При увеличении объемов информации для многоцелевого применения и эффективного удовлетворения информационных потребностей различных пользователей используется интегрированный подход к созданию внутримашинного ИО. При этом данные рассматриваются как информационные ресурсы для разноаспектного и многократного использования. Принцип интеграции предполагает организацию хранения информации в виде банка данных (БнД), где все данные собраны в едином интегрированном хранилище и к ин формации как важнейшему ресурсу обеспечен широкий доступ раз личных пользователей.
Таким образом, 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.
Основные требования к БнД включают: интегрированность баз данных и целостность каждой из них; независимость, минимальную избыточность хранимых данных и способность к расширению. Важным условием эффективного функционирования БнД является обеспечение защиты данных от несанкционированного доступа или случайного уничтожения хранимых данных.
Любой банк данных в своем составе всегда содержит следующие два основных компонента: базу данных (БД), которая есть не что иное, как даталогическое представление информационной модели предприятия, и систему управления базой данных (СУБД), с помощью которой реализуются централизованное управление данными, хранимыми в базе, доступ к ним и поддержание их в состоянии, соответствующем состоянию предметной области.
Базы данных создаются в БнД предприятия для решения на ПК задач управления производством.
Для программной реализации работ с БД создаются вспомогательные программы их структур, справочников и файлов, печати и др.
Центральную роль в функционировании банка данных выполняет система управления базой данных (СУБД). СУБД – это пакет программ, обеспечивающий поиск, хранение, корректировку данных, формирование ответов на запросы. Система обеспечивает сохранность данных, их конфиденциальность, перемещение и связь с другими программными средствами. Основные функции СУБД: непосредственное управление данными во внешней памяти; управление буферами оперативной памяти; управление транзакциями; журнализация; языки БД.
Организация типичной СУБД и состав ее компонентов соответствует рассмотренному набору функций. Логически в современной реляционной СУБД можно выделить наиболее внутреннюю часть – ядро СУБД, компилятор языка БД (обычно SQL), подсистему поддержки времени выполнения, набор утилит.
Преимущества работы с БнД для пользователей окупают затраты и издержки на его создание. Они заключаются в следующем: повышается производительность работы пользователей, достигается эффективное удовлетворение информационных потребностей; централизованное управление данными освобождает прикладных программистов от организации данных, обеспечивает независимость прикладных программ от данных; организация банка (базы) данных позволяет реализовать другие нерегламентированные запросы, приложения; снижаются затраты не только на создание и хранение данных, но и на поддержание их в актуальном динамичном состоянии; уменьшаются потоки данных, циркулирующих в системе, сокращается избыточность и дублирование.
Концепция банка данных – это не только идея интегрированного хранения данных, но и идея отделения описания данных от программ их обработки, интерфейс между которыми обеспечивается системой управления базами данных (СУБД). В основу ее разработки закладывают следующие принципы: единство структурно-информационной организации массивов; централизацию процессов накопления, хранения и обработки различных видов информации; однократный ввод первичных массивов информации с последующим многоразовым и многоцелевым их использованием; интегрированное использование массивов в различных режимах обработки; оперативность доступа к различным элементам информационных массивов; минимизацию стоимости создания и функционирования.
По организации и технологии обработки данных базы данных подразделяются на централизованные и распределенные.
Централизованную базу данных отличает традиционная архитектура баз данных (рис. 10).
Рис.10. Централизованная БД
При подобной архитектуре все необходимые для работы специалистов данные и СУБД размещены на центральном компьютере, или мэйнфрейме (mainframe), вместе с приложением, принимающим входную информацию с пользовательского терминала и отображающим данные на экране пользователя. Предположим, что пользователь вводит запрос, требующий последовательного просмотра базы данных (например, запрос на расчет потребности материалов на деталь в натуральном и стоимостном выражении). СУБД получает этот запрос, просматривает БД, выбирая с диска нужную запись, вычисляет значение и отображает результат на экране. Приложение и СУБД работают на одном компьютере, и, поскольку система обслуживает много различных пользователей, каждый из них ощущает снижение быстродействия по мере увеличения нагрузки на систему.
Распределенная база данных состоит из нескольких, возможно пересекающихся или даже дублирующих друг друга частей, хранимых в различных компьютерах вычислительной сети. Работа с такой БД осуществляется с помощью системы управления распределенной базой данных (СУРБД).
По способу доступа к данным БД разделяются на БД с локальным доступом и БД с удаленным (сетевым) доступом.
Системы централизованных БД с сетевым доступом предполагают различные архитектуры подобных систем: файл-сервер и клиент-сервер.
Появление персональных компьютеров и локальных вычислительных сетей привело к разработке архитектуры «файл-сервер», по казанной на рис. 11. При такой архитектуре приложение, выполняемое на ПК, может получить прозрачный доступ к файл-серверу, на котором хранятся, совместно используемые файлы. Когда приложению, работающему на ПК, требуется получить данные из совместно используемого файла, сетевое программное обеспечение автоматически считывает требуемый блок данных с сервера. Наиболее популярные БД для ПК, включая Microsoft Access, Paradox и dBase, поддерживают архитектуру «файл-сервер», при которой на каждом ПК работает своя копия СУБД.
Рис. 11. Архитектура "файл-сервер"
При выполнении обычных запросов эта архитектура обеспечивает великолепную производительность, поскольку в распоряжении каждой копии СУБД находятся все ресурсы ПК. Однако рассмотрим приведенный выше пример. Поскольку запрос требует последовательного просмотра БД, СУБД постоянно запрашивает все новые блоки данных из БД, которая физически расположена на сервере сети. Очевидно, что в результате СУБД запросит и получит по сети все блоки файла. При выполнении запросов такого типа эта архитектура создает слишком большую нагрузку на сеть и уменьшает производительность работы.
Архитектура «клиент-сервер» показана на рис.12. При такой архитектуре ПК объединены в локальную сеть, в которой имеется сервер баз данных, содержащий общие БД. Функции СУБД разделены на две части. Пользовательские программы, такие, как приложения, для формирования интерактивных запросов и генераторы отчетов, работают на клиентском компьютере. Хранение данных и управление ими обеспечиваются сервером. В этой архитектуре SQL стал стандартным языком, предназначенным для обработки и чтения данных, содержащихся в БД. SQL обеспечивает взаимодействие между пользовательскими программами и ядром БД.
Вернемся к примеру определения потребности материалов на деталь. При архитектуре «клиент-сервер» запрос передается по сети на сервер БД в виде SQL-запроса. Ядро БД на сервере обрабатывает, запрос и просматривает БД, которая также расположена на сервере. После вычисления результата ядро БД посылает его обратно по клиентскому приложению, которое отображает его на экране ПК. Архитектура «клиент-сервер» позволяет сократить трафик и распределить процесс загрузки базы данных. Функции работы с пользователем, такие, как обработка ввода и отображение данных, выполняются на ПК пользователя. Функции работы с данными, такие, как дисковый ввод-вывод и выполнение запросов, выполняются сервером БД. Наиболее важно здесь то, что SQL обеспечивает четко определенный интерфейс между клиентской и серверной системами, эффективно передавая запросы на доступ к БД. Эта архитектура используется в современных СУБД Oracle, Informix, Sybase и др.
Рис.12. Архитектура "клиент-сервер"
С ростом популярности СУБД появилось множество различных моделей данных. У каждой из них имелись свои достоинства и недостатки, которые сыграли ключевую роль в развитии реляционной модели данных, появившейся во многом благодаря стремлению упростить проектирование, упорядочить работу с моделями данных и повысить ее эффективность.
Основным средством организации и автоматизации работы с БД являются системы управления базами данных (СУБД).
Выбор СУБД определяется многими факторами, но главным из них является возможность работы с конкретной моделью данных (иерархической, сетевой, реляционной).
Иерархическую модель БД изображают в виде дерева (рис.13). Элементы дерева вершины 1 – 14 представляют совокупность данных, например логические записи. Каждой вершине соответствует множество экземпляров записей, составляющих логический файл. Вершины расположены по уровням и связаны между собой отношениями подчиненности. Одна-единственная вершина верхнего уровня является корневой. Иерархическая модель данных обеспечивает так называемые одно-многозначные отношения между данными. Примером таких отношений могут служить следующие: одному изделию соответствует несколько материалов, используемых на различных операциях обработки, сборки.
Рис.13. Схема иерархической модели БД
Сетевые модели БД соответствуют более широкому классу объектов управления, хотя требуют для своей организации и дополнительных затрат. Сетевая модель позволяет любому объекту быть связанным с любым другим объектом. Сетевые модели сложны, что создает определенные трудности при необходимости модернизации или развития СУБД. Пример сетевой модели БД представлен на рис. 14. На рисунке видно, что одно изделие изготавливается в результате выполнения нескольких операций, а одна операция может использоваться для изготовления различных изделий.
Рис.14. Сетевая модель БД
Реляционная модель БД представляет объекты и взаимосвязи между ними в виде таблиц, а все операции над данными сводятся к операциям над этими таблицами. На этой модели базируются практически все современные СУБД. Эта модель более понятна, «прозрачна» для конечного пользователя организации данных. К преимуществам реляционной модели БД можно отнести также более высокую гибкость при расширении БД, состава запросов к ней. Реляционная организация БД в виде таблицы содержит программу выпуска изделий (табл. 7). Эта база данных включает в себя три атрибута: код технологической группы оборудования, код изделия, программу выпуска.
Таблица 7. Реляционная модель БД
Одно из основных различий между тремя типами моделей СУБД состоит в том, что для иерархических и сетевых СУБД их структура не может быть изменена после ввода данных, тогда как для реляционных СУБД структура может изменяться в любое время. Для больших БД, структура которых остается длительное время неизменной, именно иерархические и сетевые СУБД могут оказаться наиболее эффективными, ибо они могут обеспечивать более быстрый доступ к информации БД, чем реляционные СУБД. Однако большинство СУБД для ПК работают с реляционной моделью. К реляционным моделям относят, например, Clipper, dBase, Paradox, FoxPro, Access, Oracle.
В последние годы все большее признание и развитие получают объектно-ориентированные базы данных (ООБД), толчок к появлению которых дали объектно-ориентированное программирование и использование ПК для обработки и представления практически всех форм информации, воспринимаемых человеком.
В чем принципиальное отличие реляционных и объектно-ориентированных баз данных? В ООБД модель данных более близка сущностям реального мира. Объекты можно сохранить и использовать непосредственно, не раскладывая их по таблицам. Типы данных определяются разработчиком и не ограничены набором предопределенных типов. В объектных СУБД данные объекта, а также его методы помещаются в хранилище как единое целое. Объектная СУБД именно то средство, которое обеспечивает запись объектов в базу данных. Существенной особенностью ООБД можно назвать объединение объектно-ориентированного программирования (ООП) с технологией баз данных для создания интегрированной среды разработки приложений.
ООБД обеспечивает доступ к различным источникам данных, в том числе, конечно, и к данным реляционных СУБД, а также разнообразные средства манипуляции с объектами баз данных. Традиционными областями применения объектных СУБД являются системы автоматизированного проектирования (САПР), моделирование, мультимедиа, поскольку именно из нужд этих отраслей выросло новое направление в базах данных.
В данных областях всегда существовала потребность найти адекватное средство хранения больших объемов разнородных данных, переплетенных многими связями. Поскольку объектные СУБД отличаются высоким быстродействием, надежностью, представляют разнообразнейший программный интерфейс для разработчиков, они широко используются в телекоммуникациях, различных аспектах автоматизации предприятия, издательском деле, геоинформационных проектах. Очень хорошо они подходят для решения задач построения распределенных вычислительных систем. На основе объектной СУБД можно строить сложные распределенные банки данных, организовывать к ним доступ, как через локальную сеть, так и для удаленных пользователей в режиме реального масштаба времени. К объектным СУБД можно отнести СУБД ONTOS – одного из лидеров направления ООБД, Jasmine, ODB-Jupiter – первый российский продукт такого рода, ORACLE 8.0.
Использование баз данных на предприятии не дает желаемого результата от автоматизации деятельности предприятия. Причина проста: реализованные функции значительно отличаются от функций ведения бизнеса, так как данные, собранные в базах, не адекватны информации, которая нужна лицам, принимающим решения. Решением данной проблемы стала реализация технологии информационных хранилищ.