Принципы реализации баз данных

В зависимости от содержания исходной информации, положенной в основу проектирования, различают подходы «от предметной области» и «от запроса». Подход от предметной области означает описание объектов отображаемой в ИС части реального мира и связей между ними безотносительно к потребностям пользователей. Иногда этот подход называют объектным или непроцессным. В подходе от запроса основным источником информации являются запросы пользователей (задачи). Этот подход называется также процессным или функциональным.

Преимуществом подхода от предметной области является его объективность, системное отображение предметной области и, как следствие, устойчивость информационной модели, возможность реализации большого числа приложений, в том числе и заранее незапланированных, на созданной базе данных. Недостатком подхода является трудность отбора информации, подлежащей фиксации в БД.

Функциональный подход ориентирован на реализацию текущих запросов пользователей и не учитывает перспектив развития системы. при его использовании могут возникнуть трудности в объединении взглядов различных пользователей. Однако учет запросов позволяет улучшить характеристики функционирования БД Истомин, Е. П. Высокоуровневые методы информатики и программирования. — М.: Андреевский Издательский дом 2008. — С. 51.

Отдельно взятый ни один из указанных подходов не дает достаточной информации для проектирования рациональной БД. Целесообразно совместное применение обоих подходов с ведущим положением объектного подхода.

Рисунок 1.4 — Укрупненная схема проектирования БД Проектирование баз данных представляет собой переход от исходного описания предметной области к схеме баз данных. Процесс проектирования структуры БД носит итеративный характер. Обычно сначала строится предварительная логическая структура, которая в общем виде отображает предметную область и функциональные требования, затем переходят к детальному логическому структурированию. Причем, предварительная структура будет служить своеобразным эталоном, с которым сравниваются получающиеся в результате проектирования структуры. те части структур, которые не соответствуют друг другу, должны быть тщательно исследованы, и в ту структуру, которая оказалась неадекватной, должны быть внесены изменения (см. рисунок 1.5).

Рисунок 1.5 — Взаимосвязь этапов проектирования структуры БД Даталогическая модель, построенная от предметной области, должна быть проанализирована с точки зрения возможности и эффективности выполнения заданных функций. В процессе анализа даталогическая модель может перестраиваться. После получения приемлемого варианта логической структуры БД переходят к физическому моделированию. Полученный вариант физической структуры проверяют на ограничение по ресурсам. В случае несоблюдения ограничений производят перепроектирование физической структуры. Если этого оказывается недостаточно, то возвращаются к даталогическому уровню и выполняют еще одну итерацию по проектированию структуры БД.

При реализации подхода от запроса (рис. 7) на начальной стадии выявляются локальные представления о предметной области каждого пользователя. Затем эти представления объединяют в глобальную инфологическую модель. Первоначальный вариант модели неканонический: он может содержать различные аномалии, например, транзитивные связи, циклы, противоречия, вызванные расхождением во взглядах различных пользователей на одни и те же данные, и др. Инфологическая модель, в которой устранены аномалии, называется канонической инфологической моделью. Дальнейшие шаги проектирования в подходах «от запроса» и «от предметной области» совпадают Пономаренко, В. С. Информационные системы и технологии в экономике. — Киев: Академия, 2012. — С. 85.

Рисунок 1.6 — Схема проектирования логической структуры баз данных при использовании подхода от запроса:

На рисунке 1.6 изображены следующие элементы:

• 1 описание взглядов отдельных пользователей;
• 2 обобщение взглядов пользователей;
• 3 устранение противоречивости, нормализация, минимизация модели;
• 4 преобразование модели к виду, воспринимаемому СУБД;
• 5 проверка адекватности даталогической модели предметной области;
• 6 уточнение взглядов пользователей

Проектирование баз данных — многовариантный процесс. Если на начальных стадиях проектирования трудно выбрать единственный вариант проектного решения, то довести до стадии моделирования и даже до стадии натурных испытаний можно, опробовав несколько вариантов.

В основе построения БД лежат определенные научные принципы, позволяющие создавать высококачественные системы. Из множества используемых принципов можно выделить наиболее существенные:

Принцип интеграции данных и принцип централизации управления ими — оба принципа отражают суть банка данных: интеграция является основой организации БД, централизация управления — основой организации и функционирования системы управления базами данных (СУБД).

Суть принципа интеграции данных состоит в объединении отдельных, взаимно несвязанных данных в единое целое, в роли которого выступает база данных, результате чего пользователю и его прикладным программам все данные представляются единым информационным массивом. Интеграцию данных необходимо рассматривать на двух уровнях — логическом и физическом. На логическом уровне множество структур данных отображается в единую структуру данных, на физическом уровне автономные файлы объединяются в базу данных.

Принцип централизации управления состоит в передаче всех функций управления данными единому комплексу управляющих программ — СУБД. Все операции, связанные с доступом к БД, выполняются не прикладными программами, а централизованно — ядром СУБД — на основании информации, получаемой из этих программ.

Остальные принципы в той или иной степени связаны с принципами интеграции и централизации.

Принцип целостности данных отражает требование адекватности хранимой в БД информации состоянию предметной области: в любой момент времени данные должны в точности соответствовать свойствам и характеристикам объектов. Нарушение целостности возникает вследствие искажения или даже разрушения всех или части данных, а также как результат записи в базу данных неверной информации. Поддержание целостности достигается контролем входной информации, периодической проверкой хранимых в БД данных, применением специальной системы восстановления данных и т. д.

Под независимостью данных понимают независимость прикладных программ от хранимых данных, при которой любые изменения в организации данных не требуют коррекции этих программ. Одним из путей достижения независимости является введение дополнительных уровней абстрагирования данных (принцип многоуровневости). Вместо двух традиционных уровней, предусмотренных базовым программным обеспечением и стандартными языками программирования, — логического и физического — в архитектуре БД используется принцип трехуровневой организации данных: логический уровень делится на два — внешний (уровень пользователя) и концептуальный (общий системный уровень данных).

Неизбыточность — это состояние данных, когда каждое из них присутствует в базе данных в единственном экземпляре. Избыточность может иметь место как на логическом уровне, когда в структуре данных повторяются одни и те же типы данных, так и на физическом уровне, когда данные хранятся в двух или более экземплярах. Принцип интеграции позволяет свести избыточность к минимуму.

Под непротиворечивостью понимается смысловое соответствие между данными; это состояние БД, при котором хранимые в ней данные не противоречат друг другу. Различают два аспекта непротиворечивости: смысловое соответствие разнотипных данных и идентичность (равенство) дублирующих данных.

Принцип связности данных заключается в том, что данные в БД взаимосвязаны, и связи отражают отношения между объектами предметной области. Множество связей и множество типов данных образуют логическую структуру данных. Наличие связей между записями в БД позволяет уменьшить избыточность, упростить и ускорить поиск данных Романенко, А. Г. Информационные системы. — М.: Российский государственный гуманитарный университет, Издательский центр, Издательский центр РГГУ, 2007. — С. 184.