Любицкий Ю.В. Базы данных

Подождите немного. Документ загружается.

Рассмотренные примеры свидетельствуют о том, что СУБД должна не

только восстанавливать согласованное состояние базы данных после сбоев, но и

обеспечивать корректную параллельную работу всех пользователей над одними

и теми же данными [ 4 ]. Идеальной является такая организация работы, когда

действия одного пользователя не видны другим пользователям, а выполняемые

одновременно транзакции изолированы друг от друга.

Для решения этой задачи обычно используется механизм блокировки – если

объект базы данных (таблица, страница или отдельная запись) используется

некоторой транзакцией, доступ к этому объекту со стороны других транзакций

запрещается полностью или ограничивается (блокируется). После завершения

транзакции все заблокированные ею объекты становятся доступными другим

транзакциям для выполнения любых операций.

Возможны два вида блокировок [ 2 ]:

1. Монопольная блокировка (X-блокировка, eXclusive locks).

В этом режиме объект базы данных, заблокированный некоторой

транзакцией, может изменяться и удаляться только этой транзакцией, он

недоступен для любых действий (включая чтение), выполняемых другими

транзакциями.

2. Блокировка с взаимным доступом (S-блокировка, Shared locks).

Эта блокировка позволяет обращаться к объекту базы данных одновременно

нескольким транзакциям, но только в режиме чтения (обновление и удаление

информации запрещены).

Если транзакция обращается к объекту, к которому применена блокировка,

она переходит в состояние ожидания момента снятия блокировки с этого

объекта (исключением является ситуация, когда выполняемые транзакции

предусматривают только чтение данных). Поэтому использование механизма

блокировок приводит к задержке выполнения транзакций, следовательно,

замедляет работу с базой данных.

Блокировки могут привести к возникновению тупиковых ситуаций.

Предположим, первая транзакция в монопольном режиме блокирует объект А

базы данных. Одновременно вторая транзакция в монопольном режиме

блокирует объект В базы данных. Если затем первая транзакция пытается

обратиться к объекту В, а вторая к объекту А, обе транзакции переходят в

состояние бесконечного ожидания, так как они будут безрезультатно ждать

прекращения выполнения другой транзакции и снятия блокировки с нужных им

объектов.

Во время работы с базой данных может сложиться ситуация, когда при

одновременном выполнении большого количества транзакций возникает

множество тупиков. Эта ситуация разрешается непосредственно средствами

СУБД. Из общей совокупности выполняемых транзакций выбираются и

отменяются полностью или частично транзакции, которыми можно и нужно

пожертвовать для устранения тупиков и продолжения работы других

транзакций. Выбор транзакции для отката определяется многофакторным

критерием, включающим приоритет и время выполнения транзакции,

количество блокированных ею объектов.

6. Защита баз данных

Для успешной работы с базами данных, в особенности в

многопользовательском режиме, любая СУБД должна включать средства

защиты данных от несанкционированного доступа. При этом традиционно

используются два подхода обеспечения безопасности данных – избирательный

и обязательный [ 2 ].

В рамках избирательного подхода конкретный пользователь имеет разные

права (полномочия) для работы с различными объектами базы данных (под

объектами базы данных могут подразумеваться база данных полностью,

отдельные таблицы, записи или значения данных). Полномочия отдельных

пользователей при работе с одним и тем же объектом также могут быть

различными. Поэтому избирательный подход достаточно гибок.

При обязательном подходе некоторый классификационный уровень

присваивается самому объекту, а каждый пользователь имеет свой

фиксированный уровень доступа. При обращении пользователя к объекту

контролируется, соответствует ли уровень доступа пользователя

классификационному уровню объекта. Обязательный подход применяется к

базам данных, которые имеют жесткую или статичную структуру [ 2 ].

В конкретных СУБД могут поддерживаться или один из рассмотренных

подходов обеспечения безопасности данных, или оба подхода.

Решения о полномочиях пользователей при доступе к объектам базы данных

принимаются при разработке стратегии эксплуатации базы данных и не зависят

от СУБД. СУБД только реализует принятые решения на практике. Для этого она

должна иметь следующие средства:

1. Правила безопасности, сформулированные в процессе принятия решений

о полномочиях пользователей. Эти правила обычно хранятся в словаре базы

данных.

2. Механизмы контроля выполняемых действий, использующие имеющиеся

правила безопасности.

3. Методы опознания и проверки подлинности пользователя.

Для опознания пользователя при его входе в систему СУБД обычно просит

ввести идентификатор (например, фамилию, должность и т. д.) и пароль,

известный только системе или сотрудникам с особыми полномочиями

(например, администратору банка данных).

Несколько пользователей могут использовать одни и те же идентификатор и

пароль. В результате создаются группы пользователей, обладающих

одинаковыми правами доступа к данным. Состав группы может изменяться

независимо от установленных для этой группы правил безопасности. Один

пользователь может одновременно входить в несколько групп.

Рассмотренные проблемы предполагают, что нелегальный пользователь

пытается войти в базу данных, используя средства СУБД. Тем не менее

возможна ситуация, когда несанкционированные действия реализуются в обход

СУБД с помощью копирования фрагмента базы данных или подключения к

коммуникационному каналу.

Наиболее надежным способом защиты от таких действий является

шифрование данных. Исходные данные шифруются с помощью специального

алгоритма шифрования с применением некоторого ключа шифрования.

Процедура дешифрирования информации при известном ключе шифрования

выполняется достаточно просто. Алгоритм шифрования может быть широко

доступен, ключ шифрования обязательно хранится в секрете.

Рассмотренные методы защиты базы данных не решают проблем

использования в неправомерных целях похищенных пользовательских паролей и

идентификаторов, злоумышленных действий администраторов банков данных

или других пользователей, обладающих большими полномочиями. Проблема

обеспечения безопасности баз данных является комплексной и должна включать

не только программные, но и физические, аппаратные, организационные методы

защиты.

В MS Access пароль доступа к базе данных можно создать (только в

монопольном режиме работы) с помощью команд Сервис/Защита/Задать

пароль базы данных. Для открытия защищенной паролем базы данных

пользователь должен будет вводить этот пароль.

В MS Access можно установить многоуровневую защиту данных, определив

права доступа к ним (разрешения) для каждого пользователя. Эти действия

выполняются только при открытой базе данных. По умолчанию каждый

пользователь имеет статус системного администратора без назначенного пароля,

следовательно, обладает полными разрешениями на все объекты и данные.

При установке защиты данных для каждого пользователя после выполнения

команд Сервис/Защита/Пользователи и группы создается учетная запись, при

необходимости – пароль. После установки защиты пользователь может

запустить MS Access только в том случае, если укажет свое имя (и пароль).

Пользователей, имеющих аналогичные разрешения, можно объединить в

группу. Этим исключается необходимость определения разрешений для каждого

пользователя в отдельности.

С помощью команд Сервис/Защита/Разрешения можно установить

различные разрешения для каждого объекта базы данных (таблицы, запроса и т.

д.). Этим определяется, какие операции может выполнять отдельный

пользователь или некоторая группа пользователей над указанным объектом.

База данных MS Access может быть защищена от несанкционированного

доступа с помощью шифрования. Для этого предварительно следует выполнить

команды Сервис/Защита/Шифровать/дешифровать, затем выбрать базу

данных для шифрования. После шифрования база данных будет недоступна для

чтения другим приложениям.

7. Основы проектирования реляционных баз данных

7.1. Этапы проектирования

Проектированию баз данных традиционно уделяется большое внимание, так

как эта работа во многом определяет успешность эксплуатации созданной базы

данных, возможности ее модернизации и усовершенствования в дальнейшем.

В процессе проектирования баз данных часто выделяют три этапа.

Этап 1. Построение концептуальной модели предметной области.

В рамках этого этапа исследуется предметная область – часть реального

мира, для которого создается база данных. Изучаются информационные

потребности пользователей, выявляются информационные объекты и связи

между ними. Исходя из полученной информации строится концептуальная

модель предметной области, независимая от модели данных и программных

средств (включая СУБД).

Этап 2. Логическое проектирование – преобразование созданной

концептуальной модели в концептуальную схему, реализуемую конкретной

СУБД.

На этом этапе на основе концептуальной модели разрабатывается структура

базы данных, соответствующая выбранной для ее создания СУБД. Для

реляционной базы данных информация разбивается на отношения (таблицы);

для каждого отношения (таблицы) определяются атрибуты (поля), первичные

ключи; отношения приводятся к нормализованному виду; идентифицируются

связи между отношениями.

Этап 3. Физическое проектирование базы данных.

На этом этапе решаются проблемы физического размещения базы данных во

внешней памяти и организации доступа к ней. Физическое проектирование базы

данных реализуется администратором банка данных при конфигурировании и

настройке системы. От специалистов, принимавших участие в проектировании

базы данных на предыдущих этапах, этот процесс может быть полностью скрыт.

Учитывая, что процесс физического проектирования базы данных является узко

специализированным, в дальнейшем он рассматриваться не будет.

7.2. Построение концептуальной модели предметной области

В рамках концептуальной модели информационное содержание предметной

области выражается некоторыми абстрактными средствами. Основным

требованием, предъявляемым к концептуальной модели, является требование

адекватного отображения предметной области. Модель должна быть

непротиворечивой, отражать взгляды и потребности всех пользователей

системы. Модель должна обладать свойством легкой расширяемости,

обеспечивающим ввод новой информации.

Рассмотрим некоторые средства концептуального моделирования.

ER -модель

ER-модель (Entity-Relationship – сущность-связь) была предложена П. Ченом

в 1976 г. [ 12 ]. Информация о содержании предметной области в рамках модели

изображается в структурированном графическом виде (ER-диаграмма).

Основными конструкциями модели являются сущности и связи.

Для ER-модели не существует единой стандартизованной системы

обозначений, поэтому приводимые далее характеристики ER-диаграмм могут

несколько отличаться от опубликованных в различных книгах [ 3, 4 ].

Под сущностью в ER-модели понимаются объект или явление, информация о

которых будет храниться в базе данных (склад, накладная и т. д.). При этом

различают тип сущности и экземпляр сущности. Под типом сущности

понимают набор однородных объектов, отображаемый как единое целое

(магазин, товар и т. д.). Под экземпляром сущности подразумевается конкретный

объект (магазины «Светлый», «Восток» и т. д.). На ER-диаграмме сущность

изображается прямоугольником, в котором указано его имя (как правило,

существительное).

Сущности имеют свойства, называемые атрибутами. Атрибуты должны

позволять различать экземпляры сущности. Например, для сущности Магазин

атрибутами являются его название, адрес, специализация, площадь торговых

залов и т. д. На ER-диаграмме атрибуты изображаются овалами, в которых

указаны их имена, соединенными с сущностями прямыми линиями.

Атрибуты, однозначно идентифицирующие сущность, называются

ключевыми атрибутами. Например, для сущности Накладная ключевым

атрибутом будет ее номер. Ключевые атрибуты на ER-диаграмме выделяются

подчеркиванием. В некоторых ситуациях из нескольких простых атрибутов

может формироваться составной ключ (для сущности Поставки товаров это

могут быть атрибуты Артикул товара и Дата поставки).

С помощью связей на ER-диаграмме отображается взаимодействие между

сущностями. Связь изображается ромбом, соединяющим связываемые сущности,

внутри которого указывается вид связи (обычно выражается глаголом).

Например, сущности Директор и Сотрудник могут быть соединены связью

Руководит. Между двумя сущностями может быть установлено несколько

связей: Продавец – Продает – Товар, Продавец – Фасует – Товар, Продавец –

Учитывает – Товар. Количество сущностей, участвующих в связи, определяет

ее степень. Связь Руководит между сущностями Директор и Сотрудник имеет

степень, равную двум.

Связи могут иметь разный характер:

 «один к одному» (1 : 1) – один экземпляр сущности Директор связан с

одним экземпляром сущности Магазин;

 «один ко многим» (1 : М) – один экземпляр сущности Директор связан со

многими экземплярами сущности Продавец;

 «многие ко многим» (М : М) – многие экземпляры сущности Продавец

связаны со многими экземплярами сущности Товар.

Символы, указывающие на характер связи (1 или М), отображаются на ER-

диаграммах рядом со связанными сущностями.

Связь любого из перечисленных видов может иметь обязательный и

необязательный классы принадлежности. Класс принадлежности связи для

некоторой сущности является обязательным, если в данной связи должен

участвовать каждый экземпляр сущности (все продавцы продают товары), и

необязательным, если некоторые экземпляры сущности не участвуют в связи (не

все товары доставлены железнодорожным транспортом). При этом связь может

быть обязательной с одной стороны и необязательной с другой стороны. На ER-

диаграммах обязательный класс принадлежности может быть обозначен

перпендикулярной линией, перечеркивающей линию связи вблизи сущности,

необязательный класс принадлежности – пустым кружком на линии связи [ 4 ].

При построении ER-диаграмм могут использоваться генерализация,

агрегация и группировка сущностей [ 3, 12 ].

На рис. 15 представлен фрагмент ER-диаграммы, отображающей работу

магазина.

Сущность Работник имеет два подтипа – Директор и Продавец. Между

сущностями Магазин и Работник связь имеет характер «один ко многим» (один

магазин обслуживается многими работниками), между сущностями Директор и

Продавец – «один ко многим» (один директор руководит многими продавцами),

между сущностями Продавец и Товар – «многие ко многим» (несколько

продавцов продает множество разных товаров). Класс принадлежности

большинства связей является обязательным. Он является необязательным для

связи Фасует между сущностями Продавец и Товар со стороны сущности

Продавец (не каждый продавец фасует товары) (см. рис. 15).

Функциональная модель данных

Эта модель была предложена Шипмэном в 1981 г. [ 12 ].

Модель основывается на положении о возможности представления связей

между данными, хранящимися в базе данных, в виде математических функций.

Поэтому в функциональной модели данных используются два основных

понятия: сущность и функция.

Рис. 15. Фрагмент ER-диаграммы, отображающей работу магазина

Директор

Магазин

Название

Адрес

Специализация

Обслуживаетс

Работник

Продавец

Должность

Адрес

ФИО

ИНН

Руководит

Товар

Артику

Название

Цена

Продает

Фасует

Сущность может представлять собой объект реального мира (абстрактная

сущность) или являться текстовой строкой или числом (простая сущность).

Применение математических функций к конкретным сущностям при заданных

значениях аргументов дает однозначный результат.

Диаграммы функциональной модели данных во многом аналогичны ER-

диаграммам, но связи между ними представлены в виде функций [ 12 ].

Модель семантических объектов

Модель впервые предложена Кренке в 1988 г. [ 12 ].

База данных является совокупностью семантических объектов. Каждый

объект отображает некоторый элемент реального мира и характеризуется

набором атрибутов. Связи между объектами представляются атрибутами этих

объектов.

Рассмотрим диаграммы семантических объектов Магазин, Продавец,

Товар (рис. 16):

Рис. 16. Диаграммы семантических объектов

Рядом с одним из атрибутов каждого семантического объекта приводится

указатель ID, означающий, что данный атрибут используется в качестве

идентификатора объекта. Для обозначения уникальности значений

идентифицирующего атрибута указатель подчеркивается (для семантических

объектов требование уникальности идентификатора не является обязательным).

Для каждого атрибута указана его кардинальность (минимальное и

максимальное количество вхождений этого атрибута в объект). Например, если

для атрибута Цена объекта Товар приводится кардинальность 1, 1, это означает,

что товар обязательно должен иметь цену, и только одну. Атрибут

Производитель объекта Товар имеет кардинальность 1, N. Это указывает на то,

что один и тот же товар может изготавливаться одним или несколькими

Магазин

ID Название 1, 1

Адрес

Город 1, 1

Улица 1, 1 1, 1

Дом 1, 1

Склад 0, N

Продавец 1, N

Продавец

ID ИНН 1, 1

ФИО 1, 1

Должность 1, 1

Адрес 1, 1

Магазин 1, N

Товар

ID Артикул 1, 1

Название 1, 1

Цена 1, 1

Производитель 1, N

Цвет 1, N

Магазин 1, N

производителями (см. рис. 16). Атрибут Склад объекта Магазин имеет

кардинальность 0, N. Следовательно, склад при магазине может отсутствовать,

или их имеется несколько. Атрибуты, которые принимают более одного

значения, называются многозначными.

В объекте Магазин имеется группированный атрибут Адрес. Атрибуты,

входящие в его состав, объединены скобкой (см. рис. 16).

В объекте Магазин существует также атрибут объектного типа Продавец с

кардинальностью 1, N (см. рис. 16). Это указывает на то, что данный объект

связан с одним или несколькими объектами Продавец (в магазине могут

работать один или несколько продавцов). Для обеспечения связи между

рассматриваемыми объектами в объект Продавец обязательно должен входить

атрибут Магазин, характеризующий этот объект (см. рис. 16).

Диаграммы семантических объектов допускают создание агрегированных

объектов, подклассов объектов [ 12 ].

7.3. Логическое проектирование базы данных

При проектировании логической структуры реляционной базы данных

определяется оптимальный состав таблиц для хранения исходной информации.

Для каждой таблицы указывается ее название, перечень полей и первичный

ключ. Идентифицируются связи между таблицами. В рамках логического

проектирования БД могут формулироваться ограничения целостности,

приниматься решения о создании индексов и т. д.

Наиболее часто для решения перечисленных задач используется переход к

логической модели базы данных от концептуальной модели, представленной в

виде ER-диаграммы [ 3, 4 ]. Существуют методы однозначного преобразования

ER-модели в логическую модель реляционной базы данных. Эти методы

положены в основу работы многих CASE-систем – инструментальных средств

автоматизированного проектирования баз данных (см. п. 7.5).

Рассмотрим основные правила преобразования ER-модели в логическую

модель базы данных на примере диаграммы, построенной на рис. 15 (для

иллюстрации некоторых правил будут привлекаться дополнительные сущности

и связи между ними). Для наглядности полученных результатов заполним

таблицы данными.

Для сущности, имеющей только простые атрибуты (например, Магазин),

может быть созданы одна таблица. Каждый атрибут сущности становится полем