Компоненты информационной системы с базой данных и трехуровневая архитектура системы управления базой данных

Каждая система управления базой данных должна удовлетворять следующим требованиям:

• • обеспечивать пользователю возможность создавать новые БД и определять их схему (логическую структуру данных) с помощью специального языка (языка определения данных); поддерживать разнообразные представления одних и тех же данных;
• • позволять делать запросы к данным (к информации из БД) и изменять данные с помощью языка запросов или языка манипулирования данными; допускать интеграцию и совместное использование данных различными приложениями;
• • поддерживать хранение очень больших массивов данных в течение длительного времени, защищая их от случайной порчи и неавторизированного доступа; обеспечивать модификацию БД в случае необходимости и доступ к данным путем запросов, т. е. гарантировать безопасность и целостность данных;
• • контролировать доступ к данным одновременно для многих пользователей; исключать влияние запроса одного пользователя на запрос другого и не допускать одновременный доступ, который может испортить данные, т. е. гарантировать управление параллельным доступом к данным.

В информационной системе с БД можно выделить несколько компонентов.

• 1. Пользователи — люди, которые используют информацию, находящуюся в БД. Принято выделять следующие группы пользователей: системные администраторы — отвечают за основные операции системы; администраторы базы данных — управляют работой СУБД и обеспечивают функционирование базы данных; проектировщики базы данных — разрабатывают структуру БД; системные аналитики — определяют основные функции системы базы данных и проектируют формы ввода данных, отчеты и процедуры, с помощью которых обеспечиваются доступ к данным и манипулирование ими (их добавление, изменение, удаление); программисты — создают программный код; непосредственные пользователи — используют прикладные программы для выполнения необходимых операций по автоматизации своей деятельности.
• 2. Приложения — программы пользователей, которым необходима информация из системы.
• 3. Система управления базой данных — ПО, управляющее доступом к данным и обеспечивающее указанные функциональные возможности ИС с БД.
• 4. Информация — обработанные данные (строки, хранящиеся в файлах).
• 5. Хост-система — компьютерная система, в которой хранятся файлы. Доступ к строкам данных осуществляется хост-системой. Роль СУБД состоит в том, чтобы генерировать запросы, позволяющие использовать функциональные возможности системы управления файлами хостсистемы для обслуживания различных приложений. СУБД представляет собой дополнительный уровень ПО, надстроенный над программным обеспечением хост-системы.
• 6. Оборудование — все системные программные средства (универсальный компьютер, персональный компьютер, ноутбук, карманный компьютер).
• 7. Периферийные устройства — физические устройства, обеспечивающие ввод/вывод, а также электронные устройства для подключения дополнительных компьютеров и организации сети.

Графическая интерпретация ИС с БД в виде логической последовательности уровней представлена на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Уровни ИС с базой данных.

На нижнем уровне находятся данные, хранящиеся в физических файлах (физическая память БД). На верхнем уровне располагаются приложения, у которых имеется собственное представление одних и тех же физических данных. Каждое представление базы данных предполагает определенную логическую структуру, построенную из лежащих в основе физических данных. Чтобы обеспечить интерфейс между физической памятью БД и ее разнообразными логическими версиями (множеством поддерживаемых представлений), сама СУБД тоже состоит из нескольких уровней (компонентов).

Обычно современная СУБД содержит следующие компоненты:

• • ядро, которое отвечает за управление данными во внешней и оперативной памяти;
• • процессор языка базы данных, обеспечивающий извлечение и изменение данных и создание, как правило, машинно-независимого исполняемого внутреннего кода;
• • подсистему поддержки времени исполнения, которая интерпретирует программы манипуляции данными, создающие пользовательский интерфейс с СУБД;
• • сервисные программы (внешние утилиты), обеспечивающие ряд дополнительных возможностей по обслуживанию информационной системы.

Системы управления базой данных классифицируют по различным признакам, например: по модели данных — иерархические, сетевые, реляционные, объектно-ориентированные, объектно-реляционные; по способу размещения — локальные (все части локальной СУБД размещаются на одном компьютере), распределенные (части СУБД размещаются на двух и более компьютерах); по способу доступа к БД — файл-серверные, клиент-серверные, встраиваемые, — а также по другим признакам |9, 33].

Концептуальная, логическая и физическая модели предметной области. Предметная область представляет собой часть реального мира, которая исследуется или используется. Это может быть «Изготовление изделий на заказ», «Сбыт готовой продукции», «Оформление сотрудника на работу» и др. Из-за сложности предметной области охватить ее аспекты в одноуровневой модели не представляется возможным. Поэтому используются три уровня: концептуальный (понятийный), логический и физический.

Концептуальный уровень отражает предметную область в самом общем виде. Он определяет содержание и структуру предметной области безотносительно к моделям данных (см. параграф 3.3) и типу используемой СУБД. Этот уровень должен быть понятен пользователю и полностью независим от того, как данные будут храниться в БД в действительности. Изменения в этой модели должны производиться только при изменениях в реальном мире, чтобы эта модель продолжала быть отражением предметной области.

Логический уровень является промежуточным, на котором производится формализация модели. Па этом уровне предметная область отображается в виде информационных объектов (сущностей) и связей между ними. Для реляционной модели сущности являются «прообразами» таблиц, а связи отображают отношения между ними. Логическая модель лежит в основе построения БД, в том числе и с использованием CASE-средств.

Физический уровень модели предметной области определяет способ реализации в среде выбранной СУБД. Одной логической модели может соответствовать несколько физических моделей (для разных СУБД). В CASE-средствах осуществляется автоматическое преобразование логической модели в физическую для конкретной СУБД. На основе физической модели осуществляется проектирование структуры базы данных. С использованием CASE-средств этот процесс происходит автоматически и называется прямым проектированием. CASE-средства позволяют также на основе существующей БД создавать физическую, а затем и логическую модели (обратное проектирование) [24].

Трехуровневая архитектура СУБД. Первые попытки стандартизации общей архитектуры СУБД относятся к 1971 г., когда был предложен двухуровневый подход к архитектуре СУБД на основе использования системного представления, включающего понятие схемы базы данных и пользовательских представлений (подсхем).

В 1978 г. комитетом ANSI/SPARC (ANSI, American National Standard Institute — Национальный институт стандартизации США; SPARC,.

Standard Planning and Requirements Committee — Комитет планирования стандартов и норм) официально зафиксировано различие между логическим и физическим представлением данных. В частности, была предложена обобщенная структура систем с базой данных. Эта структура получила название трехуровневой архитектуры, включающей внутренний, концептуальный и внешний уровни (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Трехуровневая архитектура СУБД

Введение

трехуровневой архитектуры БД позволило отделить пользовательское представление БД от ее физического представления. Необходимость такого отделения обусловлена, прежде всего, следующими причинами:

• • каждый пользователь должен иметь возможность обращаться к одним и тем же данным, используя собственное представление об этих данных, а также изменять его при необходимости, что не должно оказывать влияния на представление о данных других пользователей;
• • обращение пользователя к БД не должно зависеть от особенностей хранения в ней данных;
• • администратор БД может при необходимости изменять структуру хранения данных в базе, включая концептуальную структуру БД, причем эти действия не должны влиять на пользовательские представления данных;
• • внутренняя структура хранения данных не должна зависеть от изменения физических устройств хранения информации.

Внутренний уровень в трехуровневой модели СУБД — это уровень, определяющий физический вид БД, наиболее близкий к физическому хранению. Он связан со способами хранения информации на физических устройствах. К данному уровню имеют отношение дисководы, физические адреса, индексы, указатели и г. д. За работу уровня отвечают проектировщики физической БД, которые решают, какие физические устройства будут хранить данные, какие методы доступа к данным будут использоваться и какие меры следует принять для поддержания или повышения быстродействия СУБД. Для пользователей данный уровень закрыт.

Концептуальный уровень — структурный уровень, который дает представление о логической схеме БД. На данном уровне выполняется концептуальное проектирование БД, которое включает анализ информационных потребностей пользователей и определение нужных им элементов данных. Результатом концептуального проектирования является концептуальная схема БД, а также логическое описание всех элементов данных и отношений между ними. Как было сказано выше, концептуальная схема БД не связана напрямую с выбранной моделью данных и СУБД, в то время как логическая схема уже предполагает представление структуры данных в рамках выбранной модели (см. параграф 3.3).

Внешний уровень — структурный уровень БД, определяющий пользовательские представления данных. Каждый пользователь или группа пользователей получают свое собственное представление данных в БД. Такое пользовательское описание элементов данных и отношений между ними можно напрямую вывести из концептуальной схемы. Совокупность различных пользовательских представлений данных и образует внешний уровень.

Под схемой данных (схемой базы данных) понимается общее описание базы данных. В соответствии с трехуровневой архитектурой различают и три типа схем базы данных:

• 1) внешнему уровню представления БД соответствуют, как правило, несколько внешних схем (подсхем) БД. Каждая из таких схем соответствует представлению данных определенной группы пользователей СУБД;
• 2) концептуальная схема описывает все элементы данных, связи между ними, а также необходимые ограничения для поддержки целостности данных. Для каждой БД имеется только одна концептуальная схема данных;
• 3) внутренняя схема является полным описанием внутренней модели данных и содержит определения хранимых записей, методы представления, описания полей данных, сведения об индексах и нр. Внутренняя схема для каждой БД только одна.

Исходя из различных схем БД в трехуровневой модели, следует, что СУБД должна устанавливать соответствие и следить за непротиворечивостью перечисленных схем.

Концептуальная схема — центральное связующее звено между каждой внешней схемой и внутренней схемой БД. Концептуальная схема связана с внутренней схемой посредством внутреннего концептуального отображения. Каждая внешняя схема, в свою очередь, связана с концептуальной схемой с помощью внешнего концептуального отображения, которое позволяет отображать пользовательское представление на соответствующую часть концептуальной схемы.

В теории и практике баз данных принято различать понятия «описание базы данных» и «база данных». Под описанием БД понимают схему БД, создаваемую в процессе проектирования БД, изменение которой предполагается в исключительных случаях. Под базой данных понимается вся информация, содержащаяся в базе, которая может изменяться с течением времени. Совокупность информации, хранящейся в БД в любой определенный момент времени, называется состоянием БД. Таким образом, одной и той же схеме БД может соответствовать множество различных состояний БД. Состояние БД также называется детализацией.

Главное назначение трехуровневой архитектуры — обеспечение независимости от данных, т. е. любые изменения на нижних уровнях БД не должны влиять на верхние уровни.

Независимость бывает двух типов:

• • логическая — полная защищенность внешних схем от изменений, которые вносятся в концептуальную схему;
• • физическая — защищенность концептуальной схемы от изменений, которые вносятся во внутреннюю схему.