Спирин Н.А., Лавров В.В. Информационные системы в металлургии

Подождите немного. Документ загружается.

Глава 3. Основы систем управления базами данных

3-9

3.2.2. Аппаратное обеспечение

Аппаратное обеспечение системы представляет собой комплекс физиче-

ских устройств, на которых существует база данных. Оно состоит из одного или

нескольких компьютеров, дисководов, мониторов, принтеров, магнитофонов, со-

единительных кабелей и других вспомогательных и соединительных устройств.

Для обработки данных в базах данных могут использоваться универсаль-

ные компьютеры, мини-компьютеры

или персональные компьютеры. Универ-

сальные компьютеры и мини-компьютеры традиционно используются в качестве

основы для поддержания доступа многих пользователей к общей базе данных.

Персональные компьютеры часто используются для баз данных, с которыми ра-

ботает один пользователь.

Основным способом хранения баз данных является хранение на дисках,

поскольку к ним возможен произвольный доступ

, без которого работать с базой

данных невозможно. Настольные компьютеры, мониторы и принтеры использу-

ются для ввода и извлечения информации из базы данных. Ленты являются не-

дорогим средством быстрого создания резервных копий хранящихся на дисках

данных.

Успешная работа современных информационных систем сильно зависит

от совершенства технологии аппаратного обеспечения. Для поддержания и

управления огромным количеством данных, хранящихся в базе данных, требует-

ся очень большой объем оперативной памяти и дисков. Кроме того, в системе с

большим числом пользователей для того, чтобы за приемлемое время извлекать

нужную им информацию, необходимо быстро выполнять огромное количество

обращений к данным, для чего требуется высокое быстродействие компьютеров,

сетей и

периферийных устройств. К счастью, за время развития баз данных

мощность компьютерного оборудования заметно выросла, а стоимость значи-

тельно снизилась. Благодаря этому стало возможным широкое распространение

информационных систем, использующих базы данных.

3.2.3. Программное обеспечение

Между собственно физической базой данных, т.е. данными, которые в

действительности сохранены во внешней памяти компьютера,

и конечными

пользователями системы располагается уровень программного обеспечения –

система управления базами данных. СУБД располагает средствами добавления,

выборки, обновления и удаления данных, а также другими компонентами, обес-

печивающими настройку системы базы данных, тестирование, выполнение

вспомогательных функций, таких как восстановление баз данных, сбор стати-

стики о функционировании системы и др.

Языковые средства

СУБД являются важнейшей компонентой системы баз

данных, поскольку в конечном счете они обеспечивают интерфейс пользовате-

лей разных категорий с базой данных. Современные СУБД обладают достаточно

широким спектром языковых средств, среди которых выделяют языки описания

данных, языки манипулирования данными, языки запросов и др.

Глава 3. Основы систем управления базами данных

3-10

С помощью языка описания данных (ЯОД) определяется схема, или

структура организации данных, в виде объектов и связей между ними. В основу

той или иной структуры положена концептуальная модель данных, отражающая

в базе данных наиболее существенные с точки зрения пользователей особенно-

сти предметной области. Более подробно концептуальная модель будет рассмот-

рена

позднее при обсуждении этапов проектирования баз данных.

Языки манипулирования данными (ЯМД) определяют допустимые опера-

ции, которые можно выполнить на основе выбранной структуры данных, и раз-

деляются на две большие группы: процедурные и непроцедурные. При исполь-

зовании процедурных языков требуется указать, какие действия и над какими

объектами базы данных необходимо выполнить,

чтобы получить результат. Как

правило, такие языки ориентированы на обработку отдельных записей данных. В

непроцедурных языках указывается, что надо получить в результате, а не как это-

го достичь. Они основаны на реляционном исчислении и ориентированы на опе-

рации сразу над множеством записей.

Большинство операций по обработке данных может быть выполнено с

помощью языка запросов. Запрос – входное сообщение к информационной сис-

теме на выделение и изменение информационных ресурсов, содержащее условие

на поиск, выборку и обработку данных.

В зависимости от возможностей языка запросов и системы хранения дан-

ных в тексте запроса могут быть указаны дополнительные действия, такие как

упорядочение найденных данных, выполнение элементарных

вычислений и др.

В настоящее время основным языком запросов, общения с базами данных явля-

ется язык SQL (Structured Query Language) – язык структурированных запро-

сов. Язык является непроцедурным языком и не содержит имеющихся в обыч-

ных языках программирования операторов управления, организации подпро-

грамм, ввода-вывода и т.п. Формулирование запроса к базе данных на

проведе-

ние определенных операций над данными производится на естественном для

пользователя языке (английском).

Таким образом, основной функцией, выполняемой СУБД, является пре-

доставление пользователю базы данных возможности работать с ней, не вникая в

детали на уровне аппаратного обеспечения.

3.2.4. Пользователи

Всех пользователей можно условно разделить на три большие группы:

Прикладные программисты, которые отвечают за написание прикладных

программ, использующих БД. Для этих целей применяются языки програм-

мирования приложений Pascal, C, Visual Basic и др. Прикладные программы

выполняют над данными все стандартные операции: выборку, обновление

или удаление существующей информации, а также вставку новой информа-

ции. Все эти функции выполняются через соответствующий запрос к СУБД.

Конечные пользователи, которые работают с системами баз данных непо-

средственно через рабочую станцию или терминал. В общем случае пользо-

ватель может получить доступ к БД, используя командный интерфейс (интег-

рированный интерфейс программного обеспечения самой СУБД) или пользо-

Глава 3. Основы систем управления базами данных

3-11

вательский интерфейс прикладной программы. Командный интерфейс, т.е.

язык запросов, требует хорошего знания внутренней структуры организации

данных, объектов и связей между ними, а также опыта работы с информаци-

онной системой. Поэтому общение конечного пользователя с информацион-

ной системой в большинстве случаев осуществляется средствами пользова-

тельского интерфейса прикладной программы. В этом случае

он в явном ви-

де не использует команд-запросов на извлечение данных, а для работы с ба-

зой данных выбирает необходимые команды меню или заполняет поля в спе-

циальных формах. Такие пользовательские интерфейсы, основанные на меню

и формах, разрабатываются прикладными программистами и облегчают ра-

боту с базами данных тем, кто

не имеет достаточного опыта работы с инфор-

мационными системами. Однако пользовательский интерфейс по сравнению

с командным интерфейсом имеет ограниченные возможности.

3. Администраторы данных (АД), на которых возлагается вся ответственность

за сохранность данных. Основные функции администрирования заключаются

в том, чтобы принимать решение, какие данные необходимо вносить в базу

данных, а также

обеспечивать поддержание порядка при обслуживании дан-

ных и использовании их после занесения в базу данных. Например, админи-

стратор должен указывать, кто, при каких условиях, над какими данными и

какие операции может выполнять. Другими словами, основная функция ад-

министратора данных – обеспечивать безопасность данных. Администратор

данных – не «обладатель» базы данных, а ее «

хранитель». С усложнением

предметной области усложняется также процесс формирования информации

и принятия решений. В результате расширяется спектр функций администри-

рования. Очень важно, чтобы администратор данных работал как управляю-

щий, а не как специалист по техническим вопросам, хотя он, конечно, должен

иметь хорошее представление о возможностях систем баз данных на техни-

ческом

уровне. Технический специалист, ответственный за реализацию реше-

ний администратора данных, – это администратор базы данных (АБД).

Администратор базы данных, в отличие от администратора данных, должен

быть профессиональным специалистом в области информационных техноло-

гий, как правило, системным программистом по образованию. Работа АБД

заключается в создании самих баз данных и техническом контроле, необхо

димом для осуществления решений АД.

3.3. Преимущества и недостатки современного подхода

к организации данных

Преимущества централизованного подхода к управлению данными за-

ключаются в реализации следующих возможностей.

• Сокращение избыточности данных (одинаковой информации)

Как уже было отмечено, в системах, не использующих базы данных, каждое

приложение использует свои файлы для размещения,

хранения и извлечения

из них информации. Имея систему баз данных, эти файлы можно объединить

с устранением избыточности. Надо отметить, что не всегда следует стремить-

Глава 3. Основы систем управления базами данных

3-12

ся полностью устранять избыточность данных. Иногда веские причины (на-

пример, повышение отказоустойчивости информационной системы) требуют

наличия нескольких копий хранимых данных. Однако такая избыточность

должна строго контролироваться, т.е. учитываться в СУБД путем использо-

вания процедуры множественного обновление – если обновление вносится в

одну запись, то оно автоматически должно распространяться на все осталь

ные.

• Устранение противоречивости данных

Очевидно, что если какой-либо факт из предметной области представлен в

БД одной записью, т.е. при отсутствии избыточности, то противоречий воз-

никнуть не может. Если не удалять избыточность, а контролировать ее сред-

ствами СУБД, например с помощью процедуры множественного обновления,

тогда противоречий также можно

избежать.

• Общий доступ к данным

Общий доступ к данным означает возможность доступа к ним нескольких

существующих приложений базы данных и разработки новых приложений

для работы с этими же данными. Другими словами, новые приложения могут

получить доступ к тем же данным, и при этом нет необходимости в создании

новых данных.

•

Соблюдение стандартов

Благодаря централизованному управлению, АБД может обеспечивать пред-

ставление данных в определенных стандартах. Стандартизация представле-

ния данных наиболее важна для обмена и перенесения данных между различ-

ными системами баз данных. Кроме того, стандарты определения данных и

документации важны для совместного использования данных на предпри-

ятии, а также для их

правильного понимания.

• Введение ограничений для обеспечения безопасности

Благодаря полному контролю над базой данных, АБД может обеспечить дос-

туп к БД через определенные каналы, а следовательно, может определить

правила безопасности, которые будут проверяться при попытке доступа к

уязвимым данным. Для разных типов доступа (выборки, вставки, удаления и

т.д.) и разных

частей БД (таблиц, строк, полей и т.д.) можно установить раз-

личные правила. Однако надо иметь в виду, что при отсутствии таких правил

безопасность данных подвергается большему риску, чем в обычной, разроз-

ненной файловой системе при традиционном подходе к организации данных.

Следовательно, централизованная природа системы организации данных

требует наличия повышенной

системы безопасности.

• Обеспечение целостности данных, т.е. правильности и точности данных в

базе данных

Задача целостности заключается в обеспечении правильности и точности

данных в БД. Противоречие между двумя записями, представляющими один

«факт», является примером недостатка целостности. Эта проблема может

возникнуть лишь при наличии избыточности в хранимых данных. Но даже

если избыточность отсутствует, база данных может содержать неправильную

информацию. Например, сотрудник может иметь в соответствии с хранимы-

ми данными 400 рабочих часов в неделю вместо 40 или принадлежать к не-

Глава 3. Основы систем управления базами данных

3-13

существующему отделу №5. Централизованное управление БД позволяет в

какой-то мере избежать подобных проблем. Для этого АД определяет, а АБД

реализует правила целостности, которые применяются при любой попытке

проделать какую-либо операцию обновления информации в базе данных

(вставки, удаления и т.д.). Введение правил целостности для работы в много-

пользовательской

БД более важно, поскольку к такой базе данных есть об-

щий доступ. При отсутствии должного контроля один пользователь может

некорректно обновить данные, от чего пострадают другие пользователи.

Необходимо отметить, что интеграция данных какой-либо предметной об-

ласти может иметь и ряд недостатков:

• пользователи теряют право единоличного владения данными, что

может

привести к снижению ответственности и, как следствие, к уменьшению дос-

товерности данных;

• повышается вероятность нарушений защиты данных, если не предусмотрен

соответствующий механизм разграничения прав доступа к базе данных;

• ставится под угрозу секретность хранимой информации, поскольку в интег-

рированной базе данных легче накапливать сведения и затем выдавать их ли

цу или организации, доступ которых к ней не разрешен.

Поэтому, если система управления базами данных не гарантирует соот-

ветствующий уровень непротиворечивости, защиты и секретности, ее примене-

ние может породить новые проблемы.

В связи с этим можно сформулировать ряд требований, которым должна

удовлетворять современная СУБД:

• эффективное выполнение различных функций предметной

области;

• минимизация и контроль избыточности хранимых данных;

• предоставление для принятия решений непротиворечивой (согласован-

ной) информации;

• обеспечение возможности одновременного доступа к базе данных не-

скольких уполномоченных пользователей;

• обеспечение управления безопасностью;

• простая физическая реорганизация, т.е. изменение структуры данных в

базе данных;

• возможность централизованного управления базой данных

3.4. Классификация систем баз данных

По характеру использования системы баз данных делят на однопользо-

вательские (персональные) и многопользовательские.

Однопользовательские системы – это системы, в которых в одно и то же

время к базе данных может получить доступ не более одного пользователя, так

называемые базы данных с локальным доступом.

Многопользовательские

системы – это системы, в которых к базе дан-

ных могут получить доступ одновременно несколько пользователей, так назы-

ваемые базы данных с удаленным (сетевым) доступом. Различия между много-

пользовательской и однопользовательской системами проявляется в их внутрен-

ней структуре построения, различии используемых аппаратно-технических

Глава 3. Основы систем управления базами данных

3-14

средств и потому практически не видны конечному пользователю. Основная за-

дача многопользовательских систем – позволить каждому отдельному пользова-

телю работать с системой как с однопользовательской.

Современные многопользовательские системы централизованных баз дан-

ных с удаленным (сетевым) доступом предполагают различные архитектуры по-

строения подобных систем:

файл/сервер; •

• клиент/сервер.

Архитектура построения систем

БД типа файл/сервер предполагает выде-

ление одного из компьютеров сети в качестве центрального (сервер файлов). На

таком компьютере хранится совместно используемая централизованная БД. Все

другие компьютеры сети выполняют функции рабочих станций, с помощью ко-

торых поддерживается доступ пользовательской системы к централизованной

базе данных. Файлы базы данных в соответствии с

пользовательскими запроса-

ми передаются на рабочие станции, где в большинстве случаев и производится

обработка данных. При большой интенсивности доступа к одним и тем же дан-

ным производительность информационной системы падает. Пользователи могут

создавать также на рабочих станциях локальные БД, которые используются ими

монопольно. Концепция файл/сервер условно отображена на рис. 3.5, а

Транспортировка извлеченных дан-

ных или результатов первичной их

обработки из БД

Передача файлов из БД для обработки

Файл/сервер

Клиент/сервер

Рабочие станции Рабочие станции (клиенты)

– хранение данных – обработка данных

Рис. 3.5. Схема обработки информации в БД при принципу

файл/сервер (а) и клиент/сервер (б)

В концепции клиент/сервер подразумевается, что помимо хранения цен-

трализованной базы данных центральный компьютер – сервер базы данных –

Глава 3. Основы систем управления базами данных

3-15

должен обеспечивать выполнение некоторого объема обработки данных. Запрос

на данные, выдаваемый клиентом (приложением с рабочей станции), порождает

поиск, извлечение, а в некоторых случаях даже первичную обработку данных на

сервере. Извлеченные данные или результаты их первичной обработки (но не

файлы) передаются по сети от сервера к клиенту. Спецификой архитектуры кли-

ент/сервер

является использование специального языка запросов SQL. Концеп-

ция клиент/сервер условно отображена на рис. 3.5, б. В дальнейшем мы рас-

смотрим особенности данной архитектуры более подробно.

По технологии обработки данных системы баз данных подразделяются

на централизованные и распределенные.

В централизованной системе база данных физически хранится в памяти

одного компьютера. Если он является компонентом компьютерной сети, возмо-

жен распределенный, т.е. из различных узлов сети, доступ к такой базе. Такой

способ использования баз данных часто применяют в локальных

сетях.

Распределенная система баз данных состоит из нескольких, возможно,

пересекающихся или даже дублирующих друг друга частей БД, хранимых в раз-

личных компьютерах-серверах, которые в общем случае могут быть удалены

географически друг от друга на значительные расстояния, т.е. территориально

распределены. Связь между различными компьютерами осуществляется с по-

мощью программного

обеспечения для управления компьютерной сетью, осно-

ванного на архитектуре клиент/сервер. Такое программное обеспечение, выпол-

няющее сетевые функции, часто является встроенным компонентом операцион-

ной системы компьютера, например, Windows NT.

Преимущество распределенной обработки данных проявляется в соответ-

ствии практическим условиям работы многих предприятий и организаций. К

примеру, в практике работы металлургического комбината, использующего

еди-

ную информационную систему, обработка данных выполняется таким образом,

что полный набор всех данных не сохраняется на одном компьютере, а распре-

деляется на отдельных компьютерах, для пользователей же организован доступ к

данным нескольких компьютеров. В частности, данные о работе доменного цеха

хранятся на одном сервере, агломерационного цеха – на другом, рудообогати-

тельной

фабрики – на третьем и т.д. При этом серверы, как правило, расположе-

ны на территории соответствующих цехов. Пользователь (клиент) из управления

комбинатом, составляющий сводку о работе предприятия в целом, может полу-

чить доступ к любому количеству цеховых серверов одновременно, т.е. за один

запрос можно получить комбинированные данные двух или

более серверов. В

этом случае серверы рассматриваются клиентом как один с логической точки

зрения, и пользователь может не знать, на каком именно компьютере какая часть

данных содержится.

В общем случае компьютеры клиентов могут иметь свои собственные со-

храняемые данные, а компьютер сервера может иметь свои собственные прило-

жения, формирующие запросы.

В этом случае каждый компьютер будет высту-

пать в роли сервера для одних пользователей и в роли клиента для других

(рис. 3.6). Это пример полной распределенной системы баз данных. Полная под-

держка для распределенных баз данных означает, что отдельное приложение

может «прозрачно» обрабатывать данные, распределенные на множестве раз-

Глава 3. Основы систем управления базами данных

3-16

личных баз данных, управление которыми осуществляют разные СУБД, рабо-

тающие на многочисленных компьютерах с различными операционными систе-

мами, соединенных вместе коммуникационными сетями. Термин «прозрачно»

означает, что приложение выполняет обработку данных с логической точки зре-

ния, как будто управление данными полностью осуществляется одной СУБД,

работающей на отдельном компьютере.

Коммуникационная

сеть

Клиент

се

ве

Клиент

се

ве

Клиент

се

ве

Клиент

се

ве

Клиент

се

ве

Рис. 3.6. Полная распределенная система обработки БД

3.5. Архитектура клиент/

сервер

Архитектура клиент/сервер в той или иной форме стала общераспростра-

ненной при общении с компьютерной информационной системой. Приложение,

разработанное в архитектуре клиент/сервер, можно определить как состоящее из

нескольких частей других приложений, выполняемых на различных компьютер-

ных системах. Одно из основных назначений архитектуры клиент/сервер – дос-

тижение высокоэффективного

использования ресурсов компьютера – процессо-

ра, оперативной и внешней памяти, периферийных устройств – путем разбиения

Глава 3. Основы систем управления базами данных

3-17

имеющейся задачи на более мелкие части (процессы) и возможность распреде-

ления работы по выполнению задачи между двумя или более доступными ком-

пьютерами. Правильное построение приложения клиент/сервер предполагает,

что процессы протекают именно там, где наиболее эффективно выполняется ра-

бота, специфичная для каждого из них.

3.5.1. Компоненты приложений клиент/сервер

Ключ

к успешному выполнению программы клиент/сервер – баланс ее

различных компонентов. Можно реализовать очень простую и недорогую архи-

тектуру, эффективную для небольшого числа пользователей и/или простых при-

ложений. Однако для поддержки большого числа пользователей или очень

сложного приложения необходима более сложная архитектура.

Для реализации компьютерного приложения с архитектурой кли-

ент

/сервер в первую очередь необходимо понимание функций различных уров-

ней, обычно существующих внутри этого приложения. На рис. 3.7 показаны не-

которые потенциальные уровни любого приложения, которое функционирует в

общем случае на одном компьютере.

Уровни приложения

Доступ к файлам

Доступ к базе данных

Правила целостности данных

Бизнес-правила

Прикладные задачи

Интерфейс пользователя

Данные

Пользователь

приложения

Рис. 3.7. Уровни компьютерного приложения

Крайним слева на этом рисунке изображен конечный пользователь-клиент

данной архитектуры – тот, кто запрашивает услуги приложения. Общение

поль-

зователя с приложением происходит через пользовательский интерфейс, кото-

рый обеспечивает непосредственный ввод данных, запросов к системе на извле-

чение данных, а также представление информации в удобном для пользователя

виде.

При продвижении по схеме слева направо каждый из уровней, располо-

женных левее, можно рассматривать в качестве клиента для сервера, формируе-

мого уровнями, расположенными правее. Так, пользователь приложения через

свой интерфейс запрашивает выполнение прикладной задачи, например ввод

данных о химическом анализе пробы чугуна, расчет израсходованного за смену

кокса в доменном цехе или оформление квартального отчета. Для системы баз

Глава 3. Основы систем управления базами данных

3-18

данных прикладная задача представляет собой последовательность команд, об-

рабатываемых управляющей программой, как правило, операционной системой,

и требующей для этого выделения ресурсов компьютера – процессора, опера-

тивной и внешней памяти и др.

Прикладные задачи приложения должны соответствовать бизнес-

правилам, или коммерческим ограничениям, которые позволяют установить

характерные для прикладной (предметной) области ограничения на

вводимые

данные. С их помощью производится логическая проверка вводимой информа-

ции, контроль за правильностью и полнотой заполнения базы данных. В общем

случае такие ограничения могут быть произвольной сложности и включать в се-

бя запросы на проверку информации из нескольких таблиц базы данных, в том

числе и расположенных на других компьютерах. Например

, оператор не может

ввести данные химического анализа кокса, если предварительно не была введена

информация о дате взятия соответствующей пробы на анализ.

Требования предметной области (бизнес-правила) подчиняются правилам

целостности данных. Целостность, как уже было отмечено, – это состояние

данных, когда они сохраняют свое информационное содержание и однознач-

ность при физических модификациях

базы данных, т.е. замене, добавлении, уда-

лении данных, а также в условиях случайных воздействий (сбой системы). На-

пример, данные о результатах химического анализа может вводить и корректи-

ровать только пользователь с соответствующими правами доступа к базе дан-

ных, при этом все вводимые величины должны выражаться двузначным неотри-

цательным числом.

Отметим принципиальное отличие бизнес-правил от правил целостности.

Правила целостности используют для описания (при проектировании структуры

данных) и поддержания (в процессе функционирования информационной систе-

мы) точности и корректности данных, хранящихся в базе данных. В соответст-

вии с концепцией централизованного хранения и управления данными, которая,

как уже было отмечено, заложена в

основу создания большинства современных

информационных систем, база данных используется для обслуживания многих

прикладных программ из нескольких предметных областей. В каждой предмет-

ной области существуют свои, специфические правила, которые учитываются

при проектировании базы данных в виде правил целостности. Уровень бизнес-

правил позволяет выполнить логическую проверку вводимых данных на соот-

ветствие требованиям предметной

области, сформировав соответствующий за-

прос на следующий уровень – проверку правил целостности данных. Важно

подчеркнуть, что на следующий уровень посылается запрос в виде какой-либо

логической функции, но не сами данные прикладной программы.

Например, база данных доменного цеха обслуживает множество приклад-

ных программ, в том числе для мастера печи, технологической группы

и эконо-

мистов. Очевидно, что задачи, решаемые с помощью прикладных программ, для

всех групп специалистов различны. Каждая прикладная программа отвечает за

правильный ввод и корректировку своей части информации, вводимой в общую

базу данных. Информация по загружаемым шихтовым материалам формируется

в базе данных от нескольких клиентов: мастер печи вводит количество загру-

жаемых в печь материалов, технологи – данные по химическому анализу, эконо-