Этапы методологии физического проектирования баз данных:

1. Перенос глобальной логической модели данных в среду целевой СУБД.

2. Проектирование основных отношений.

3. Разработка способов получения производных данных.

4. Реализация ограничений предметной области.

5. Проектирование физического представления базы данных.

6. Анализ транзакций.

7. Выбор файловой структуры.

8. Определение индексов.

9. Определение требований к дисковой памяти.

10. Проектирование пользовательских представлений.

11. Разработка механизмов защиты.

12. Обоснование необходимости введения контролируемой избыточности.

13. Текущий контроль и настройка операционной системы.

Дополнительно

Обсуждаемая нами методология физического проектирования баз данных включает шесть основных этапов. Концептуальное и логическое проектирование охватывает три первых этапа разработки баз данных, а физическое проектировавание — этапы 4-9. Этап 4 стадии физического проектирования включает разработку основных отношений и реализацию ограничений предметной области с использованием доступных функциональных средств целевой СУБД, На этом этапе должно быть также принято решение по выбору способов получения производных данных, которые включены в модель данных.

Этап 5 включает выбор файловой организации и индексов для основных отношений. Как правило, СУБД для персональных компьютеров имеют фиксированную структуру внешней памяти, а другие СУБД предоставляют несколько альтернативных вариантов файловой организации для хранения данных. С точки зрения пользователя организация внутренней структуры хранения отношений должна быть совершенно прозрачной — пользователь должен иметь возможность получать доступ к любому отношению и к отдельным его строкам без учета способа хранения данных. Это означает, что СУБД должна обеспечивать полную независимость физического хранения данных от их логической организации. Только в этом случае внесение изменений в физическую организацию базы данных не окажет никакого влияния на работу пользователей (см. Раздел 2.1.5). Соответствие между логической моделью данных и физической моделью данных определяется внутренней схемой базы данных (см. рис. 2.1). Разработчик должен предоставить подробные физические проекты базы данных с учетом применяемой СУБД и операционной системы. В проекте реализации базы данных в СУБД разработчик должен определить структуры файлов, которые будут использоваться для представления каждого отношения. В проекте реализации базы данных в операционной системе разработчик должен указать расположение отдельных файлов и обеспечить необходимую их защиту. Прежде чем приступить к изучению этапа 5 рассматриваемой методологии, рекомендуем читателю ознакомиться со сведениями о файловой организации и структурах внешней памяти, приведенными в приложении В.

На этапе 6 необходимо принять решение о том, как должно быть реализовано каждое пользовательское представление. А на этапе 7 осуществляется проектирование средств защиты, необходимых для предотвращения несанкционированного доступа к данным, включая управление доступом к основным отношениям.

На этапе 8 анализируется также необходимость снижения уровня требований нормализации данных в логической модели, что может способствовать повышению общей производительности системы. Однако эти действия следует предпринимать только в случае реальной необходимости, поскольку введение в базу данных избыточности неизбежно вызовет появление проблем с поддержанием целостности данных. На этапе 9 описан способ организации текущего контроля операционной системы, позволяющий своевременно обнаруживать и устранять все проблемы производительности, которые могут быть решены на уровне проекта, а также учитывать новые или изменившиеся требования.

В приложении Е приводится обобщенное формальное описание методологии разработки баз данных, предназначенное для тех читателей, которые уже хорошо знакомы с теорией и нуждаются лишь в общем обзоре основных этапов проектирования.

Проектирование физического представления базы данных

Определение оптимальной файловой структуры для хранения базовых отношений и индексов, необходимых для достижения приемлемой производительности. Иными словами, определение способа хранения отношений и кортежей во вторичной памяти.

1. Анализ транзакций

Определение функциональных характеристик транзакций, которые будут выполняться в проектируемой базе данных, и выделение наиболее важных из них.

2. Выбор файловой структуры

Определение наиболее эффективной файловой структуры для каждого базового отношения.

3. Выбор индексов

Определение того, будет ли добавление индексов способствовать повышению производительности системы.

4. Определение требований к дисковому пространству

Оценка объема дискового пространства, необходимого для размещения базы данных.

4. Основы физической организации баз данных.

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.