Поколения СУБД и направления исследований - раздел Программирование, База данных Принято Выделять Три Поколения Субд:
I. Поколение. ...
Принято выделять три поколения СУБД:
I. Поколение. Сетевые и иерархические системы БД, широко распространенные в 70-е годы, получили название - системы БД первого поколения. Это были первые системы, предлагавшие развитую функциональность СУБД в рамках единой системы, с языками определения и манипулирования данными для набора записей. Назовем некоторые наиболее общие характеристики ранних систем:
- Эти системы активно использовались в течение многих лет, дольше, чем используется какая-либо из реляционных СУБД.
- Все ранние системы не основывались на каких-либо абстрактных моделях. Понятие модели данных фактически вошло в обиход специалистов в области БД только вместе с реляционным подходом. Абстрактные представления ранних систем появились позже на основе анализа и выявления общих признаков у различных конкретных систем.
- В ранних системах доступ к БД производился на уровне записей. Пользователи этих систем осуществляли явную навигацию в БД, используя языки программирования, расширенные функциями СУБД.
- Навигационная природа ранних систем и доступ к данным на уровне записей заставляли пользователя самого производить всю оптимизацию доступа к БД, без какой-либо поддержки системы.
- После появления реляционных систем большинство ранних систем было оснащено «реляционными» интерфейсами. Однако в большинстве случаев это не сделало их по-настоящему реляционными системами, поскольку оставалась возможность манипулировать данными в естественном для них режиме.
II. Поколение. В 80-е годы системы первого поколения были существенно потеснены современным семейством реляционных СУБД, называемых системами БД второго поколения. Типичные представители многопользовательских профессиональных систем второго поколения – DB2, INGRES, ORACLE, Informix и др.
В нашей стране представление о реляционных СУБД у большинства программистов сложилось на основе опыта использования систем на платформе персональных компьютеров, таких как dBASE, FoxBASE, FoxPro, Paradox, Clipper, Clarion, а позже Access. Причины такой популярности можно видеть как в широком распространении персональных компьютеров, так и в относительной простоте и легкости изучения и освоения самих персональных СУБД. Очень часто персональные СУБД использовались (да и сейчас кое-где используются) для автоматизации таких задач, например, в финансовой сфере, которые требуют многопользовательских профессиональных систем.
Реляционные СУБД и сейчас являются наиболее популярными в сфере разработки бизнес-приложений. Однако существует широкий класс приложений, для которых технология реляционных систем БД не является вполне удовлетворительной:); технология программирования; системы, основанные на знаниях, и мультимедийные системы; системы автоматизации проектирования (САПР); геоинформационные системы (ГИС); издательские системы; системы дистанционного обучения; системы электронной коммерции и др. Это прежде всего связано с примитивностью структур данных, лежащих в основе реляционной модели данных. Плоские нормализованные отношения универсальны и теоретически достаточны для представления данных любой предметной области. Однако в нетрадиционных приложениях в базе данных появляются сотни, если не тысячи таблиц, над которыми постоянно выполняются дорогостоящие операции соединения, необходимые для воссоздания сложных структур данных, присущих предметной области.
Другим серьезным ограничением реляционных систем являются их относительно слабые возможности по части представления семантики приложения.
Осознавая эти ограничения и недостатки реляционных систем, исследователи в области баз данных выполняют многочисленные проекты, основанные на идеях, выходящих за пределы реляционной модели данных
III.Поколение. Термин «системы следующего (или третьего) поколения» вошел в жизнь после опубликования группой известных специалистов в области БД «Манифеста систем баз данных третьего поколения». В целом можно сказать, что СУБД следующего поколения - это прямые наследники реляционных систем. В число требований к СУБД третьего поколения входят полнота системы типов, поддерживаемых в СУБД; поддержка иерархии и наследования типов; возможность управления сложными объектами и т.д.
Основными направлениями систем третьего поколения, обладающими некоторыми разными характеристиками, являются:
- Ориентация на расширенную реляционную модель. Основные характеристики: максимальное следование (насколько это возможно с учетом новых требований) известным принципам организации СУБД; абстрактные типы данных; поддержка исторической информации и темпоральных запросов; отказ от требований нормализации. Одной из наиболее известных СУБД этого направления является система Postgres. В Postgres реализованы многие интересные средства: поддерживается темпоральная модель хранения и доступа к данным; допускается хранение в полях отношений данных абстрактных, определяемых пользователями типов.
- Генерация систем баз данных, ориентированных на приложения. Основная характеристика: создание собственно не системы, а генератора систем, наиболее полно соответствующих потребностям приложений. Решение достигается путем создания наборов модулей со стандартизованными интерфейсами. Существуют два экспериментальных прототипа «генерационных» систем - Genesis и Exodus. Обе эти системы основаны прежде всего на принципах модульности и точного соблюдения установленных интерфейсов. По сути дела, системы состоят из минимального ядра (развитой файловой системы в случае Exodus) и технологического механизма программирования дополнительных модулей. В проекте Exodus этот механизм основывается на системе программирования E, которая является простым расширением С++, поддерживающим стабильное хранение данных во внешней памяти. Вместо готовой СУБД предоставляется набор "полуфабрикатов" с согласованными интерфейсами, из которых можно сгенерировать систему, максимально отвечающую потребностям приложения
- Системы баз данных, основанные на правилах. К этому направлению относятся дедуктивные БД. Основная характеристика: достижение расширяемости системы и ее адаптации к нуждам конкретных приложений путем использования стандартного механизма управления правилами. По сути дела, система представляет собой некоторый интерпретатор системы правил и набор модулей-действий, вызываемых в соответствии с этими правилами. Можно изменять наборы правил (существует специальный язык задания правил) или изменять действия, подставляя другие модули с тем же интерфейсом. По определению, дедуктивная БД состоит из двух частей: экстенциональной, содержащей факты, и интенциональной, содержащей правила для логического вывода новых фактов на основе экстенциональной части и запроса пользователя. Отметим лишь, что обычно языки запросов и определения интенциональной части БД являются логическими (поэтому дедуктивные БД часто называют логическими). Имеется прямая связь дедуктивных БД с базами знаний
- Объектно-ориентированные СУБД. Направление объектно-ориентированных баз данных (ООБД) возникло сравнительно давно. Публикации появлялись уже в середине 1980-х. Однако наиболее активно это направление развивается в последние годы. В настоящее время ведется очень много экспериментальных и производственных работ в области объектно-ориентированных СУБД. На рынке представлено свыше 25 систем ООБД. Среди них — система GemStone компании Servio, ONTOS компании Ontos, ObjectStore компании Object Design, O2, ORION, Iris. Кроме того, системы управления реляционными базами данных, разработанные компаниями Oracle, Microsoft, Borland, Informix, включали объектно-ориентированные средства. Многие из этих продуктов появились еще во второй половине 80-х годов, и сегодня, по прошествии почти полутора десятилетий разработки они все еще не вступили в пору зрелости; в этом — одна из причин того, что по сей день мировой рынок реальных приложений не торопится принимать системы ООБД.
Широкое использование Интернет в различных сферах деятельности ставит перед разработчиками СУБД следующие проблемы:
1. Интеграция текста, данных, кода и потоков. В области СУБД основное внимание всегда уделялось организации, хранению, анализу и выборке структурированных данных. Развитие Web-приложений продемонстрировало важность более сложных типов данных: текстов, изображений, темпоральных, аудио- и видеоданных.
2. Интеграция информации. Типичным подходом к интеграции информации в масштабах предприятия является построение хранилищ (DataWarehouse) витрин (data mart) данных на основе извлечения операционных данных, их трансформации к единой схеме и загрузке данных в хранилище (процедура ETL - extraction, transfotamation, loading). Этот подход пригоден для использования на предприятии с несколькими десятками операционных баз данных, находящихся под единым контролем. В Интернет требуется производить интеграцию информации между несколькими предприятиями. Как правило, организации не позволят в массовом порядке извлекать данные из своих операционных баз данных, к ним можно будет адресовать лишь одиночные запросы. В результате потребуется интеграция, возможно, миллионов информационных источников «на лету». В связи с этим существует множество нерешенных проблем: семантическая неоднородность; неполнота и неточность данных; ограниченность доступа к конфиденциальным данным и т.д.
3. Мультимедийные запросы. Очевидно, что объем мультимедийных данных (изображения, аудио, видео и т.д.) значительно возрастает. Проблемой сообщества баз данных является создание простых способов анализа, обобщения, поиска и обозрения электронных подборок мультимедийной информации, относящейся к некоторому объекту.
Все темы данного раздела:
Данные и ЭВМ
Восприятие реального мира можно соотнести с последовательностью разных, хотя иногда и взаимосвязанных, явлений. С давних времен люди пытались описать эти явления (даже тогда, когда не могли их поня
Терминология в СУБД
В общеотраслевых руководящих материалах по созданию банков данных Государственного комитета по науке и технике, изданных в 1982 г., приводятся следующие определения основных понятий:
Инфологические Даталогические Физические
модель документальные фактографические основанные основанные
сущность-связь (ER) на файловых на странично-
структу
Структуры данных
База данных, организованная с помощью инвертированных списков, похожа на реляционную БД, но с тем отличием, что хранимые таблицы и пути доступа к ним видны пользователям. При этом:
- строк
Манипулирование данными
Поддерживаются два класса операторов:
Операторы, устанавливающие адрес записи, среди которых: прямые поисковые операторы (например, найти первую запись таблицы п
Иерархические структуры данных
Иерархическая модель данных (ИМД) свойственна многим реальным древовидным структурам (классификаторы, структуры управления и т. п.). Существуют графовая и табличная формы представления данны
Сетевые структуры данных
Сетевой подход к организации данных является расширением иерархического. В иерархических структурах запись-потомок должна иметь в точности одного предка; в сетевой структуре данных потомок может им
Манипулирование данными
Примерный набор операций может быть следующим:
найти конкретную запись в наборе однотипных записей (инженера Сидорова); перейти от предка к первому потомку по некоторой свя
Ограничения целостности
В принципе их поддержание не требуется, но иногда требуют целостности по ссылкам (как в иерархической модели).
Достоинства ранних СУБД:
развитые средства упр
Физические модели организации баз данных
Физические модели определяет способ размещения данных в среде хранения и способы доступа к этим данным, которые поддерживаются на физическом уровне. Среди самых важных характеристик любой ба
Файловые структуры, используемые для хранения данных в БД
На устройствах последовательного доступа (магнитофоны, стримеры) могут быть организованы файлы только последовательного доступа. Файлы с переменной длиной записи также всегда являются файлам
Модели страничной организации данных в современных БД
Реляционные СУБД хранят следующие разновидности объектов во внешней памяти БД:
строки таблиц - основная часть БД; управляющие структуры - индексы, создаваемые по инициативе
Этапы доступа к БД
Опишем последовательность действий при доступе к БД (см. рис. 2.7):
Сначала в СУБД определяется искомая запись, а затем для ее извлечения запрашивается диспетчер файл
Вопросы и упражнения для самоконтроля к главе 2
Чем даталогические документальные модели отличаются от фактографических? Приведите примеры даталогических документальных моделей. Какие компоненты входят в структуру логичес
Базовые понятия реляционных баз данных
Реляционные (от английского слова relation – отношение) модели были разработаны Э. Коддом в начале 70-х годов. Основными понятиями реляционных баз данных являются тип данных, домен, атрибут, кортеж
Тип данных
Понятие тип данных в реляционной модели данных полностью адекватно понятию типа данных в языках программирования. Обычно в современных реляционных БД допускается хранение данных следующих ти
Кортеж, отношение, ключи
Кортеж, соответствующий данной схеме отношения, - это множество пар {имя атрибута - значение}, которое содержит одно вхождение каждого имени атрибута, принадлежащего схеме отношения. "З
Связи в реляционных базах данных
В реляционных БД связи позволяют избежать избыточности данных. Связь работает путем сопоставления данных ключевых столбцов. В большинстве случаев связь сопоставляет первичный ключ одной таблицы с в
Отсутствие кортежей-дубликатов
То свойство, что отношения не содержат кортежей-дубликатов, следует из определения отношения как множества кортежей. В классической теории множеств по определению каждое множество состоит из различ
Отсутствие упорядоченности кортежей
Свойство отсутствия упорядоченности кортежей отношения также является следствием определения отношения-экземпляра как множества кортежей. Отсутствие требования к поддержанию порядка на множестве ко
Отсутствие упорядоченности атрибутов
Атрибуты отношений не упорядочены, поскольку по определению схема отношения есть множество пар {имя атрибута – имя домена}. Для ссылки на значение атрибута в кортеже отношения всегда используется и
Атомарность значений атрибутов
Значения всех атрибутов являются атомарными. Это следует из определения домена как потенциального множества значений простого типа данных, т.е. среди значений домена не могут содержаться множества
Характеристика реляционной модели данных
Наиболее распространенная трактовка реляционной модели данных, по-видимому, принадлежит Дейту К., который воспроизводит ее (с различными уточнениями) практически во всех своих книгах. Согласно Дейт
Трехзначная логика (3VL)
В подходе 2 (п.3.3) использовано понятие «неопределенного» значения ключа. В реальном мире часто встречается ситуация, когда данные неизвестны или неполны. Для того чтобы обойти проблему неполных и
Реляционная алгебра
Вторая часть реляционной модели, манипуляционная часть, утверждает, что доступ к реляционным данным осуществляется при помощи реляционной алгебры или эквивалентного ему реляционного исчисления.
Особенности операций реляционной алгебры
Хотя в основе теоретико-множественной части реляционной алгебры лежит классическая теория множеств, соответствующие операции реляционной алгебры обладают некоторыми особенностями.
Начнем с
Реляционное исчисление
Пример 3.11 Предположим, что мы работаем с базой данных, обладающей схемой СОТРУДНИКИ (СОТР_НОМ, СОТР_ИМЯ, СОТР_ЗАРП, ОТД_НОМ) и ОТДЕЛЫ (ОТД_НОМ, ОТД_КОЛ, ОТД_НАЧ), и хотим узнать име
Вопросы и упражнения для самоконтроля к главе 3
1. Чем отличается домен от типа данных?
2. Что такое степень отношения?
3. В чем отличие схемы отношения от отношения?
4. Можно ли считать любую прямоугольную таблицу дан
История языка SQL
Увеличение объема и структурной сложности хранимых данных, расширение круга пользователей информационных систем привели к широкому распространению наиболее удобных и сравнительно простых для понима
Структура языка SQL
Основу языка SQL составляют операторы, условно разбитые на несколько групп по выполняемым функциям. Можно выделить следующие группы операторов (перечислены не все операторы SQL):
Создание простых запросов
Оператор SELECT является фактически самым важным для пользователя и самым сложным оператором SQL. Он предназначен для выборки данных из таблиц, т.е. он, собственно, и реализует одно их основных наз
Агрегирование данных в запросах
В SQL существует ряд специальных стандартных функций (SQL-функций). Кроме специального случая COUNT(*) каждая из этих функций оперирует совокупностью значений столбца некоторой таблицы и создает ед
Формирование запросов на основе соединения таблиц
Очевидно, что с помощью соединения несложно сформировать запрос на обработку данных из нескольких таблиц. Кроме того, в такой запрос можно включить любые части предложения SELECT, рассмотренные ран
Формирование структур вложенных запросов
Следует отметить, что SQL обладает большой избыточностью в том смысле, что он часто предоставляет несколько различных способов формулировки одного и того же запроса.
Очень удобным средство
Простые подзапросы
Рассмотрим простые подзапросы.
Пример 4.27 Предположим, что известно имя продавца (Мотика), но неизвестно значение его поля snum, и необходимо извлечь все его порядки из таблицы
Объединение нескольких запросов в один
Напоминаем, что реляционная операция объединение позволяет получить отношение, состоящее из всех строк, входящих в одно или оба объединяемых отношений. Но при этом исходные отношения или их объедин
Проблемы параллельной работы транзакций
Современные многопользовательские системы допускают одновременную работу большого числа пользователей. При этом, если не предпринимать специальных мер, транзакции будут мешать друг другу. Этот эффе
Вопросы и упражнения для самоконтроля к главе 4
1. Сколько версий языка SQL было принято?
2. Используется ли в какой-либо СУБД язык SQL в том виде, как он описан в стандарте?
3. Что означает символ «*» в операторе SELECT?
Проектирование реляционных БД с использованием принципов нормализации
Сначала будет рассмотрен классический подход, при котором весь процесс проектирования производится в терминах реляционной модели данных методом последовательных приближений к удовлетворительному на
Применение семантических моделей при проектировании
Широкое распространение реляционных СУБД и их использование в самых разнообразных приложениях показывает, что реляционная модель данных достаточна для моделирования предметных областей. Однако прое
Практические рекомендации по проектированию БД
Только небольшие организации могут обобществить данные в одной полностью интегрированной базе данных. Чаще всего администратор баз данных (даже, если это группа лиц) практически не в состоянии охва
Вопросы и упражнения для самоконтроля к главе 5
Что является исходной информацией на первом шаге процесса проектирования классическим методом? Какие нормальные формы вы знаете? Приведение к какой нормальной форме считаетс
Непосредственное управление данными во внешней памяти
Эта функция включает обеспечение необходимых структур внешней памяти как для хранения данных, непосредственно входящих в БД, так и для служебных целей, например, для ускорения доступа к данным в не
Управление буферами оперативной памяти
СУБД обычно работают с БД значительного размера; этот размер чаще всего существенно больше доступного объема оперативной памяти. При обращении к любому элементу данных во время обмена с внешней пам
Управление транзакциями
Транзакция - это последовательность операций над БД, рассматриваемых СУБД как единое целое. Либо транзакция успешно выполняется, и СУБД фиксирует (COMMIT) изменения БД, произведенные этой транзакци
Журнализация
Одним из основных требований к СУБД является надежность хранения данных во внешней памяти.
Под надежностью хранения понимается то, что СУБД должна быть в состоянии восстановить посл
Поддержка языков БД
Для работы с базами данных используются специальные языки, в целом называемые языками баз данных. В ранних СУБД поддерживалось несколько специализированных по своим функциям языков. Чаще все
OLTP-системы
Сильно нормализованные модели данных хорошо подходят для так называемых OLTP-приложений (On-Line Transaction Processing - оперативная обработка транзакций). Типичными примерами
OLAP -системы
Другим типом приложений являются OLAP-приложения (On-Line Analitical Processing - оперативная аналитическая обработка данных). Это обобщенный термин, характеризующий принципы п
Мониторы транзакций
С ростом сложности распределенных вычислительных систем возникают проблемы эффективного использования их ресурсов. Для решения этих проблем в состав распределенных OLTP-систем вводят дополнительный
Ответ запрос
Рисунок 6.1 Упрощенная схема работы монитора транзакций
Клиентские приложения не знают, какой системе будут направлены их запросы, предлагается ли нужный се
Архитектура СУБД
Обычно современная СУБД содержит следующие компоненты (рис. 6.2):
Рис
Пользователи БД
Централизованный характер управления данными вызывает необходимость администрирования базы данных как сложной системы. Поэтому особую роль играет администратор базы или банка данных (АБД). А
Вопросы и упражнения для самоконтроля по главе 6
1. Для чего СУБД использует журналы?
2. Какова последовательность действий по восстановлению БД при жестком сбое?
3. Что содержится в системных таблицах БД?
4. Какие треб
Клиент Сервер
Рисунок 7.1 Модель файлового сервера
Технология: выделяется файл-сервер для хранения и обработки файлов других узлов сети, а в остальных узлах функционирует приложение, в кодах кото
Клиент Сервер
Рисунок 7.2 Модель доступа к удаленным данным
Технология: клиентский запрос направляется на сервер, где ядро СУБД обрабатывает запрос и возвращает результат (набор данных) клиенту.
Клиент Сервер
Рисунок 7.3 Модель сервера баз данных
Технология: компонент представления выполняется на компьютере-клиенте, а прикладной компонент и ядро СУБД на компьютере-сервере БД. Процедуры х
Распределенная обработка данных
По мере роста БД, использование их в территориально разнесенных организациях приводит к тому, что централизованная СУБД плохо справляется с ростом числа обрабатываемых транзакций. Это приводит к сн
Аспекты сетевого взаимодействия
Традиционной и наиболее популярной является модель доступа к удаленным данным (RDA-модель). Рассмотрим ее более подробно. Имеется компьютер-клиент, на котором запускаются программы переднего плана
Технология распределенной БД (технология STAR)
Системы распределенных БД состоят из набора узлов, связанных вместе коммуникационной сетью, в которой:
1) каждый узел обладает собственной системой БД;
2) узлы работают согласован
Технология тиражирования данных
Принципиальная характеристика тиражирования (репликации) данных (Data Replication - DR) заключается в отказе от физического распределения данных. Суть DR состоит в том, что любая база данных (как д
Концепция активного сервера в модели DBS
Профессиональные СУБД обладают мощным активным сервером БД. Идея активного интеллектуального сервера БД стала ответом на следующие задачи реальной жизни:
· БД должна отражать реальное сост
Вопросы и упражнения для самоконтроля к главе 7
1) Какие факторы влияют на реализацию технологии «клиент-сервер»?
2) Какой спектр операций манипулирования данными используется в модели файлового сервера?
3) Что означает пассивн
Новости и инфо для студентов