Несколько клиентов могут использовать один и тот же сервер (действительно, это довольно обычная ситуация)

1.         Несколько клиентов могут использовать один и тот же сервер (действительно, это довольно обычная ситуация).

2.         Один клиент может осуществить доступ к нескольким серверам. Эта ситуация может быть реализована двумя путями.

2.1.     Клиент в заданный момент времени может осуществить доступ только к одному серверу, т.е. каждый отдельный запрос к базе данных должен быть направлен только к одному серверу и внутри одного запроса нельзя комбинировать данные, размещенные на двух или более серверах. Кроме того, пользователь должен знать, какие данные и на каких серверах хранятся.

2.2.     Клиент в заданный момент времени может осуществить доступ к нескольким серверам, т.е. в отдельном запросе к базе данных могут комбинироваться данные, размещенные на двух или более серверах. Это значит, что данные для пользователя выглядят так, как если бы они действительно были размещены на одном сервере. В таком случае пользователю не нужно знать, какие данные и на каких серверах хранятся.

Второй способ, по сути, является формулировкой истинной распределенной системы, смысл которой не соответствует широко распространенному смыслу термина "клиент/сервер".

Литература:

 

1.         Дейт К.Дж. Введение в системы баз данных. –Пер. с англ. –6-е изд. –К. Диалектика, 1998. Стр. 564–590.

ЛЕКЦИЯ 17.       Современные постреляционные модели БД

17.1 Системы управления базами данных следующего поколения

17.2 Ориентация на расширенную реляционную модель

17.3 Объектно-ориентированные СУБД

 

17.1      Системы управления базами данных следующего поколения

В этом разделе очень кратко рассматриваются основные направления исследований и разработок в области так называемых постреляционных систем, т.е. систем, относящихся к следующему поколению (хотя термин "next-generation DBMS" зарезервирован для некоторого подкласса современных систем).

Хотя отнесение СУБД к тому или иному классу в настоящее время может быть выполнено только условно (например, иногда объектно-ориентированную СУБД O2 относят к системам следующего поколения), можно отметить три направления в области СУБД следующего поколения. Чтобы не изобретать названий, будем обозначать их именами наиболее характерных СУБД.

1.         Направление Postgres. Основная характеристика: максимальное следование (насколько это возможно с учетом новых требований) известным принципам организации СУБД (если не считать коренной переделки системы управления внешней памятью).

2.         Направление Exodus/Genesis. Основная характеристика: создание собственно не системы, а генератора систем, наиболее полно соответствующих потребностям приложений. Решение достигается путем создания наборов модулей со стандартизованными интерфейсами, причем идея распространяется вплоть до самых базисовых слоев системы.

3.         Направление Starburst. Основная характеристика: достижение расширяемости системы и ее приспосабливаемости к нуждам конкретных приложений путем использования стандартного механизма управления правилами. По сути дела, система представляет собой некоторый интерпретатор системы правил и набор модулей-действий, вызываемых в соответствии с этими правилами. Можно изменять наборы правил (существует специальный язык задания правил) или изменять действия, подставляя другие модули с тем же интерфейсом.

В целом можно сказать, что СУБД следующего поколения - это прямые наследники реляционных систем.

17.2      Ориентация на расширенную реляционную модель

Одним из основных положений реляционной модели данных является требование нормализации отношений: поля кортежей могут содержать лишь атомарные значения. Для традиционных приложений реляционных СУБД – банковских систем, систем резервирования и т.д. – это вовсе не ограничение, а даже преимущество, позволяющее проектировать экономные по памяти БД с предельно понятной структурой.

Однако с появлением эффективных реляционных СУБД их стали пытаться использовать и в менее традиционных прикладных системах – САПР, системах искусственного интеллекта и т.д. Такие системы обычно оперируют сложно структурированными объектами, для реконструкции которых из плоских таблиц реляционной БД приходится выполнять запросы, почти всегда требующие соединения отношений.

Приведение исходного табличного представления предметной области к "плоскому" виду является обязательным первым шагом в процессе проектирования реляционной базы данных на основе принципов нормализации. С другой стороны, абсолютно очевидно, что такое "уплощение" таблиц хотя и является необходимым условием получения неизбыточной и "правильной" схемы реляционной базы данных, в дальнейшем потенциально вызывает выполнение многочисленных соединений, наличие которых может свести на нет все преимущества "хорошей" схемы базы данных.

В "ненормализованных" реляционных моделях данных допускается хранение в качестве элемента кортежа кортежей (записей), массивов (регулярных индексированных множеств данных), регулярных множеств элементарных данных, а также отношений. При этом такая вложенность может быть, по существу, неограниченной. К настоящему времени фактически полностью сформировано теоретическое основание реляционных баз данных с отказом от нормализации.

17.2.1     Абстрактные типы данных

Одной из наиболее известных СУБД третьего поколения является система Postgres, (создатель этой системы М.Стоунбрекер).Одно свойство системы Postgres сближает ее со свойствами объектно-ориентированных СУБД. В Postgres допускается хранение в полях отношений данных абстрактных, определяемых пользователями типов.

17.2.2     Генерация систем баз данных, ориентированных на приложения

Идея очень проста: никогда не станет возможно создать универсальную систему управления базами данных, которая будет достаточна и не избыточна для применения в любом приложении. Например, если посмотреть на использование универсальных коммерческих СУБД, то можно легко увидеть, что по крайней мере в 90% случаев применяется не более чем 30% возможностей системы. Тем не менее, приложение несет всю тяжесть поддерживающей его СУБД, рассчитанной на использование в наиболее общих случаях.

Поэтому очень заманчиво производить не законченные универсальные СУБД, а нечто вроде компиляторов (сompiler compiler), позволяющих собрать систему баз данных, ориентированную на конкретное приложение (или класс приложений). Существуют как минимум два экспериментальных прототипа таких систем – Genesis и Exodus.

17.2.3     Поддержка исторической информации и темпоральных запросов

Обычные БД хранят мгновенный снимок модели предметной области. Любое изменение в момент времени t некоторого объекта приводит к недоступности состояния этого объекта в предыдущий момент времени. Самое интересное, что на самом деле в большинстве развитых СУБД предыдущее состояние объекта сохраняется в журнале изменений, но возможности доступа со стороны пользователя нет.

Конечно, можно явно ввести в хранимые отношения явный временной атрибут и поддерживать его значения на уровне приложений. Более того, в большинстве случаев так и поступают. Недаром в стандарте SQL появились специальные типы данных date и time. Но в таком подходе имеются несколько недостатков: СУБД не знает семантики временного поля отношения и не может контролировать корректность его значений; появляется дополнительная избыточность хранения (предыдущее состояние объекта данных хранится и в основной БД, и в журнале изменений); языки запросов реляционных СУБД не приспособлены для работы со временем.

Существует отдельное направление исследований и разработок в области темпоральных БД. В этой области исследуются вопросы моделирования данных, языки запросов, организация данных во внешней памяти и т.д. Основной тезис темпоральных систем состоит в том, что для любого объекта данных, созданного в момент времени t1 и уничтоженного в момент времени t2, в БД сохраняются (и доступны пользователям) все его состояния во временном интервале [t1,t2].

17.3      Объектно-ориентированные СУБД

Направление объектно-ориентированных баз данных (ООБД) возникло сравнительно давно. Публикации появлялись уже в середине 1980-х. Однако наиболее активно это направление развивается в последние годы. С каждым годом увеличивается число публикаций и реализованных коммерческих и экспериментальных систем.

В компьютерных технологиях сегодня отчетливо просматривается стремление с минимальными потерями перенести в виртуальный мир объекты мира реального. Объектно-ориентированная СУБД – именно то средство, которое обеспечивает запись объектов в базу данных "как есть". Данное обстоятельство стало решающим аргументом в пользу выбора ООСУБД для переноса семантики объектов и процессов реального мира в сферу информационных систем.

Использование объектного подхода к проектированию систем поднимает роль ООСУБД как средства для наиболее естественного хранения и манипулирования создаваемыми объектами. Несмотря на наличие многих теоретических проблем, ключевой из которых, безусловно, является сложность строгой формализации объектной модели данных, многие эксперты полагают, что за этими системами будущее.

Единого мнения по поводу того, как конкретно следует организовывать ООСУБД, нет. Тем не менее, можно указать ряд непременных свойств, которым они должны удовлетворять. Эти свойства продекларированы в "Манифесте систем объектно-ориентированных баз данных", а впоследствии закреплены в документах ODMG, организации, объединяющей ведущих производителей ООСУБД, ставящей своей целью выработать стандарты, соблюдение которых обеспечивало бы переносимость приложений. Используемая в статье терминология отражает требования стандарта ODMG 2.0, однако при описании примеров, взятых из различных коммерческих ООСУБД, авторы в первую очередь опирались на документацию соответствующих производителей.

17.3.1     Модель данных ООБД

В соответствии со стандартом ODMG 2.0 объектная модель

Базовыми примитивами являются объекты и литералы. Каждый объект имеет уникальный идентификатор, литерал не имеет идентификатора.

1.         Объекты и литералы различаются по типу. Все элементы одного типа имеют одинаковый диапазон изменения состояния (множество свойств) и одинаковое поведение (множество определенных операций). Объект, на который можно установить ссылку, называется экземпляром; он хранит определенный набор данных.

2.         Состояние объекта определяется набором значений, реализуемых множеством свойств. Этими свойствами могут быть атрибуты объекта или связи между объектом и одним или несколькими другими объектами.

3.         Поведение объекта определяется набором операций, которые могут быть выполнены над объектом или самим объектом. Операции могут иметь список входных и выходных параметров строго определенного типа. Каждая операция может также возвращать типизированный результат.

4.         База данных хранит объекты, позволяя совместно использовать их различным пользователям и приложениям. База данных основана на схеме данных, определяемой языком определения данных, и содержит экземпляры типов, определенных схемой.

 

рис. 17.1. Основные элементы ООСУБД.

Каждый тип имеет внешнюю спецификацию и одну или несколько реализации. Спецификация определяет внешние характеристики типа: пользователю для работы с объектом предоставляется набор операций и набор атрибутов объекта, при помощи которых можно работать с реальными экземплярами. Реализация определяет внутреннее содержание объектов, например операции.

Тип также является объектом. Поддерживается иерархия супертипов и подтипов, реализуя стандартный механизм объектно-ориентированного программирования – наследование.

ООСУБД обслуживает множество баз данных, каждая из которых содержит определенное множество типов. В базах данных могут содержаться объекты соответствующего типа из этого множества. Тип имеет набор свойств, а объект характеризуется состоянием в зависимости от значения каждого свойства. Операции, определяющие поведение типа, едины для всех объектов одного типа. Свойство едино для всего типа, а все объекты типа также имеют одинаковый набор свойств. Значение свойства относится к конкретному объекту.

17.3.2     Идентификатор объекта

Каждый объект в базе данных уникален. Существует несколько подходов для идентификации объекта. Самый простой – присвоить ему уникальный номер (OID – object identificator) в базе и никогда больше не повторять этот номер, даже если пре базах могут оказаться объекты одного класса, а уникальность номеров соблюдается только в пределах одной базы. Преимущество подхода – в простоте извлечения объектов нужного класса: объекты одного класса будут иметь идентификатор, имеющий общую часть. Идеальный же вариант – использование OID, состоящего из трех частей: номер базы, номер класса, номер объекта. Однако и при этом остается вопрос о том, как обеспечить уникальность номеров баз и классов на глобальном уровне – при использовании ООСУБД на различных платформах, в разных городах и странах.

17.3.3     Новые типы данных

Одним из принципиальных отличий объектных баз данных от реляционных является возможность создания и использования новых типов данных. Концептуально объект характеризуется поведением и состоянием. Определение типа заключается в определении поведения, т.е. операций, которые могут быть выполнены объектом или над состоянием объекта – набором атрибутов определенных типов (атрибут может иметь любой объявленный в базе тип). Важная особенность ООСУБД состоит в том, что создание нового типа не требует модификации ядра базы и основано на принципах объектно-ориентированного программирования: инкапсуляции, наследовании, перегрузке операций и позднем связывании.

табл. 17.1. Различие атрибутов типа и объекта

Атрибуты типа	Значение атрибутов типа	Значение атрибутов объекта
Название подразделения	Подразделение учета входящей корреспонденции	Нет
Название входящего документа	Нет	Постановление правительства № 357
		Запрос на уточнение данных о продукте
		Поздравление с праздником

Как правило, в ООСУБД для объектов, которые предполагается хранить в базе, (постоянные объекты), требуется, чтобы их предком был конкретный базовый тип, определяющий все основные операции взаимодействия с сервером баз данных.

Поэтому для создания своего типа необходимо унаследовать свойства любого имеющегося типа, наиболее подходящего по своему поведению и состоянию к типу, который требуется получить, расширить недостающие операции и атрибуты и переопределить, по необходимости, уже имеющиеся.

Пример на рис. 17.2 иллюстрирует возможность наращивания типа "Человек", который может быть "Мужчиной", "Женщиной", "Взрослым" или "Ребенком". Соответственно возможны попарные пересечения этих типов. Каждый из этих типов может иметь свой набор свойств и операций. Любой объект типа "Мужчина", "Женщина", "Взрослый" или "Ребенок" является объектом типа "Человек". Аналогично объект подтипа "Мужчина Взрослый", полученного наследованием типов "Мужчина" и "Взрослый" является человеком, мужского пола, взрослым и, соответственно, может пользоваться свойствами и операциями всех своих супертипов.

рис. 17.2. Пример наследования типов.

Функционирование базы основано на схеме данных. Как уже отмечалось в определении объектной модели, любой тип является объектом, следовательно, схемы данных являются уровнем интерпретации специфических служебных объектов, использующих свойства этих объектов как схему для создания новых типов. Схема данных может быть как первичной, для создания классов, которые собирается использовать программист, так и вторичной, выделяемой из созданных на языке программирования (скажем, на C++) классов и загружаемой в базу. Язык ODL разработан ODMG как универсальный язык описания объектов и не претендует на то, чтобы называться полноценным языком программирования. Для целей разработки этой же организацией предусмотрены элементы расширения классических объектных языков C++, Smalltalk, Java, позволяющих описать структуру объектов, их связи и типы связей.

В объектных базах данных также различают два вида операций и атрибутов, распространяющих свое действие только на конкретный экземпляр или на весь тип.

В примере из табл. 17.1 определен тип "Подразделение учета входящей корреспонденции", атрибут "Название подразделения". Все объекты входящей корреспонденции данного подразделения могут относиться только к этому подразделению и, для того, чтобы не засорять базу данных лишней информацией, название подразделения хранится в коде пользовательских программ, а не в объектах, хранимых в базе. Это справедливо в том случае, если название подразделения не меняется.

Для атрибутов объектов, значение которых может меняться, такой механизм не подходит: атрибут "Название входящего документа" в различных экземплярах может иметь различные значения. Аналогичный механизм применим и для операций: пользователь может определять операции для конкретного экземпляра. Базы данных, которые могут хранить код операции в экземпляре типа и способны его выполнить, называются активными объектными базами.

17.3.4     Оптимизация ядра СУБД

Ядро ООСУБД оптимизировано для операций с объектами. Естественными операциями для него являются кэширование объектов, ведение версий объектов, разделение прав доступа к конкретным объектам. Ядро объектно-реляционной СУБД остается реляционным, а "объектность" реализуется в виде специальной надстройки. Как следствие, ООСУБД свойственно более высокое быстродействие на операциях, требующих доступа и получения данных, упакованных в объекты, по сравнению с реляционными СУБД, для которых необходимость выборки связных данных ведет к выполнению дополнительных внутренних операций.

17.3.5     Язык СУБД и запросы

Общепризнанны две группы вариантов языков запросов. Первая объединяет языки, унаследованные от SQL и представляют собой разновидность OQL (Object Query Language), языка, стандартизованного ODMG. Хотя он существенно отличается от SQL, некоторое подобие явно прослеживается. Некоторые функции принципиально не могут быть реализованы для объектных баз данных только средствами SQL (например, функции модификации структуры данных). Это обусловлено, прежде всего, возможной потерей связи с объектами в прикладных программах. Объектно-реляционные СУБД используют различные варианты ограниченных объектных расширений SQL.

Вторая, сравнительно новая (применяется с 1998 года) группа языков запросов базируется на XML. Собирательное название языков этой группы — XML QL (или XQL). Они могут применяться в качестве языков запросов в объектных и объектно-реляционных базах данных. Использование в чисто реляционных базах не целесообразно, поскольку языком предусматривается объектная структура запроса.

17.3.6     Транзакции в ООСУБД

В соответствии со стандартом ODMG 2.0 транзакции представляют логический блок, гарантирующий атомарность (atomicity), целостность (consistency), изолированность (isolation) и долговечность (durability).

Короткие транзакции характеризуются малым временем выполнения; они могут существовать только в рамках сеанса работы с ООСУБД. Это наиболее простой вид транзакций, реализованный во всех современных СУБД. Все объекты подлежащие изменениям блокируются, а после принятия транзакции разблокируются, изменения же записываются в базу данных.

Длинные транзакции предназначены для увеличения производительности при групповой работе. Реализовано это следующим образом. Например, в Versant можно создавать персональные и групповые базы. Для снижения вычислительной нагрузки на центральный сервер при одновременной работе большого числа пользователей в Versant предлагает пользователям, постоянно работающим с определенными объектами, возможность организации персональной базы данных. Пользователи работают со своей базой, а объекты из нее синхронизируются с групповой базой данных. Пользователь, начав длинную транзакцию, тем самым отмечает объекты, с которыми предстоит работать в групповой базе данных (операция "поставить на контроль" – check out). Эти объекты копируются в его персональную базу, а в групповой базе блокируются, причем блокировать их можно как на запись, так и на чтение. В групповой базе создается объект, содержащий все данные о длинных транзакциях. В случае повреждения групповой базы или физического отключения сервера групповой базы пользователь сможет продолжать работу с объектами в своей персональной базе, а после восстановления групповой базы – синхронизировать объекты. Перед завершением длинной транзакции пользователь должен поместить все измененные объекты обратно в основную базу (операция "зарегистрировать" – check in). После этого объекты копируются в основную базу, а блокировка снимается. В случае аварийного завершения длинной транзакции все изменения будут потеряны.

Вложенные транзакции по принципу функционирования аналогичны коротким. В процессе выполнения одной транзакции формируются другие. Если в текущем сеансе работает один процесс, то создается стек, а если несколько процессов – дерево транзакций.

17.3.7     Блокировки в ООСУБД

Назначение блокировок – гарантировать монопольность использования объекта конкретным пользователем с целью предотвращения одновременного изменения данных. В соответствии с терминологией, принятой в системе Versant, существуют короткие, продолжительные и оптимистические блокировки.

Короткие блокировки (short lock) предназначены для обеспечения последовательного доступа к данных при многопользовательском режиме работы. Они автоматически выполняются во время выполнения коротких транзакций.

Продолжительные блокировки (persistent lock) обеспечивают блокирование объектов на продолжительное время – часы, дни, недели. Применяются совместно с длинными транзакциями. При этом объект может быть заблокирован несколькими способами: с исключением снятия другим процессом (hard lock); с возможностью снятия другим процессом (soft lock); по конкретным операциям.

17.3.8     Ведение версий

В "Манифесте объектно-ориентированных баз данных", поддержка множественных версий объектов отнесена к необязательным характеристикам ООСУБД. Однако большинство современных коммерческих ООСУБД поддерживает версионность; более того, именно она рассматривается многими авторами как отличительная черта ООСУБД (это не совсем так, поскольку и в других СУБД, используя специфические приемы, можно поддержать версионность: но, безусловно, в ООСУБД реализация такого механизма будет гораздо проще).

Важность версионности для ООСУБД обусловлена их историческими корнями: считается, что версионность появилась для решения задач автоматизированного проектирования, выделившись постепенно в самостоятельный класс систем. Для САПР характерна задача сохранения многих версий одного и того же проекта. Впрочем, поддержка версионности может оказаться полезной и для других приложений. Достаточно указать на делопроизводство, где также необходима поддержка многих версий (редакций) документа, при этом высока вероятность появления запросов типа: "Найти редакцию проекта контракта по состоянию на 1.12.2000". Кроме того, версионность способствует повышению надежности информационной системы в целом: пользователи модифицируют не сами объекты, а их версии, а окончательные изменения происходят на сервере лишь после выполнения специальных процедур. Это уменьшает вероятность порчи информации из-за ошибок оператора или вследствие каких-то умышленных действий.

В качестве примера вновь рассмотрим ООСУБД Versant. Для всех объектов возможно сохранение всех версий их изменения. Создается граф происхождения версий, поддерживающий ряд свойств.

1.         Доступ к любой ранее сохраненной версии. Благодаря этому свойству возможно извлечение из базы данных, например, случайно удаленных данных.

2.         Установка версии по умолчанию. Это свойство объясняет причину возникновения ветвей в графе происхождения версий, так как любая порожденная версия создаст ветвь от установленной текущей, не последней версии.

3.         Удаление версии. Вполне логичным является необходимость удаления некоторых версий (например, промежуточных или случайно порожденных) из графа происхождения версий.

17.3.9     Физические хранилища

Один из ключевых моментов функционирования любой СУБД — хранилище данных. Обычно база данных объединяет несколько хранилищ, каждое из которых ассоциируется с одним или несколькими файлами. Хранятся как метаданные (класс, атрибут, определения операций), так и пользовательские данные. Выделяют три типа хранилищ:

1.         системное хранилище (system store) используется для хранения системы классов, создается на этапе установки Jasmine и содержит информацию о семействах классов и пользовательских хранилищ. Возможно определение пользовательских хранилищ для помещения в них описаний пользовательских семейств классов.

2.         пользовательское хранилище (user store) служит для хранения пользовательских объектов, например Persons, Projects или Locations. Пользовательские хранилища могут располагаться внутри системного.

3.         рабочее хранилище (work store) предназначено для поддержки временной информации в ходе сеанса работы, например результатов поисковых запросов.

Другой пример – организация хранилищ в ООСУБД Versant, все базы данных в которой делятся на групповые и персональные. База данных состоит из нескольких физических разделов:

1.         системный раздел (system volume), который создается автоматически при создании базы данных;

2.         раздел данных (data volume), который может быть добавлен для увеличения доступного размера базы;

3.         раздел логического протокола (logical log volume) и раздел физического протокола (physical log volume) предназначены для хранения служебной информации о транзакциях, блокировках для обеспечения возможности отката транзакций и восстановления базы.

Литература:

1.         Аркадий Андреев, Дмитрий Березкин, Роман Самарев, "Внутренний мир объектно-ориентированных СУБД" \\ Открытые системы , март 2001, стр 47-57.

Приложение А. Структура учебной базы данных. (БД деканата ВУЗа).

Приложение Б.Описание структуры учебной базы данных.

Отношение "Students" содержит информацию об обучающихся студентах. StNo – уникальный, в БД, код студента GrNo – код группы, в которой обучается студент StName – фамилия студента StCity – Код города, в котором проживет студент Отношение "Cities" содержит информацию о городах CityNo – код города CityName – название города RgNo – код области, в которой расположен город Отношение "Regions" содержит информацию об областях RgNo – код области RgName – название области Отношение "Teachers" содержит информацию о сотрудниках и преподавателях TNo - уникальный, в БД, код сотрудника (преподавателя) TName – фамилия преподавателя TPosition – должность, занимаемая преподавателем TChiefNo – код сотрудника, являющегося руководителем для данного преподавателя

Отношение "Groups" содержит информацию о группах GrNo – код группы EnterYear – год образования группы GrName – название группы Отношение "WorkPlan" содержит информацию о рабочем плане. Рабочий план определяет, какие дисциплины, какой группе, кем, в каком объеме и когда читаются. GrNo – код группы SubjNo – код дисциплины Semester - семестр TNo – код преподавателя Hours – количество часов Отношение "Subjects" содержит информацию о предметах SubjNo – код предмета SubjName – название предмета Отношение "Marks" содержит информацию о полученных студентами оценках StNo – код студента SubjNo – код дисциплины DocNo – номер документа (экз. ведомость, разрешение на пересдачу и т.д.) Mark - оценка