1

СЕРИЯ «УЧЕБНИКИ И УЧЕБНЫЕ ПОСОБИЯ»

Э.П. Голенищев

И.В. Клименко

ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Ростов-на-Дону «Феникс» 2003

ББК 22.12 Г60

Рецензент

доктор технических наук, профессор В.А. Фатхи

Голенищев Э.П., Клименко И.В.

Г60 Информационное обеспечение систем управления. Серия «Учебники и учебные пособия». Ростов н/Д: «Феникс», 2003 – 352 с.

В учебном пособии раскрывается роль баз данных как одной из основных компонент автоматизированных информационных систем. Разъясняются задачи и требования, предъявляемые к базам данных, методы их организации и этапы проектирования, основные модели данных и принципы организации данных в памяти ЭВМ, языковые средства определения и манипулирования данными. Использованы учебные материалы лучших авторов и исследователей, методистов и преподавателей по соответствующим специальностям.

Для студентов технических вузов по направлению «Автоматизация и управление».

ISBN 5-222-02848-8

ББК 22.12

© Голенищев Э.П., Клименко И.В., 2003 © Оформление: Изд-во «Феникс», 2003

Предисловие

Использование информационных систем становится повсеместным, и концепция баз данных является в настоящее время наиболее значимой в информационных технологиях. Вы можете быть пользователем (потенциальным пользователем) базы данных; человеком, который хочет (или должен) освоить принципы организации современных информационных систем в рамках учебной программы; или человеком, которому поручено спроектировать и реализовать проект базы данных в какой-либо предметной области. Эта книга поможет Вам эффективно решить поставленные задачи. Без основательного изучения организации баз данных в наше время невозможно быть не только квалифицированным программистом, но даже грамотным пользователем информационных систем.

Содержание учебного пособия соответствует Государственному образовательному стандарту высшего профессионального образования по направлению подготовки инженеров специальности 651900 «Автоматизация и управление»; в частности, образовательной программе 210100 «Управление и информатика в технических системах» и учебной программе дисциплины «Информационное обеспечение систем управления».

Кроме того, материал учебного пособия соответствует учебным программам дисциплин «Организация баз данных», «Базы данных», «Базы данных и банки данных», «Системы управления базами данных», «Структуры и алгоритмы обработки данных». Базовыми дисциплинами для изучения этого курса являются «Информационные технологии», «Алгоритмические языки и технологии программирования», «Операционные системы, системное программирование», «Электронно-

2

вычислительные машины, микропроцессорные вычислительные средства, организация вычислительных систем».

Врезультате изучения данного курса студенты получают необходимые сведения об информационном обеспечении, информационных системах, базах данных, системах управления базами данных; знакомятся с жизненным циклом информационных систем; изучают основные этапы проектирования информационных систем, модель данных «сущность-связь», реляционную, сетевую и иерархическую модели данных; знакомятся с языками определения и манипулирования данными; получают представление о физической организации данных, методах доступа к данным, о перспективах развития информационных систем.

Основная цель данного учебного пособия – введение в технологии и методы, применяемые в современных базах данных и СУБД; в проблемы и идеи, возникающие при использовании иерархических, сетевых и реляционных моделей данных. В предлагаемом пособии нет жесткой привязки к какой-либо одной популярной СУБД, акцент сделан на теоретических основах организации больших, часто запрашиваемых массивов данных. Опыт всех упоминаемых в пособии авторов показывает, что без знания этих основ невозможно эффективно работать с конкретными автоматизированными информационными системами, как бы хорошо они не сопровождались и документировались. Поэтому была предпринята попытка собрать и использовать в одном издании наиболее проработанный учебный материал лучших специалистов, осуществляющих свою деятельность

вобласти обучения, научных исследований и практической реализации подходов, основанных на технологии баз данных.

Структура учебного пособия отличается от общепринятой по данной тематике. С самого начала рассматриваются общие вопросы по определению информационных систем на базах данных и систем управления базами данных как основных объектов изучения. Определяются общие этапы и подходы к проектированию эффективных баз данных.

Дальнейшее изложение связано с последовательным рассмотрением вопросов проектирования и реализации БД в соответствии с логикой этапов. Читатель знакомится с общими проблемами каждого этапа реализации проекта БД, изучает существующие методы их решения. При этом сам определяет степень детализации и необходимый уровень получаемых знаний.

Вначале каждого раздела пособия в доступной широкому кругу читателей форме формулируется основная проблема этапа. Затем рассматриваются известные пути решения стоящих перед разработчиком задач с постепенным усложнением материала. Некоторые параграфы, предлагающие новые постановки задач и новые подходы к их решению, призваны стимулировать творческую направленность обучения и деятельности читателей, склонных к научным исследованиям.

Чтобы просто получить представление о проблематике современных информационных систем и концепции баз данных, нет необходимости штудировать весь объем учебного пособия – достаточно ознакомиться с содержанием основных параграфов каждой главы.

Впервой главе учебного пособия даются определения информационной системы, базы данных, системы управления базами данных. Обсуждаются основные функции, и приводится типовая организация СУБД, классифицируются пользователи БД. Здесь же детализируется круг обязанностей администратора базы данных, рассматриваются основные средства администрирования .

Вторая глава учебного пособия содержит анализ жизненного цикла автоматизированной информационной системы, рассматриваются цели и подходы к проектированию баз данных, определяются этапы процесса проектирования. Рассматриваются способы создания инфологических моделей предметной области на примере языка ER-диаграмм. Вводится необходимый для дальнейшего изложения теоретический базис. Детально рассматривается сложный этап логического проектирования эффективных БД. Обсуждены достоинства и недостатки наиболее популярных моделей данных – иерархической, сетевой, реляционной. Особое внимание уделено восходящему пути проектирования – процессу нормализации отношений реляционной модели. Акцентированы недостатки универсального отношения, классифицированы зависимости атрибутов и даны обобщенные определения известным нормальным формам. Поставлена задача нормализации для целей практики.

Втретьей главе рассмотрены принципы физической организации данных в современных СУБД. Построена модель внешней памяти и предложены некоторые методы исследования оптимальных способов физического хранения данных. Коротко приведены наиболее распространенные методы поиска и индексирования данных.

Четвертая глава посвящена математическим основам манипулирования реляционными данными. В

3

главе обсуждаются особенности трех теоретических языков запросов, приведены теоремы об эквивалентности выразительной мощности реляционной алгебры и реляционного исчисления. Проведен сравнительный анализ теоретических языков запросов, обсуждены перспективы реальных языков запросов.

Впятой главе приведен обзор принципов построения и использования распределенных баз данных как наиболее перспективного направления в информационных технологиях. Обобщены концепции организации и работы компьютерных сетей, функции и архитектура распределенных баз данных. Обсуждена проблема прозрачности и сформулированы правила, при выполнении которых СУБД является распределенной.

Вприложениях к учебному пособию помещены краткий толковый словарь по организации баз данных, примеры проектов баз данных, результаты сравнительного анализа даталогических моделей, принципы организации компьютерных сетей и правила реализации распределенных СУБД.

Авторы надеются, что предлагаемое учебное пособие поможет читателю освоить основы организации баз данных, а значит сделать важный шаг в становлении квалифицированного пользователя современных информационных систем и затребованным специалистом в перспективных предметных областях.

Введение

Предметом настоящего учебного пособия являются информационные системы, базы данных и системы управления базами данных. Это очень важная область, определяющая характер революции в информационных системах.

Границы применения вычислительной техники в различных сферах человеческой деятельности с каждым годом определить все сложнее – они становятся необъятными. Это объясняется рядом объективных причин [2, 5, 7, 8, 17]. Так, неоспоримы успехи в областях технического и математического обеспечения ЭВМ, в развитии электроники и интегральной схемотехники. Современные вычислительные машины и системы достигли высочайшего уровня развития.

Повсеместное применение средств вычислительной техники связано и с информационным взрывом [1, 11, 14, 15], сущность которого состоит в лавинообразном росте количества информации, которое должно воспринимать и перерабатывать человечество (экспоненциальный закон роста количества информации). Это касается всех сфер человеческой деятельности. Информация, данные все чаще рассматриваются как стратегические национальные ресурсы, которые должны быть организованы так, чтобы ценность их была максимальной.

Революционный рост объемов перерабатываемой информации и накопленный опыт использования электронно-вычислительной техники в различных областях привели в 60-70-х годах XX века к необходимости пересмотреть такую традиционную область обработки информации, как управление данными. Новый подход к обработке информации нашел наиболее яркое отражение в концепции баз данных [17]. Автоматизированные информационные системы на основе баз данных позволили обеспечить устранение излишней избыточности хранимых данных, предоставили возможности многоаспектного поиска во взаимосвязанной совокупности именованных данных. Теперь круг решаемых в информационной системе задач не ограничивается кругом задач, сформулированных при разработке, если она основана на технологии баз данных.

С начала развития вычислительной техники образовались два основных направления ее использования [2, 5, 9]. Первое направление – применение вычислительной техники для выполнения численных расчетов, которые слишком долго или вообще невозможно производить вручную. Становление этого направления способствовало интенсификации методов численного решения сложных математических задач, развитию класса языков программирования, ориентированных на удобную запись численных алгоритмов, становлению обратной связи с разработчиками новых архитектур ЭВМ.

Второе направление – это использование средств вычислительной техники в автоматических или автоматизированных информационных системах [17]. В самом широком смысле информационная система представляет собой программный комплекс, предназначенный для надежного хранения информации, выполнения специфических для данного приложения преобразований информации и вычислений, предоставлении пользователям удобного и легко осваиваемого (дружелюбного) интерфейса. Обычно объемы информации, с которыми приходится иметь дело таким системам,

4