Ответы на тесты главы 5

c

a

b

a,c,d

a,b,c

a,d

a

a

d

b

b

b

c

a,c

c

a

a

c

b

c

d

a

c

 

 

Глава 6. Основы информационных систем и баз данных

6.1. Понятие информационных систем и баз данных

 

В информатике понятие система имеет несколько значений и может содержать набор технических средств и компьютерных программ. Системой может являться как аппаратная часть компьютера, так и множество программ для решения конкретных прикладных задач. Будем рассматривать системы, которые служат для преобразования информации. Под информационной системой будем понимать программно-аппаратную систему, предназначенную для автоматизации целенаправленной деятельности конечных пользователей и содержащую ресурсы, позволяющие выполнять сбор, хранение, редактирование и санкционированный доступ к информации, организованной в виде баз данных. Базы данных являются необходимыми в различных областях деятельности и жизни человека. Например, в университетах может существовать база данных с информацией о студентах, преподавателях, читаемых ими дисциплинах, зарплатах, личных данных. Примерами информационных систем являются автоматизированные системы управления предприятиями, банковские системы, системы резервирования билетов, мест в гостиницах и т. д. Информационные системы, как правило, хранят большие объемы данных, имеющих достаточно сложную логическую структуру связанных данных и их описаний.

История развития систем управления базами данных (СУБД) насчитывает десятки лет. Первая промышленная СУБД фирмы IBM была введена в эксплуатацию в 1968 году, а в 1975 году появился первый стандарт, который определил ряд основных понятий в теории систем баз данных. В 1981 году американский математик Э. Ф. Кодд за создание реляционной алгебры и реляционной модели базы данных получил премию Тьюринга.

Развитие вычислительной техники, появление персональных компьютеров, мощных рабочих станций и компьютерных сетей обусловило развитие технологии баз данных. Компьютеры стали инструментом для ведения документации, что заставляло разработчиков программного обеспечения создавать системы, которые принято называть настольными СУБД.

С появлением локальных сетей информация передается между компьютерами, поэтому возникла задача согласования данных, хранящихся и обрабатывающихся в разных местах, но связанных логически. Решение этой задачи привело к появлению распределенных баз данных, позволяющих организовать параллельную обработку информации и сохранять целостность баз данных.

Для распределенного хранения данных и доступа к базе компьютеры объединяют в локальные, региональные и даже глобальные сети. В настоящее время широко используется технология клиент-сервер для построения сетей. Система клиент-сервер - это обычная локальная вычислительная сеть, которая содержит группу компьютеров-клиентов и один специальный компьютер – сервер. Компьютеры-клиенты обращаются к серверу за различными услугами. Компьютер-сервер может пересылать им различные программы, например, обработки текстов, работы с таблицами, выполнение запросов к базе данных и возвращать результаты. Основная идея состоит в том, что каждый компьютер выполняет то, что он делает наиболее эффективно. Сервер извлекает и обновляет данные, клиент выполняет специальные расчеты и предоставляет результаты конечному пользователю. Вначале серверы выполняли простейшие функции: серверы печати, файловые серверы, по запросу клиента на доступ к какому-нибудь файлу сервер пересылал данный файл компьютеру-клиенту. Сервер базы данных – это программа, которая запускается на компьютере-сервере и обслуживает доступ клиентов к базе данных. Таким образом, в основе системы клиент-сервер лежит принцип разделения труда. Клиент-это компьютер, с которым работает пользователь, а компьютер-сервер выполняет обслуживание группы клиентов : доступ к базе данных, обновление базы данных и т.п. Прогрессивным путем коллективного доступа к базам данных в последние 20 лет является использование всемирной сети Интернет с группой ее служб. Локальные сети, использующие базовые протоколы сети Интернет называют Интранет.

 

Информационные системы состоят из четырех основных компонентов: аппаратные средства, программное обеспечение, базы данных и персонал.

1.Аппаратные средства – это комплекс технических средств для сбора, регистрации, хранения, обработки, отображения и обеспечения безопасности информации. Они включают компьютеры, мощные серверные и сетевые устройства, оргтехнику, телекоммуникационные средства связи. Объем дисков для хранения баз данных должен быть очень большим и компьютеры должны иметь высокое быстродействие для эффективного обслуживания пользователей.

2. Программное обеспечение включают два вида программ: программное обеспечение общего назначения для управления базой данных и называемое СУБД и прикладное программное обеспечение, использующее средства СУБД для выполнения конкретных задач, например анализ продаж, ведение бухгалтерии и т.д. Прикладное программное обеспечение обычно создается сотрудниками фирмы для решения своих задач, оно может быть разработано на базе универсальных алгоритмических языков Кобол, Си или специальных языковых средств , входящих в состав СУБД. СУБД – это программное средство для создания и обслуживания баз данных в различных областях деятельности человека.

3.База данных – основа информационной системы, должна быть при проектировании логично и тщательно организована в единую логическую структуру данных с установленной системой отношений между данными.

4. Пользователи , Основными категориями которых являются:

· конечные пользователи -это пользователи, которые иногда или постоянно обращаются к базе данных за получением некоторой информации. От конечных пользователей не требуются какие-либо специальных знаний в области вычислительной техники и программных средств;

· администраторы базы данных, которые отвечают за оптимальную организацию и корректную работы системы в многопользовательском режиме;

· разработчики программных приложений.

Для создания сложных информационных систем в группу разработчиков входят системные аналитики, проектировщики структур данных и методов обработки данных, системные и прикладные программисты, специалисты по обслуживанию системы.

База данных (БД)– это поименованная совокупность взаимосвязанных структурированных данных, относящихся к определенной предметной области. Базы данных представляют собой совокупность сведений об объектах, событиях и т.п., Она должна быть организована компактно в виде единого целого. База данных наиболее часто представляет собой множество взаимосвязанных таблиц, каждая из которых содержит информацию об объектах определенного типа. Каждая строка таблицы включает данные об одном объекте ,например, товаре, сотруднике , а столбцы таблицы содержат различные характеристики этих объектов – атрибуты.

Необходимо различать набор данных, составляющих собственно БД, и программное обеспечение, предназначенное для разработки и ведения баз данных – систему управления базой данных (СУБД). Отличительной чертой баз данных следует считать то, что данные хранятся совместно с их описанием, а в прикладных программах описание данных не содержится.

Основными функциями СУБД являются следующие:

· определение данных - определяется информация, которая должна храниться в базе данных, задается структура данных, их тип, а также указывается то, как данные будут связаны между собой;

· обработка данных - данные можно обрабатывать различными способами: выбирать любые поля, фильтровать и сортировать данные, объединять данные и вычислять итоговые значения;

· управление данными - определяются правила доступа к данным, их изменение и добавление новых данных, задаются правила коллективного пользования данными.

Кроме того, необходимо обеспечить защиту от неразрешенного доступа, реализацию многопользовательского режима и обеспечение целостности и согласованности данных. Защита от неразрешенного доступа позволяет с помощью пароля пользователю иметь доступ, а иногда и право изменения данных. Средства, реализующие одновременную работу различных пользователей, не позволяют им одновременно изменять одни и те же данные. Средства обеспечения целостности данных не разрешают выполнять некорректные действия.

 

6.2. Модели баз данных

 

Компьютерную базу данных можно создать с использованием алгоритмических языков, что требует хороших профессиональных знаний или с помощью специальных программ, облегчающих данную задачу. Но в любом случае вначале разработчик должен определиться с моделью данных создаваемой базы данных. Модель данных объединяет набор понятий для описания данных, связей между ними и ограничений, накладываемых на данные. Модель отражает реальный мир объектов и событий, а также связей между ними и таким образом саму организацию, для которой создается база данных. Модель данных представляет сочетание следующих компонентов:

· структурная часть, то есть набор правил, по которым может быть построена база данных;

· управляющая часть, определяющая типы дополнительных операций с данными (обновление, изменение связей, удаление).

Выбор модели данных возлагается на пользователя и зависит от технического и программного обеспечения, определяется сложностью задач и объемом информации. Организация способов хранения данных в компьютерных системах задается на логическом и на физическом уровне. Физический уровень определяет способ размещения данных непосредственно на машинном носителе. Этот уровень обеспечивается автоматически прикладными программами, без вмешательства пользователя. Пользователь в прикладных программах оперирует представлениями логической организации данных. Для размещения одной и той же информации в компьютере могут быть использованы различные структуры и модели данных. Существуют три основных модели данных:

1. иерархическая;

2. сетевая;

3. реляционная.

6.2.1.Иерархическая модель данных

 

Первые информационные системы, появившиеся в конце 60-х годов, использовали иерархические модели данных, что означает использование отношений между данными иерархической структуры. Иерархическая модель данных – это модель, в которой связи между данными имеют вид иерархий. Множество данных распределены по уровням от главного к частному и образуют граф , на рис. 6.1 показан пример данной модели.

 

 

Рис.6.1. Иерархическая модель данных

 

Данную модель можно характеризовать количеством уровней, узлов и типов связей. Имеются объекты двух типов: главный и подчиненный, связи – один ко многим. У каждого потомка не более одного предка, а связи жестко заданы. Указатели ссылок устанавливаются и хранятся в базе данных. Основные типы структур данных рассматриваемой модели – поле, запись, файл. Запись является основной структурной единицей обработки данных и единицей обмена между оперативной и внешней памятью. В модели на основе записей база данных состоит из записей фиксированного формата, которые могут быть разного типа, Каждый тип записи определяет фиксированное количество полей, каждое из которых имеет фиксированную длину.

Поле – это элементарная единица логической организации данных, которая соответствует отдельной, неделимой единице информации – реквизиту.

Запись – это совокупность полей, соответствующих логически связанным реквизитам. Структура записи определяется составом и последовательностью входящих в нее полей, каждое из которых содержит элементарное данное.

Файл – это множество одинаковых по структуре записей со значениями в отдельных полях, причем поля имеют единственное значение.

В настоящее время файловые системы устарели.

 

6.2.2. Сетевая модель

 

Под сетевой моделью понимается модель данных, похожая на иерархическую, но допускающая свободную систему связей между элементами различных уровней. Она является расширением иерархической модели данных. Таким образом, сетевые модели допускают наличие двух и более «предков» (рис.6.2).

 

 

Рис. 6.2. Сетевая модель данных

 

В отличие от иерархической модели, у потомка сетевой модели может быть более одного предка и один объект может быть одновременно главным и подчиненным. Таким образом, в данной модели отношения между данными такие, что каждая запись может быть подчинена записям более, чем из одного файла. В сетевых моделях можно по ключу иметь непосредственный доступ к любому объекту независимо от уровня, на котором он находится в модели.

 

6.2.3.Реляционная модель данных

 

В 1970 году американский ученый Кодд Е.Ф. опубликовал революционную по своему содержанию статью, которая серьезно поколебала устоявшиеся к тому времени представления о базах данных. Он утверждал, что данные нужно связывать в соответствии с их логическими взаимоотношениями, а не физическими указателями. Он предложил простую модель данных , в которой все данные сведены в таблицы , состоящие из строк и столбцов, имеющих уникальные имена. Эти таблицы получили название реляций ( relatio - отношение) , а модель – реляционной моделью данных, построенной на понятии математических отношений и ее иногда называют также моделью Кодда. В настоящее время наибольшее распространение получили реляционные базы данных. Сетевые и иерархические базы данных считаются устаревшими, объектно-ориентированные модели пока не стандартизированы и не получили широкого распространения.

В реляционных базах все данные хранятся в простых таблиц, разбитых на строки и столбцы, на пересечении которых расположены данные. Каждая база данных может включать несколько таблиц. Данные хранятся в таблицах, состоящих из столбцов (атрибутов) и строк (записей). У каждого столбца есть свое имя. Все значения в одном столбце имеют один тип. Результатом запроса к базе данных является таблица, которая тоже может быть объектом запросов.

Для работы с реляционными базами данных в настоящее время обычно используется язык структурированных запросов (Structured Query Language - SQL). Это язык, применяемый для создания, модификации и управления данными. Язык SQL не является алгоритмическим языком программирования. Это информационно-логический язык, он основывается на реляционной алгебре и подразделяется на три части:

· операторы определения данных;

· операторы манипуляции данными (Insert, Select, Update, Delete);

· операторы определения доступа к данным.

В 1986 году язык SQL был принят в качестве стандарта ANSI (Американский Национальный Институт Стандартов) языков реляционной базы данных. Сегодня данная база рассматривается в качестве стандарта для современных информационных систем.

На рис.6.3 приведен пример базы данных на основе реляционной модели, состоящей из трех таблиц. Операции обработки реляционной модели данных основаны на использовании универсального аппарата алгебры отношений и реляционного счисления. Реляционная модель имеет следующие основные свойства (СУБД MS Office Access использует данный тип модели):

· каждый объект представлен в виде двумерной таблицы;

· элемент таблицы – один элемент данных;

· столбец таблицы имеет один тип данных, то есть является однородным и каждое поле (столбец) имеет уникальный идентификатор (имя);

· порядок следования строк и столбцов в таблице является произвольным;

· по полям одного типа можно формировать запросы.

В теории реляционных баз данных синоним таблицы - отношение (relation), в котором строка называется кортежем, а столбец называется атрибутом.

Реляционная БД состоит из таблиц, между которыми могут существовать связи по ключевым значениям.

Каждая запись однозначно идентифицируется уникальным ключом записи, которые бывают двух типов: первичный и вторичный.

Первичный ключ – это одно или несколько полей, однозначно идентифицирующих запись. Если первичный ключ состоит из одного поля, он называется простым, если из нескольких полей – составным ключом.

Вторичный ключ – это поле, значение которого может повторяться в нескольких записях файла, то есть он не является уникальным. Если по значению первичного ключа может быть найден один единственный экземпляр записи, то по вторичному – несколько.

Средством эффективного доступа по ключу к записи файла является индексирование. При индексировании создается дополнительный файл, который содержит в упорядоченном виде все значения ключа файла данных. Для каждого ключа в индексном файле содержится указатель на соответствующую запись файла данных. С помощью указателя на запись в файле данных осуществляется прямой доступ к этой записи.