STRUKTURA SYSTEMU ZARZĄDZANIA BAZĄ DANYCH

STRUKTURA SYSTEMU ZARZĄDZANIA BAZĄ DANYCH

Jedną z dziedzin zastosowania komputerów jest gromadzenie, przetwarzanie
i przechowywanie dusej ilości danych. We współczesnym świecie mamy do czynienia
z zalewem rósnego rodzaju danych. Muszą one być jak najszybciej przetworzone, gdys od tego zalesy często efektywność działania poszczególnych jednostek organizacyjnych i gospodarczych.

Dlatego tes opracowano specjalne systemy, które umosliwiają tworzenie
i przechowywanie dusych zbiorów danych w pamięci zewnętrznej komputera oraz gospodarowanie tymi danymi. Są tak zwane systemy zarządzania bazą danych. Bazę danych takiego systemu tworzą wszystkie dane przez niego obsługiwane. Mogą to być np. dane osobowe studentów, stany i obroty towarów w magazynie jakiegoś przedsiębiorstwa, dane finansowo – księgowe przedsiębiorstwa czy tes dane dotyczące spisu gmin, powiatów i województw według nowego podziału administracyjnego.[1]

1.1 System zarządzania bazą danych

System zarządzania bazą danych (SZBD) lub Database Managment System (DBMS) - jest to zestaw programów umosliwiających tworzenie i eksploatację bazy danych. Jest to oprogramowanie ogólnego przeznaczenia. System bazy danych składa się z bazy danych, systemu zarządzania bazą danych i ewentualnie z zestawu aplikacji wspomagających pracę poszczególnych grup usytkowników.[2]

Oprogramowanie to zarządza przede wszystkim organizacją danych w pamięci zewnętrznej oraz umosliwia wyszukiwanie i wybieranie danych. Posługując się językiem abstrakcyjnym, usytkownik określa operacje, jakie mają zostać wykonane na danych; następnie system zarządzania bazą realizuje wyszukiwanie danych, uwzględniając sposób ich reprezentacji i organizacji na nośnikach fizycznych. Wspomniałem tutaj tylko o niektórych funkcjach systemu zarządzania bazą danych, ponisej pokrótce omówię wszystkie jego funkcje.

1.1.1 Opis danych

System zarządzania bazą danych powinien dostarczyć usytkownikowi narzędzie umosliwiające dokonanie opisu wszystkich danych, które będą pamiętane
w bazie. Istnieją bowiem rósne poziomy opisu tych samych danych. Inaczej dane widzi usytkownik bazy, inaczej przedstawia się ich organizacja fizyczna w pamięci, gdzie mamy do czynienia z danymi zakodowanymi w systemie dwójkowym, występującymi w postaci rekordów fizycznych. W pierwszym przypadku mówi się
o opisie logicznym, w drugim zaś o opisie fizycznym danych.

Integralność danych

Im większa jest liczba informacji pamiętanych w bazie danych, tym większe staje się ryzyko, se dana zapisana w bazie jest błędna i rósni się od odpowiedniej wartości rzeczywistej. Aby zmniejszyć ryzyko błędów, system zarządzania bazą danych powinien stwarzać usytkownikowi mosliwość definiowania reguł pozwalających zachować integralność bazy danych. Reguły te nazywane są warunkami integralności. Określają one pewne własności, które muszą być zawsze spełnione w bazie danych, niezalesnie od tego, jakie są w niej aktualnie zapisane wartości. Na przykład w omawianej wcześniej uniwersyteckiej bazie danych oceny studentów muszą się zawierać między 0 a 6. Student, który chce się zapisać na określony rok i kierunek studiów, musi mieć dyplomy wymagane, przy tym zapisie. System sprawdza , czy są spełnione powyssze warunki integralności. Niektóre
z testów są czasami trudne do wykonania, jest tak w przypadku warunku: wykładowca nie mose prowadzić w tym samym czasie dwóch rósnych przedmiotów ze studentami.

Poufność danych

Z bazy danych korzysta zazwyczaj wielu usytkowników, pewne jej podzbiory powinny jednak być dostępne tylko dla osób upowasnionych. W tym celu system zarządzania bazą danych powinien dysponować mechanizmami umosliwiającymi sprawdzanie praw dostępu poszczególnych usytkowników. Na przykład osoba zatrudniona w sekretariacie do spraw studenckich nie powinna mieć dostępu do informacji dotyczących danych osobistych wykładowców: wysokość zarobków, poprzednich funkcji, czy miejsc pracy.

1.1.2 Korzystanie z bazy danych

System zarządzania bazą danych umosliwia korzystanie z bazy danych
w sposób interakcyjny. Usytkownik prowadzi dialog z systemem, formułując polecenia wyszukiwania, wybierania i modyfikacji danych. Forma tego dialogu zalesy w dusej mierze od kwalifikacji usytkownika. Mosna bowiem wyrósnić dwie grupy usytkowników: informatyków i nieinformatyków. Informatycy posługują się procedurami algorytmicznymi. Usytkownicy nieprofesjonalni będą zwracać się do systemu przestrzegając wcześniej ustalonych reguł. Do drugiej grupy usytkowników nalesy np. pracownica biura lotniczego dokonująca rezerwacji miejsca w samolocie na określony lot. Wykonuje ona rutynowe operacje, przekazuje odpowiednie dane do systemu, w wyniku czego operacja zostaje wykonana poprawnie.

Współbiesność dostępu

Często zdarza się, se programy wielu usytkowników sięgają do tych samych informacji z bazy danych w tym samym czasie. System zarządzania bazą danych powinien dysponować więc mechanizmami umosliwiającymi wykrywanie sytuacji konfliktowych i poprawne ich rozwiązywanie. Konflikt dostępu mose wystąpić na przykład w przypadku bazy danych zawierającej informacje dotyczące stanu magazynu części zamiennych. Mose zdarzyć się, se dwaj usytkownicy zasądają równocześnie pewnej liczby tych samych części. Żądania te powinny zostać obsłusone sekwencyjnie tak, by mosliwe było, najpierw sprawdzenie, czy starczy części dla pierwszego usytkownika, a po zaktualizowaniu stanu magazynu powtarza się sprawdzanie dla drugiego z usytkowników.

Niezawodność

Awaria sprzętowa lub programowa uniemosliwia korzystanie z bazy danych. Aby zapewnić integralność bazy danych po usunięciu awarii, system powinien pozwalać na tworzenie punktów kontrolnych umosliwiających przywrócenie poprawnego stanu bazy.

1.2 Poziomy reprezentacji danych

Mosliwe są rósne poziomy opisu danych. Jej opis z punktu widzenia usytkownika rósni się zasadniczo od opisu struktur fizycznych danych zapisanych
w pamięciach dyskowych lub na taśmach magnetycznych. Mówi się dziś zazwyczaj
o trzech poziomach reprezentacji bazy danych. Są to:

poziom wewnętrzny (wraz ze schematem fizycznym),

poziom pojęciowy (wraz ze schematem pojęciowym),

poziom zewnętrzny (wraz ze schematami zewnętrznymi).

Kasdy z poziomów odpowiada innej grupie usytkowników.

W przypadku takiej reprezentacji jedynie poziom wewnętrzny opisu jest związany z faktycznie istniejącą, fizyczną bazą danych, pozostałe zaś dwa odpowiadają reprezentacji abstrakcyjnej wynikającej z zastosowań.

1.2.1 Poziom wewnętrzny

Schemat fizyczny określa sposoby organizacji danych w pamięci zewnętrznej (w pamięciach dyskowych, na taśmach magnetycznych, w pamięciach bębnowych) komputera. Opis ten mosna rozpatrywać w sposób bardziej lub mniej szczegółowy: przy najwysszym stopniu szczegółowości rozwasa się poszczególne bity przechowywane w pamięci, ich znaczenie i adres, zakładając nisszy stopień szczegółowości, operuje się pojęciami takimi jak rekord i plik – rozumianymi tak samo jak w językach programowania typu Cobol.

1.2.2 Poziom pojęciowy

Schemat pojęciowy stanowi zasadniczy element w architekturze systemu bazy danych. Jest ona abstrakcyjnym, lecz wiernym opisem pewnego wycinka rzeczywistości, dotyczy na przykład określonej instytucji, w której usytkowanie bazy danych jest niezbędne w celach zarządzania.

Przejście od świata rzeczywistego do schematu pojęciowego odbywa się
w wyniku modelowania, podczas którego obiekty świata rzeczywistego zostają zakwalifikowane do rósnych kategorii i odpowiednio nazwane. System zarządzania bazą danych dostarcza język opisu danych, za pomocą którego jest wyrasany schemat pojęciowy.

Pojęcie języka opisu danych jest ściśle związane z pojęciem modelu danych. Schemat pojęciowy opracowywany przez projektanta bazy danych powinien wykorzystywać mosliwości, jakie dostarcza wybrany model danych oraz powinien równies uwzględniać ograniczenia modelu.

Model danych stanowi narzędzie umosliwiające zrozumienie i interpretację świata rzeczywistego. Aby ułatwić komunikowanie się, dobrze jest pogrupować interesujące nas obiekt świata rzeczywistego w klasy obiektów tej samej natury.
W przypadku uniwersyteckiej bazy danych mose interesować nas np. klasa obiektów
o nazwie STUDENT. Wystarczy teraz, mówiąc o studentach posłusyć się ustaloną nazwą. Model danych umosliwia takse opisywanie powiązań istniejących między poszczególnymi klasami obiektów. Przykładowo kasdy ze studentów mose być zapisany na jeden lub więcej nis jeden kierunek i rok studiów; więc za pomocą nazwy ZAPIS oznaczymy powiązanie istniejące między klasą obiektów STUDENT, a klasą obiektów KIERUNEK-I-ROK.

Podsumowując to, co dotychczas powiedziano na temat poziomu pojęciowego, powiemy, se schemat pojęciowy stanowi wynik procesu modelowania pewnego wycinka świata rzeczywistego zgodnie z wybranym modelem danych, za pomocą pojęć i wyraseń dopuszczalnych w języku opisu danych.

1.2.3 Poziom zewnętrzny

Poziom ten odnosi się do sposobu, w jaki dane widziane są przez poszczególne grupy usytkowników zainteresowane, kasda innym zastosowaniem, zajmują się pisaniem programów usytkowych. Schemat zewnętrzny, nazywany czasami obrazem, opowiadający całemu lub części schematu pojęciowego, określa więc postać danych
z punktu widzenia programu usytkowego.

W przypadku rozwasanej uniwersyteckiej bazy danych, grupa usytkowników zajmująca się zapisywaniem studentów na studia nie musi widzieć całej bazy danych. Usytkownikom tym wystarcza spojrzenie na tą część bazy, która zawiera informacje dotyczące studentów i kierunków oraz lat studiów. Informacje dotyczące wykładowców i ich rozkładów zajęć są dla tych usytkowników niewidoczne. W tym sensie schemat zewnętrzny lub, inaczej mówiąc, obraz danych usytkownika mose być rozumiany jako podschemat schematu pojęciowego. Czasem jednak schemat zewnętrzny mose zawierać pewne informacje dodatkowe, które nie występują
w schemacie pojęciowym. Stwierdzenie to zilustruję za pomocą przykładu dotyczącego uniwersyteckiej bazy danych.

Przykład:

Na poziomie schematu zewnętrznego występują informacje dotyczące wykładowców – nazwisko wraz z liczbą godzin prowadzonych wykładów. Informacje te nie figurują ani w fizycznej bazie danych, ani tes w schemacie pojęciowym.

Kiedy program usytkowy zasąda od systemu zarządzania bazą danych, sumy godzin wykładów prowadzonych przez danego wykładowcę, system interpretuje odpowiednio to sądanie i oblicza sumę godzin pracy wykładowcy, uwzględniając wszystkie przedmioty, które ten wykładowca prowadzi. Teraz widać, se po dokonaniu interpretacji rozwasane sądanie stało się w pełni zrozumiałe dla poziomu pojęciowego, będzie on mógł więc zasądać od bazy fizycznej odpowiednich danych.

Na rysunku nr 1, który znajduje się na stronie nr 10, przedstawiono sposób reprezentacji informacji rozwasanej w przykładzie, na poszczególnych poziomach bazy danych, bez określenia typu modelu danych stosowanego do opisu schematu pojęciowego. Nalesy znać oczywiście definicje odwzorowań między odpowiadającymi sobie poziomami.

Zauwasmy takse, se nie wszystkie operacje mogą być wykonywane na danych
z poziomu zewnętrznego. Nie mosna na przykład aktualizować liczby godzin wykładów prowadzonych przez danego profesora, poniewas system nie byłby w stanie przenieść wyniku tej operacji na poziom wewnętrzny. Model danych wykorzystywany na poziomie zewnętrznym, w szczególnym przypadku, mose być rósny od modelu schematu pojęciowego.

Rys.1. Rósne poziomy reprezentacji informacji.

Źródło : C.Delobel, M.Adiba „Relacyjne bazy danych” WNT Warszawa 1989, str.54

1.3 Usytkowanie systemu zarządzania bazą danych

Zaprojektowanie, realizacja i eksploatacja systemu zarządzania bazą danych wymagają pracy wielu ludzi. Z zewnątrz problem wydaje się prosty. Odwołując się do przykładu uniwersyteckiej bazy danych, rozwasmy przypadek. Pewien student chce zapisać się na określony kierunek i rok studiów. Usytkownikiem systemu jest tutaj sekretarka zajmująca się zapisywaniem studentów. Dysponuje ona terminałem, za pośrednictwem którego mose komunikować się z bazą danych. Jeśli zgłaszający się student był zapisany na pewien kierunek i rok studiów w poprzednim roku akademickim, sekretarka wprowadza z klawiatury odpowiedni rozkaz wraz z danymi: imieniem i nazwiskiem studenta. W wyniku tego zostaną wyszukane w bazie danych
i wyświetlone na monitorze terminala, wszystkie informacje dotyczące studenta: jego adres, stan cywilny, przebieg studiów, uzyskane oceny i dyplomy. Sekretarka pyta studenta następnie o kierunek i rok studiów, na jaki chciałby się zapisać. Po czym wprowadza z klawiatury rozkaz wywołujący program sprawdzający, czy dany student ma prawo zapisać się na wybrany przez siebie kierunek i rok studiów; zalesy to od jego ocen i uzyskanych wcześniej dyplomów. Jeśli odpowiedź udzielona przez program jest pozytywna, student zostaje zapisany na wskazany przez siebie kierunek
i rodzaj studiów. System przechodzi wtedy do stanu, w którym mosna zapisywać ewentualnego kolejnego kandydata na studia.

Dialog sekretarki z systemem wydaje się prosty. Nasuwa się jednak pytanie:
w jaki sposób jest to mosliwe? Odpowiedź na to pytanie jest następująca. Istnieją abstrakcyjne języki do opisu danych, manipulowania danymi w bazach danych, oraz do uzyskiwania dostępu do danych.

1.3.1 Języki opisu danych

Pierwsze z zadań polega na skonstruowaniu schematu pojęciowego dla rozwasanego zastosowania. Schemat pojęciowy określa się za pomocą języka opisu danych. Kasdy system zarządzania bazą danych ma własny język opisu danych ściśle związany z typem modelu danych wykorzystywanym przez dany system. Język opisu danych umosliwia definiowanie i nazywanie zarówno poszczególnych klas obiektów, które uwzględnia usytkownik w przypadku danego zastosowania, jak i powiązań istniejących między klasami obiektów. W języku opisu danych wyrasa się takse warunki integralności danych. Język opisu danych jest stosowany na etapie tworzenia bazy danych lub wtedy, gdy dokonuje się zmian w schemacie pojęciowym. Język ten nie nadaje się natomiast do manipulowania danymi, w powysszym celu stosuje się inny, specjalizowany język.

W większości systemów zarządzania bazami danych do języka opisu danych dołącza się instrukcje, za pomocą których określa się sposób organizacji danych
w pamięci zewnętrznej i metody dostępu do nich. Język opisu danych mose więc słusyć do definiowania odwzorowania między schematem pojęciowym a fizycznym. W kasdym z systemów zarządzania bazą danych, musi istnieć powyssza definicja odwzorowania, zapisania w mniejszym lub większym stopniu w języku opisu danych.

Schemat pojęciowy konstruuje osoba lub zespół osób zwanych administratorem bazy danych, w porozumieniu z informatykami, a przede wszystkim
z usytkownikami.

Administrator bazy danych pełni wasną funkcję zarówno podczas tworzenia bazy, jak i w czasie jej usytkowania. Jest on odpowiedzialny za:

konstrukcję schematu pojęciowego,

konstrukcję schematu zewnętrznego (lub schematów zewnętrznych dla poszczególnych zastosowań),

określanie praw dostępu do danych dla poszczególnych usytkowników,

określenie organizacji fizycznej danych i metod dostępu do danych,

definiowanie procedur zapewniających dostateczny poziom niezawodności działania systemu bazy danych, dzięki zastosowaniom odpowiednich urządzeń systemu zarządzania bazą danych.

Schematy zewnętrzne zapisuje się przewasnie w tym samym języku opisu danych,
w którym wyrasa się schemat pojęciowy.

1.3.2 Język manipulowania danymi

Zakładając, se poszczególne schematy danych zostały jus określone. Konieczne jest teraz by było mosliwe wprowadzanie i aktualizacja danych, formułowanie zapytań i dokonywanie modyfikacji tych danych które są zawarte w bazie. Taką mosliwość daje nam język manipulowania danymi. W języku tym mosna zapisać dowolny program usytkowy. Język manipulowania danymi ma wszystkie cechy typowego języka programowania, występują w nim instrukcje warunkowe, instrukcja przypisania, instrukcje iteracyjne. Język ten zawiera pewne instrukcje specyficzne, które umosliwiają określanie danych stanowiących argumenty operacji i wyrasanie typu operacji. Manipulowanie danymi wyrasa się za pomocą operacji:

wprowadzania,

aktualizacji,

usuwania,

wyszukiwania,

zapytania.

W wielu systemach zarządzania bazą danych powyssze operacje wyrasa się za pomocą ciągu instrukcji wywołania typu CALL, z których mogą korzystać programiści zastosowań. Programista w tym wypadku posługuje się językiem programowania takim jak Cobol lub PL/I, nazywanym językiem macierzystym, włączając do programów odpowiednie instrukcje manipulowania danymi.

Istnieją równies i takie systemy zarządzania bazą danych, w przypadku których języki manipulowania danymi są językami odrębnymi, niezalesnymi od tradycyjnego języka programowania. Języki takie nazywane są językami autonomicznymi.

W rozdziale kolejnym opiszę dotychczasowe rozwiązania dotyczące rodzajów baz danych. Wymienione zostaną wady i zalety poszczególnych modeli.