Лекция 8. Этапы проектирования баз данных

Невозможно создать БД без подробного ее описания, также как и не возможно сделать какое-либо сложное изделие без чертежа и подробного описания технологий его изготовления. Другими словами, нужен проект. Проектом принято считать эскиз некоторого устройства, который в дальнейшем будет воплощен в реальность.

Процесс проектирования БД представляет собой процесс переходов от неформального словесного описания информационной структуры предметной области к формализованному описанию объектов предметной области в терминах некоторой модели. Конечной целью проектирования является построение конкретной БД. Очевидно, что процесс проектирования сложен и поэтому имеет смысл разделить его на логически завершенные части – этапы.

Можно выделить пять основных этапов проектирования БД:

1. Сбор сведений и системный анализ предметной области.

2. Инфологическое проектирование.

3. Выбор СУБД.

4. Даталогическое проектирование.

5. Физическое проектирование.

Сбор сведений и системный анализ предметной области - это первый и важнейший этап при проектировании БД. В нем необходимо провести подробное словесное описание объектов предметной области и реальных связей, присутствующих между реальными объектами. Желательно чтобы в описании определялись взаимосвязи между объектами предметной области.

В общем случае выделяют два подхода к выбору состава и структуры предметной области:

· Функциональный подход – применяется тогда, когда заранее известны функции некоторой группы лиц и комплексы задач, для обслуживания которых создается эта БД, т.е. четко выделяется минимальный необходимый набор объектов предметной области под описание.

· Предметный подход – когда информационные потребности заказчиков БД четко не фиксируются и могут быть многоаспектными и динамичными. В данном случае минимальный набор объектов предметной области выделить сложно. В описание предметной области включаются такие объекты и взаимосвязи, которые наиболее характерны и существенны для нее. При этом БД становится предметной, и подходит для решения множества задач (что кажется наиболее заманчивым). Однако трудность всеобщего охвата предметной области и невозможность конкретизации потребностей пользователей приводит к избыточно сложной схеме БД, которая для некоторых задач будет неэффективной.

Системный анализ должен заканчиваться подробным описанием информации об объектах предметной области, которая должна храниться в БД, формулировкой конкретных задач, которые будут решаться с использованием данной БД с кратким описанием алгоритмов их решения, описанием выходных и входных документов при работе с БД.

Инфологическое проектирование – частично формализованное описание объектов предметной области в терминах некоторой семантической модели.

Зачем нужна инфологическая модель, и какую пользу она дает проектировщикам? Дело в том, что процесс проектирования длительный, требует обсуждений с заказчиком и специалистами в предметной области. Кроме того, при разработке серьезных корпоративных информационных систем проект базы данных является фундаментом, на котором строится вся система в целом, и вопрос о возможности кредитования часто решается экспертами банка на основании именно грамотно сделанного инфологического проекта БД. Следовательно, инфологическая модель должна включать такое формализованное описание предметной области, которое легко будет восприниматься не только специалистами в области БД. Описание должно быть настолько емким, чтобы можно было оценить глубину и корректность проработки проекта БД.

На сегодняшний день наиболее широкое распространение получила модель Чена «Сущность-связь» (Entity Relationship ), она стала фактическим стандартом в инфологическом моделировании, и получило название ER – модель.

Выбор СУБД осуществляется на основе различных требований к БД и, соответственно, возможностей СУБД, а также в зависимости от имеющегося опыта разработчиков.

Даталогическое проектирование есть описание БД в терминах принятой даталогической модели данных. В реляционных БД даталогическое или логическое проектирование приводит к разработке схемы БД, т.е. совокупности схем отношений, которые адекватно моделируют объекты предметной области и семантические связи между объектами. Основой анализа корректности схемы являются функциональные зависимости между атрибутами БД. В некоторых случаях между атрибутами отношений могут появиться нежелательные зависимости, которые вызывают побочные эффекты и аномалии при модификации БД. Под модификацией понимают внесение новых данных в БД, удаление данных из БД, а также обновление значений некоторых атрибутов. Для ликвидации возможных аномалий предполагается проведение нормализации отношений БД.

Этап логического проектирования не заключается только в проектировании схемы отношений. В результате выполнения этого этапа, как правило, должны быть получены следующие результирующие документы:

· Описание концептуальной схемы БД в терминах выбранной СУБД.

· Описание внешних моделей в терминах выбранной СУБД.

· Описание декларативных правил поддержки целостности БД.

· Разработка процедур поддержки семантической целостности БД.

Физическое проектирование заключается в увязке логической структуры БД и физической среды хранения с целью наиболее эффективного размещения данных, т.е. отображение логической структуры БД в структуру хранения. Решается вопрос размещения хранимых данных в пространстве памяти, выбора эффективных методов доступа к различным компонентам «физической» БД, решаются вопросы обеспечения безопасности и сохранности данных. Ограничения, имеющиеся в логической модели данных, реализуются различными средствами СУБД, например, при помощи индексов, декларативных ограничений целостности, триггеров, хранимых процедур. При этом опять-таки решения, принятые на уровне логического моделирования определяют некоторые границы, в пределах которых можно развивать физическую модель данных. Точно также, в пределах этих границ можно принимать различные решения. Например, отношения, содержащиеся в логической модели данных, должны быть преобразованы в таблицы, но для каждой таблицы можно дополнительно объявить различные индексы, повышающие скорость обращения к данным.

Кроме того , для повышения производительности могут использоваться возможности параллельной обработки данных. В результате БД может размещаться на нескольких сетевых компьютерах. С другой стороны могут использоваться преимущества многопроцессорных систем.

Для обеспечения безопасности и сохранности данных решаются вопросы способы восстановления после сбоев, резервного копирования информации, настройка систем защиты под выбранную политику безопасности и т.д.

Необходимо отметить, что некоторые современные реляционные СУБД в основном используют физические структуры и методы доступа, опирающиеся на технологию проектирования файла, что по существу практически снимает вопрос о физическом проектировании.

Таким образом, ясно, что решения, принятые на каждом этапе моделирования и разработки базы данных, будут сказываться на дальнейших этапах. Поэтому особую роль играет принятие правильных решений на ранних этапах моделирования .

Контрольные вопросы

1. Что такое проект?

2. Какие этапы проектирования БД принято выделять?

3. В чем назначение системного анализа?

4. Какие подходы могут применяться в системном анализе предметной области?

5. Что представляет собой этап инфологическое проектирование?

6. В чем различие инфологического и даталогического этапов проектирования?

7. Какие документы и модели необходимо получить при завершении этапа даталогического проектирования?

8. Назовите результаты физического проектирования.

Задания для самостоятельной работы

Внимательно прочитайте пример описания предметной области и определите, какие основные моменты определены в описании, а какие, возможно, нет. Сделайте выводы.

Пример описания предметной области проекта «Библиотека»

Пусть требуется разработать информационную систему для автоматизации учета получения и выдачи книг в библиотеке. Система должна предусматривать режимы ведения системного каталога, отражающего перечень областей знаний, по которым имеются книги в библиотеке. Внутри библиотеки области знаний в систематическом каталоге могут иметь уникальный внутренний номер и полное наименование. Каждая книга может содержать сведения из нескольких областей знаний. Каждая книга в библиотеке может присутствовать в нескольких экземплярах. Каждая книга, хранящаяся в библиотеке, характеризуется следующими параметрами:

· уникальный шифр;

· название;

· место издания (город);

· издательство;

· год издания;

· количество страниц;

· стоимость книги;

· количество экземпляров книги в библиотеке.

Книги могут иметь одинаковые названия, но они различаются по своему уникальному шифру (ISBN).

В библиотеке ведется картотека читателей.

На каждого читателя в картотеку заносятся следующие сведения:

· фамилия, имя, отчество;

· домашний адрес;

· дата рождения.

Каждому читателю присваивается уникальный номер читательского билета. Каждый читатель может одновременно держать на руках не более 5 книг. Читатель не должен одновременно держать более одного экземпляра книги одного названия.

Каждая книга в библиотеке может присутствовать в нескольких экземплярах. Каждый экземпляр имеет следующие характеристики:

· уникальный инвентарный номер;

· шифр книги, который совпадает с уникальным шифром из описания книг;

· место размещения в библиотеке.

В случае выдачи экземпляра книги читателю в библиотеке хранится специальный вкладыш, в котором должны быть записаны следующие сведения:

· номер билета читателя, который взял книгу;

· дата выдачи книги;

· дата возврата.

Предусмотреть следующие ограничения на информацию в системе:

2. В библиотеке должны быть записаны читатели не моложе 17 лет.

3. В библиотеке присутствуют книги, изданные начиная с 1960 по текущий год.

4. Каждый читатель может держать на руках не более 5 книг.

5. Каждый читатель при регистрации в библиотеке должен дать телефон для связи: он может быть рабочим или домашним.

6. Каждая область знаний может содержать ссылки на множество книг, но каждая книга может относиться к различным областям знаний.

С данной информационной системой должны работать следующие группы пользователей:

· библиотекари;

· читатели;

· администрация библиотеки,

При работе с системой библиотекарь должен иметь возможность решать следующие задачи:

1. Принимать новые книги и регистрировать их в библиотеке.

2. Относить книги к одной или к нескольким областям знаний.

3. Проводить каталогизацию книг, то есть назначение новых инвентарных номеров вновь принятым книгам, и, помещая их на полки библиотеки, запоминать место размещения каждого экземпляра.

4. Проводить дополнительную каталогизацию, если поступило несколько экземпляров книги, которая уже есть в библиотеке, при этом информация о книге в предметный каталог не вносится, а каждому новому экземпляру присваивается новый инвентарный номер и для него определяется место на полке библиотеки.

5. Проводить списание старых и не пользующихся спросом книг. Списывать можно только книги, ни один экземпляр которых не находится у читателей. Списание проводится по специальному акту списания, который утверждается администрацией библиотеки.

6. Вести учет выданных книг читателям, при этом предполагается два режима работы: выдача книг читателю и прием от него возвращаемых им книг обратно в библиотеку. При выдаче книг фиксируется, когда и какой экземпляр книги был выдан данному читателю и к какому сроку читатель должен вернуть этот экземпляр книги. При выдаче книг наличие свободного экземпляра и его конкретный номер могут определяться по заданному уникальному шифру книги или инвентарный номер может быть известен заранее. Не требуется вести «историю» чтения книг, то есть требуется отражать только текущее состояние библиотеки. При приеме книги, возвращаемой читателем, проверяется соответствие возвращаемого инвентарного номера книги выданному инвентарному номеру, и она ставится на свое старое место на полку библиотеки.

7. Проводить списание утерянных читателем книг по специальному акту списания или замены, подписанному администрацией библиотеки.

8. Проводить закрытие абонемента читателя, то есть уничтожение данных о нем, если читатель хочет выписаться из библиотеки и не является ее должником, то есть за ним не числится ни одной библиотечной книги.

Читатель должен иметь возможность решать следующие задачи:

1. Просматривать системный каталог, то есть перечень всех областей знаний, книги по которым есть в библиотеке.

2. По выбранной области знаний получить полный перечень книг, которые числятся в библиотеке.

3. Для выбранной книги получить инвентарный номер свободного экземпляра книги или сообщение о том, что свободных экземпляров книги нет. В случае отсутствия свободных экземпляров книги читатель должен иметь возможность узнать дату ближайшего предполагаемого возврата экземпляра данной книги. Читатель не может узнать данные о том, у кого в настоящий момент экземпляры данной книги находятся на руках (в целях обеспечения личной безопасности держателей требуемой книги).

Администрация библиотеки должна иметь возможность получать сведения о должниках-читателях библиотеки, которые не вернули вовремя взятые книги; сведения о книгах, которые не являются популярными, т. е. ни один экземпляр

которых не находится на руках у читателей; сведения о стоимости конкретной книги, для того чтобы установить возможность возмещения стоимости утерянной книги или возможность замены ее другой книгой; сведения о наиболее популярных книгах, то есть таких, все экземпляры которых находятся на руках у читателей.

Этот совсем небольшой пример показывает, что перед началом разработки необходимо иметь точное представление о том, что же должно выполняться в нашей системе, какие пользователи в ней будут работать, какие задачи будет решать каждый пользователь. И это правильно, ведь когда мы строим здание, мы тоже заранее предполагаем; для каких целей оно предназначено, в каком климате оно будет стоять, на какой почве, и в зависимости от этого проектировщики могут предложить нам тот или иной проект. Но, к сожалению, очень часто по отношению к базам данных считается, что все можно определить потом, когда проект системы уже создан. Отсутствие четких целей создания БД может свести на нет все усилия разработчиков, и проект БД получится «плохим», неудобным, не соответствующим ни реально моделируемому объекту, ни задачам, которые должны решаться с использованием данной БД.

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

АМУРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

(ГОУВПО «АмГУ»)

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по дисциплине «Информационные системы в экономике»

на тему: «Принципы построения и этапы проектирования баз данных»

Исполнитель

студент группы С – 81 Н.А. Вохмянина

Руководитель

доцент, к. т. н. Д. Г. Шевко

Благовещенск 2010


Введение

1. Принципы построения баз данных

2. Концепции построения баз данных

3. Этапы проектирования баз данных

Библиографический список


ВВЕДЕНИЕ

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 понять). Такое описание называют данными.

Традиционно фиксация данных осуществляется с помощью конкретного средства общения, например, с помощью естественного языка на конкретном носителе.

В настоящее время успешное функционирование различных фирм, организаций и предприятий просто не возможно без развитой информационной системы, которая позволяет автоматизировать сбор и обработку данных. Обычно для хранения и доступа к данным, содержащим сведения о некоторой предметной области, создается база данных.

База данных (БД) - именованная совокупность данных, отражающая состояние объектов и их отношений в рассматриваемой предметной области.

Под предметной областью принято понимать некоторую область человеческой деятельности или область реального мира, подлежащих изучению для организации управления и автоматизации, например, предприятие, вуз и.т.д.

Система управления базами данных (СУБД) - совокупность языковых и программных средств, предназначенных для создания, наполнения, обновления и удаления баз данных.

Программы, с помощью которых пользователи работают с БД, называются приложениями.


1. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ БАЗ ДАННЫХ

К современным базам данных, а, следовательно, и к СУБД, на которых они строятся, предъявляются следующие основные требования.

1. Высокое быстродействие (малое время отклика на запрос).

Время отклика - промежуток времени от момента запроса к БД до фактического получения данных. Похожим является термин время доступа - промежуток времени между выдачей команды записи (считывания) и фактическим получением данных. Под доступом понимается операция поиска, чтения данных или записи их. Часто операции записи, удаления и модификации данных называют операцией обновления.

2. Простота обновления данных.

3. Независимость данных.

4. Совместное использование данных многими пользователями.

5. Безопасность данных - защита данных от преднамеренного или непреднамеренного нарушения секретности, искажения или разрушения.

6. Стандартизация построения и эксплуатации БД (фактически СУБД).

8. Дружелюбный интерфейс пользователя.

Важнейшими являются первые два противоречивых требования: повышение быстродействия требует упрощения структуры БД, что, в свою очередь, затрудняет процедуру обновления данных , увеличивает их избыточность.

Независимость данных - возможность изменения логической и физической структуры БД без изменения представлений пользователей.

Независимость данных предполагает инвариантность к характеру хранения данных, программному обеспечению и техническим средствам. Она обеспечивает минимальные изменения структуры БД при изменениях стратегии доступа к данным и структуры самих исходных данных. Это достигается «смещением» всех изменений на этапы концептуального и логического проектирования с минимальными изменениями на этапе физического проектирования.

Безопасность данных включает их целостность и защиту.

Целостность данных - устойчивость хранимых данных к разрушению и уничтожению, связанных с неисправностями технических средств, системными ошибками и ошибочными действиями пользователей.

Она предполагает:

1. отсутствие неточно введенных данных или двух одинаковых записей об одном и том же факте;

2. защиту от ошибок при обновлении БД;

3. невозможность удаления (или каскадное удаление) связанных данных разных таблиц;

4. неискажение данных при работе в многопользовательском режиме и в распределенных базах данных;

5. сохранность данных при сбоях техники (восстановление данных).

Целостность обеспечивается триггерами целостности – специальными приложениями-программами, работающими при определенных условиях. Защита данных от несанкционированного доступа предполагает ограничение доступа к конфиденциальным данным и может достигаться:

1. введением системы паролей;

2. получением разрешений от администратора базы данных (АБД);

4. формирование видов - таблиц, производных от исходных и предназначенных конкретным пользователям.

Три последние процедуры легко выполняются в рамках языка структуризованных запросов Structured Query Language - SQL, часто называемого SQL2.

Стандартизация обеспечивает преемственность поколений СУБД, упрощает взаимодействие БД одного поколения СУБД с одинаковыми и различными моделями данных. Стандартизация (ANSI/SPARC) осуществлена в значительной степени в части интерфейса пользователя СУБД и языка SQL. Это позволило успешно решить задачу взаимодействия различных реляционных СУБД как с помощью языка SQL, так и с применением приложения Open DataBase Connection (ODBC). При этом может быть осуществлен как локальный, так и удаленный доступ к данным (технология клиент/сервер или сетевой вариант).

2. КОНЦЕПЦИЯ ПОСТРОЕНИЯ БАЗЫ ДАННЫХ

Существует два подхода к построению БД, базирующихся на двух подходах к созданию автоматизированной системы управления (АСУ).

Первый из них, широко использовавшийся в 80-е годы и потому получивший название классического (традиционного), связан с автоматизацией документооборота (совокупность документов, движущихся в процессе работы предприятия). Исходными и выходными координатами являлись документы, как это видно из примера1.

Использовался следующий тезис. Данные менее подвижны, чем алгоритмы, поэтому следует создать универсальную БД, которую затем можно использовать для любого алгоритма. Однако вскоре выяснилось, что создание универсальной БД проблематично. Господствовавшая до недавнего времени концепция интеграции данных при резком увеличении их объема оказалась несостоятельной. Более того, стали появляться приложения (например, текстовые, графические редакторы), базирующиеся на широко используемых стандартных алгоритмах.

К 90-м годам сформировался второй, современный подход , связанный с автоматизацией управления. Он предполагает первоначальное выявление стандартных алгоритмов приложений (алгоритмов бизнеса в зарубежной терминологии), под которые определяются данные, а стало быть, и база данных. Объектно-ориентированное программирование только усилило значимость этого подхода.

В работе БД возможен одно- и многопользовательский (несколько пользователей подключаются к одному компьютеру через разные порты) режимы.

Используют восходящее и нисходящее проектирование БД. Первое применяют в распределенных БД при интеграции спроектированных локальных баз данных, которые могут быть выполнены с использованием различных моделей данных. Более характерным для централизованных БД является нисходящее проектирование.

3. ЭТАПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ БАЗ ДАННЫХ

Проектирование баз данных происходит в четыре этапа.

На этапе формулирования и анализа требований устанавливаются цели организации, определяются требования к БД. Они состоят из общих требований, определенных в разделе 1, и специфических требований. Для формирования специфических требований обычно используется методика интервьюирования персонала различных уровней управления. Все требования документируются в форме, доступной конечному пользователю и проектировщику БД.

Этап концептуального проектирования заключается в описании и синтезе информационных требований пользователей в первоначальный проект БД. Исходными данными могут быть совокупность документов пользователя при классическом подходе или алгоритмы приложений (алгоритмы бизнеса) при современном подходе. Результатом этого этапа является высокоуровневое представление (в виде системы таблиц БД) информационных требований пользователей на основе различных подходов.

Сначала выбирается модель БД. Затем создается структура БД, которая заполняется данными с помощью систем меню, экранных форм или в режиме просмотра таблиц БД. Здесь же обеспечивается защита и целостность (в том числе ссылочная) данных с помощью СУБД или путем построения триггеров.

В процессе логического проектирования высокоуровневое представление данных преобразуется в структуру используемой СУБД. Основной целью этапа является устранение избыточности данных с использованием специальных правил нормализации. Цель нормализации – минимизировать повторения данных и возможные структурные изменения БД при процедурах обновления. Это достигается разделением (декомпозицией) одной таблицы в две или несколько с последующим использованием при запросах операции навигации. Заметим, что навигационный поиск снижает быстродействие БД, т.е. увеличивает время отклика на запрос. Полученная логическая структура БД может быть оценена количественно с помощью различных характеристик (число обращений к логическим записям, объем данных в каждом приложении, общий объем данных). На основе этих оценок логическая структура может быть усовершенствована с целью достижения большей эффективности.

Можно выделить следующие этапы разработки баз данных:

· проектирование;

· программная реализация;

· заполнение и эксплуатация.

Этап проектирования – это теоретическое построение исходной информационной модели базы данных. Он включает в себя:

· сбор информации о предметной области, ее структуре, входных и выходных информационных потоках данных, изучение задач автоматизации, анализ и выделение объектов исходной системы, и определение связей между ними;

· определение свойств и характеристик для каждого объекта в БД, которым назначаются поля (атрибуты), составляются исходные таблицы и отношения между ними, выполняется определение элементов данных, включаемых в базу данных, ограничения на значения данных и т.п.

· назначение первичных ключей (полей) для каждого объекта и нормализация (разбиение) исходных таблиц;

· проверку корректности проекта, который должен все выделенные объекты, их атрибуты и описываемые процессы отображать на требуемом уровне детализации, отображать предметную область, требующую решения задачи;

· определение логической структуры базы данных;

· решение вопросов защиты и поддержки целостности базы данных. Под обеспечением целостности данных понимается система мер, направленных на поддержание правильности данных в базе в любой момент времени.

Этап программной реализации связан с разработкой приложений на компьютере, для чего необходимо выполнить следующие действия:

· описать полученные таблицы средствами СУБД и ввести их в компьютер;

· для пользователей информационной системы разработать интерфейсы работы с БД, то есть экранные формы для ввода и отображения данных, отчеты для печати сводных данных, запросы для получения данных;

· выработать порядок ведения и поддержания базы данных в рабочем состоянии, работы конечных пользователей;

· провести тестирование системы, составить инструкции по работе с ней и обучить персонал.

Этап эксплуатации и заполнения начинается с наполнения базы данных конкретными данными. Он включает в себя непосредственное ведение базы данных и её сопровождение.

При разработке БД для крупных предприятий и корпораций анализ и моделирование выполняется с использованием специальных программных средств, например CASE-средств, которые позволяют промоделировать потоки данных, процессы и функции предприятия, выявить узкие места и дать рекомендации по эффективной организации структуры и бизнес-процессов на предприятии.

Кроме построения моделей текущего состояния предприятия и анализа программные средства моделирования позволяют сформировать спецификации и построить проект будущей системы, более того, может быть получен программный код для наиболее распространенных СУБД. Таким образом, стадия моделирования может захватывать этап проектирования и часть этапа реализации информационной системы.

Концептуальное проектирование базы данных

Первая фаза процесса проектирования базы данных называется концептуальным проектированием базы данных. Она заключается в создании концептуальной модели данных для анализируемой части объектов исследуемой системы. Эта модель данных создается на основе информации, записанной в спецификациях требований пользователей. Концептуальное проектирование базы данных абсолютно не зависит от таких подробностей ее реализации, как тип выбранной СУБД, набор создаваемых прикладных программ, используемые языки программирования, тип выбранной вычислительной платформы, а также от любых других особенностей физической реализации. Созданная концептуальная модель данных является источником информации для фазы логического проектирования базы данных.

Логическое проектирование базы данных

Вторая фаза проектирования базы данных называется логическим проектированием базы данных. Ее цель состоит в создании логической модели данных. Концептуальная модель данных, созданная на предыдущем этапе, уточняется и преобразуется в логическую модель данных. Логическая модель данных учитывает особенности выбранной модели организации данных в СУБД (например, реляционная или сетевая модель).

Если концептуальная модель данных не зависит от любых физических аспектов реализации, то логическая модель данных создается на основе выбранной модели организации данных в СУБД. Иначе говоря, на этом этапе уже должно быть известно, какая СУБД будет использоваться - реляционная, сетевая, иерархическая или объектно-ориентированная. Однако на этом этапе игнорируются все остальные аспекты выбранной СУБД - например, любые особенности физической организации ее структур хранения данных и построения индексов.

В процессе разработки логическая модель данных постоянно тестируется и проверяется на соответствие требованиям пользователей. Для проверки корректности логической модели данных используется метод нормализации. Нормализация гарантирует, что выведенные из существующей модели данных отношения не будут обладать избыточностью данных, способной вызвать аномалии обновления после их физической реализации. Помимо всего прочего, логическая модель данных должна обеспечивать поддержку всех необходимых пользователям транзакций.

Построенная логическая модель данных является источником информации для этапа физического проектирования и обеспечивает разработчика физической базы данных средствами нахождения компромиссов, необходимых для достижения поставленных целей, что очень важно для эффективного проектирования. Логическая модель данных также играет важную роль на этапе эксплуатации и сопровождения уже готовой системы. При правильно организованном сопровождении поддерживаемая в актуальном состоянии модель данных позволяет точно и наглядно представить любые вносимые в базу данных изменения и производить оценку их влияния на прикладные программы.

Нормализация базы данных

При проектировании баз данных наиболее важным является определение структур таблиц и связей между ними. Ошибки в структуре данных трудно, а чаще вообще невозможно исправить программным путем. Чем лучше структура данных, тем легче программировать БД. Теория проектирования БД содержит концепцию нормальных форм, предназначенных для оптимизации структуры БД. Нормальные формы - это линейная последовательность правил, применяемых к БД, причем, чем выше номер нормальной формы, тем совершеннее структура БД. Нормализация - это многоступенчатый процесс, при котором таблицы БД организуются, разъединяются и данные приводятся в порядок. Задача нормализации - устранить из БД некоторые нежелательные характеристики. В частности, ставится задача устранить некоторые виды избыточности данных и благодаря этому избежать аномалий при изменении данных. Аномалии изменения данных - это сложности при операциях вставки, изменения и удаления данных, возникающие из-за структуры БД. Хотя существует много уровней, обычно достаточно выполнить нормализацию до Третьей нормальной формы.

Рассмотрим пример нормализации БД управления доставкой заказов. Неупорядоченная БД «Продажи» состояла бы из одной таблицы (рис.7).

Рис.7. БД «Продажи»

В таблице каждая запись содержит сведения о нескольких заказах одного клиента. Поскольку столбец со сведениями о товаре содержит слишком много данных, получить упорядоченную информацию из этой таблицы сложно (например, составить отчет о суммарных закупках по различным видам товаров).

Первая нормальная форма

Первая нормальная форма предопределяет атомарность всех данных, содержащихся в столбцах. Слово "атом" происходит от латинского "atomis", что буквально означает "не подлежащий разделению". Первая нормальная форма задает существование в каждой позиции, определяемой строкой и столбцом, только одного значения, а не массива или списка значений. Преимущества этого требования очевидны: если в одном столбце хранятся списки значений, то не существует простого способа манипулировать этими значениями. Конечно, при этом увеличивается количество записей в таблице.

Выполним нормализацию БД " Продажи" до первой нормальной формы (рис.8).

Рис.8. Первая нормальная форма

3.3.2. Вторая нормальная форма

Ко Второй нормальной форме можно перейти от таблицы, которая уже соответствует первой нормальной форме. Дополнительно должно выполняться следующее условие: каждое не ключевое поле должно полностью зависеть от первичного ключа.

Выполним нормализацию БД " Продажи" до второй нормальной формы. Все сведения, не связанные с отдельными заказами, выделим в отдельную таблицу. В итоге получим вместо одной таблицы " Продажи" получим две - таблицу "Заказы" (рис.9) и таблицу "Товары" (рис.10).

Рис.9. Таблица "Заказы"

Рис.10. Таблица "Товары"

Таким образом, вид товара хранится только в одной таблице. Следует обратить внимание, что при нормализации информация не теряется.

3.3.3. Третья нормальная форма

Считается, что таблица соответствует Третьей нормальной форме, если она соответствует второй нормальной форме и все не ключевые столбцы взаимно независимы. Столбец, значения которого получаются вычислением на основе данных из других столбцов, представляет собой один из примеров зависимости.

Выполним нормализацию БД "Продажи" до третьей нормальной формы. Для этого следует удалить из таблицы "Заказы" столбец "Всего". Значения в этом столбце не зависят ни от одного ключа и могут быть вычислены по формуле ("Цена")*("Количество"). Таким образом, получена БД "Продажи" с оптимальной структурой, которая состоит из двух таблиц (рис.11).

Рис. 11. Нормализованная БД "Продажи"

3.2 Программная реализация базы данных

Программная реализация базы данных осуществляется посредством создания целевой СУБД на языке определения данных (DDL). Команды DDL-языка компилируются и используются для создания схем и пустых файлов базы данных. На этом же этапе определяются и все специфические пользовательские представления.

Прикладные программы реализуются с помощью языков третьего или четвертого поколения. Некоторые элементы этих прикладных программ будут представлять собой транзакции обработки базы данных, записываемые на языке манипулирования данными (DML) целевой СУБД и вызываемые из программ на базовом языке программирования - например, на Visual Basic, С++, Java. Кроме того, на этом этапе создаются другие компоненты проекта приложения - например, экраны меню, формы ввода данных и отчеты. Следует учитывать, что многие существующие СУБД имеют свои собственные инструменты разработки, позволяющие быстро создавать приложения с помощью непроцедурных языков запросов, разнообразных генераторов отчетов, генераторов форм, генераторов графических изображений и генераторов приложений.

На этом этапе также реализуются используемые приложением средства защиты базы данных и поддержки ее целостности. Одни из них описываются с помощью языка DDL, а другие, возможно, потребуется определить иными средствами - например, с помощью дополнительных утилит СУБД или посредством создания прикладных программ, реализующих требуемые функции.

3.2.1. Разработка приложений

Разработка приложений – это проектирование интерфейса пользователя и прикладных программ, предназначенных для работы с базой данных. В большинстве случаев проектирование приложений нельзя завершить до окончания проектирования базы данных. С другой стороны, база данных предназначена для поддержки приложений, а потому между фазами проектирования базы данных и проектирования приложений для этой базы данных должен постоянно происходить обмен информацией.

Необходимо убедиться, что все функциональные возможности, предусмотренные в спецификациях требований пользователей, обеспечиваются интерфейсом пользователя соответствующих приложений. Это относится как к проектированию прикладных программ доступа к информации в базе данных, так и к проектированию транзакций, т.е. проектированию методов доступа к базе данных.

Помимо проектирования способов, с помощью которых пользователь сможет получить доступ к необходимым ему функциональным возможностям, следует также разработать соответствующий пользовательский интерфейс приложений базы данных. Этот интерфейс должен предоставлять необходимую пользователю информацию самым удобным для него образом.

3.2.2 Тестирование базы данных

Тестирование - процесс выполнения прикладных программ с целью поиска ошибок. Прежде чем использовать новую систему на практике, ее следует тщательно проверить. Этого можно добиться путем разработки продуманного алгоритма тестирования с использованием реальных данных, который должен быть построен таким образом, чтобы весь процесс тестирования выполнялся строго последовательно и методически правильно. Задачей тестирования не является процесс демонстрации отсутствия ошибок, оно вряд ли сможет продемонстрировать отсутствие ошибок в программном обеспечении - скорее, наоборот, оно способно лишь показать их наличие. Если тестирование проведено успешно, то обязательно вскроются имеющиеся в прикладных программах и структурах базы данных ошибки. В качестве побочного результата тестирование может лишь показать, что база данных и прикладные программы работают в соответствии с их спецификациями и удовлетворяют при этом существующим требованиям, предъявляемым к производительности. Кроме того, сбор статистических данных на стадии тестирования позволяет установить показатели надежности и качества созданного программного обеспечения.

Как и при проектировании баз данных, пользователи новой системы должны быть вовлечены в процесс ее тестирования. В идеале, тестирование системы должно проводиться на отдельном комплекте оборудования, но зачастую это просто невозможно. При использовании реальных данных важно предварительно создать их резервные копии, на случай их повреждения в результате ошибок. По завершении тестирования процесс создания прикладной системы считается законченным, и она может быть передана в промышленную эксплуатацию.

3.3 Эксплуатация и сопровождение базы данных

Эксплуатация и сопровождение - поддержка нормального функционирования БД.

На предыдущих этапах приложение базы данных было полностью реализовано и протестировано. Теперь система входит в последний этап своего жизненного цикла, называемый эксплуатацией и сопровождением. Он включает выполнение таких действий, как:

· контроль производительности системы. Если производительность падает ниже приемлемого уровня, то может потребоваться дополнительная реорганизация базы данных;

· сопровождение и модернизация (в случае необходимости) приложений баз данных. Новые требования включаются в приложение базы данных при повторном выполнении предыдущих этапов жизненного цикла.

Как только база данных будет введена в эксплуатации, следует постоянно контролировать процесс ее функционирования - это позволит убедиться, что производительность и другие показатели соответствуют предъявляемым требованиям. Типичная СУБД обычно предоставляет различные утилиты администрирования базы данных, включая утилиты загрузки данных и контроля за функционированием системы. Подобные утилиты способны отслеживать работу системы и предоставлять информацию о различных показателях, таких как уровень использования базы данных, эффективность системы блокировок (включая сведения о количестве имевших место взаимных блокировок), а также выбираемые стратегии выполнения запросов. Администратор базы данных может использовать эту информацию для настройки системы с целью повышения ее производительности (например, за счет создания дополнительных индексов), ускорения выполнения запросов, изменения структур хранения, объединения или разбиения отдельных таблиц.

Процесс мониторинга должен поддерживаться на протяжении всего процесса эксплуатации приложений, что позволит в любой момент времени провести эффективную реорганизацию базы данных с целью удовлетворения изменяющихся требований. Подобные изменения предоставляют информацию о наиболее вероятном совершенствовании БД и ресурсах, которые могут потребоваться в будущем. Если в используемой СУБД нет некоторых нужных утилит, то администратору придется либо разработать их самостоятельно, либо приобрести требуемые дополнительные инструменты у сторонних разработчиков.

4. СУБД Microsoft Access

4.1.Назначение и общие сведения о СУБД Microsoft Access

Система Microsoft Access является системой управления БД, использует реляционную модель данных и входит в состав пакета прикладных программ Microsoft Office. Она предназначена для хранения, ввода, поиска и редактирования данных, а также выдачи их в удобном виде.

К областям применения Microsoft Access можно отнести следующие:

· в малом бизнесе (бухгалтерский учет, ввод заказов, ведение информации о клиентах, ведение информации о деловых контактах);

· в крупных корпорациях (приложения для рабочих групп, системы обработки информации);

· в качестве персональной СУБД (справочник по адресам, ведение инвестиционного портфеля, поваренная книга, каталоги книг, пластинок, видеофильмов и т. п.).

Access является одной из самых мощных, удобных и простых систем управления базами данных. Поскольку Access входит в состав Microsoft Office, она обладает многими чертами, характерными для приложений Office, и может обмениваться с ними информацией. Например, работая в Access, можно открывать и редактировать файлы, а также использовать буфер обмена для копирования данных из других приложений.

Средствами разработки объектов в Access являются «мастера» и «конструкторы». Это специальные программы, которые служат для создания и редактирования таблиц, запросов, различных типов форм и отчетов. Как правило «мастер» используется для создания, а «конструктор» - для редактирования объектов. Процесс редактирования предполагает изменение вида некоторого объекта с целью его улучшения. При редактировании формы можно изменить названия и порядок расположения полей, увеличить или уменьшить размер области ввода данных, и т.д. Можно использовать «конструктор» и для создания форм, но это очень трудоемкая работа. В Access включены специальные программные средства, помогающие производить анализ структуры данных, импортировать электронные таблицы и текстовые данные, повышать быстродействие приложений, создавать и настраивать приложения с использованием встроенных шаблонов. Чтобы полностью автоматизировать работу приложений, можно использовать макросы для связывания данных с формами и отчетами.

В Access реализовано управление реляционными базами данных. Система поддерживает первичные и внешние ключи. Обеспечивает целостность данных на уровне ядра, что не разрешает несовместимые операции обновления или удаления данных. Таблицы в Access снабжены средствами проверки допустимости данных, т.е. не разрешается некорректный ввод. Каждое поле таблицы имеет свой формат и стандартные описания, что облегчает ввод данных. Access поддерживает следующие типы полей, в том числе: вкладка, текстовый, числовой, счетчик, денежный, дата/время, MEMO, логический, гиперссылка, поля объектов OLE, вложение и вычисляемый. Если в полях не оказывается никаких значений, система обеспечивает полную поддержку пустых значений.

В Access можно использовать графические средства, как и в Microsoft Word, Excel, PowerPoint и других приложениях, позволяющие создавать различные виды графиков и диаграмм. Можно создавать гистограммы, двухмерные и трехмерные диаграммы. В формы и отчеты Access можно добавлять всевозможные объекты: рисунки, диаграммы, аудио- и видеоклипы. Связывая эти объекты с разработанной базой данных, можно создавать динамические формы и отчеты. Также в Access можно использовать макросы, позволяющие автоматизировать выполнение некоторых задач. Они позволяют открывать и закрывать формы и отчеты, создавать меню и диалоговые окна с целью автоматизации создания различных прикладных задач.

В Access можно получить контекстно-зависимую справку, для получения которой надо нажать , и на экране появится справочная информация по тому вопросу, который интересует пользователя в текущий момент. При этом можно легко перейти к оглавлению справочной системы, конкретной информации, журналу предыдущих обращений и закладкам. Информация базы данных хранится в файле с расширением.accdb.

4.2. Объекты Microsoft Access

При запуске СУБД Access появляется окно для создания новой базы данных или для работы с ранее созданными БД, или уже имеющимися шаблонами (рис.12).

Рис. 12. Запуск Access

Шаблоны представляют собой пустые структуры баз данных, в которых определены типы полей, созданы основные объекты, осуществлена связь между таблицами и т.п.

При создании новой базы данных Access откроет пустую таблицу, содержащую одну строку и два столбца (рис 13).

Рис.13. Окно новой базы данных

В левой части окна (область переходов) показаны все созданные объекты БД, пока мы лишь видим, пустую таблицу, т.к. созданных объектов в новой базе данных больше нет (рис. 13). К основным объектам СУБД Access относятся следующие.

Таблицы . Таблицы являются основными объектами баз данных, так как в них хранятся все данные, и они определяют структуру базы данных. База данных может содержать тысячи таблиц, размеры которых ограничиваются только доступным пространством на жестком диске компьютера. Количество записей в таблицах определяется объемом жесткого диска, а количество полей не более 255.

Таблицы в Access могут быть созданы следующим образом:

· в режиме «конструктора»;

· в режиме ввода данных в таблицу.

Создать таблицу можно путем импорта данных, хранящихся в другом месте, или создания связи с ними. Это можно сделать, например, с данными, хранящимися в файле Excel, в списке Windows SharePoint Services, XML-файле, другой базе данных MS ACCESS. Список SharePoint позволяет предоставить доступ к данным пользователям, у которых не установлено приложение MS ACCESS. При импорте данных создается их копия в новой таблице текущей базы данных. Последующие изменения, вносимые в исходные данные, не будут влиять на импортированные данные, и наоборот. Если осуществляется связывание с данными, в текущей базе данных создается связанная таблица, обеспечивающая динамическое подключение к данным, хранящимся в другом месте. Изменения данных в связанной таблице отражаются в источнике, а изменения в источнике - в связанной таблице.

В режиме таблицы отображаются данные, которые хранятся в таблице, а в режиме «конструктора» отображается структура таблицы.

Если таблицы имеют общие поля, можно воспользоваться подчиненной таблицей, чтобы вставить в одну таблицу записи из другой. Такой подход позволяет одновременно просматривать данные из нескольких таблиц.

Запросы . Запросы - это специальные средства, предназначенные для поиска и анализа информации в таблицах базы данных, отвечающей определенным критериям. Найденные записи, называемые результатами запроса, можно просматривать, редактировать и анализировать различными способами. Кроме того, результаты запроса могут использоваться в качестве основы для создания других объектов Access. Существуют различные типы запросов, наиболее распространенными из которых являются запросы на выборку, параметрические и перекрестные запросы, запросы на удаление записи, изменение и другие. Реже используются запросы на действие и запросы SQL (Structured Query Language). Если нужного запроса нет, то его можно создать дополнительно.

Запросы формируются различными способами, например, с помощью «мастера», также можно создать запрос вручную в режиме «конструктора». Простейшим и наиболее часто используемым видом запросов является запрос на выборку. Эти запросы выбирают данные из одной или нескольких таблиц и формируют из них новую таблицу, записи в которой можно изменять. Запросы на выборку нужны для вычисления сумм, средних значений и нахождения других итоговых значений. Таким образом, запросы используют данные из основных таблиц и создают временные таблицы.

Формы . Формы используются для ввода и редактирования записей в таблицах базы данных. Формы можно отображать в трех режимах: в режиме, предназначенном для ввода данных, в режиме таблицы, где данные представлены в табличном формате, и в режимах «макета» и «конструктора», позволяющих вносить изменения и дополнения в формы.

Основными элементами формы являются надписи, в которых указан текст, непосредственно отображающийся в форме, и поля, содержащие значения полей таблицы. Хотя режим «конструктора» позволяет создать форму с нуля, обычно он используется для доработки и совершенствования форм, созданных с помощью «мастера». Помимо вышеперечисленных средств формы также можно создавать с помощью следующих инструментов:

· «форма»;

· «разделенная форма»;

· «несколько элементов»;

· «пустая форма».

Наиболее эффективно использовать формы для ввода данных в виде специальных бланков, так как форма может иметь вид бланка. Применение форм позволяет вводить данные в удобном для пользователя виде привычных документов. Формы ввода-вывода позволяют вводить данные в базу, просматривать их, изменять значения полей, добавлять и удалять записи. Форма может содержать кнопку, используемую для печати отчета, открытия других объектов или автоматического выполнения других задач.

Отчеты . Отчеты используются для отображения информации в таблицах в отформатированном виде, который наглядно представляется как на экране монитора, так и на бумаге. Отчет является эффективным средством для вывода данных на печать из базы данных в форме, требуемой для пользователя (в виде справок, экзаменационных ведомостей, таблиц и т.д.). Помимо данных, извлеченных из нескольких таблиц и запросов, отчеты могут включать элементы оформления, свойственные печатным документам, как, например, названия, заголовки и колонтитулы.

Отчет можно отобразить в четырех режимах: в режиме «конструктора», позволяющем изменить внешний вид отчета, в режиме просмотра образца, в котором можно отобразить все элементы готового отчета, но в сокращенном виде, в режиме «макета», позволяющем более наглядно отображать (по сравнению с режимом конструктора) и форматировать отчет, и в режиме предварительного просмотра, где отчет отображается в том виде, в каком будет напечатан.

Таблицы, запросы, формы и отчеты представляют собой объекты, которые наиболее широко используются при разработке баз данных Access.

Однако возможности базы данных можно существенно расширить, если воспользоваться страницами доступа, макросами и модулями.

Страницы. Чтобы предоставить пользователям Интернета доступ к информации, в базе данных можно создать специальные страницы доступа к данным. С помощью страниц доступа к данным можно просматривать, добавлять, изменять и обрабатывать данные, хранящиеся в базе данных. Страницы доступа к данным могут также содержать данные из других источников, например, из Excel. Для публикации информации из базы данных в Web Access включают «мастер», который обеспечивает создание страницы доступа.

Макросы. Макросы представляют собой небольшие программы из одной или более макрокоманд, выполняющих определенные операции, с помощью которых обеспечивается, например, открытие формы, печать отчетов, щелчок кнопки и т.п. Это особенно удобно, если предполагается передать базу данных неквалифицированным пользователям. Например, можно написать макросы, содержащие последовательность команд, выполняющих рутинные задачи, или связать такие действия, как открытие формы или печать отчета, с кнопками кнопочной формы.

Модули. Модуль - объект базы данных, который позволяет создавать библиотеки подпрограмм и функций, используемых во всем приложении. Используя коды модулей можно решать такие задачи, как обработка ошибок ввода, объявление и применение переменных, организация циклов и т.п.

С точки зрения конечного пользователя процесс создания базы данных можно представить в виде четырех этапов:

  • Анализ предметной области
  • Инфологическое (концептуальное) описание данных;
  • Логическое проектирование баз данных;
  • Физическое проектирование баз данных.

На первом этапе необходимо провести подробное словестное описание предметной области и реальных связей, которые присутствуют между описываемыми объектами.

Предметная область отображается моделями данных нескольких уровней. Предметная область может относиться к любому типу организации.

Необходимо различать полную предметную область(крупное предприятие) и организационную единицу этой предметной области. Организационная единица, в свою очередь, может представлять собою предметную область (например, цех по производству или отдел предприятия).

Информация для описания предметной области зависит от реальной модели и может включать в себя сведения о людях, местах, предметах, событиях и понятиях.

Существует два подхода к выбору состава и структуры предметной области:

Функциональный подход - применяется, когда известны функции некоторой группы лиц и комплексов задач, для обслуживания информационных потребностей которых создается рассматриваемая БД.

Предметный подход - когда информационные потребности будущих пользователей БД жестко не фиксируются.

Концептуальное проектирование . Разработка концептуальной модели предметной области основана на анализе информационных потребностей конечных пользователей и тех требований, которые они предъявляют к создаваемой базе данных.

На этом этапе прежде всего решается вопрос о том, какие данные должны храниться в базе и какого типа информационные выборки и отчеты могут потребоваться пользователю БД.

Главными элементами концептуальной модели данных являются объекты и отношения. Объекты представляют аспекты, которые пользователи считают важными в моделируемой части реальности. Отношения связывают два объектных множества. Отношение само по себе является объектным множеством, состоящим из пар объектов-элементов, взятых из двух множеств, которое соединяет отношение.

Концептуальная модель предметной области обычно представляется в виде графической схемы, на которой показан состав и взаимосвязи хранимых данных. В процессе работы инфологическая модель может дополняться новыми данными в связи с изменяющимися потребностями пользователя.

Существует три основных типа отношений:

1) «один-к-одному». Такая связь означает, что каждому значению реквизита А соответствует одно и только одно значение связанного с ним реквизита В, и наоборот. Например, каждому значению реквизита Номер паспорта соответствует единственное значение реквизита ФИО гражданина страны, и наоборот. Такую связь обозначают 1:1, графически в инфологических моделях эта связь изображается одинарными стрелками.

2)«один-ко-многим». Эта связь означает, что каждому значению реквизита А соответствует одно или несколько значений связанного с ним реквизита В, а каждому значению реквизита В соответствует одно и только одно значение реквизита А. Например, для аэропорта , из которого осуществляется множество рейсов, характерна следующая связь между описывающими этот объект реквизитами: одному значению реквизита Название аэропорта вылета соответствует несколько значений реквизита Номер рейса, а каждому значению Номер рейса соответствует только одно Название аэропорта вылета.

3)«многие-ко-многим». Такая связь означает, что каждому значению реквизита А соответствует несколько значений связанного с ним реквизита В, и наоборот. Например, турагентство может работать с несколькими туроператорами, а туроператор обычно имеет разветвленную сеть турагентов. Такую связь обозначают М: М, а графически изображают двойными стрелками.

Аналогичные связи могут быть установлены в БД между реляционными таблицами и практически реализованы за счет наличия в них общих полей (реквизитов). Если общих полей в связываемых таблицах нет, то нужно сделать следующее:

  • если между реляционными таблицами существует связь 1:1 или 1: М, то следует скопировать поле, по которому устанавливается связь, из одной связываемой таблицы в другую;
  • если между реляционными таблицами существует связь М:М, то следует создать новую таблицу и включить в нее ключевые поля связываемых таблиц.

Логическое проектирование заключается в определении числа и структуры таблиц, формировании запросов к БД, определении типов отчетных документов, разработке алгоритмов обработки информации, создании форм для ввода и редактирования данных.

На этом этапе осуществляется выбор подходящей системы управления базами данных и представление инфологической модели предметной области в форме структуры базы данных конкретной СУБД.

Для размещения одной и той же информации могут быть использованы различные модели данных. Их выбор зависит от многих факторов, в том числе от имеющегося технического и программного обеспечения, объемов информации, сложности автоматизируемых задач.

Файловая модель. Представляет собой совокупность не связанных между собой файлов из однотипных записей с линейной (одноуровневой) структурой.

Более сложными моделями внутримашинной организации данных являются сетевые и иерархические модели.

В иерархической модели любой объект (запись, сегмент) может подчиняться только одному объекту вышестоящего уровня. В сетевых – любой объект (запись, файл) может подчиняться нескольким объектам.

Сетевые модели данных по сравнению с иерархическими являются более универсальным средством отображения данных для разных предметных областей. Достоинством сетевых моделей является отсутствие дублирования данных в различных элементах модели.

Реляционные модели данных отличаются от сетевых и иерархических простой структурой данных, удобным для пользователя табличным представлением и доступом к данным. Реляционная модель данных является совокупностью простейших двумерных таблиц – отношений. Связи между двумя логически связанными таблицами в реляционной модели устанавливаются по равенству значений одинаковых атрибутов таблиц - отношений.

Физическое проектирование предполагает определение способов и мест размещения базы данных, оценку ее объема и других параметров.

В каждой СУБД по -разному организованы хранение и доступ к данным. В системах баз данных файлы можно классифицировать следующим образом:

Файлы прямого доступа;

Файлы последовательного доступа;

Индексные файлы.


Похожая информация.


1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ БАЗ ДАННЫХ

1.1. Реляционная база данных и ее структура

Базой данных (БД) называется организованная в соответствии с определенными правилами и поддерживаемая в памяти компьютера совокупность сведений об объектах, процессах, событиях или явлениях, относящихся к некоторой предметной области, теме или задаче. Она организована таким образом, чтобы обеспечить информационные потребности пользователей, а также удобное хранение этой совокупности данных, как в целом, так и любой ее части.

Реляционная база данных представляет собой множество взаимосвязанных таблиц, каждая из которых содержит информацию об объектах определенного вида. Каждая строка таблицы содержит данные об одном объекте (например, автомобиле, компьютере, клиенте), а столбцы таблицы содержат различные характеристики этих объектов –атрибуты (например, номер двигателя, марка процессора, телефоны фирм или клиентов).

Строки таблицы называются записями . Все записи таблицы имеют одинаковую структуру – они состоят изполей (элементов данных), в которых хранятся атрибуты объекта (рис. 1). Каждое поле записи содержит одну характеристику объекта и представляет собой заданный тип данных (например, текстовая строка, число, дата). Для идентификации записей используется первичный ключ.Первичным ключом называется набор полей таблицы, комбинация значений которых однозначно определяет каждую запись в таблице.

Рис. 1. Названия объектов в таблице

Для работы с данными используются системы управления базами данных (СУБД). Основные функции СУБД:

– определение данных (описание структуры баз данных);

– обработка данных;

– управление данными.

Разработка структуры БД – важнейшая задача, решаемая при проектировании БД. Структура БД (набор, форма и связи ее таблиц) – это одно из основных проектных решений при создании приложений с использованием БД. Созданная разработчиком структура БД описывается на языке определения данных СУБД.

Любая СУБД позволяет выполнять следующие операции с данными:

– добавление записей в таблицы;

– удаление записей из таблицы;

– обновление значений некоторых полей в одной или нескольких записях в таблицах БД;

– поиск одной или нескольких записей, удовлетворяющих заданному условию.

Для выполнения этих операций применяется механизм запросов. Результатом выполнения запросов является либо отобранное по определенным критериям множество записей, либо изменения в таблицах. Запросы к базе формируются на специально созданном для этого языке, который так и называется

«язык структурированных запросов» (SQL – Structured Query Language).

Под управлением данными обычно понимают защиту данных от несанкционированного доступа, поддержку многопользовательского режима работы с данными и обеспечение целостности и согласованности данных.

1.2. Этапы проектирования реляционной базы данных

Основная причина сложности проектирования базы данных заключается в том, что объекты реального мира и взаимосвязи между ними вовсе не обязаны иметь и, как правило, не имеют структуры, согласованной с реляционной моделью данных. Разработчик при проектировании должен придумать представление для реальных объектов и их связей в терминах таблиц, полей, атрибутов, записей и т. п., то есть в терминах абстракций реляционной модели данных. Поэтому в данном контексте термин «проектирование» можно понимать и как процесс, результатом которого являетсяпроект , и как процесс, результатом которого являетсяпроекция .

Разработка эффективной базы данных состоит из нескольких этапов. Процесс разработки БД начинается с анализа требований. Проектировщик на этом этапе разработки должен найти ответы на следующие вопросы: какие элементы данных должны храниться, кто и как будет к ним обращаться.

На втором этапе создается логическая структура БД. Для этого определяют, как данные будут сгруппированы логически. Структура БД на этом этапе выражается в терминах прикладных объектов и отношений между ними.

На заключительном (третьем) этапе логическая структура БД преобразуется в физическую с учетом аспектов производительности. Элементы данных на этом этапе получают атрибуты и определяются как столбцы в таблицах выбранной для реализации БД СУБД.

Рассмотрим применение концепции реляционных баз данных на практике. Представим себе деятельность туристической фирмы. Очевидно, что для ее работы необходимо хранить и отслеживать определенный набор информации о клиентах данной турфирмы (туристах), о предлагаемых им турах, об оформлении и оплате путевок. Это можно делать в обычной бумажной тетради, но со временем поиск нужных записей и финансовая отчетность будут представлять собой довольно рутинную, длительную работу.

1.2.1. Определение требований

Требования к приложению с БД обычно составляются с помощью опросов и бесед с конечными пользователями. Это – итерационный процесс, в ходе которого разработчики определяют структуру пользовательских диалогов, критерии поиска документов и возможные реакции пользователей.

Общая методика определения и документирования требований к БД заключается в составлении словаря данных. Словарь данных перечисляет и определяет отдельные элементы данных, которые должны храниться в базе. Начальный проект словаря данных для менеджера турфирмы приведен в таблице 1.

Таблица 1

Словарь данных для приложения БД менеджера турфирмы

Элемент данных

Описание

Фамилия туриста

Имя туриста

Отчество

Отчество туриста

Серия и номер паспорта туриста

Контактный телефон туриста

Город проживания туриста

Страна проживания туриста

Почтовый индекс адреса туриста

Название туристической поездки

Цена туристической поездки

Дата начала

Время начала туристической поездки

Дата конца

Время завершения туристической поездки

Информация

Дополнительная информация о туре

Дата оплаты

Дата оплаты путевки

Сумма оплаты

Составление словаря – хороший способ, чтобы начать определять требования к базе данных. Но одного словаря не достаточно для определения структуры БД, так как словарь данных не описывает, как связаны элементы, как данные создаются, обновляются и выбираются, кто и как будет использовать БД.

Необходима функциональная спецификация , отражающая информацию о количестве одновременно работающих пользователей, о том, как часто записи будут вставляться и обновляться, и каким образом информация будет выбираться из БД.

Функциональное описание для приложения БД менеджера турфирмы могло бы включать, например, следующие требования:

Приложением будут пользоваться руководитель турфирмы, 2 менеджера по продажам, бухгалтер, кассир и 2 офисных сотрудника турфирмы – всего 7 пользователей. Предполагается, что одновременно с БД будут работать не более 3 сотрудников. Персоналу бухгалтерии для работы достаточно иметь доступ только к данным по оплате путевок.

Все пользователи в любое время могут добавлять информацию в БД. При добавлении информации или ее изменении, пользователь, который сделал изменение, а также дата и время изменения, должны быть зарегистрированы.

Один из офисных сотрудников будет назначен системным администратором. Только он должен вести учетные записи пользователей.

Спецификация функций и словарь данных, как правило, разрабатываются одновременно, так как эти документы информационно дополняют друг друга.

Важная часть анализа требований – предупредить потребности пользователей, поскольку они не всегда способны полностью и четко объяснить их собственные требования к системе. Практически функциональное описание должно представлять систему как можно более полно и подробно.

1.2.2. Логическая модель

ER-диаграммы

Общим способом представления логической модели БД является построение ER-диаграмм (Entity-Relationship – сущность-связь). В этой модели сущность определяется как дискретный объект, для которого сохраняются элементы данных, а связь описывает отношение между двумя объектами.

В примере менеджера турфирмы имеются 5 основных объектов:

Туристы

Туры

Путевки

Сезоны

Оплаты

Отношения между этими объектами могут быть определены простыми терминами:

Каждый турист может купить одну или несколько (много) путевок.

Каждой путевке соответствует ее оплата (оплат

может быть и несколько,

если путевка, например,

продана в кредит).

Каждый тур может иметь

несколько сезонов.

Путевка

продается

один сезон одного тура.

Эти объекты и отношения

могут быть представлены ER-

диаграммой,

как показано

Рис. 2. ER-диаграмма для приложения БД

менеджера турфирмы

Объекты, атрибуты и ключи

Далее модель развивается путем определения атрибутов для каждого объекта. Атрибуты объекта – это элементы данных, относящиеся к определенному объекту, которые должны сохраняться. Анализируем составленный словарь данных, выделяем в нем объекты и их атрибуты, расширяем словарь при необходимости. Атрибуты для каждого объекта в рассматриваемом примере представлены в таблице 2.

Объекты и атрибуты БД

Таблица 2

Название

Дата начала

Дата оплаты

Дата конца

Отчество

Информация

Атрибуты

Следует обратить внимание, что несколько элементов отсутствуют. Опущена регистрационная информация, упомянутая в функциональной спецификации. Как ее учесть, вы подумаете самостоятельно и доработаете предложенный пример. Но более важно то, что пока отсутствуют атрибуты, необходимые для связи объектов друг с другом. Эти элементы данных в ER-модели не представ-

ляются, так как не являются, собственно, «натуральными» атрибутами объектов. Они обрабатываются по-другому и будут учтены в реляционной модели данных.

Реляционная модель характеризуется использованием ключей и отношений. Существует отличие в контексте реляционной базы данных терминов relation (отношение) и relationship (схема данных). Отношение рассматривается как неупорядоченная, двумерная таблица с несвязанными строками.Схема данных формируется между отношениями (таблицами) через общие атрибуты, которые являютсяключами .

Существует несколько типов ключей, и они иногда отличаются только с точки зрения их взаимосвязи с другими атрибутами и отношениями. Первичный ключ уникально идентифицирует строку в отношении (таблице), и каждое отношение может иметь только один первичный ключ, даже если больше чем один атрибут является уникальным. В некоторых случаях требуется более одного атрибута для идентификации строк в отношении. Совокупность этих атрибутов называетсясоставным ключом . В других случаях первичный ключ должен быть специально создан (сгенерирован). Например, в отношение «Туристы» имеет смысл добавить уникальный идентификатор туриста (код туриста) в виде первичного ключа этого отношения для организации связей с другими отношениями БД.

Другой тип ключа, называемый внешним ключом, существует только в терминах схемы данных между двумя отношениями. Внешний ключ в отношении – это атрибут, который является первичным ключом (или частью первичного ключа) в другом отношении. Это – распределенный атрибут, который формирует схему данных между двумя отношениями в БД.

Для проектируемой БД расширим атрибуты объектов кодовыми полями в качестве первичных ключей и используем эти коды в отношениях БД для ссылки на объекты БД следующим образом (табл. 3).

Построенную схему БД еще рано считать законченной, так как требуется ее нормализация. Процесс, известный как нормализация реляционной БД, используется для группировки атрибутов специальными способами, чтобы минимизировать избыточность и функциональную зависимость.

Объекты и атрибуты БД с расширенными кодовыми полями

Таблица 3

Код туриста

Код путевки

Код сезона

Код оплаты

Код туриста

Название

Дата начала

Дата оплаты

Атрибуты

Код сезона

Дата конца

Отчество

Информация

Код путевки

Нормализация

Функциональные зависимости проявляются, когда значение одного атрибута может быть определено из значения другого атрибута. Атрибут, который может быть определен, называетсяфункционально зависимым от атрибута, который является детерминантом. Следовательно, по определению, все неключевые (без ключа) атрибуты будут функционально зависеть от первичного ключа в каждом отношении (так как первичный ключ уникально определяет каждую строку). Когда один атрибут отношения уникально не определяет другой атрибут, но ограничивает его набором предопределенных значений, это называетсямногозначной зависимостью.Частичная зависимость имеет место, когда атрибут отношения функционально зависит от одного атрибута составного ключа. Транзитивные зависимости наблюдаются, когда неключевой атрибут функционально зависит от одного или нескольких других неключевых атрибутов в отношении.

Процесс нормализации состоит в пошаговом построении БД в нормальной форме (НФ).

Первая нормальная форма (1НФ) очень проста. Все таблицы БД должны удовлетворять единственному требованию – каждая ячейка в таблицах должна содержать атомарное значение, другими словами, хранимое значение в рамках предметной области приложения БД не должно иметь внутренней структуры, элементы которой могут потребоваться приложению.

Вторая нормальная форма (2НФ) создается тогда, когда удалены все частичные зависимости из отношений БД. Если в отношениях не имеется никаких составных ключей, то этот уровень нормализации легко достигается.

Третья нормальная форма (3НФ) БД требует удаления всех транзитивных зависимостей.

Четвертая нормальная форма (4НФ) создается при удалении всех многозначных зависимостей.

БД нашего примера находится в 1НФ, так как все поля таблиц БД атомарные по своему содержанию. Наша БД также находится и во 2НФ, так как мы искусственно ввели в каждую таблицу уникальные коды для каждого объекта (Код Туриста, Код Путевки и т. д.), за счет чего и добились 2НФ для каждой из таблиц БД и всей базы данных в целом. Осталось разобраться с третьей и четвертой нормальными формами.

Обратите внимание, что они существуют только относительно различных видов зависимостей атрибутов БД. Есть зависимости – нужно стоить НФ БД, нет зависимостей – БД и так находится в НФ. Но последний вариант практически не встречается в реальных приложениях.

Итак, какие же транзитивные и многозначные зависимости присутствуют в нашем примере БД менеджера турфирмы?

Давайте проанализируем отношение «Туристы». Рассмотрим зависимости между атрибутами «Код туриста», «Фамилия», «Имя», «Отчество» и «Паспорт» (рис. 3). Каждый турист, представленный в отношении сочетанием «Фамилия- Имя-Отчество», имеет на время поездки только один паспорт, при этом полные тезки должны иметь разные номера паспортов. Поэтому атрибуты «Фамилия- Имя-Отчество» и «Паспорт» образуют в отношении туристы составной ключ.

Составной ключ

Отчество

Код туриста

Рис. 3. Пример транзитивной зависимости

Как видно из рисунка, атрибут «Паспорт» транзитивно зависит от ключа «Код туриста». Поэтому, чтобы исключить данную транзитивную зависимость, разобьем составной ключ отношения и само отношение на 2 по связям «один-к-одному». В первое отношение, оставим ему имя «Туристы», включаются атрибуты «Код туриста» и «Фамилия», «Имя», «Отчество». Второе отношение, назовем его «Информация о туристах», образуют атрибуты «Код туриста» и все оставшиеся атрибуты отношения «Туристы»: «Паспорт», «Телефон», «Город», «Страна», «Индекс». Эти два новых отношения уже не имеют транзитивной зависимости и находятся в 3НФ.

Многозначные зависимости в нашей упрощенной БД отсутствуют. Для примера предположим, что для каждого туриста должны храниться несколько контактных телефонов (домашний, рабочий, сотовый и пр., что весьма характерно на практике), а не один, как в примере. Получаем многозначную зависимость ключа – «Код туриста» и атрибутов «Тип телефона» и «Телефон», в этой ситуации ключ перестает быть ключом. Что делать? Проблема решается также путем разбиения схемы отношения на 2 новые схемы. Одна из них должна представлять информацию о телефонах (отношение «Телефоны»), а вторая о туристах (отношение «Туристы»), которые связываются по полю «Код туриста». «Код туриста» в отношении «Туристы» будет первичным ключом, а в отношении «Телефоны» – внешним.

1.2.3. Физическая модель

Физическая модель данных зависит от выбранной СУБД. Например, если вы планируете использовать СУБД Oracle, то физическая база данных будет состоять из файлов данных, областей таблиц, сегментов отката, таблиц, столбцов

и индексов.

В данном пособии будут рассмотрено создание физической модели БД средствами СУБД Microsoft Access и сервера баз данных Microsoft SQL Server 2005 Express Edition.

1.3. Создание БД в СУБД Microsoft Access

1.3.1. Таблицы

Для создания таблицы в СУБД Microsoft Access используем режим конструктора (рис. 4).

Рис. 4. Выбор режима конструктора

Рис. 5. Полный список полей таблицы

В появившемся окне «Таблица1: таблица» предстоит определить названия полей, которые и станут заголовками в этой таблице. Введем следующие названия полей (рис. 5).

При вводе названия поля, для него

по умолчанию определяется тип данных

«текстовый». Для изменения типа следу-

ет выбрать нужное значение из выпа-

дающего списка (рис. 6).

Рис. 6. Определение типа данных поля

Описания возможных типов дан-

ных Microsoft Access приводятся в таб-

Таблица 4

Типы данных Microsoft Access

Тип данных

Описание

Текстовый

Текст или комбинация текста и чисел, например, адреса, а также

числа, не требующие вычислений, например, номера телефонов, ин-

вентарные номера или почтовые индексы. Сохраняет до 255 знаков.

Свойство «Размер поля» (FieldSize) определяет максимальное коли-

чество знаков, которые можно ввести в поле

Поле МЕМО

Предназначено для ввода текстовой информации, по объему превы-

шающей 255 символов. Такое поле может содержать до 65 535 сим-

волов. Этот тип данных отличается от типа Текстовый (Text) тем, что

щиеся отдельно. За счет этого ускоряется обработка таблиц (сорти-

ровка, поиск и т. п.). Поле типа MEMO не может быть ключевым или

проиндексированным

Числовой

Данные, используемые для математических вычислений, за исклю-

чением финансовых

расчетов (для них следует использовать тип

«Денежный»). Сохраняет 1, 2, 4 или 8 байтов. Конкретный тип чи-

слового поля определяется значением свойства Размер поля (Field-

Дата/время

Значения дат и времени. Сохраняет 8 байтов

Денежный

Используется для денежных значений и для предотвращения округ-

ления во время вычислений. Сохраняет 8 байтов

Автоматическая вставка уникальных последовательных (увеличи-

вающихся на 1) или случайных чисел при добавлении записи. Со-

храняет 4 байта

Логический

Данные, принимающие только одно из двух возможных значений,

таких, как «Да/Нет», «Истина/Ложь», «Вкл./Выкл.». Значения Null не

допускаются. Сохраняет 1 бит.

Поле объекта

Объекты OLE (такие, как документы Microsoft Word, электронные

таблицы Microsoft Excel, рисунки, звукозапись или другие данные в

двоичном формате) (ограничивается объемом диска)