• 1.1. Інформація й дані
• 1.2. Інформаційні системи
• 1.3. Основні підходи до обробки інформації в автоматизованих інформаційних системах
• 1.4. Бази даних і системи керування базами даних
  • 1.4.1. Визначення поняття
  • 1.4.2 Архітектура БД
    • 1.4.2.2. Зовнішній рівень
    • 1.4.2.3. Внутрішній рівень
    • 1.4.2.4. Відображення
  • 1.4.5 Системи керування базами даних
• 1.5 Поняття моделі даних

1.1. Інформація й дані

Перш ніж перейти до обговорення поняття інформаційної системи (ІС), спробуємо з'ясувати, що ж розуміється під словом "інформація". Відповісти на це питання і просто, і складно: слово "інформація" пов'язане із широким колом понять.

Змістовна сторона поняття "інформація" дуже багатогранна й не має чітких семантичних меж. Однак завжди можна сказати, що можна з нею робити. Саме відповідь на це запитання найчастіше й цікавить як системних аналітиків і розроблювачів ІС, так і користувачів інформації (її основних споживачів).

З погляду як користувачів, так і розроблювачів ІС в інформації є одна важлива властивість - вона є одиницею даних, яка підлягає обробці. Звичайно інформація надходить споживачеві саме у вигляді даних: таблиць, графіків, малюнків, фільмів, усних повідомлень, які фіксують у собі інформацію певної структури й типу. Таким чином, дані виступають як засіб подання інформації у певній, фіксованій формі, придатній для обробки, зберігання й передачі. Хоча дуже часто терміни "інформація" й "дані" виступають як синоніми, варто пам'ятати про цю їхню істотну відмінність. Саме в даних інформація знаходить інтерпретацію у конкретній ІС.

При згадуванні про "форму" подання інформації варто сказати ще про одну, "людську" властивість інформації - її сприйняття різними категоріями людей. Дані можуть бути згруповані спільно у документ. Документ може мати або не мати певної внутрішньої структури. Дані можуть бути відображені на екрані дисплея комп'ютера. Документи можуть мати аудіо- або відеоформу. Розробляючи ІС, ніколи не слід забувати, для кого вони (системи) створюються і хто буде їх використовувати. Форма подання інформації в ІС визначає також і категорії користувачів. ІС створюються для конкретних груп користувачів, тобто вони, як правило, проблемно-орієнтовані.

Інформація є даними, яким надається деякий зміст (інтерпретація) у конкретній ситуації у рамках деякої системи понять. Інформація подається за допомогою кодування даних і здобувається шляхом їхнього декодування та інтерпретації.

У цьому визначенні фіксується три основних перетворення інформації й даних у процесі їхньої обробки в ІС: інформація – дані, дані – дані, дані – інформація.

На рис. 1.1 наведені дві сторони визначення поняття інформації: функціональна й представницька. Перша загалом визначає коло дій над інформацією, а друга – результат виконання цих дій.

Рисунок 1.1 – Зміст поняття "інформація"

1.2. Інформаційні системи

Основною метою створення ІС є задоволення інформаційних потреб користувачів шляхом надання необхідної їм інформації на основі збережених даних. Потреба в інформації як такій не вичерпує поняття інформаційних потреб. Звичайно в поняття інформаційних потреб включають певні вимоги до якості інформаційного обслуговування й поводження системи в цілому (продуктивність, актуальність і надійність даних, орієнтація на користувача та ін.).

Під інформаційною системою розуміється організаційна сукупність технічних засобів, технологічних процесів і кадрів, що реалізують функції збору, обробки, зберігання, пошуку, видачі й передачі інформації.

Необхідність підвищення продуктивності праці у сфері інформаційної діяльності приводить до того, що в якості зовнішніх засобів зберігання й швидкого доступу до інформації найчастіше використовуються засоби обчислювальної техніки (цифровий і аналоговий) на основі комп'ютерів. Сучасні ІС - складні комплекси апаратних і програмних засобів, технології й персоналу, які ще називають автоматизованими інформаційними системами. Структурно ІС містять у собі апаратне (hardware), програмне (software), комунікаційне (netware), проміжного шару (middleware), лінгвістичне й організаційно-технологічне забезпечення.

Апаратне забезпечення ІС містить у собі широкий набір засобів обчислювальної техніки, передачі даних, а також цілий ряд спеціальних технічних пристроїв (пристрою графічного відображення інформації, аудио- і відеопристрою, засобу мовного уведення й т.д.). Апаратне забезпечення є основою будь-якої ІС.

Комунікаційне (мережне) забезпечення містить у собі комплекс апаратних мережних комунікацій і програмних засобів підтримки комунікацій в ІС. Воно має істотне значення при створенні розподілених ІС й ІС на основі Інтернету.

Програмне забезпечення ІС забезпечує реалізацію функцій введення даних, їх розміщення на носіях, модифікації даних, доступ до даних, підтримку функціонування устаткування. Програмне забезпечення можна розділити на системне (яке завершує процес вибору апаратно-програмного рішення або платформи) і користувацьке (яке застосовується для вирішення завдань задоволення потреб користувача у комп'ютерному середовищі).

Лінгвістичне забезпечення ІС призначене для вирішення завдань формалізації змісту повнотекстової і спеціальної інформації для створення пошукового образу даних (профілю). У класичному змісті звичайно воно включає процедури індексування текстів, їхню класифікацію і тематичну рубрикацію. Найчастіше ІС, що містять складно-структуровану інформацію, містять у собі тезауруси термінів і понять. Сюди можна віднести й створення процесорів спеціалізованих формальних мов кінцевих користувачів, наприклад, мов для маніпулювання бухгалтерською інформацією і т.д. Найчастіше працям з розроблення лінгвістичного забезпечення не надається належного значення. Подібні недогляди найчастіше призводять до несприйняття користувачами самої інформації. Це стосується в першу чергу вузько спеціалізованих ІС.

У міру зростання складності і масштабів ІС важливу роль починає відігравати організаційно-технологічне забезпечення, що з'єднує різнорідні компоненти (апаратури, програми й персонал) у єдину систему й забезпечує процедури її керування й функціонування. Недооцінка цієї складової ІС найчастіше призводить до зриву строків впровадження системи й виведення її на виробничі потужності.

На рис. 1.2 наведені функції ІС через її основні структурні компоненти.

Рисунок 1.2 – Визначення інформаційної системи

1.3. Основні підходи до обробки інформації в автоматизованих інформаційних системах

Одним з головних питань розроблення програмного забезпечення ІС є питання про співвіднесення програм і даних, тому що вирішення цього питання, в остаточному підсумку, визначає вибір алгоритмів обробки інформації, апаратних засобів і технологічної платформи. Фундаментальним принципом у вирішенні питання про співвіднесення програм і даних є концепція незалежності прикладних програм від даних, і неважливо, яка обробка даних передбачається: централізована або розподілена. Суть цієї концепції полягає не стільки у відділенні програм від даних, скільки у розгляді їх як самостійних взаємодіючих об'єктів.

Однією з останніх модифікацій цього принципу є концепція незалежності прикладних програм від даних разом із процедурами їхньої обробки (об’єктно-орієнтований підхід у програмуванні), що дозволяє вирішити ряд питань обробки даних, пов'язаних з інтерпретацією семантичного змісту даних.

Формування концепції БД і створення на її основі методу баз даних для вирішення завдань обробки інформації відбулося у 1962 році. До середини 60-х років минулого століття основною концепцією побудови програмного забезпечення були концепція файлової системи і так званий позадачний метод. Наприкінці 80-х років минулого століття була запропонована концепція об’єктно-орієнтованих баз даних й об’єктно-орієнтований підхід розроблення програм на основі обробки подій. На рис.1.3 наведені основні ознаки для кожної з зазначених вище концепцій. На рис. 1.4 проведене зіставлення основних методів обробки даних.

 

Рисунок 1.3 – Основні концепції обробки інформації

Рисунок 1.4 – Основні проблеми методів обробки інформації

Основний зміст позадачного методу зводиться до декомпозиції програми зі своїми окремими блоками даних та алгоритмами; методу баз даних – до наявних окремих описів логічної структури даних та єдиної точки зору щодо процедури обробки даних;  об'єктно- орієнтованого методу – полягає в тому, що програми розглядаються як сукупність об'єктів, між якими відбувається обмін інформацією.

Об'єкту притаманні такі властивості:

• інкапсуляція – об'єкти наділяються структурою й мають певне поводження (набором операцій). Операції над об'єктами становлять його методи. Структура об'єкта захована від користувача, що маніпулює об'єктом через його операції. Об'єкт розглядається як абстракція реального світу Для того щоб об'єкт виконав деяку дію, йому потрібно надіслати повідомлення. Об'єкт взаємодіє з іншими об'єктами через події;
• спадкування – являє собою механізм, що дозволяє робити одні об'єкти з інших, при цьому властивості батьківського об'єкта зберігаються у нащадка;
• поліморфізм – різні об'єкти можуть одержувати однакові повідомлення, але реагувати на них по-різному відповідно до реалізації своїх однойменних методів.

Отже, при розробленні автоматизованих ІС слід пам’ятати:

• ІС створюються для конкретних груп користувачів, тобто вони є проблемно-орієнтовані;
• основною метою створення ІС є задоволення інформаційних потреб користувачів шляхом надання необхідної їм інформації на основі збережених даних;
• сучасні ІС - складні комплекси апаратних і програмних засобів, технології й персоналу, які ще називають автоматизованими інформаційними системами;
• дотримання концепції незалежності прикладних програм від даних разом із процедурами їхньої обробки (об’єктно-орієнтований підхід у програмуванні) дозволяє вирішити ряд питань обробки даних, пов'язаних з інтерпретацією семантичного змісту даних;
• ІС працює з упорядкованими взаємозалежними даними, які зберігаються з мінімальною надлишковістю та становлять базу даних. Системою керування базами даних називається сукупність програмних засобів, необхідних для використання БД і подання розробникам і користувачам безлічі різних подань даних.

1.4. Бази даних і системи керування базами даних

1.4.1. Визначення поняття

 

Базу даних у загальному випадку можна визначити як уніфіковану сукупність збережених і відтворених даних, що використовуються у рамках організації (EnglesR.A., 1972 р.). Однак поняття БД не ґрунтується в цей час на єдиній концепції, скоріше це ціле сімейство пов'язаних між собою понять з ПО, програмного й апаратного забезпечення, аналізу й моделювання даних і додатків. Існує кілька визначень БД.

База даних (за Дж. Мартіном) є сукупністю взаємозалежних даних, які спільно використовуються декількома додатками й зберігаються з мінімальною регульованою надлишковістю. Дані запам'ятовуються таким чином, щоб вони у міру можливості не залежали від програм. Для обробки даних застосовується загальний керуючий метод доступу. Якщо БД не перетинаються за структурою, то говорять про систему баз даних.

База даних (відповідно до матеріалів комітету КОДАСІЛ) складається зі всіх екземплярів записів, екземплярів наборів записів і областей, які контролюються конкретною схемою. Під схемою можна розуміти карту всієї логічної структури БД.

Для розроблювача ІС істотним моментом при використанні концепції баз даних (БД) є та обставина, що дані стають певним чином організовані, здобувають якусь упорядкованість і внутрішню структуру, а також те, що є деякий набір уніфікованих операцій обробки даних і декларативних засобів подання даних. До таких операцій варто віднести операції "Вставити" (Insert), "Додати" (Add), "Видалити" (Delete) і ряд інших. До декларативних засобів подання даних варто віднести мови визначення даних. Тобто використання даної концепції при створенні ІС припускає наявність мови визначення даних і мови маніпулювання даними, а також правил побудови інтерфейсів програм (додатків)із БД і користувачем.

Такий розподіл засобів маніпулювання даними і їхнього подання є деякою мірою умовним. Мова визначення даних служить для опису логічної структури (схеми) БД, а в деяких випадках і способів зберігання й доступу до даних. Мова маніпулювання даними надає алгоритмічні засоби побудови додатків для обробки елементів даних, які зберігаються в БД.

1.4.2 Архітектура БД

Основною ідеєю специфікації ANSI SPARC є виділення трьох архітектурних рівнів бази даних, а саме: зовнішнього, концептуального та внутрішнього (рис. 1.5).

Рисунок 1.5 - Трьорівнева архітектура СКБД

4.2.1. Концептуальний рівень

На концептуальному рівні здійснюється інтегрований опис предметної області, для якої розробляється БД, незалежно від її сприйняття окремими користувачами та способів реалізації в комп’ютерній системі. Дамо означення основних понять, що використовуються на концептуальному рівні.

Предметна область (ПО) - частина реального світу, для якої здійснюється концептуальне моделювання.

Концептуальна модель ПО формальне зображення сукупності думок, які характеризують можливі стани ПО, а також переходи з одного стану в інший (включно з класифікацією наявних у ПО сутностей, чинних правил, законів, обме­жень тощо)

Концептуальне моделювання ПО процес побудови концептуальної моделі ПО, яка б відображувала ПО з урахуванням вимог, висунутих до цього процесу

Концептуальна схема - фіксація концептуальної моделі ПО засобами кон­кретних мов моделювання даних. У СКБД концептуальна модель подається у вигляді концептуальної схеми.

Опишемо властивості концептуальної моделі (схеми) й характерні особливості концептуального моделювання:

• Спільне та однозначне тлумачення предметної області всіма зацікавленими особами.
• Концептуальна схема відображує лише концептуально важливі аспекти ПО, виключаючи будь-які аспекти зовнішнього або внутрішнього відображення даних. Ця модель не повинна відображувати конкретні потреби окремих користувачів або додатків. Вона має фіксувати, чим є ПО в цілому, а не з точки зору інтересів або потреб користувачів.
• Визначення допустимих меж еволюції бази даних. У процесі експлуатації база даних може розвиватися, проте цей розвиток може відбуватися тільки в межах, допустимих для концептуальної схеми.
• Відображення зовнішніх схем на внутрішню. Саме через концептуальну схему зовнішні дані відображуються на внутрішні, й навпаки. В такий спосіб створюється єдина основа для опису даних і підтримки цих відображень.
• Забезпечення незалежності даних. Наявність відображень концептуальний- зовнішній і концептуальний-внутрішній дає змогу вирішувати проблему логічної та фізичної незалежності даних. Будь-які зміни в тій чи іншій зовнішній моделі не повинні спричиняти зміни в концептуальній або внутрішній моделях. У цьому випадку має змінитися тільки відповідне відображення «концепту альний-зовнішній». Аналогічно, будь-які зміни у внутрішній моделі не зачіпають концептуальну модель і моделі зовнішнього рівня, а тільки приводять до змін відображення «концептуальний-внутрішній».
• Централізоване адміністрування. Саме через концептуальну схему здійснюється адміністрування баз даних.
• Стійкість. Концептуальна схема не має підладжуватися до вимог тих чи ін­ших користувачів (зовнішній рівень) або до вимог зберігання даних (внутрішній рівень). Будучи моделлю ПО, вона має змінюватися тільки тоді, коли входить у суперечність із нею.

1.4.2.2. Зовнішній рівень

Через зовнішній рівень користувачі та додатки отримують доступ до бази даних. Мета зовнішнього рівня - надати користувачу/додатку лише ті дані, які йому потрібні (а отже, до яких дозволений доступ) і в потрібному вигляді. Це індивідуальний рівень користувача, яким може бути кінцевий користувач, про­граміст чи додаток.

Зовнішня модель - це засоби зображення концептуальної моделі ПО з ураху­ванням інтересів конкретних користувачів або додатків. Кожна зовнішня модель подається в СКБД у вигляді зовнішньої схеми.

Зовнішній рівень виконує такі функції:

• Забезпечує зображення даних зручним для людини або додатку способом. Ступінь незалежності зовнішнього зображення від концептуального рівня визначається потужністю засобів опису відображення «концептуальний- зовнішній».
• Сприяє вирішенню проблеми безпеки (захисту) даних. Надаючи користувачу лише ті дані, що його цікавлять, ми залишаємо поза межами його доступу решту даних.
• Сприяє вирішенню проблеми логічної незалежності даних Це досягається завдяки відображенню «концептуальний-зовнішній», що встановлює відповідність між концептуальною схемою і конкретною зовнішньою схемою. Потужність його засобів визначає ступінь логічної незалежності додатків від даних.

1.4.2.3. Внутрішній рівень

Внутрішня модель є відображенням концептуальної моделі ПО з урахуванням способів зберігання даних і методів доступу до них. Внутрішня модель відобра­жується в СКБД у вигляді внутрішньої схеми. Доступ до фізичної пам’яті надається за допомогою опису відображень внутрішньої моделі на фізичну пам’ять операційної системи.

Загалом внутрішній рівень виконує такі функції:

• Забезпечує налаштування бази даних для підвищення продуктивності обробки даних, опису й підтримки планованої надлишковості.
• Дає змогу описувати й підтримувати структури зберігання та методи доступу.
• Сприяє вирішенню проблеми фізичної незалежності даних: зміни у внутрішній схемі не повинні призводити до змін у зовнішній схемі.
• Сприяє вирішенню проблеми безпеки (захисту) даних.
• Вирішує проблему відображення даних на структури ОС, у яких дані збері­гаються (до таких структур належать зокрема файли).

1.4.2.4. Відображення

Відображення зовнішнього рівня на концептуальний і концептуального рівня на внутрішній показані на рис. 1.5. Відображення «зовнішній-концептуальний» визначає відповідність між зовнішнім рівнем і концептуальним. Незалежність зовнішньої схеми, відтак і ступінь логічної незалежності даних, обумовлюються потужністю засобів опису цих відображень. Тобто можна описувати або змінювати зовнішню схему тільки в тих межах, які допускає це відображення.

Подібне можна сказати і про відображення «концептуальний-внутрішній», яке встановлює відповідність між концептуальною і внутрішньою моделями. Потуж­ність його засобів визначає ступінь фізичної незалежності додатків від даних Будь-які зміни у фізичній структурі не повинні призводити до змін у концептуальній моделі – змінюється лише відображення «концептуальний-внутрішній».

За створення і ведення схем усіх рівнів (концептуальної, зовнішньої і внут­рішньої), а також відображень відповідає адміністратор бази даних.

1.4.5 Системи керування базами даних

У разі застосування концепції БД для створення ІС природно виникає питання: хто або що повинне все це підтримувати? Таким чином, постає питання про Систему керування базою даних (СКБД). СКБД є складними програмними системами, що працюють на різних операційних платформах. Саме СКБД повинна надати засоби визначення й маніпулювання даними, зробивши дані незалежними від прикладних програм, що їх використовують.

До основних функцій СКБД слід віднести:

• забезпечення мовних засобів опису та маніпуляції даними;
• забезпечення підтримки логічної моделі даних;
• забезпечення взаємодії логічної та фізичної структур даних;
• забезпечення захисту та цілісності даних;
• забезпечення підтримки БД в актуальному стані.

Системою керування базами даних (Data-base Management System) називається сукупність програмних засобів, необхідних для використання БД і подання розробникам і користувачам безлічі різних подань даних.

1.5 Поняття моделі даних

Подання інформації за допомогою даних вимагає уніфікованого підходу до поняття даних як незалежного об'єкта моделювання. Тому для розробника ІС вибір відповідної моделі даних є однією з найважливіших проблем. Вибір моделі даних спричиняє вибір засобів аналізу ПО як області реального світу, що підлягає вивченню й обробці. Модель даних обмежує можливість вибору СКБД, тому що, як правило, окремо взята модель підтримує певну модель даних. Таким чином, поняття моделі даних є одним з фундаментальних понять інформатики, від якого багато в чому залежать механізми реалізації ІС як програмно-апаратного комплексу.

Основою для будь-якої структури даних є відображення елементарної одиниці даних у вигляді такої трійки: <об’єкт, властивість об’єкта, значення властивості>. Сукупність взаємопов’язаних між собою елементарних одиниць даних може відображуватися різноманітними способами, що приводить до формування різних структур, а відтак - різних моделей даних. Моделі даних поділяються на два класи: сильно та слабко типізовані

У сильно типізованих моделях усі дані мають належати до певної категорії, або типу. Якщо дані не підпадають під жодну з категорій, їх потрібно типізувати штучно. Деякі моделі будуються у такий спосіб, що категорії визначаються наперед і не можуть змінюватися динамічно. У цьому випадку модельований світ начебто вміщується в гамівну сорочку. Наприклад, категорія «службовець» — строго фіксована, й усі її об’єкти повинні мати однакові властивості та структуру.

Сильно типізовані моделі мають значні переваги, бо дають змогу побудувати абстракції властивостей даних і дослідити їх у термінах категорій. Більшість моделей, що використовуються в автоматизованих системах, зокрема й базах даних, належать до сильно типізованих.

Для слабко типізованих моделей належність даних до тієї чи іншої категорії не має жодного значення. Категорії використовуються настільки, наскільки це доцільно в кожному конкретному випадку. Окремі дані можуть існувати як незалежно, так і у зв’язку з іншими. Інформація про категорії (якщо вони використовуються) розглядається як додаткова. На відміну від сильно типізованих моделей, слабко типізовані забезпечують інтеграцію даних і категорій. Найкращі можливості такої інтеграції надаються численням предикатів, яке у багатьох моделях даних використовується для зображення знань, що не підтримуються базовими засобами моделювання.

Модель даних (Data Model) є логічною структурою даних, що становить притаманні цим даним властивості, незалежні від апаратного й програмного забезпечення й не пов'язані з функціонуванням комп'ютера.

Можна розглянути кілька аспектів моделювання в обробці даних:

• інформаційне моделювання:
• концептуальне моделювання (моделювання семантики ПО);
• логічне моделювання даних;
• фізичне моделювання:
• створення моделей доступу до даних;
• оптимізація фізичної організації даних в апаратному середовищі.

На рис. 1.6 ілюструється загальний зміст поняття моделі даних на цей час.

Рисунок 1.5 – Подання про інформаційну модель даних

Основні типи моделей та їх еквівалентність

Наявність у СКБД певної структури даних приводить до поняття баз структурованих даних, тобто дані в таких БД повинні бути представлені як сукупність взаємозалежних елементів. Слід мати на увазі, що для кожного типу БД використовуються відповідні моделі даних.

У цей час для баз структурованих даних розрізняють три основні типи логічних моделей даних залежно від характеру підтримуваних ними зв'язків між елементами даних - мережну, ієрархічну й реляційну. Ознаками класифікації у цих моделях є: ступінь твердості (фіксації) зв'язку, математичне подання структури моделі і припустимих типів даних (див. таблицю 1.1).

Рис. 1.7 ілюструє особливості кожної моделі даних. При зіставленні моделей варто пам'ятати, що всі вони теоретично еквівалентні. Еквівалентність моделей полягає в тому, що вони можуть бути зведені одна до одної шляхом формальних перетворень.

Таблиця 1.1 – Загальні характеристики моделей даних

Модель даних	Характер зв'язків між об'єктами	Формальне подання
Мережева	Напівтверді зв'язки	Довільний граф
Ієрархічна	Тверді зв'язки	Деревоподібна структура
Реляційна	Мінливі зв'язки	Плоский файл

 

 

 

 

 

Рисунок 1.7 - Основні типи моделей даних