введение_в БД.ppt

Плеханова
Экономический факультет
Кафедра вычислительной техники и информационных технологий

теоретических знаний в области управления, хранения и обработки данных, а

также практических навыков по проектированию и реализации эффективных систем хранения и обработки данных.
Задачи:
способствовать формированию системного базового представления, первичных знаний, умений и навыков студентов по принципам построения систем управления базами данных как научной и прикладной дисциплины, достаточных для дальнейшего продолжения образования и самообразования их в области вычислительной техники, информационных систем различного назначения;
способствовать изучению и построению моделей организации данных, проектирование реляционных баз данных для различных предметных областей;
способствовать получению базового уровня в проектировании и разработке баз данных в системах СУБД MS Access, MS SQL Server;
способствовать представлению о роли и месте баз данных в автоматизированных системах, о назначении и основных характеристиках различных систем управления базами данных, их функциональных возможностях.

базовой (общепрофессиональной) части профессионального цикла.
Изучению курса предшествуют дисциплины: «Дискретная математика»,

«Теоретические основы информатики», «Программирование», «Вычислительные системы, сети и телекоммуникации», «Операционные системы, среды и оболочки», «Объектно-ориентированный анализ и программирование»
Требования к входным знаниям, умениям и компетенциям:
Знать:
– методы теории множеств, математической логики, теории графов, типовые алгоритмы поиска и сортировки данных, основные принципы работы запоминающих устройств, используемых для хранения данных в компьютерах, функции операционных систем по работе с файлами;
Уметь:
–применять математический аппарат при решении задач, приемы работы с файловыми системами операционных систем.
Успешное освоение курса позволяет перейти к изучению дисциплин: «Проектирование информационных систем», «СУБД Oracle для разработки экономических приложений», «Информационная безопасность», Итоговая государственная аттестация.

учебник / Т.С. Карпова. – Спб.: Питер, 2002. - 304

с.
Кузин, А.В. Базы данных [Текст]: учебное пособие для вузов /А.В. Кузин, С.В. Левонисова.-М.: Академия, 2010.-316 с.
Лебедева, Т.Ф. Базы данных на основе кейс-метода [текст]: учебное пособие. /Т.Ф. Лебедева, Солопова А.Н. – Кемерово: КемИ РГТЭУ, 2011.-135 с.
дополнительная литература
Грабер, М. Введение в SQL [Текст] / М. Грабер ; пер. с англ - М.: Лори, 2000. – 382 с.
Дейт, К. Дж. Введение в системы баз данных [текст]. /К. Дж. Дейт, 7-е изд. – М.: Вильямс, 2001. – 1072 с.
Кириллов, В.В. Основы проектирования реляционных баз данных [электронный ресурс] http://www.citforum.ru/database/dbguide/index.shtml
Кириллов, В.В. Структурированный язык запросов (SQL) [электронный ресурс] .
Кузнецов, С.Д. Введение в стандарты языка SQL [электронный ресурс] http://://www://www.://www.citforum://www.citforum.://www.citforum.ru://www.citforum.ru/://www.citforum.ru/database://www.citforum.ru/database/://www.citforum.ru/database/sqlbook://www.citforum.ru/database/sqlbook/://www.citforum.ru/database/sqlbook/index://www.citforum.ru/database/sqlbook/index.shtml

/Центр Информационных технологий МГУ, [электронный ресурс]
Пушников, А.Ю.

Введение в системы управления базами данных [электронный ресурс]
Сергеев А. Access 2007. Новые возможности – Спб.: Питер, 2008. – 176 с.
Хомоненко А.Д., Цыганков В.М., Мальцев М.Г. Базы данных: учебник для высших учебных заведений / Под ред. Проф. А.Д. Хомоненко. – Издание третье, дополненное и переработанное. – СПб.: КОРОНА принт. 2007. – 736 с.
программное обеспечение
Пакет программ Microsoft Office,
Microsoft Access 2007;
Microsoft SQL Server 2008
 базы данных, информационно-справочные и поисковые системы
Библиотека Максима Мошкова. Научно-популярная литература [Электронный ресурс] // http://http://libhttp://lib.http://lib.ru.
ООО Научная образовательная библиотека [Электронный ресурс] // http://elibrary.ru
Электронно-библиотечной системе «Инфра-М» [Электронный ресурс] // http://student.rsute.ru/library
Информационно-коммуникационные технологии в образовании. Система федеральных образовательных порталов // [Электронный ресурс] http://www.ict.edu.ru/lib/
Курсы по базам данных в Интернет-университете// [Электронный ресурс] http://www.intuit.ru

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 (например, бумаге). Обычно данные (факты, явления, события, идеи или предметы) и их интерпретация (семантика) фиксируются совместно, так как естественный язык достаточно гибок для представления того и другого.
Примером может служить утверждение «Стоимость авиабилета 128». Здесь «128» – данное, а «Стоимость авиабилета» – его семантика.
Нередко данные и интерпретация разделены. Например, «Расписание движения самолетов» может быть представлено в виде таблицы (таблица 1.1), в верхней части которой (отдельно от данных) приводится их интерпретация. Такое разделение затрудняет работу с данными (попробуйте быстро получить сведения из нижней части таблицы).
 

– термин, объединяющий действия по добавлению, удалению или изменению хранимых

данных) и обработки данных обычно приводит к еще большему разделению данных и интерпретации.
ЭВМ имеет дело главным образом с данными как таковыми. Большая часть интерпретирующей информации вообще не фиксируется в явной форме (ЭВМ не «знает», является ли «21.50» стоимостью авиабилета или временем вылета).
Существуют по крайней мере две исторические причины, по которым применение ЭВМ привело к отделению данных от интерпретации:

ЭВМ не обладали достаточными возможностями для обработки текстов на естественном языке – основном языке интерпретации данных;
стоимость памяти ЭВМ была первоначально весьма велика.

а интерпретация традиционно возлагалась на пользователя. Пользователь закладывал интерпретацию данных

в свою программу, которая «знала», например, что шестое вводимое значение связано со временем прибытия самолета, а четвертое – со временем его вылета. Это существенно повышало роль программы, так как вне интерпретации данные представляют собой не более чем совокупность битов на запоминающем устройстве.
Жесткая зависимость между данными и использующими их программами создает серьезные проблемы в ведении данных и делает использования их менее гибкими. Нередки случаи, когда пользователи одной и той же ЭВМ создают и используют в своих программах разные наборы данных, содержащие сходную информацию.
Разработчики прикладных программ (написанных, например, на Бейсике, Паскале или С) размещают нужные им данные в файлах, организуя их наиболее удобным для себя образом. При этом одни и те же данные могут иметь в разных приложениях совершенно разную организацию (разную последовательность размещения в записи, разные форматы одних и тех же полей и т.п.).

любое изменение структуры записи файла, производимое одним из разработчиков, приводит

к необходимости изменения другими разработчиками тех программ, которые используют записи этого файла.
В книге У. Девиса (Операционные системы, М., Мир, 1980) приведен пример:
«Несколько лет назад почтовое ведомство (из лучших побуждений) пришло к решению, что все адреса должны обязательно включать почтовый индекс. Во многих вычислительных центрах это, казалось бы, незначительное изменение привело к ужасным последствиям. Добавление к адресу нового поля, содержащего шесть символов, означало необходимость внесения изменений в каждую программу, использующую данные этой задачи в соответствии с изменившейся суммарной длиной полей. Тот факт, что какой-то программе для выполнения ее функций не требуется знания почтового индекса, во внимание не принимался: если в некоторой программе содержалось обращение к новой, более длинной записи, то в такую программу вносились изменения, обеспечивающие дополнительное место в памяти».
 

обобществления непрерывно растущего объема информации привела к созданию в начале

60-х годов специальных программных комплексов, называемых «Системы управления базами данных» (СУБД). Основная особенность СУБД – это наличие процедур для ввода и хранения не только самих данных, но и описаний их структуры. Файлы, снабженные описанием хранимых в них данных и находящиеся под управлением СУБД, стали называть банками данных, а затем базами данных (БД).
Пусть, например, требуется хранить расписание движения самолетов (таблица. 1.1) и ряд других данных, связанных с организацией работы аэропорта (БД «Аэропорт»). Представив, что мы используем для этого «русифицированную» СУБД, можно подготовить следующее описание расписания:
СОЗДАТЬ ТАБЛИЦУ Расписание
(Номер_рейса Целое Дни_недели Текст (8)
Пункт_отправления Текст (24) Время_вылета Время Пункт_назначения Текст (24) Время_прибытия Время Тип_самолета Текст (8) Стоимость_билета Валюта);
и ввести его вместе с данными в БД «Аэропорт».

выборкой данных как из программ, так и с терминалов). Сформировав

запрос
ВЫБРАТЬ Номер_рейса, Дни_недели, Время_вылета ИЗ ТАБЛИЦЫ Расписание
ГДЕ Пункт_отправления = 'Москва' И Пункт_назначения = 'Киев' И Время_вылета > 17;
получим расписание «Москва-Киев» на вечернее время, а по запросу
ВЫБРАТЬ КОЛИЧЕСТВО (Номер_рейса) ИЗ ТАБЛИЦЫ Расписание ГДЕ Пункт_отправления = 'Москва' И Пункт_назначения = 'Минск'; получим количество рейсов «Москва-Минск».
Эти запросы не потеряют актуальности и при расширении таблицы:
ДОБАВИТЬ В ТАБЛИЦУ Расписание Длительность_полета Целое;
как это было с программами обработки почтовых адресов при введении почтового индекса.
Однако за все надо расплачиваться: на обмен данными через СУБД требуется большее время, чем на обмен аналогичными данными прямо из файлов, специально созданных для того или иного приложения.

выделять три поколения СУБД:
I. Поколение. Сетевые и иерархические системы БД,

широко распространенные в 70-е годы, получили название - системы БД первого поколения. Это были первые системы, предлагавшие развитую функциональность СУБД в рамках единой системы, с языками определения и манипулирования данными для набора записей. Назовем некоторые наиболее общие характеристики ранних систем:
Эти системы активно использовались в течение многих лет, дольше, чем используется какая-либо из реляционных СУБД.
Все ранние системы не основывались на каких-либо абстрактных моделях. Понятие модели данных фактически вошло в обиход специалистов в области БД только вместе с реляционным подходом.
В ранних системах доступ к БД производился на уровне записей. Пользователи этих систем осуществляли явную навигацию в БД, на основе языков программирования, расширенных функциями СУБД.
Доступ к данным на уровне записей заставляли пользователя самого производить всю оптимизацию доступа к БД, без поддержки системы.
После появления реляционных систем большинство ранних систем было оснащено «реляционными» интерфейсами.

Поколение. В 80-е годы системы первого поколения были существенно потеснены

современным семейством реляционных СУБД, называемых системами БД второго поколения. Типичные представители многопользовательских профессиональных систем второго поколения – DB2, INGRES, ORACLE, Informix и др.
В нашей стране представление о реляционных СУБД у большинства программистов сложилось на основе опыта использования систем на платформе персональных компьютеров, таких как dBASE, FoxBASE, FoxPro, Paradox, Clipper, Clarion, а позже Access.
Очень часто персональные СУБД использовались (да и сейчас кое-где используются) для автоматизации таких задач, например, в финансовой сфере, которые требуют многопользовательских профессиональных систем.
Реляционные СУБД и сейчас являются наиболее популярными в сфере разработки бизнес-приложений.

БД
Однако существует широкий класс приложений, для которых технология реляционных систем

БД не является вполне удовлетворительной:
технология программирования;
системы, основанные на знаниях, и
мультимедийные системы;
системы автоматизации проектирования (САПР);
геоинформационные системы (ГИС);
издательские системы;
системы дистанционного обучения;
системы электронной коммерции и др.
Это прежде всего связано с примитивностью структур данных, лежащих в основе реляционной модели данных. Плоские нормализованные отношения универсальны и теоретически достаточны для представления данных любой предметной области. Однако в нетрадиционных приложениях в базе данных появляются сотни, если не тысячи таблиц, над которыми постоянно выполняются дорогостоящие операции соединения, необходимые для воссоздания сложных структур данных, присущих предметной области.

серьезным ограничением реляционных систем являются их относительно слабые возможности по

части представления семантики приложения.
Осознавая эти ограничения и недостатки реляционных систем, исследователи в области баз данных выполняют многочисленные проекты, основанные на идеях, выходящих за пределы реляционной модели данных.
III. Поколение. Термин «системы следующего (или третьего) поколения» вошел в жизнь после опубликования группой известных специалистов в области БД «Манифеста систем баз данных третьего поколения».
В целом можно сказать, что СУБД следующего поколения - это прямые наследники реляционных систем. В число требований к СУБД третьего поколения входят:
полнота системы типов, поддерживаемых в СУБД;
поддержка иерархии и наследования типов;
возможность управления сложными объектами и т.д.

направлениями систем третьего поколения, обладающими некоторыми разными характеристиками, являются:
Ориентация на

расширенную реляционную модель.
Основные характеристики:
максимальное следование (насколько это возможно с учетом новых требований) известным принципам организации СУБД;
абстрактные типы данных;
поддержка исторической информации и темпоральных запросов; отказ от требований нормализации.
Одной из наиболее известных СУБД этого направления является система Postgres. В Postgres реализованы многие интересные средства: поддерживается темпоральная модель хранения и доступа к данным; допускается хранение в полях отношений данных абстрактных, определяемых пользователями типов.

систем баз данных, ориентированных на приложения. Основная характеристика:
создание

собственно не системы, а генератора систем, наиболее полно соответствующих потребностям приложений.
Решение достигается путем создания наборов модулей со стандартизованными интерфейсами. Существуют два экспериментальных прототипа «генерационных» систем - Genesis и Exodus. Обе эти системы основаны прежде всего на принципах модульности и точного соблюдения установленных интерфейсов. По сути дела, системы состоят из минимального ядра (развитой файловой системы в случае Exodus) и технологического механизма программирования дополнительных модулей. В проекте Exodus этот механизм основывается на системе программирования E, которая является простым расширением С++, поддерживающим стабильное хранение данных во внешней памяти. Вместо готовой СУБД предоставляется набор "полуфабрикатов" с согласованными интерфейсами, из которых можно сгенерировать систему, максимально отвечающую потребностям приложения

баз данных, основанные на правилах.
К этому направлению относятся дедуктивные

БД.
Основная характеристика:
достижение расширяемости системы и ее адаптации к нуждам конкретных приложений путем использования стандартного механизма управления правилами.
По сути дела, система представляет собой некоторый интерпретатор системы правил и набор модулей-действий, вызываемых в соответствии с этими правилами. Можно изменять наборы правил (существует специальный язык задания правил) или изменять действия, подставляя другие модули с тем же интерфейсом. По определению, дедуктивная БД состоит из двух частей: экстенциональной, содержащей факты, и интенциональной, содержащей правила для логического вывода новых фактов на основе экстенциональной части и запроса пользователя. Отметим лишь, что обычно языки запросов и определения интенциональной части БД являются логическими (поэтому дедуктивные БД часто называют логическими). Имеется прямая связь дедуктивных БД с базами знаний

СУБД.
Направление объектно-ориентированных баз данных (ООБД) возникло сравнительно давно.

Публикации появлялись уже в середине 1980-х. Однако наиболее активно это направление развивается в последние годы. В настоящее время ведется очень много экспериментальных и производственных работ в области объектно-ориентированных СУБД. На рынке представлены — система GemStone компании Servio, ONTOS компании Ontos, ObjectStore компании Object Design, O2, ORION, Iris.
Кроме того, системы управления реляционными базами данных, разработанные компаниями Oracle, Microsoft, Borland, Informix, включали объектно-ориентированные средства. Многие из этих продуктов появились еще во второй половине 80-х годов, и сегодня, по прошествии времени разработки они все еще не вступили в пору зрелости; в этом — одна из причин того, что по сей день мировой рынок реальных приложений не торопится принимать системы ООБД.

использование Интернет в различных сферах деятельности ставит перед разработчиками СУБД

следующие проблемы:

Интеграция текста, данных, кода и потоков. В области СУБД основное внимание всегда уделялось организации, хранению, анализу и выборке структурированных данных. Развитие Web-приложений продемонстрировало важность более сложных типов данных: текстов, изображений, темпоральных, аудио- и видеоданных.

Интеграция информации. Типичным подходом к интеграции информации в масштабах предприятия является построение хранилищ (DataWarehouse) витрин (data mart) данных на основе извлечения операционных данных, их трансформации к единой схеме и загрузке данных в хранилище (процедура ETL - extraction, transfotamation, loading). Этот подход пригоден для использования на предприятии с несколькими десятками операционных баз данных, находящихся под единым контролем.

В Интернет требуется производить интеграцию информации между несколькими предприятиями. Как

правило, организации не позволят в массовом порядке извлекать данные из своих операционных баз данных, к ним можно будет адресовать лишь одиночные запросы. В результате потребуется интеграция, возможно, миллионов информационных источников «на лету». В связи с этим существует множество нерешенных проблем: семантическая неоднородность; неполнота и неточность данных; ограниченность доступа к конфиденциальным данным и т.д.
Мультимедийные запросы. Очевидно, что объем мультимедийных данных (изображения, аудио, видео и т.д.) значительно возрастает. Проблемой сообщества баз данных является создание простых способов анализа, обобщения, поиска и обозрения электронных подборок мультимедийной информации, относящейся к некоторому объекту.

банков данных Государственного комитета по науке и технике, изданных в

1982 г., приводятся следующие определения основных понятий:
База данных (БД) - именованная совокупность данных, отражающая состояние объектов и их отношений в рассматриваемой предметной области (ПО).
Предметная область (ПО) – часть реального мира, подлежащая автоматизации с целью организации управления. Она представлена множеством фрагментов, каждый из которых характеризуется объектами, процессами и множеством пользователей.
Банк данных (БнД) – это система специальным образом организованных данных – баз данных, программных, технических, языковых, организационно-методических средств, предназначенных для обеспечения централизованного накопления и коллективного многоцелевого использования данных.
Системы управления базами данных (СУБД) – совокупность языковых и программных средств, предназначенных для создания, ведения и совместного использования БД многими пользователями.

с БД, называются приложениями.
СУБД должна обеспечивать:
возможность представления внутренней структуры данных;
физическую

и логическую независимость данных;
минимальную избыточность данных;
возможность быстрого поиска;
эффективные языки запросов к данным;
требования безопасности, надежности, конфиденциальности, целостности:
данные должны быть защищены от искажения, хищения, разрушения;
данные должны быть восстанавливаемыми;
данные должны быть контролируемыми;
должна быть установлена процедура идентификации пользователей;
должна быть организована система санкционированного доступа;
должен быть установлен контроль за действиями пользователя с целью обнаружения ошибочных операций.

любым пользователям, включая и тех, которые практически не имеют и

(или) не хотят иметь представления о:
физическом размещении в памяти данных и их описаний;
механизмах поиска запрашиваемых данных;
проблемах, возникающих при одновременном запросе одних и тех же данных многими пользователями (прикладными программами);
способах обеспечения защиты данных от некорректных обновлений и (или) несанкционированного доступа;
поддержании БД в актуальном состоянии и множестве других функций СУБД.

понимается под ведением данных?
Можно ли использовать термины «база данных» и

«банк данных» как эквивалентные?
Какие функции по отношению к пользователю выполняет СУБД?
Что включают требования надежности и безопасности БД?
Чем характеризуются БД первого поколения?

использовать различные описания данных. Естественно, что проект базы данных надо

начинать с анализа предметной области и выявления требований к ней отдельных пользователей (сотрудников организации, для которых создается база данных). Проектирование обычно поручается человеку (группе лиц) – администратору базы данных (АБД). Им может быть как специально выделенный сотрудник организации, так и будущий пользователь БД, достаточно хорошо знакомый с машинной обработкой данных.
Объединяя частные представления о содержимом БД, полученные в результате опроса пользователей, и свои представления о данных, которые могут потребоваться в будущих приложениях, АБД сначала создает обобщенное неформальное описание создаваемой базы данных. Это описание, выполненное с использованием естественного языка, математических формул, таблиц, графиков и других средств, понятных всем людям, работающих над проектированием базы данных, называют инфологической моделью данных (рис. 2.1).
 
 

физических параметров среды хранения данных. Поэтому инфологическая модель не должна

изменяться до тех пор, пока какие-то изменения в реальном мире не потребуют изменения в ней некоторого определения, чтобы эта модель продолжала отражать предметную область. Остальные модели, показанные на рис. 2.1, являются компьютеро-ориентированными. С их помощью СУБД дает возможность программам и пользователям осуществлять доступ к хранимым данным лишь по их именам, не заботясь о физическом расположении этих данных. Нужные данные отыскиваются СУБД на внешних запоминающих устройствах по физической модели данных.
Так как указанный доступ осуществляется с помощью конкретной СУБД, то модели должны быть описаны на языке описания данных этой СУБД. Такое описание, создаваемое АБД по инфологической модели данных, называют даталогической или концептуальной моделью данных.
 
 

взаимосвязей и операций их обработки.
Трехуровневая архитектура (инфологический, даталогический и физический

уровни) позволяет обеспечить независимость хранимых данных от использующих их программ. АБД может при необходимости переписать хранимые данные на другие носители информации и (или) реорганизовать их физическую структуру, изменив лишь физическую модель данных. АБД может подключить к системе любое число новых пользователей (новых приложений), дополнив, если надо, даталогическую модель. Указанные изменения физической и даталогической моделей не будут замечены существующими пользователями системы (окажутся «прозрачными» для них), так же как не будут замечены и новые пользователи. Следовательно, независимость данных обеспечивает возможность развития системы баз данных без разрушения существующих приложений.
 
 

Рис.

2.2 Классификация моделей данных

стадиях проектирования для описания структур данных в процессе разработки приложения,

а дата-логические модели уже поддерживаются конкретной СУБД.
Документальные модели данных соответствуют представлению о слабоструктурированной информации, ориентированной в основном на свободные форматы документов, текстов на естественном языке.
Модели, основанные на языках разметки документов, связаны прежде всего со стандартным общим языком разметки — SGML (Standart Generalised Markup Language), который был утвержден ISO в качестве стандарта еще в 80-х годах. Для каждого класса документов определяется свой набор правил, описывающих грамматику соответствующего языка разметки. Но ввиду некоторой своей сложности SGML использовался в основном для описания синтаксиса других языков (наиболее известным из которых является HTML), и немногие приложения работали с SGML-документами напрямую. 

SGML, язык HTML позволяет определять оформление элементов документа и имеет

некий ограниченный набор инструкций — тегов, при помощи которых осуществляется процесс разметки. Однако HTML сегодня уже не удовлетворяет в полной мере требованиям, предъявляемым современными разработчиками к языкам подобного рода. И ему на смену был предложен новый язык гипертекстовой разметки, мощный, гибкий и, одновременно с этим, удобный язык XML.
XML (Extensible Markup Language) — это язык разметки, описывающий целый класс объектов данных, называемых XML-документами. Он используется в качестве средства для описания грамматики других языков и контроля за правильностью составления документов. То есть сам по себе XML не содержит никаких тегов, предназначенных для разметки, он просто определяет порядок их создания.

словарей, содержат определенные языковые конструкции и принципы их взаимодействия в

заданной грамматике. Эти модели используются в системах-переводчиках, особенно многоязыковых переводчиках.
Дескрипторные модели — самые простые из документальных моделей, и широко использовались на ранних стадиях использования документальных БД. В этих моделях каждому документу соответствовал дескриптор — описатель. Дескриптор имел жесткую структуру и описывал документ в соответствии с теми характеристиками, которые требуются для работы с документами в разрабатываемой документальной БД. Например, для БД, содержащей описание патентов, дескриптор содержал название области, к которой относился патент, номер патента, дату выдачи патента и еще ряд ключевых параметров, которые заполнялись для каждого патента. Обработка информации в таких БД велась исключительно по дескрипторам,, а не по самому тексту патента.