В методе имитации и моделирования работы СУБД применяют математические выражения, определяющие зависимость одного из параметров от других. Например, время обращения можно представить в виде функции от числа обращений к диску, количества передаваемой информации и процессорного времени формирования отклика на запрос. Так как перечисленные параметры зависят от способа хранения данных и способа доступа к ним, для различных СУБД требуются разные модели. Если эти модели разработаны, их можно использовать для оценки времени и стоимости обработки при использовании различных СУБД, задавая разнообразные условия (изменяя размеры базы данных, методы доступа, коэффициенты блокирования и т.п.).

Неквалифицированный проектировщик может наложить ограничения конкретной СУБД уже на ранней стадии проектирования базы данных. При этом пользовательские требования искусственно задаются иерархическими и сетевыми структурами определенной СУБД без рассмотрения других возможных проектных решений. Такой подход может привести к уменьшению эффективности системы.

Ниже приведены краткие характеристики некоторых универсальных СУБД.

СУБД ИНЭС ориентирована на решение информационно-поисковых задач главным образом с использованием диалога. В ней обеспечиваются возможности быстрого обращения к базе для получения данных справочного характера и эффективного просмотра больших объемов данных при составлении сводок и при формировании исходных массивов для решения экономических задач.

В системе допускается обращение к данным из прикладных программ пользователя, написанных на языке АССЕМБЛЕР, ПЛ/1, КОБОЛ, АЛГОЛ-60, ФОРТРАН-4.

Используются специальные входные языки (язык ввода экономических показателей, язык ввода документов) и язык запросов, которые удовлетворяют основным требованиям, предъявляемым к языкам описания данных и языкам манипулирования данными.

Для работы с данными, имеющими иерархическую структуру, служит специальный метод доступа. СУБД ИНЭС имеет систему формирования выходных сообщений и систему визуализации сообщений, которые позволяют пользователю задавать структуру документа и его реквизиты, осуществлять поиск, изменение и корректировку данных и вывод их на дисплей.

СУБД КВАНТ-М представляет собой систему реального времени, предназначенную для работы на мини-ЭВМ и используемую для решения задач в информационно-поисковых и справочных системах (фактографических, библиографических, резервирования заказов и т.п.).

Пользовательские программы могут быть написаны на языках КОБОЛ, ФОРТРАН, БЕЙСИК-2 и обращаются к базе данных с помощью САМ-интерфейса.

СУБД КВАНТ-М поддерживает базу данных, состоящую из набора массивов (файлов). Записи массива имеют одинаковую структуру и уникальный последовательный номер (ISN). Записи состоят из полей, которые являются минимальной единицей данных в базе. Поле может быть объявлено ключом. Для описания данных в файлах создается схема, содержащая имена полей записей, их тип и признак, указывающий, является ли поле ключом. Для пользователей создается одна или несколько подсхем, к которым они имеют доступ.

Физическая структура данных использует инвертированные списки значений ключей и обеспечивает независимость адресации от физического расположения данных. Система обеспечивает следующие типы доступа: последовательный по ISN; в логической последовательности; по запросу.

Языком манипулирования данными является язык КВАНТ СКРИПТ-М. Это англоподобный диалоговый язык, предназначенный для эффективного поиска и выделения записей в базе данных и вывода их на дисплей.

В последнее время организован выпуск быстродействующих персональных ЭВМ с большой оперативной и внешней памятью, с возможностью их объединения в локальную вычислительную сеть. Для этих ЭВМ появились и продолжают появляться универсальные СУБД, предоставляющие пользователю средства и удобства иногда более богатые, чем у мини-ЭВМ и больших ЭВМ. Этот процесс еще не установился, в связи с чем не имеет смысла приводить в учебнике характеристики этих СУБД.

4. Специализированные базы данных

Процесс проектирования специализированной базы данных включает: логическое проектирование, физическое проектирование, разработку специализированной СУБД.

Логическое проектирование предусматривает анализ. требований, моделирование данных прикладных программ и их интеграцию, разработку логической схемы. Анализ требований пользователей проводится с применением стандартных методов системного анализа: документирования, обследования, имитированных отчетов. В результате анализа требований получают систематизированные наборы данных и спецификации обработки с использованием стандартных определений данных, минимизирующих противоречия в разработанных спецификациях.

Модель данных предназначена для отображения пользовательской среды. Так как база данных создается для многих пользователей, этап интеграции призван разрешить противоречия между требованиями пользователей в процессе моделирования.

На этапе создания схемы модели пользователей необходимо объединить в одну, из которой можно выделять все альтернативные представления. Задача синтеза оптимальной логической структуры базы данных состоит в определении оптимальной в смысле принятого критерия логической структуры, обеспечивающей реализацию совокупности запросов всех пользователей системы. Среди используемых критериев синтеза логической структуры базы данных можно выделить минимум стоимости хранения, обновления и передачи информации за определенный период, минимум суммарных информационных потоков, минимальный объем хранимой информации, минимум стоимости обновления информации, максимум быстродействия, максимум надежности. Если спецификации требований и модели данных не зависят от СУБД, то схема базы данных представляет собой ее описание на языке описания данных. В дополнение к схеме разрабатываются описания подмножеств базы данных (подсхемы) пользователей. Проектирование физической базы данных включает физическое представление данных, выбор и документирование методов доступа, размещение данных.

Основываясь на логической схеме, проектировщик физической организации должен определить представление каждого элемента данных, записей и массивов. Для каждого физического массива необходимо установить его размер. При определении физического представления данных необходимо учитывать следующие факторы: экономию памяти, минимизацию избыточности (использование ссылок или указателей), способ обработки (последовательная, произвольная) и адресации, коэффициент активности массива и записей (определяет выбор устройств с прямым или последовательным доступом), независимость данных, время отклика на запрос (определяет организацию данных и тип запоминающего устройства).

Специфика задач, решаемых на основе разрабатываемой базы данных, требования пользователя и логическая схема базы данных являются основой для выбора способа адресации и организации поиска данных. Среди способов адресации различают: последовательное сканирование, блочный поиск, двоичный поиск, индексно-последовательный способ, прямую адресацию, перемешивание и различные их комбинации.

Последовательное сканирование связано с проверкой ключа каждой записи. Способ может быть эффективен только при пакетной обработке последовательных массивов на магнитной ленте.

Блочный поиск используется в случаях упорядоченных по ключу последовательных массивов. Записи группируются в блоки и каждой блок проверяется, пока не будет найден нужный блок, записи которого считываются.

При двоичном поиске поисковая область каждый раз делится пополам, и ключ полученной записи сравнивается с поисковым ключом. Двоичный поиск обычно не пригоден для устройств с прямым доступом и применяется при поиске индексов массивов.

Индексно-последовательный способ адресации использует индексы. Индекс верхнего уровня указывает местоположение индекса нижнего уровня, который указывает место расположения блока записей. Блок записей либо сканируется, либо в нем проводится двоичный или блочный поиск. Метод предусматривает упорядоченность записей по ключу. В случае произвольного массива применяется индексно-произвольный способ. Однако при этом требуется значительно больший по размерам индекс, так как он должен содержать по одному элементу для каждой записи массива, а не для блока записей.

Прямая адресация предусматривает некоторое преобразование ключа в адрес. Существует много методов преобразования ключа в адрес в массиве. Наиболее простой способ состоит в указании во входном сообщении относительного мониторного адреса записи. В некоторых приложениях адрес вычисляется на основе идентификаторов объектов.

Способ перемешивания состоит в том, что ключ элемента данных преобразуется в квазислучайное число, которое используется для определения места расположения записи.

При проектировании физической структуры базы данных необходимо определить и документировать способ доступа к каждому типу записей, определить записи, доступ к которым проводится непосредственно по ключам, и записи, доступ к которым осуществляется с помощью указателей из других записей или индексов. Каждому массиву в зависимости от метода доступа необходимо выделить место на физических устройствах (магнитных дисках, лентах). При этом данные размещаются таким образом, чтобы обеспечить приоритет часто используемым данным или максимизировать степень близости хранимых данных.

Наиболее широко используемым является индексно-последовательный способ адресации. При этом можно использовать два метода доступа - ISAM и VSAM. В методе доступа ISAM записи группируются так, чтобы они могли располагаться на отдельных дорожках цилиндров модуля дисков, а одна дорожка на каждом цилиндре отводится для индексов, указывающих на записи, расположенные на данном цилиндре. При необходимости внесения новых данных они помещаются в область переполнения (в дорожку индексов включаются также указатели на области переполнения). Метод доступа VSAM аналогичен методу ISAM, однако метод VSAM не зависит от типа оборудования и не оперирует такими категориями, как дорожки и цилиндры. Вместо цилиндров, разделенных на дорожки, используются управляемые области, в свою очередь подразделяемые на управляемые интервалы. В методе VSAM для одной управляемой области имеется один набор указателей (индекс).

Проектирование специализированной СУБД предусматривает разработку языка описания данных, языка манипулирования данными и средства поддержания физической базы данных. Основные требования, которым должны удовлетворять языки описания данных и манипулирования данными, были определены при рассмотрении вопроса выбора универсальной СУБД. Наиболее распространенным языком описания данных программиста (подсхем) является раздел данных КОБОЛа, для описания схем и физической структуры базы данных в современных СУБД, как правило, разрабатываются свои собственные языки описания данных. Ассоциацией по языкам систем обработки данных (CODASYL) предложен язык описания данных, который используется как для логического описания данных, так и для описания их физической организации.

5. Распределенные базы данных

В связи с созданием и развитием в настоящее время ряда АСУ на базе сетей ЭВМ актуальным является проектирование распределенных баз данных (РБД). Распределенная база данных представляет собой систему информационно-взаимосвязанных и определенным образом взаимодействующих локальных баз данных (ЛБД), имеющих свое информационное содержание и структуру. По существу РБД представляет собой рассредоточенную систему памяти, хранящей все данные, необходимые соответствующей АСУ. Особенность ее в том, что фрагменты сформированной логической структуры размещаются в территориально удаленных базах данных. Физическая реализация связанности РБД осуществляется организацией информационных потоков внутри ЛБД и между ними по каналам связи.

Основной проблемой при создании РБД является размещение данных; это определяет такие характеристики РБД, как объемы хранимых и обновляемых данных, интенсивность потоков информации и надежность систем.

Проектирование РБД может проходить в условиях:

а) создание АСУ только начинается и стоит задача выбора оптимальной структуры РБД и размещения отдельных ЛБД;

б) существует определенное количество ЛБД и ВЦ и стоит задача размещения дополнительного числа ЛБД и оптимального изменения структуры связей в системе;

в) формирование географии и структуры системы закончено и стоит задача оптимального переразмещения массивов и изменения топологии связей.

Наиболее характерными задачами при проектировании РБД являются определение структуры РБД, определение топологии связей, выбор стратегии поиска и обновления информации, выбор системы управления РБД.

Различают централизованные, децентрализованные и комбинированные структуры РБД. Наиболее широкое распространение получили комбинированные РБД, для которых характерно наличие центральной базы данных, хранящей общесистемную информацию о размещении массивов в РБД. Число ЛБД на каждом уровне иерархии определяется ограничениями на объемы хранимой информации и ограничениями на стоимость создания ЛБД. Размещение ЛБД зависит от размещения потребителей и источников информации.

Рис. 4

Выбор топологии сети ЛБД определяется характером их информационных взаимосвязей, направлением и интенсивностью информационных потоков, необходимой надежностью и достоверностью передачи информации. Обычно пользователи прикрепляются к одной ЛБД и через эту ЛБД связываются с остальными базами данных в РБД. Различают следующие типы структур связей ЛБД в РБД: радиальную, радиально-узловую, кольцевую, каждый с каждым, комбинированную (рис. 4, а - г). Наиболее надежной, с быстрым поиском информации является система со структурой "каждый с каждым". Информационные связи такого типа характерны для объектов, подчиненных друг другу только функционально.

Стратегия поиска влияет на количество и размещение структурной и потоки запросной информации. При отсутствии информации, затребованной пользователем в ближайшей ЛБД, могут быть предложены следующие стратегии поиска:

1) по структурной информации о размещении данных в РБД происходит поиск необходимой ЛБД и обращение к этой ЛБД;

2) осуществляется поиск в ЛБД более высокого ранга; если необходимая информация отсутствует, анализируется структурная информация о содержании всех подчиненных ЛБД; если необходимая информация отсутствует, переходят к ЛБД более высокого уровня иерархии;

3) осуществляется обращение в управляющую ЛБД, где хранится структурная информация о всех ЛБД;

4) осуществляется опрос всех ЛБД либо параллельно, либо последовательно.

Стратегия 1 обеспечивает минимальные объемы запросной информации, но в каждой ЛБД необходимо хранить структурную информацию о размещении массивов в РБД.

Стратегия 2 характерна для иерархических систем, в которых преобладают информационные потоки сверху вниз.

Стратегия 3 минимизирует структурную информацию.

Стратегия 4 отличается большими потоками запросной информации.

Функционирование РБД предполагает наличие в ней потоков обновления информации. Среди стратегий обновления можно выделить следующие: обновление всех дублируемых массивов по всем ЛБД выполняет источник информации; источник обновляет информацию только в ближайшей ЛБД, все остальные дублируемые массивы обновляются по инициативе этой ЛБД; обновление дублируемых массивов проводится по алгоритму (например, минимизирующему суммарные потоки обновления). Стратегия обновления должна обеспечивать заданную надежность, достоверность и быстродействие РБД. Разработка и внедрение эффективных систем управления РБД находятся в настоящее время на начальном этапе. Основной критерий при разработке системы управления РБД - минимальная трудоемкость создания и внедрения ее математического обеспечения. Задача может решаться доработкой и подстройкой существующих СУБД или созданием эффективных специальных систем управления РБД.

Страницы: 1, 2