Понятие данных, принципы построения информационных систем

 
     Сервером определенного ресурса в компьютерной сети называется компьютер (программа), управляющий этим ресурсом, клиентом - компьютер (программа), использующий этот ресурс. В качестве ресурса компьютерной сети могут выступать, к примеру, базы данных, файловые системы, службы печати, почтовые службы. Тип сервера определяется видом ресурса, которым он управляет.  
     Достоинством организации информационной системы по архитектуре клиент-сервер является удачное сочетание централизованного хранения, обслуживания и коллективного доступа к общей корпоративной информации с индивидуальной работой пользователей над персональной информацией. Архитектура клиент-сервер допускает различные варианты реализации.  
     Исторически первыми появились распределенные ИС с применением файл-сервера (рис. 1.1). В таких ИС по запросам пользователей файлы базы данных передаются на персональные компьютеры (ПК), где и производится их обработка. Недостатком такого варианта архитектуры является высокая интенсивность передачи обрабатываемых данных. Причем, зачастую передаются избыточные данные: вне зависимости от того, сколько записей из базы данных требуется пользователю, файлы базы данных передаются целиком.  
     Структура распределенной ИС, построенной по архитектуре клиент-сервер с использованием сервера баз данных, показана на рис. 1.2. При такой архитектуре сервер базы данных обеспечивает выполнение основного объема обработки данных. Формируемые пользователем или приложением запросы поступают к серверу БД в виде инструкций языка SQL. Сервер базы данных выполняет поиск и извлечение нужных данных, которые затем передаются на компьютер пользователя. Достоинством такого подхода в сравнении предыдущим является заметно меньший объем передаваемых данных.  
     Использование архитектуры клиент-сервер дает возможность постепенного наращивания информационной системы предприятия, во-первых, по мере развития предприятия; во-вторых, по мере развития самой информационной системы.  
 

модели данных:  
иерархическая,  
сетевая,  
реляционная.  
постреляционная,  
многомерная,  
объектно-ориентированная.  
 

2.1. Иерархическая модель     

В иерархической модели связи  между данными можно описать  с помощью упорядоченного графа (или дерева).  
     Для описания структуры (схемы) иерархической БД на некотором языке программирования используется тип данных "дерево".  
          Тип "дерево" является составным. Он включает в себя подтипы ("поддеревья"), каждый из которых, в свою очередь, является типом "дерево". Каждый из типов "дерево" состоит из одного "корневого" типа и упорядоченного набора (возможно пустого)

 
     Корневым называется тип, который имеет подчиненные типы и сам не является подтипом. Подчиненный тип (подтип) является потомком по отношению к типу, который выступает для него в роли предка (родителя). Потомки одного и того же типа являются близнецами по отношению друг к другу.  
 
 Обход всех элементов иерархической БД обычно производится сверху вниз и слева направо.  
     К достоинствам иерархической модели данных относятся эффективное использование памяти ЭВМ и неплохие показатели времени выполнения основных операций над данными. Иерархическая модель данных удобна для работы с иерархически упорядоченной информацией.  
     Недостатком иерархической модели является ее громоздкость для обработки информации с достаточно сложными логическими связями, а также сложность понимания для обычного пользователя.

2.2. Сетевая модель

     Сетевая модель данных позволяет отображать разнообразные взаимосвязи элементов  данных в виде произвольного графа, обобщая тем самым иерархическую  модель данных

Для описания схемы сетевой  БД используется две группы типов: "запись" и "связь". Тип "связь" определяется для двух типов "запись": предка и потомка. Переменные типа "связь" являются экземплярами связей.  
 
     Сетевая БД состоит из набора записей и набора соответствующих связей. На формирование связи особых ограничений не накладывается. Если в иерархических структурах запись-потомок могла иметь только одну запись-предка, то в сетевой модели данных запись-потомок может иметь произвольное число записей-предков (сводных родителей).

Достоинством сетевой модели данных является возможность эффективной реализации по показателям затрат памяти и оперативности. В сравнении с иерархической моделью сетевая модель предоставляет большие возможности в смысле допустимости образования произвольных связей.  
    Недостатком сетевой модели данных является высокая сложность и жесткость схемы БД, построенной на ее основе, а также сложность для понимания и выполнения обработки информации в БД обычным пользователем. Кроме того, в сетевой модели данных ослаблен контроль целостности связей вследствие допустимости установления произвольных связей между записями.  
 
    

2.3. Реляционная модель

 
     Отношение представляет собой множество элементов, называемых кортежами. Подробно теоретическая основа реляционной модели данных рассматривается в следующем разделе. Наглядной формой представления отношения является привычная для человеческого восприятия двумерная таблица.  
 
     Таблица имеет строки (записи) и столбцы (колонки). Каждая строка таблицы имеет одинаковую структуру и состоит из полей. Строкам таблицы соответствуют кортежи, а столбцам - атрибуты отношения.  
 
     С помощью одной таблицы удобно описывать простейший вид связей между данными, а именно: деление одного объекта (явления, сущности, системы и проч.), информация о котором хранится в таблице, на множество подобъектов, каждому из которых соответствует строка или запись таблицы. При этом каждый из подобъектов имеет одинаковую структуру или свойства, описываемые соответствующими значениями полей записей. Например, таблица может содержать сведения о группе обучаемых, о каждом из которых известны следующие характеристики: фамилия, имя и отчество, пол, возраст и образование.  
 
     Поскольку в рамках одной таблицы не удается описать более сложные логические структуры данных из предметной области, применяют связывание таблиц.  
 
     Физическое размещение данных в реляционных базах на внешних носителях легко осуществляется с помощью обычных файлов.  
 
     Достоинство реляционной модели данных заключается в простоте, понятности и удобстве физической реализации на ЭВМ. Именно простота и понятность для пользователя явились основной причиной их широкого использования. Проблемы же эффективности обработки данных этого типа оказались технически вполне разрешимыми.  
 
     Основными недостатками реляционной модели являются следующие: отсутствие стандартных средств идентификации отдельных записей и сложность описания иерархических и сетевых связей.  
 
 
     

2.4. Постреляционная модель     

Постреляционная модель данных представляет собой расширенную реляционную модель, снимающую ограничение неделимости данных, хранящихся в записях таблиц. Постреляционная модель данных допускает многозначные поля - поля, значения которых состоят из подзначений. Набор значений многозначных полей считается самостоятельной таблицей, встроенной в основную таблицу.  
 

по сравнению с реляционной  моделью в постреляционной модели данные хранятся более эффективно, а при обработке не требуется  выполнять операцию соединения данных из двух таблиц.  
 
     Помимо обеспечения вложенности полей постреляционная модель поддерживает ассоциированные многозначные поля (множественные группы). Совокупность ассоциированных полей называется ассоциацией. При этом в строке первое значение одного столбца ассоциации соответствует первым значениям всех других столбцов ассоциации. Аналогичным образом связаны все вторые значения столбцов и т. д.

На длину полей и  количество полей в записях таблицы  не накладывается требование постоянства. Это означает, что структура данных и таблиц имеют большую гибкость.  
 
     Поскольку постреляционная модель допускает хранение в таблицах ненормализованных данных, возникает проблема обеспечения целостности и непротиворечивости данных. Эта проблема решается включением в СУБД механизмов, подобных хранимым процедурам в клиент-серверных системах.  
 
     Для описания функций контроля значений в полях имеется возможность создавать процедуры (коды конверсии и коды корреляции), автоматически вызываемые до или после обращения к данным. Коды корреляции выполняются сразу после чтения данных, перед их обработкой. Коды конверсии, наоборот, выполняются после обработки данных.  
 
     Достоинством постреляционной модели является возможность представления совокупности связанных реляционных таблиц одной постреляционной таблицей. Это обеспечивает высокую наглядность представления информации и повышение эффективности ее обработки.  
 
     Недостатком постреляционной модели является сложность решения проблемы обеспечения целостности и непротиворечивости хранимых данных.  
 

2.5. Многомерная модель     

Многомерные СУБД являются узкоспециализированными СУБД, предназначенными для интерактивной аналитической обработки информации. Раскроем основные понятия, используемые в этих СУБД: агрегируемость, историчность и прогнозируемость данных.  
 
     Агрегируемостъ данных означает рассмотрение информации на различных уровнях ее обобщения. В информационных системах степень детальности представления информации для пользователя зависит от его уровня: аналитик, пользователь-оператор, управляющий, руководитель.  
 
     Историчность данных предполагает обеспечение высокого уровня статичности (неизменности) собственно данных и их взаимосвязей, а также обязательность привязки данных ко времени.  
 
     Статичность данных позволяет использовать при их обработке специализированные методы загрузки, хранения, индексации и выборки.  
 
     Временная привязка данных необходима для частого выполнения запросов, имеющих значения времени и даты в составе выборки. Необходимость упорядочения данных по времени в процессе обработки и представления данных пользователю накладывает требования на механизмы хранения и доступа к информации.  
     Прогнозируемость данных подразумевает задание функций прогнозирования и применение их к различным временным интервалам.  
 
 
     По сравнению с реляционной моделью многомерная организация данных обладает более высокой наглядностью и информативностью.  
 

 
     В существующих МСУБД используются два основных варианта (схемы) организации  данных: гиперкубическая и поликубическая.  
 
     В поликубической схеме предполагается, что в БД может быть определено несколько гиперкубов с различной размерностью и с различными измерениями в качестве граней. Примером системы, поддерживающей поликубический вариант БД, является сервер Oracle Express Server.  
 
     В случае гиперкубической схемы предполагается, что все показатели определяются одним и тем же набором измерений. Это означает, что при наличии нескольких гиперкубов БД все они имеют одинаковую размерность и совпадающие измерения. Очевидно, в некоторых случаях информация в БД может быть избыточной (если требовать обязательное заполнение ячеек).  
     Основным достоинством многомерной модели данных является удобство и эффективность аналитической обработки больших объемов данных, связанных со временем. При организации обработки аналогичных данных на основе реляционной модели происходит нелинейный рост трудоемкости операций в зависимости от размерности БД и существенное увеличение затрат оперативной памяти на индексацию.  
 
     Недостатком многомерной модели данных является ее громоздкость для простейших задач обычной оперативной обработки информации.  
 
     

2.6. Объектно-ориентированная модель     

В объектно-ориентированной  модели при представлении данных имеется возможность идентифицировать отдельные записи базы. Между записями базы данных и функциями их обработки  устанавливаются взаимосвязи с  помощью механизмов, подобных соответствующим  средствам в объектно-ориентированных  языках программирования.  
 
 
     Структура объектно-ориентированной БД графически представима в виде дерева, узлами которого являются объекты. Свойства объектов описываются некоторым стандартным типом (например, строковым - string) или типом, конструируемым пользователем (определяется как class).  
 
     Значением свойства типа string является строка символов. Значение свойства типа class есть объект, являющийся экземпляром соответствующего класса. Каждый объект-экземпляр класса считается потомком объекта, в котором он определен как свойство. Объект-экземпляр класса принадлежит своему классу и имеет одного родителя. Родовые отношения в БД образуют связную иерархию объектов.  
 
 
     Инкапсуляция ограничивает область видимости имени свойства пределами того объекта, в котором оно определено. Так, если в объект типа КАТАЛОГ добавить свойство, задающее телефон автора книги и имеющее название телефон, то мы получим 2 Зак.925. одноименные свойства у объектов АБОНЕНТ и КАТАЛОГ. Смысл такого свойства будет определяться тем объектом, в который оно инкапсулировано.  
 
     Наследование, наоборот, распространяет область видимости свойства на всех потомков объекта. Так, всем объектам типа КНИГА, являющимся потомками объекта типа КАТАЛОГ, можно приписать свойства объекта-родителя: isbn, удк, название и автор. Если необходимо расширить действие механизма наследования на объекты, не являющиеся непосредственными родственниками (например, между двумя потомками одного родителя), то в их общем предке определяется абстрактное свойство типа abs. Так, определение абстрактных свойств билет и номер в объекте БИБЛИОТЕКА приводит к наследованию этих свойств всеми дочерними объектами АБОНЕНТ, КНИГА и ВЫДАЧА. Не случайно поэтому значения свойства билет классов АБОНЕНТ и ВЫДАЧА, показанных на рисунке, будут одинаковыми - 00015.  
 
     Полиморфизм в объектно-ориентированных языках программирования означает способность одного и того же программного кода работать с разнотипными данными. Другими словами, он означает допустимость в объектах разных типов иметь методы (процедуры или функции) с одинаковыми именами, Во время выполнения объектной программы одни и те же методы оперируют с разными объектами в зависимости от типа аргумента. Применительно к нашей объектно-ориентированной БД полиморфизм означает, что объекты класса КНИГА, имеющие разных родителей из класса КАТАЛОГ, могут иметь разный набор свойств. Следовательно, программы работы с объектами класса КНИГА могут содержать полиморфный код.  
 
 
 
     Основным достоинством объектно-ориентированной модели данных в сравнении с реляционной является возможность отображения информации о сложныхсвязях объектов. Объектно-ориентированная модель данных позволяет идентифицировать отдельную запись базы данных и определять функции их обработки.  
 
     Недостатками объектно-ориентированной модели являются высокая понятийная сложность, неудобство обработки данных и низкая скорость выполнения запросов.  
 
  

Тип данных

Размер

Диапазон/Точность

Описание

CHAR(n)

n символов

От 1 до 32767 байт

Строки символов постоянной 
длины 
0 < n <= 32767

VARCHAR(n)

n символов

От 1 до 32765 байт

Строки символов переменной 
длины 
0 < n <= 32765

SMALLINT

16 бит

От –32768 до 32767

Знаковые целые числа (короткие)

INTEGER

32 бита

От –2147483648 до 
2147483647

Знаковые целые числа

BIGINT

64 бита

От 
–9223372036854775808 до 
9223372036854775807 
(от -2^63 до 2^63-1)

Знаковые целые числа (большие)

NUMERIC(p,s)

Переменный

P=1 до 15; s=1 до 15

Масштабируемые десятичные 
числа; p-точность; s-число знаков 
после запятой (масштаб); p>=s

DECIMAL(p,s)

То же, что и NUMERIC(p,s)

DOUBLE 
PRECISION

64 бита

От 1.7*10^-308 до 
1.7*10^308

Числа с плавающей запятой 
высокой точности; 15 разрядов 
после запятой

FLOAT

32 бита

От 3.4*10^-38 до 3.4*10^38

Числа с плавающей запятой; 7 
разрядов после запятой

DATE

32 бита

От 1 января 100 года до 
27 февраля 32768 года

Календарная дата

TIME

32 бита

От 00:00 до 23:59:59

Время дня

TIMESTAMP

2*32 бита

Дата от 1 января 100 года 
до 27 февраля 32768 года и 
время от 00:00 до 23:59:59

Календарная дата и время

BLOB

Переменный

Нет

Динамически изменяемый; для 
хранения больших объемов 
данных

Определяемый  тип

Тип, сохраняемый Firebird

NUMERIC

INTEGER

NUMERIC(4)

SMALLINT

NUMERIC(9)

INTEGER

NUMERIC(10)

BIGINT

NUMERIC(4,2)

SMALLINT

NUMERIC(9,3)

INTEGER

NUMERIC(10,4)

BIGINT

DECIMAL

INTEGER

DECIMAL(4)

INTEGER

DECIMAL(9)

INTEGER

DECIMAL(10)

BIGINT

DECIMAL(4,2)

INTEGER

DECIMAL(9,3)

INTEGER

DECIMAL(10,4)

BIGINT