4.4. Системы управления базами данных (СУБД)
Архитектура систем управления базами данных. База данных – это совокупность данных, организованная по определенным правилам, которые предусматривают общие принципы описания, хранения и манипулирования данными.
Основные компоненты СУБД (рис.4.3): средства представления данных в БД, средства манипулирования данными, интерфейсы пользователей, администратора базы данных и коммуникаций.
Средства представления данных совместно с интерфейсами осуществляют организацию базы данных на разных уровнях абстракции данных. Различают три уровня абстракции и соответственно представления данных: физический, концептуальный и внешний (пользовательский).
Средства физического уровня учитывают характеристики конкретного ВЗУ, форматы и способы записи данных на физический носитель и др. Средства концептуального уровня отображают данные физического уровня с определенной абстракцией. Концептуальный уровень определяет модель представления данных в БД. В настоящее время применяются три модели представления данных в БД: иерархическая, сетевая и реляционная. Средства внешнего уровня преобразуют данные в форму, понятную пользователю и с которой пользователь может работать через свои интерфейсы.
В зависимости от назначения СУБД и модели представления данных в БД пользователю могут быть предоставлены следующие интерфейсы: меню, командный, многооконный, графический, стандартные языки запросов и манипулирования данными, генератор отчетов.
Администратору базы данных для выполнения им своих функций предлагаются дополнительные интерфейсы: языки программирования высокого уровня, языки СУБД, генераторы интерфейсов пользователей. Коммуникационные интерфейсы обеспечивают экспорт/импорт данных в другие прикладные системы и компьютерные сети.
Представление данных в БД на разных уровнях обеспечивается программами различного уровня машинной зависимости. На внешнем (пользовательском) уровне используются языки запросов и манипулирования данными и языки программирования высокого уровня. Для работы на физическом уровне необходимы машинно-зависимые языки. Концептуальный уровень требует применения тех и других языков.
Рис. 4.3. Архитектура системы управления базой данных
Обозначения: СВУ — средства внешнего уровня,
СКУ - средства концептуального уровня,
СФУ - средства физического уровня, ИП - интерфейсы пользователей, ИАБД - интерфейсы администратора базы данных,
КИ - коммуникационные интерфейсы.
Интерфейсы СУБД. Интерфейсы СУБД по своему назначению и уровню делятся на интерфейсы пользователей, интерфейсы администратора базы данных и коммуникационные интерфейсы. Приведенный ниже перечень интерфейсов не означает, что все названные интерфейсы реализованы в каждом типе СУБД. Реализация конкретных интерфейсов в СУБД определяется назначением системы, моделью представления данных в БД, ориентацией на подготовленность пользователя и другими факторами.
Интерфейсы пользователей:
• взаимодействие с системой по принципу “меню”;
• многооконный интерфейс;
• графический интерфейс;
• генератор отчетов;
• языки запросов и манипулирования данными в БД.
Язык запросов и манипулирования данными в БД является основным интерфейсом создания и ведения БД. Наиболее доработанным и известным является язык SQL (Structured Query Language - Язык Структурированных Запросов), разработанный фирмой IBM для работы с реляционными БД. Язык SQL Американским национальным институтом стандартов (ANSI) и Международной организацией стандартов (ISO) принят в качестве стандартного при разработках СУБД.
Интерфейсы администратора базы данных:
• все интерфейсы пользователей;
• языки программирования высокого уровня (Бейсик, Паскаль, Си и др.);
• генераторы интерфейсов пользователей, которые дают возможность администратору базы данных разрабатывать интерфейсы с учетом специфики работы конкретных пользователей;
• языки баз данных.
Язык базы данных является частью СУБД, с помощью которого создаются прикладные программы для работы с информацией в БД. Существует большое число языков баз данных, однако наиболее популярны язык СУБД dBASE III Plus и язык СУБД Paradox (язык PAL). Эти языки используют в своих СУБД и другие фирмы.
Коммуникационные интерфейсы обеспечивают экспорт/импорт данных в другие прикладные системы компьютерные сети.
Виды СУБД. В зависимости от организации структуры БД и интерфейсов, предоставляемых пользователям, СУБД подразделяются на следующие группы.
Однофайловые СУБД - наиболее простые в обращении системы, не требующие больших ресурсов ПЭВМ. Обычно применяются для телефонных и адресных справочников, списков товаров в магазинах, на складах, организации картотек в библиотеках и т.п. Пример СУБД: Professional Report, Professional File, Reflex, Formula IV.
Многофайловые непрограммируемые СУБД доставляют пользователям большие возможности по ее зданию БД, так как позволяют хранить и использовать записи различных типов. Примеры: Quick Code, Magi PC, СУБД интегрированного пакета MS Works и др.
Многофайловые программируемые СУБД предоставляют пользователям возможности по написанию прикладных программ. Эти СУБД требуют значительных ресурсов ПЭВМ и определенного времени для получения навыков работы с СУБД. Наиболее известные СУБД этой группы dBASE III Plus (русифицированная версия “Ребус”), dBASE IV, FoxBASE Plus (“Карат М”), Oracle (“Каре Микро”), Clipper, Paradox, MS Access имеют следующие обобщенные характеристики: число полей в записи находится в пределах от 128 до 1024; число символов в записи - от несколько тысяч до десятков тысяч; число записей в файле - от десятков тысяч до неограниченного количества (ограничение определяется только емкостью памяти), число одновременно открытых файлов - от 10 (dBASE III Plus) до неограниченного числа (MS Access).
Многопользовательские СУБД используются для работы в локальных компьютерных сетях. Примером такой СУБД для IBM - совместимых ПЭВМ является Microsoft SQL Server.
Широкое применение БД и СУБД выдвигает ряд требований, реализация которых в ближайшее время должна существенно упростить взаимодействие пользователей с БД:
• использование для организации баз данных ПЭВМ, обладающих значительными ресурсами по производительности и объему памяти;
• применение периферийных устройств, облегчающих работу пользователей с БД (сканеров простого и “читающего” тексты типов, средств ввода/вывода речевой информации, микрофильмирующих устройств вывода и др.);
• повышение доли выпуска многофайловых и программируемых СУБД, поддерживающих реляционные БД;
• развитие стандартных языков запросов и манипулирования данными;
• совершенствование автоматизированных систем программирования, работающих в среде БД под управлением СУБД;
• создание унифицированных интерфейсов для доступа пользователей к БД из различных систем программирования, текстовых редакторов, электронных таблиц, проблемно- и методо-ориентированных прикладных пакетов.
Технологии разработки реляционных СУБД на ближайшие годы останутся наиболее значительными в проектах многих ведущих фирм мира.
Краткая характеристика некоторых СУБД. В информационных системах, которые работают на ПК, совместимых с IBM PC, большое распространение получили так называемые dBASE-пoдобные системы управления базами данных (СУБД). Известно по крайней мере три семейства таких СУБД (dBASE, FoxPro® и Clipper), однако версий оригинальных систем и их адаптированных вариантов гораздо больше. Для пользователей существенным является то, что, отличаясь между собой командными языками и форматом индексных файлов, все эти СУБД используют одни и те же оперативные файлы с расширением .DBF, формат которых стал на некоторое время своеобразным стандартом баз данных.
В dBASE-подобных БД фактически использован реляционный подход к организации данных, т.е. каждый файл .DBF представляет собой двумерную таблицу, которая состоит из фиксированного числа столбцов и переменного числа строк (записей). В терминах, принятых в технической документации, каждому столбцу соответствует поле одного из пяти типов (N – числовое, С – символьное, D – дата, L – логическое, М – примечание), а каждой строке – запись фиксированной длины, состоящая из фиксированного числа полей. С помощью командных языков этих СУБД мы создаем и исправляем макеты файлов .DBF (описания таблиц), создаем индексные файлы, пишем программы работы с базами данных (чтение, поиск, модификация данных, составление отчетов и многое другое). Характерной особенностью файла .DBF является простота и наглядность: физическое представление данных на диске в точности соответствует представлению таблицы на бумаге.
Однако в целом системы, построенные на основе файлов .DBF, следует считать устаревшими. Многие механизмы реляционных БД, рассмотренные выше, в dBASE-подобных системах либо не поддерживаются, либо создаются пользователями и программистами «кустарным» способом.
Большую популярность до сего времени имеют и другие СУБД (с другим форматом файлов) – Paradox, Clarion, db_Vista и т.д. Следует подчеркнуть, что перечисленные системы ведут родословную от MS-DOS, однако ныне почти все они усовершенствованы и имеют версии для Windows.
Среди современных реляционных систем наиболее популярны СУБД для Windows – Access фирмы Microsoft, Approach фирмы Lotus, Paradox фирмы Borland. Многие из этих систем поддерживают технологию OLE и могут манипулировать не только числовой и текстовой информацией, но и графическими образами (рисунками, фотографиями) и даже звуковыми фрагментами и видеоклипами.
Перечисленные СУБД часто называют настольными, имея в виду сравнительно небольшой объем данных, обслуживаемых этими системами. Однако с ними часто работают не только индивидуальные пользователи, но и целые коллективы (особенно в локальных вычислительных сетях.
Вместе с тем, в центр современной информационной технологии постепенно перемещаются более мощные реляционные СУБД с так называемым SQL-доступом. В основе этих СУБД лежит так называемая технология «клиент-сервер». Среди ведущих производителей таких систем – фирмы Oracle, Centura (Gupta), Sybase, Informix, Microsoft и другие. Появились также объектные и объектно-реляционные СУБД.