рассматриваются в

Теме 21.

Кроме рассмотренных выше мер и возможностей обеспечения ус-

тойчивой и надёжной работы аппаратно-программных средств, важно

также обеспечить стабильное электропитание. По мнению специалистов

более 45% случаев потери информации связаны с проблемами электро-

питания. Одним из способов преодоления случайных или преднамерен-

ных отключений электроэнергии, приводящих к частичной или полной

потере данных, является применение специальных устройств защиты. К

ним относятся: защитные фильтры питания, источники или устройства

бесперебойного питания (УБП, ИБП, UPS), мотор-генераторы.

Защитные фильтры питания представляют собой удлинитель с

4–5 электрическими евророзетками. В него встроен фильтр защиты от

импульсных помех, предохранитель и выключатель. Фильтр устраняет

опасные для оборудования кратковременные выбросы (пики) напряже-

ния, например, от работающих электродвигателей и шумы в сети элек-

тропитания. В некоторых конструкциях присутствует лампочка, свиде-

тельствующая о наличии напряжения при включенном выключателе

электропитания.

УБП при отключении электроэнергии защищают данные путём

подключения резервных батарей, автоматически корректируя уровни

пониженного и повышенного напряжения. Специальное программное

обеспечение к ним обеспечивает сохранение данных и отключение ПК

прежде, чем батареи полностью разрядятся. Чаще всего ИБП подключа-

ются к серверам и другим ПК, хранящим или обрабатывающим ценную

информацию. Если такая информация хранится на серверах, то к каждо-

му ПК, особенно работающему в ЛВС, подключать подобные устройст-

ва необязательно. Это может оказаться нецелесообразным и экономиче-

ски неоправданным, так как стоимость УБП составляет 50–100% от

стоимости системного блока современного ПК.

УБП защищают ПК от перенапряжений (стабилизация напряжения

и тока в пределах до ±12% от номинала), импульсных помех, коротких

замыканий, ударов молнии и отключения электропитания. В последнем

случае они издают звуковой сигнал и позволяют пользователю в течение

непродолжительного времени (обычно, 5–15 мин.) закрыть на ПК вы-

полнение всех программ. Для этого в УБП встроены сменные аккумуля-

торы. Продолжительность их работы примерно 5 лет, а время заряда-

разряда доходит до 8 час. Специальные УБП, имеющие программное

обеспечение управлением их работой, могут выполнять эти процедуры

214

без участия человека, автоматически отключая и включая ПК без потери

хранящейся в нём информации.

В серверах с важной информацией применяют зеркальную защиту

питания, то есть используют переключатель резервного питания, к кото-

рому подключаются два одинаковых ИБП, каждый из которых, в свою

очередь, могут быть подключены к различным источникам переменного

тока. Такое решение является наиболее эффективным и обеспечивает

высокую степень безотказности системы электропитания. В этом случае

осуществляется зеркальная защита для критической нагрузки. При вы-

ходе из строя УБП, пропадании питания в линии электропередачи или

его снижении ниже допустимых пределов такое устройство автоматиче-

ски переключает нагрузку на дублирующий УПС и обеспечивает непре-

рывную подачу электроэнергии. Кроме того, выпускаются специальные

платы контроля состояния окружающей среды, обеспечивающие уда-

лённый мониторинг температуры, влажности и других характеристик

окружающей среды.

Мотор-генераторы служат для подачи напряжения аварийного

электропитания (освещения и питания, например, серверов) в течение

непродолжительного периода времени (от нескольких часов до суток).

Другими, общеизвестными устройствами аварийного электропи-

тания в ситуациях являются аккумуляторы. Теперь они получили рас-

пространение для поддержки работы компьютеров (особенно серверов)

на время прекращения («провалов») подачи энергии (напряжения и тока)

в сетях электропитания. Для организаций, у которых отсутствует воз-

можность установить мотор (дизель)-генератор, фирма INELT Intelligent

предложила три варианта аккумуляторных батарей (ИБП линейно инте-

рактивного типа) общей ёмкостью 1000, 2000 и 3000 ВА соответственно.

Их батарея Inelt Intelligent 1000 LT обеспечивает напряжение 24 В и ём-

кость 268 А ч, чего, например, хватит для питания оборудования ёмко-

стью 750 ВА в течение не менее 10 часов непрерывной работы. Такой

ИБП через порт RS-232 подключается к компьютеру.

Вопросы для самопроверки:

1. Сохранение данных и архивы (основные понятия).

2. Архивация и копирование данных (основные характеристики).

3. Виды архивов (характеристика).

4. Информационные хранилища (назначение и характеристика).

5. Назначение резервного и страхового архивов (основные поня-

тия).

6. Программы-архиваторы (характеристика).

7. Устройства, обеспечивающие стабильное электропитание элек-

тронной техники (основные характеристики).

215

Тема 13. Информационные хранилища данных

Технологии создания больших информационных массивов

Трудно представить сколько-нибудь значимую информационную

систему, не имеющую в качестве основы, или важной составляющей БД.

Концепции и технологии БД складывались в процессе развития систем

автоматизированной обработки информации. После появления реляци-

онного подхода создание БД превратилось из искусства в науку, но

окончательно его не исключившая. Тем не менее, сложилась дисциплина

(скорее инженерная, чем чисто научная), основанная на достаточно

формализованных подходах, включающая широкий спектр приёмов и

методов создания БД.

Базам свойственна «перманентность» данных. Соответственно на-

значение систем управления базами данных (СУБД) – обеспечение со-

хранности данных в течение длительного времени, а также возможно-

стей их выборки и актуализации. Данные существуют всегда, пока есть

потребность в их использовании

, хотя характер использования, как и

пути извлечения практической пользы, могут быть самыми разными: от

оперативной актуализации значений до уничтожения данных, от их ис-

пользования для совершенствования сложных систем управления до

формирования «чемоданов компромата».

БД в развивающихся информационных технологиях – сравнитель-

но консервативное направление, где СУБД и сами базы представляют

«долговременные сооружения». Элементная база ЭВМ и парадигмы

программирования меняются быстрее, чем хранимые данные теряют ак-

туальность. В таких условиях, в отличие от прикладных программистов,

создатели БД (от разработчиков СУБД до администраторов БД) должны

постоянно помнить о проблеме «наследственности» – как интегрировать

в создаваемую систему наследуемые данные, находящиеся под управле-

нием устаревшей СУБД, и о том, как построить систему, чтобы вновь

создаваемые данные могли быть, в свою очередь, наследованы следую-

щим поколением систем и разработчиков.

Достаточно консервативны и концепции БД. Эта консервативность

не только следствие свойства «долговечности», но и того факта, что ба-

зы вторичны по отношению к описываемым ими реальным процессам и

объектам, достаточно стабильным и типичным. Кроме того, модели дан-

ных строились в значительной степени «по аналогии» с организацион-

ными и технологическими структурами – иерархическими, сетевыми,

матричными.

Широкое использование БД различными категориями пользовате-

лей привело, с одной стороны, к созданию интерфейсов, требующих ми-

нимум времени на освоение средств управления системой, а с другой – к

Правильнее было бы говорить, что данные создаются, но создаются не ради их самих, а для того,

чтобы в дальнейшем они использовались в каком-то процессе.

216

построению мощных, гибких СУБД имеющих, в том числе, развитые

средства защиты данных от случайного или преднамеренного разруше-

ния. Появились и средства автоматизации разработки, позволяющие

создать БД любому пользователю, даже не владеющему основами тео-

рии БД.

БД – важная, но функционально не основная, а обеспечивающая

(информационная) составляющая человеко-машинной системы. При

этом развитие способностей взаимодействующих субъектов (человек-

машина) имеет принципиальные отличия. Разделение информации на

табличную (числовую), текстовую и графическую отражает последова-

тельность, в которой эти виды информации «осваивались» компьютера-

ми. Первые языки программирования были рассчитаны исключительно

на обработку числовой информации (Fortran, Algol). Первыми появля-

ются и табличные БД, также преимущественно рассчитанные на обра-

ботку числовых таблиц (файлов). Затем осваиваются текстовые файлы и

текстовые БД (автоматизированные информационно-поисковые системы

с библиографическими и полнотекстовыми базами). Наконец, с сущест-

венным повышением быстродействия и ёмкости памяти компьютеров,

на сцену выходят графические и мультимедийные базы.

Эта последовательность прямо противоположна той, в которой

данные виды информации осваивает человек. Действительно, сначала он

знакомится с графическими образами (птицы, цветы и бабочки на шкаф-

чиках для одежды в детском саду), затем – учится читать и писать, и

только потом осваивает таблицу умножения.

Создание практически полезной «серьёзной» БД в равной степени

зависит как от «фундаментальности» знаний разработчика в области

концепций и технологий СУБД, так и от степени понимания им сего-

дняшних и будущих прикладных задач пользователя. Не только от адек-

ватности применения тех или иных типовых или оригинальных реше-

ний, но и от качества представления (описания) этих решений, с той или

иной степенью успешности позволяющих использовать, сопровождать и

развивать систему после разработчика.

Кроме того, возможности накапливать и оперативно обрабатывать

большие объемы информации, характеризующие деятельность предпри-

ятий за достаточно длительные периоды и в различных аспектах, дали

новый импульс к развитию аналитических систем. Такого рода системы

поддержки принятия решений обычно используются для оценки и вы-

бора альтернативных решений, прогнозирования, идентификации объек-

тов и состояний и т.д. Поскольку в этих случаях для получения необхо-

димых данных нужно использовать сложные SQL-запросы или специа-

лизированные процедуры, и при этом обрабатывать большие объёмы за-

писей, то уже это может приводить к сознательному отказу от классиче-

ских нормализованных схем, т.к. чем выше степень нормализации, тем

больше число операций соединения отношений и, соответственно,

больше времени необходимо для получения конечного результата.

217

Базы и банки данных

Развитие вычислительной техники и появление ёмких внешних за-

поминающих устройств прямого доступа предопределило интенсивное

развитие автоматических и автоматизированных систем разного назна-

чения и масштаба, в первую очередь в области бизнес-приложений. Та-

кие системы работают с большими объёмами информации достаточно

сложной структуры, требующей оперативности в обработке, частого об-

новления и в то же время – длительного хранения. Примерами таких

систем являются автоматизированные системы управления предприяти-

ем (АСУП), банковские системы, системы резервирования и продажи

билетов и т.д.

Другими направлениям, стимулировавшим развитие БД, стали с

одной стороны, системы управления физическими экспериментами,

обеспечивающие сверхоперативную обработку в реальном масштабе

времени огромных потоков данных от датчиков, а с другой – автомати-

зированные библиотечные информационно-поисковые системы (см., на-

пример, рис. 13-1).

Рис. 13-1. Схема автоматизированной информационной системы

Это привело к появлению новой информационной технологии ин-

тегрированного хранения и обработки данных — концепции баз данных,

в основе которой лежит механизм предоставления из всех хранимых

данных обрабатывающей программе только необходимых ей в форме,

требуемой именно этой программе. При этом сама форма (структура

данных и форматы полей, входящих в эту структуру) описывается на ло-

гическом, т.е. «видимом» из программы, уровне. Более того, поскольку

различные программы могут по-разному «видеть» (а, следовательно, и

использовать) одни и те же данные, система должна сделать «прозрач-

ными» для программы все данные, кроме тех, которые для неё являются

«своими».

БД АСУП

Регистрация и

Контроль исполнения

документов

Бухгалтерия

Отдел кадров

Регистрационные

карты документов

Сведения о

личном составе

Штатное расписание

218

Под базой данных (англ. «database») обычно понимается имено-

ванная совокупность данных, отображающая состояние объектов и их

отношений в рассматриваемой предметной области. Характерной чертой

БД является постоянство: данные постоянно накапливаются и исполь-

зуются; состав и структура данных, необходимых для решения приклад-

ных задач обычно постоянны и стабильны во времени. Отдельные или

даже все элементы данных могут меняться – но и это есть проявление

постоянства – постоянная актуальность.

Физическая модель БД определяет способ размещения данных на

носителях (устройствах внешней памяти), а также способ и средства ор-

ганизации эффективного доступа к ним. Функционирование БД обеспе-

чивается системой управления базой данных.

Банк данных (БНд) – система специально организованных дан-

ных, программных, языковых, организационных и технических средств,

предназначенных для централизованного накопления и коллективного

многоцелевого использования данных. Банк данных – совокупность баз

данных

Иногда в составе БНд выделяют архивы. Основанием для этого яв-

ляется особый режим использования данных — только часть данных на-

ходится под оперативным управлением СУБД. Все остальные данные

(архивы) обычно располагаются на носителях, оперативно не управляе-

мых СУБД. Одни и те же данные в разные моменты времени могут вхо-

дить как в БД, так и в архивы. БНд могут не иметь архивов. Если они

есть, то в состав БНд может входить и система управления архивами.

Система управления базой данных (англ. «database management

system») – комплекс языков и программ, позволяющий создавать БД и

управлять её работой. СУБД обрабатывает поступающие от пользовате-

лей и прикладных процессов обращения к БД, а затем выдаёт необходи-

мые им сведения. СУБД характеризуется используемой моделью и сред-

ствами администрирования, разработки прикладных процессов, работы

в информационной сети.

Системой управления базами данных называют программу, пред-

назначенную для создания на ЭВМ общей БД для множества приложе-

ний; поддержания её в актуальном состоянии и обеспечения эффектив-

ного доступа пользователей к содержащимся в ней данным в рамках

предоставленных им полномочий.

СУБД обеспечивает:

● описание и сжатие данных;

● манипулирование данными (запись, поиск, выдачу, изменение

содержания);

● физическое размещение (изменение размеров блоков данных,

Термин «банк данных» используется сравнительно редко, и некоторыми авторами признается арха-

ичным. В современной, в основном переводной литературе, понятие банк данных определяется как

система баз данных. По нашему мнению, «банк данных» вполне адекватное и более широкое поня-

тие.

219

записей, использование занимаемого пространства, сортировку);

● защиту от сбоев, поддержку целостности и восстановление;

● работу с транзакциями и файлами;

● безопасность данных.

Существует несколько типов СУБД. Эволюционно они прошли

путь от систем, опиравшихся на иерархическую и сетевую модель дан-

ных до объектно-ориентированных систем.

В иерархической системе управления базой данных данные в соот-

ветствии с ветвящимся деревом их признаков располагаются в двухмер-

ных файлах и образуют деревья признаков. Соответственно этому про-

исходит и поиск необходимых сведений.

В реляционных системах управления базами данных данные пред-

ставляются в форме таблиц, определяющих взаимосвязь записей. Реля-

ционные СУБД характеризуются простотой, гибкостью и точностью.

Каждая из них одновременно работает с данными, размещёнными в не-

скольких таблицах. Поэтому, реляционные БД ориентированы на быст-

рый доступ к небольшим объёмам данных.

Разработка Е. Коддом реляционной теории подтолкнула к созда-

нию следующего класса СУБД, особенностями которого являются при-

менение реляционной модели данных и развитый язык запросов SQL.

Простота и гибкость модели данных позволили ей стать доминирующей

и занять лидирующие позиции на соответствующем секторе рынка. В

1980 году фирма Ashton Tate (США) выпустила программу dBASE, по-

служившую началом активного создания и использования СУБД для

ПЭВМ. Специалисты отмечают ряд негативных моментов реляционных

моделей, например, невозможность представления и манипулирования

данными сложной структуры (тексты, пространственные данные), что

послужило поводом совершенствования систем и создания новой моде-

ли данных.

Объектно-ориентированные системы управления базами данных

основываются на объектно-ориентированной архитектуре. Они позво-

ляют работать со сложными типами данных, хранимых в виде объектов;

отличаются высокой производительностью при обработке транзакций

(особенно эффективны при обработке изображений). Их возникновение

обусловлено потребностями разработки сложных информационных сис-

тем, неудовлетворённых технологиями предшествующих БД. В таких

СУБД должны быть решены проблемы поддержки иерархии и наследо-

вания типов, управления сложными объектами. Решение этих задач

сталкивается с ограничениями: отсутствием общепринятой объектно-

ориентированной модели данных, декларативного языка запросов и т.п.

Для этих СУБД характерны использование предложений, касаю-

щихся управления объектами и правилами, управления распределённы-

ми данными, языков программирования четвертого поколения (4GL),

технологии тиражирования данных и других достижений в области об-

220

работки данных. Их достаточно активно, как готовые продукты, дающие

возможности разработчикам активно использовать мощные средства

управления данными, применяют в деловой сфере. Ожидается рост по-

пулярности и использования объектно-реляционных и объектно-

ориентированных БД.

Распределённые базы данных представляют ещё одну разновид-

ность СУБД. Применение протоколов синхронизации транзакций, со-

кращение расходов на пересылку данных между узлами вычислительной

сети в ходе выполнения распределённого запроса посредством реплика-

ции данных – далеко не все возможные проблемы в данной области.

Гибридные системы управления базами данных объединяют по-

ложительные качества реляционных и объектно-ориентированных сис-

тем. Они соединяют средства обработки транзакций реляционных СУБД

с поддержкой многочисленных типов данных объектно-

ориентированных СУБД. Гибридные СУБД используют язык структури-

рованных запросов (SQL).

Наиболее известные современные СУБД: Oracle, Lotus Approach,

Microsoft Access, Borland dBase, Borland Paradox, Microsoft Visual

FoxPro, Microsoft Visual Basic, а также баз данных Microsoft SQL Server

и Oracle, используемые в приложениях, построенных по технологии

«клиент-сервер» и другие.

Разновидностью СУБД является информационно-поисковая сис-

тема, обеспечивающая выполнение заявок пользователей на представ-

лении им необходимых документов, хранящихся в данной БД.

Проблемы совместного использования данных и периферийных

устройств компьютеров и рабочих станций породили модель вычисле-

ний, основанную на концепции файлового сервера – сеть создает основу

для коллективной обработки, сохраняя простоту использования персо-

нального компьютера, позволяет совместно использовать данные и пе-

риферию.

В этом смысле главной отличительной чертой БД является исполь-

зование централизованной системы управления данными, причём как на

уровне файлов, так и на уровне элементов данных. Централизованное

хранение совместно используемых данных приводит не только к сокра-

щению затрат на создание и поддержание данных в актуальном состоя-

нии, но и к сокращению избыточности информации, упрощению проце-

дур поддержания непротиворечивости и целостности данных.

Эффективное управление внешней памятью является основной

функцией СУБД. Эти, обычно специализированные, средства определя-

ют эффективность системы. Без них она не сможет выполнять некото-

рые задачи уже потому, что их выполнение будет занимать слишком

много времени. При этом ни одна из таких специализированных функ-

ций, как: построение индексов, буферизация данных, организация дос-

тупа и оптимизация запросов, не являются видимыми для пользователя

и обеспечивают независимость между логическим и физическим уров-