Базы данных: понятия, модели, технологии

По итогам изучения материала данной главы студент должен: знать

• • терминологию, используемую при разработке информационных систем в рамках создания баз данных;
• • историю развития баз данных;
• • применяемые в информационных системах модели данных;
• • уровни представления моделей данных;
• • отличительные особенности различных моделей данных и уровней их представления;
• • место применения баз данных в информационных системах;
• • основные особенности использования реляционной алгебры при работе с данными;

уметь.

• • выбирать применяемую для реализации базы данных модель данных;
• • применять правила реляционной алгебры при работе с данными;
• • представлять данные в табличном виде; владеть
• • навыками использования правил реляционной алгебры в обработке данных;
• • методами табличного представления взаимосвязанных данных;
• • использования терминологии при рассмотрении различных уровней представления моделей данных.

Первая глава учебника рассматривает общие вопросы понятийного аппарата в области баз данных и технологий их реализации. Материал носит теоретический характер, и для его освоения требуются базовые знания о технологиях работы с информацией, построением графических структур и диаграмм с применением базовых средств, например, МБ %ю или аналогичных.

Основные понятия баз данных

Базы данных как сформировавшийся термин можно рассматривать с момента появления систем хранения информации. Понимая, что информацию люди пытались сохранить достаточно давно (например, учет финансовых средств государственной казны, узелковая письменность инков и т. д.), можно рассматривать периодом возникновения баз данных как средства хранения данных время задолго до наступления нашей эры (например, 4000 г. до н.э.).

Однако терминологически эго понятие не было сформировано в те времена. И только сейчас, когда существует четкое понимание сути баз данных, мы можем сказать, что в 4000 г. до н.э. тоже существовали базы данных, которые были ориентированы на сохранение важной информации для последующего использования при возникновении такой необходимости.

Такое понимание термина «базы данных», в широком смысле, вводит нас в некоторое заблуждение по поводу сущности этого термина и не формирует хорошего и правильного (современного) его понимания. Особенно это очевидно из определений различных терминов, которые даются в рамках теории баз данных и характеризующих определенные особенности представления и хранения данных. В широком смысле под термином «База данных» можно понимать систему хранения сведений о предметной области, предназначенных для удовлетворения информационных потребностей пользователей. Таким образом, любая система хранения данных, если она позволяет пользователям получать из нее необходимые сведения, может относиться к базам данных. Возьмем для примера запись информации в египетской письменности (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Пример египетской записи данных.

Можно ли считать записанные сведения на папирусах базой данных? Очевидно, учитывая востребованность сохранения данных, использования при необходимости, складирования в библиотеку, их можно отнести к базе данных. Но будет ли это базой данных в современном понимании? Однозначного ответа на данный вопрос, скорее всего, найти будет невозможно. Особенно, учитывая то, что современные базы данных ориентированы на автоматизированную обработку с помощью компьютерных средств, записи на папирусах будет очень сложно назвать базой данных. По сути, египетские записи на папирусах являются всего лишь сохраненными сведениями, представленными в неструктурированном виде с помощью соответствующей формы письменности.

Практически любое литературное произведение является таким же, как египетские папирусы, средством сохранения данных. Разве можно назвать книги Л. Н. Толстого «Война и мир» или В. О. Ключевского «Курс русской истории» базой данных? Практически любой специалист в области баз данных скажет, что таковой они не являются. Объясняется это тем, что для современного специалиста база данных определяется не только возможностью хранения данных и получения сведений по информационным потребностям, но и тем фактом, что база данных должна хранить структурированные сведения.

Ни одно литературное произведение, как сильно оно ни было бы структурировано, учитывая представление информации на естественном языке в неструктурированном виде, нельзя отнести к базе данных. Тем не менее, если мы соберем множество литературных произведений и разделим их по авторам, тематикам, жанрам и другим показателям, представив тем самым не сами тексты этих произведений в виде базы данных, а информацию об этих произведения, то постепенно такое представление станет формироваться в базу данных о литературных произведениях.

Теперь представим себе набор сведений финансового характера, которые сохраняются и обрабатываются бухгалтерами в организациях. Финансовые сведения, в силу их числового представления и набора сопутствующих характеристик, представляются в структурированном виде и формируют разветвленную структуру описания финансовой деятельности организации, позволяющей с высокой степенью удобства провести анализ деятельности организации, выполнить соответствующие запросы к сохраненным данным. Фактически такая организация данных позволяет не только хранить сведения о финансах организации, но и удовлетворять информационные потребности пользователей по решению различных задач: от получения отдельных данных до формирования сложных аналитических отчетов. Структурированность сведений предоставляет такие широкие возможности пользователям. Именно этот фактор, являясь одним из ключевых, позволяет такие сведения, представленные на каком-либо носителе информации, назвать базой данных. Таким образом, под термином «База данных» можно понимать систему хранения структурированных сведений о предметной области, предназначенных для удовлетворения информационных потребностей пользователей. Будет ли данное определение полным и отражать все аспекты, определяющие базу данных? Вполне очевидно, что для широкого современного понимания этого термина такое определение вполне достаточно. Оно позволяет не только понять, какие задачи выполняются с помощью базы данных, но и выделить ключевые характеристики, которыми база данных должна обладать: структурированность; сохранность сведений; предоставление сведений по информационным потребностям.

К. Дж. Дейт определяет термин «База данных» как некоторый набор перманентных (постоянно хранимых) данных, используемых прикладными системами какого-либо предприятия¹.

Данное определение достаточно обобщенное и может применяться к любым системам хранения данных, но, при этом, ориентировано на использование сведений в интересах организаций (предприятий), что не совсем точно, поскольку базой данных можно назвать и набор постоянно хранимых данных о личной фильмотеке пользователя. Поэтому наиболее точным и полным определением будет такое, которое продемонстрирует все аспекты работы с данными.

В итоге под термином «База данных» в современных условиях стоит понимать технологию структурированного представления перманентных (постоянно хранимых) сведений о предметной области, используемых в прикладных системах для удовлетворения информационных потребностей пользователя.

Это определение, как и многие другие определения термина «База данных», содержит одну важную составляющую — структурированное представление данных. Такое представление данных определяется термином «Схема данных» .

Структурирование данных является достаточно сложной процедурой, предполагающей не только разделение элементов предметной области на наборы связанных атрибутов, но и организацию правильной связи между элементами, наложение ограничений на значения и процессы обработки хранимых данных, обеспечение целостности структуры и информационного наполнения базы данных.

Термин «Схема данных», как и в случае с термином «База данных» и многими другими, ие имеет жестко закрепленного определения, по, в отличие от термина «База данных», еще имеет различные определения в зависимости от точки зрения рассмотрения и применения данного термина. Как минимум, па текущее время, можно говорить о трех точках зрения применения данного термина: с точки зрения графического представления структуры данных, с точки зрения описания представления данных в формате XML, с точки зрения описания данных в системе управления базами данных (СУБД). Все три точки зрения относят схему данных к вариантам представления данных с целью определенного ее использования.

Говоря об уровне разработки базы данных, обычно рассматривается термин «Схема данных» с точки зрения ее графического представления. Обусловлено это несколькими причинами:

— графическое представление структуры данных позволяет лучше, на визуальном уровне, рассматривать и анализировать структуры данных и связи между ними, обеспечивая возможность эффективного моделирования базы данных;

взаимодействие разработчика базы данных с заказчиком информационной системы является достаточно сложной процедурой, зачастую не дающей должного эффекта, если не применяются графические представления, в том числе структур данных, и схема данных такую возможность предоставляет;

— каждая информационная система вообще и база данных в частности требуют документального сопровождения с целью дальнейшей поддержки и проведения, что частично решается с помощью графического представления схемы данных.

Таким образом, под термином " Схема данных" - можно понимать графическое представление структур данных, отражающих атрибутивный состав элементов данных в базе данных, связи между ними, правила взаимодействия экземпляров элементов данных (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Пример схемы данных.

Конечно, учитывая, что существует несколько уровней представления данных, схемы данных могут описывать не только элементы данных на логическом и концептуальном уровне, но и на уровне физическом, когда в качестве элемента представления выступают таблицы и поля (колонки). Такое представление визуально ничем не отличается от представления логического уровня, но использует правила отражения элементом схемы в терминологии и по правилам, применяемым в СУБД.

Поскольку в современных информационных системах обычно используются технологии реляционных баз данных, то и схемы данных подчиняются правилам отражения реляционных структур. Но наряду с этим могут применяться и другие технологии представления и работы с данными. Например, развитие интернет-технологий привело к возрождению иерархических (древовидных) структур, которые применяются при разметке web-страниц, а в случае необходимости оперативной работы с данными на web-странице и организации технологии передачи структурированных данных обеспечивают инструментами возможности структурированного хранения данных. Для решения этих задач применяется специализированный расширяемый язык разметки XML, схему представления данных для которого также представляют в графическом виде (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Пример визуализации схемы XML^[1]

Использование XML в качестве описания и обработки данных стало эффективной технологией работы с данными при необходимо их представления в интернет-системах и для передачи данных между информационными системами, став неписаным стандартом информационной коммуникации. Большинство данных представляется в иерархическом виде, логично представляемого соответствующей схемой^[2], что было использовано в качестве технологии построения базы данных в 1968 г. компанией IBM в системе Information Management System (IMS) и Э. Коддом в 1970 г. в качестве модели, наиболее независимой от аппаратных средств компьютера.

С точки зрения представления данных в XML под термином «Схема данных» понимается иерархическое представление модели данных для описания структуры XML-документа. Широкое использование схемы данных XML обусловлено необходимостью представлять данные в иерархическом виде для публикации в интернет-системах. Это обстоятельство заставило разработчиков систем управления базами данных обеспечить возможности хранения и обработки данных в формате XML. Такие обработки в некоторых СУБД интегрированы с технологией реляционной обработки данных и существенно расширяют возможности работы с базами данных.

Термин «Схема данных» также применяется на уровне СУБД, что нашло отражение в двух ее представлениях: визуализация физической модели данных и структурирование таблиц данных. В первом случае, когда схема данных является объектом базы данных и направлена на визуализацию модели данных, в СУБД предоставляются инструменты работы с таблицами, связями, полями (колонками) и другими элементами. Во втором случае схема данных представляет собой каталогизированный элемент структуры базы данных, позволяющий выделить часть таблиц в отдельную, условно независимую, структуру, организуя более эффективные технологии управления структурами данных, такие как таблицы, умолчания, ограничения, ноля (колонки), ключи и т. д.

С точки зрения СУБД под термином «Схема данных» понимается объект базы данных, выделяющий отдельные структуры физического представления данных с целью повышения эффективности хранения и обработки сведений.

Результатом использования схемы данных в СУБД является создание словаря данных, который организует структурирование базы данных, обеспечивает возможность управления таблицами, полями (колонками), ключами, связями и другими объектами средствами самой СУБД, реализуя некоторые принципы построения реляционных баз данных, сформулированные Э. Коддом.

Важным элементом любой базы данных являются данные, но в области информатики есть несколько терминов, имеющих отношение к этому термину: данные, информация, сведения, знания и т. д. Правильная интерпретация этих понятий позволяет лучше понимать суть представляемых сведений в базе данных, в информационной системе, в рассматриваемой деятельности. Информатика рассматривает четыре основных состояния информации (рис. 1.4), каждое из которых имеет определенный смысл с точки зрения хранения, обработки и представления.

Рис. 1.4. Жизненный цикл информации.

Данные являются первичным источником сведений, которые можно выделить в любом информационном потоке независимо от формы и способа представления. Сведения, находящиеся в таком состоянии, не несут явно выраженного смыслового значения, не могут определить особенности деятельности, описать задачи, функции, объекты предметной области. Например, в описании деятельности магазина используется артикул товара, который представляется символьно-числовой строкой из фиксированного количества символов.

Если представить список товаров только значениями артикулов (табл. 1.1) при отсутствии информации о принципах и правилах дешифровки, то невозможно выяснить, о каких товарах идет речь в этом списке. В таком виде перечень артикулов все лишь, данные о значениях артикулов, применяемых в предметной области. Из этих данных можно получить только сведения технического характера, описывающие правила представления и хранения: символьно-числовые сведения, содержание в значении символов, цифр и знаков «-», представление только заглавными символами, динамическая размерность (количество символов) и т. д.

Таблица 1.1.

Как только определяются правила обработки данных и их связи в некоторой структуре, они (данные) приобретают дополнительные свойства и переходят в состояние «Информация». Если для представленного ранее примера (см. табл. 1.1) определить способ интерпретации артикула товара, то представленные значения начинают приобретать смысл и становится понятно, о каком товаре идет речь в таблице.

Получив такое описание интерпретации артикула, можно сформировать информационные сведения о продаже товаров в магазине в виде банки с аккумулятором и световой головки фонаря. Теперь пользователь информации может понимать смысл указанного артикула и вырабатывать решение о необходимо приобретения соответствующего товара (табл. 1.2), т. е. артикул для пользователя преобразовался из данных в информацию.

Также представленные в табл. 1.2 сведения имеют определенную структуру представления в форме таблицы, по которой пользователь информации может однозначно понять, каким образом нужно читать соответствующий артикул товара, что также добавляет смысла в представляемые сведения.

Рассматривая базу данных в качестве хранилища сведений, нужно понимать, что сами сведения, хранимые в нолях (колонках) и записях базы данных являются данными, но при их использовании, представляя в определенной структуре, или рассмотрении в структуре таблицы базы данных они становятся информационными сведениями (информация) и для пользователя наполняются смыслом, в связи с чем он может их применить для решения стоящих перед ним задач.

Дальнейшее использование информации, направленное на понимание правил использования, получение каких-либо сводных сведений, на основе которых можно решить задачи не только представления, но и анализа, приводит к преобразованию информации в новое состояние — «Знание». Такое состояние сведений также применяется в базах данных, но сами базы данных тоже меняют свое состояние, преобразовываясь в базы знаний, которые используются в интеллектуальных информационных системах (например, экспертные системы).

• [1] Документация к инструменту Oxygen XML Editor [режим доступа: URL: oxygenxml.com/doc/ug-editor].
• [2] Представление и использование иерархической модели данных будет рассмотрено в параграфе 1.3.