2.4. Четвертое поколение: реляционные базы данных и архитектура клиент-сервер (1980-1995)

Несмотря на успех сетевой модели данных, многие разработчики программного обеспечения чувствовали, что навигационный программный интерфейс был интерфейсом слишком низкого уровня. Было трудно проектировать и программировать эти базы данных. В статье Э.Ф. (Теда) Кодда (E.F. Codd) 1970 года была обрисована реляционная модель [4], которая казалась альтернативой низкоуровневому навигационному интерфейсу. Идея реляционной модели состоит в том, чтобы единообразно представлять и сущности, и связи. Реляционная модель данных обладала унифицированным языком для определения данных, навигации по данным и манипулирования данными, а не отдельными языками для каждой из этих задач. Еще более важно то, что реляционная алгебраАлгебра (от араб. , «аль-джабр»— восполнение)— раздел математики, который можно грубо охарактеризовать как обобщение и расширение арифметики. Слово «алгебра» также употребляется в названиях различных алгебраических систем. В более широком смысле под алгеброй понимают раздел математики, посвящённый изучению операций над элементами множества произвольной природы, обобщающий обычные операции сложения и умножения чисел. имеет дело со множествами записей (отношениями) как единым целым, применяя операции к множествам записей целиком и производя множества записей в результате. Реляционные модель данных и операции дают возможность получения более коротких и более простых программ для решения задач управления записями. В качестве конкретного примераПримера Дивизион (исп.Primera Divisin) профессиональной футбольной лиги Испании (исп.Liga de Ftbol Profesional, LFP), известный также как Примера и Ла Лига (исп.La Liga), является профессиональным футбольным турниром клубов высшего уровня в системе футбольных лиг Испании. Ла Лига считается одной из лучших футбольных лиг в мире. на рис. 2.d показана база данных авиалиний из предыдущего раздела, представленная в виде пяти таблиц. Вместо неявного хранения связи между рейсами и путешествиями в реляционной системе явно хранится каждая пара рейс-путешествие как запись базы данных. Это таблица Segment на рис. 2.d.

Чтобы найти все сегменты, зарезервированные для заказчика Джонса, направляющегося в Сан-Франциско, можно написать следующий запрос на языке SQL:

Select 	Flight#
From 	City, Flight, Segment, Trip, Customer
Where	Flight.to = «SF» AND
        Flight.flight# = Segment.flight#  AND
        Segment.trip# = trip.trip# AND
        trip.customer# = customer.customer# AND
        customer.name = «Jones»

Эквивалентом этого SQL-запроса на естественном языке является «Найти номера рейсов до Сан-Франциско, которые являются сегментами путешествия любого заказчика с именем Джонс. Для поиска этих рейсов использовать таблицы City, Flight, Segment, Trip и Customer». Эта программа может показаться сложной, но она значительно проще соответствующей навигационной программы.

Получая такой непроцедурный запрос, реляционная система баз данных автоматически находит лучший способ подбора записей в таблицах City, Flight, Segment, Trip и Customer. Запрос не зависит от того, какие определены связи. Он будет продолжать работать даже после логической реорганизации базы данных. Следовательно, запросЗапрос— это формулирование своей информационной необходимости пользователем некоторой базы данных, как, например, поисковой системы. Для составления запроса используется язык поисковых запросов. обладает гораздо лучшей независимостью от данных, чем навигационный запрос, основанный на сетевой модели данных. Вдобавок к улучшенной независимости данных реляционные программы часто в пять – десять раз проще соответствующих навигационных программ.

Вдохновляемые идеями Кодда в течение 1970-х исследователи из академии и индустрии экспериментировали с этим новым подходом к структуризации баз данных и обеспечения доступа к ним, обещавшим более простое моделированиеМоделирование — исследование объектов познания на их моделях; построение моделей реально существующих предметов и явлений (живых организмов, инженерных конструкций, общественных систем, различных процессов и т. п.). данных и прикладное программированиеПрограммирование— одновременно наука и искусство создания компьютерных программ и\или программного обеспечения с помощью языков программирования. Программирование сочетает в себе элементы искусства, фундаментальных наук (прежде всего информатика и математика). Цель программирования состоит в том, чтобы создать программу, которая показывает определенное желательное поведение в ответ на действия пользователя либо автономно - независимо от пользователя.. Многие реляционные прототипы, разработанные в течение этого периода, сошлись на общей модели и языке. Исследования в IBM Research, возглавлявшиеся Тедом Коддом, Реймондом Бойсом (Raymond Boyce) и Доном Чемберлином (Don Chamberlin), и работа в Калифорнийском университете г. Беркли, которой руководил Майкл Стоунбрейкер (Michael Stonebraker), породили язык, названный SQL. Этот язык был впервые стандартизован в 1985 году. Впоследствии были произведены два основных расширения стандарта [5], [6]. Сегодня почти все системы баз данных обеспечивают интерфейс SQL. Кроме того, во всех системах поддерживаются собственные расширения, выходящие за рамки этого стандарта.

Реляционная модель обладает некоторыми неожиданными преимуществами, кроме повышения продуктивности программистов и простоты использования. Реляционная модель оказалась хорошо пригодной к использованию в архитектуре клиент-сервер, к параллельной обработке и графическим пользовательским интерфейсам. Приложение клиент-сервер разбивается на две части. Клиентская часть отвечает за поддержку ввода и представление выводных данных для пользователя или клиентского устройства. Сервер отвечает за хранение базы данных, обработку клиентских запросов к базе данных, возврат клиенту общего ответа. Реляционный интерфейс особенно удобен для использования в архитектуре клиент-сервер, поскольку приводит к обмену высокоуровневыми запросами и ответами. Высокоуровневый интерфейс SQL минимизирует коммуникации между клиентом и сервером. Сегодня многие клиент-серверные средства строятся на основе протокола Open Database Connectivity (ODBC), который обеспечивает для клиента стандартный механизм запросов высокого уровня к серверу. Парадигма клиент-сервер продолжает развиваться. Как разъясняется в следующем разделе, имеется возрастающая тенденция интеграции процедур в серверах баз данных. В частности, такие процедурные языки, как BASIC и Java, были добавлены к серверам, чтобы клиенты могли вызывать прикладные процедуры, выполняемые на сервере.

Параллельная обработка баз данных была вторым неожиданным преимуществом реляционной модели. Отношения являются однородными множествами записей. Реляционная модель включает набор операций, замкнутых по композиции: каждая операция получает отношения на входе и производит отношение как результат. Поэтому реляционные операции естественным образом предоставляют возможности конвейерного параллелизма путем направления вывода одной операции на вход следующей. Редко удается найти длинные конвейеры, но часто реляционные операции могут быть разделены таким образом, что образуется N клонов каждой операции и каждый клон может работать с одной N-й частью отношения-операнда. Пути применения этих идей были проложены в академическом сообществе и компанией Teradata Corporation (теперь NCR). Сегодня распространенной практикой реляционных систем является стократное увеличениеУвеличение, оптическое увеличение — отношение линейных или угловых размеров изображения и предмета. скорости за счет параллелизма. Задачи интеллектуального анализа данных (data mining), для решения которых могли бы потребоваться недели или месяцы поиска в многотерабайтных базах данных, при использовании параллелизма выполняются за часы. Этот параллелизм полностью автоматизирован. Проектировщики только поставляют данные системе баз данных, и сама система разделяет и индексирует данные. Пользователи предоставляют системе запросы (на основе ODBC), и система автоматически обеспечивает параллельный план выполнения запроса и выполняет его.

Реляционные данные также хорошо приспособлены к графическим пользовательским интерфейсам (GUI). Очень легко представлять отношение как множествоМножество— один из ключевых объектов математики, в частности, теории множеств и логики. записей – к отношениям пригодна метафора электронных таблиц. Пользователи могут просто создавать отношения в виде электронных таблиц и визуально манипулировать ими. На самом деле имеется много инструментальных средств, позволяющих перемещать данные между документами, электронными таблицами и базами данных. Явно и единообразно представленные данные, связи и метаданные делают это возможным.

Реляционные системы, объединенные с GUI, позволяют сотням тысяч людей каждый день формулировать сложные запросы к базам данных. Комбинация GUI и реляционных систем подходит ближе всего в достижению цели автоматического программирования. GUI позволяют просто конструировать сложные запросы. Для заданного непроцедурного запроса реляционные системы находят наиболее эффективные способы его выполнения.

Если продолжать отслеживать историю, можно отметить, что к 1980 году Oracle, InformixInformix— семейство систем управления реляционными базами данных (СУБД), выпускаемых компанией IBM. Informix позиционируется как флагман среди СУБД IBM, предназначенный для онлайновой обработки транзакций (OLTP), а также как СУБД для интегрированных решений. и Ingress принесли на рынок свои системыСистема (от др.-греч. — «сочетание»)— множество взаимосвязанных элементов, обособленное от среды и взаимодействующее с ней, как целое. управленияУправление— воздействие субъекта, направленное на достижение абстрактной (неконкретной), но вынужденно-корректируемой цели (задачи, идеи) в уже сложившихся рамках правил, которые неизбежно-совершенствуются когда субъект непротиворечивее познаёт реальность, с которой сосуществует. реляционными базами данных. Через несколько лет на рынке появились продукты IBM и SybaseSybase— дочерняя компания SAP AG, разработчик программного обеспечения для обработки данных: СУБД, средств моделирования баз данных и приложений обработки данных, средств анализа данных, технологий для корпоративного использования портативной электроники.. К 1990 году реляционные системы стали более популярными, чем предшествовавшие им ориентированные на наборы записей навигационные системы. Между тем файловые системы и системы, ориентированные на наборы, оставались рабочими лошадками многих корпораций. С годами эти корпорации построили громадные приложения и не могли легко перейти к использованию реляционных систем. Реляционные системы скорее стали ключевым средством для новых клиент-серверных приложений.

2.5. Пятое поколение: мультимедийные базы данных (1995-...)

Реляционные системы внесли много усовершенствований в удобство использования, графические интерфейсы, клиент-серверные приложения, распределенные базы данных, параллельный поиск данных и интеллектуальный анализ данных. Тем не менее, около 1985 года исследовательское сообщество начало рассматривать вопросВопрос— форма мысли, выраженная в языке предложением, которое произносят или пишут, когда хотят что-нибудь спросить, то есть узнать какую-то информацию. Если вопрос произносят, то используют вопросительную интонацию, а если пишут, то в конце ставят вопросительный знак. Задающий вопрос обычно ожидает ответ. Исключение составляет риторический вопрос, на который ответ не требуется.ы, выходящие за рамки реляционной модели. Традиционно существовало четкое разделение программ и данных. Этот подход хорошо работал, пока речь шла только о таких данных, как числа, символы, массивы, списки или множества записей. По мере появления новых приложений разделение программ и данных стало проблематичным. Приложениям требовалось дать данным поведение. Например, если данные представляли сложный объект, то методы поиска, сравнения и манипулирования данными становились специфичными для типов данных документов, изображений, звука или карта (см. рис. 3).

Рис. 3. Переход от традиционных баз данных, хранящих числа и символы, к объектно-реляционным базам данных, где каждая запись может содержать данные со сложным поведением. Это поведение может быть инкапсулировано в библиотеках классов, которые поддерживают новые типы. В этой модели система баз данных хранит и выбирает данные и обеспечивает связи между элементами данных, а библиотеки классов обеспечивают поведение этих элементов.

Традиционный подход заключался во встраивании типов данных прямо в систему баз данных. В языке SQL были добавлены новые типы данных для времени, временных интервалов и символьных строк с двухбайтовым представлением символов. Каждое из этих расширений было значительным достижением. Когда они были сделаны, результаты удовлетворили не всех. Например, в SQL тип данных «время» не позволяет представлять даты до Рождества Христова, а в символьных строках нельзя применять кодировку Unicode (универсальный набор символов почти для всех языков). Пользователи, желающие использовать Unicode или даты до нашей эры, должны определять свои собственные типы данных. Эти простые примеры, а также многие другие убедили сообщество баз данных в том, что системы баз данных должны разрешать прикладным специалистам реализовывать типы данных для своих прикладных областей. Географам следует иметь возможность реализации карт, специалистам в области текстов имеет смысл реализовывать индексацию и выборку текстов, специалистам по изображениям стоило бы реализовать библиотеки типов для работы с изображениями. Конкретным примером может служить распространенный объектный тип временных рядов. Вместо встраивания этого объекта в систему баз данных рекомендуется реализация соответствующего типа в виде библиотеки классов с методами для создания, обновления и удаления временных рядов. Дополнительные методы суммируют отклонения и интерполируют точки в рядах, сравнивают, комбинируют и вычитают временные ряды. После построения такой библиотеки классов она может быть «вставлена» в любую систему баз данных. Система баз данных будет хранить объекты этого типа и управлять данными (безопасность, параллельный доступ, восстановление и индексирование), но содержимым и поведением объектов временных рядов будет заведовать тип данных.

Люди из сообщества объектно-ориентированного программирования четко распознали проблему: для разработки типов данных требуется хорошая модель данных и унификацияУнификация (от. лат.unus — один, facio — делаю; объединение) — приведение к единообразию, к единой форме или системе. процедур и данных. Действительно, программы инкапсулируют данные и обеспечивают все методы для манипулирования данными. Исследователи, начинающие и установившиеся поставщики реляционных баз данных долго и упорно работали, начиная с 1985 года, чтобы либо заменить реляционную модель, либо объединить объектно-ориентированные и реляционные системы. В конце 1980-х на рынке появилось более десяти продуктов объектно-ориентированных баз данных, но заказчики не спешили принять эти системы. Тем временем традиционные поставщики старались расширить язык SQL, чтобы включить в него концепции объектно-ориентированного подхода, сохраняя преимущества реляционной модели.

Все еще ведутся горячие дебаты относительно сравнительных преимуществ эволюции и революцииРеволюция — коренное преобразование в какой-либо области человеческой деятельности. в моделях данных. Нет спора, что системы баз данных должны хранить и извлекать объекты, управляемые библиотеками классов. Споры относятся к роли SQL, деталям объектной модели и базовым библиотекам классов, которые следует поддерживать в системах баз данных.

Быстрое развитие Internet усиливает эти дебаты. Клиенты и серверы Internet строятся с использованием апплетов и «хелперов», которые сохраняют, обрабатывают и отображают данные того или иного типа. Пользователи вставляют эти апплеты в браузерВеб-обозреватель, браузер (от англ.Web browser; вариант броузер — устаревшая и менее предпочтительная форма) — программное обеспечение для просмотра веб-сайтов, то есть для запроса веб-страниц (преимущественно из Сети), их обработки, вывода и перехода от одной страницы к другой. или сервер. Общераспространенные апплеты управляют звуком, изображениями, текстами, видео, электронными таблицами, графами. Для каждого из ассоциированных с этими апплетами типов данных имеется библиотека классов. Настольные компьютеры и Web-браузеры являются распространенными источниками и приемниками большей части данных. Поэтому типы и объектные модели, используемые в настольных компьютерах, будут диктовать, какие библиотеки классов должны поддерживаться на серверах баз данных.

Подводя итог, заметим, что базы данных призваны хранить больше, чем только числа и текстовые строкиСтроки (укр. Строки) — село в Теофипольском районе Хмельницкой области Украины.. Они используются для хранения многих видов объектОбъект (лат.objectum— предмет)— философская категория, если определять её в пределах эпистемологии, выражающая нечто, существующее в реальной действительности (то есть независимо от сознания)— предмет, явление или процесс, на которые направлена предметно-практическая и познавательная деятельность субъекта (наблюдателя). В качестве объекта может выступать и сам субъект, в качестве субъекта выступает личность, социальная группа или всё общество.ов, которые мы видим в World Wide Web, и связей между этими объектами. Различие между базой данных и остальной частью Web становится неясным. Каждый поставщик баз данных обещает «универсальный сервер», который будет хранить и анализировать все формы данных (все библиотеки классов и соответствующие объекты).

УнификацияУнификация (от. лат.unus — один, facio — делаю; объединение) — приведение к единообразию, к единой форме или системе. процедур и данных расширяет традиционную вычислительную модель клиент-сервер в двух интересных направлениях: 1) активные базы данных и 2) потоки работ (workflow). Активные базы данных самостоятельно выполняют задачи при изменении базы данных. Идея состоит в том, что определенная пользователем процедура-триггер срабатывает, когда состояниеСостояние — абстрактный термин, обозначающий множество стабильных значений переменных параметров объекта. базы данных переводит условие триггера в true. Используя язык процедур базы данных, проектировщики базы данных могут определять предусловия и триггерные процедуры. Например, если в базе данных товаров определен триггер повторного заказа, то база данных будет вызывать процедуру повторного заказа данного товара, когда его количество достигнет нижнего порога. Триггеры упрощают приложения, позволяя перенести логику из в приложений к данным. Механизм триггеров является мощным способом построения активных баз данных, являющихся самоуправляемыми.

Потоки работ обобщают типичную модель вычислений запрос-ответ. Поток задач – это сценарийСценарий— литературно-драматическое произведение, написанное как основа для постановки кино- или телефильма. Сценарий в кинематографе, как правило, напоминает пьесу и подробно описывает каждую сцену и диалоги персонажей. Иногда сценарий представляет собой адаптацию отдельного литературного произведения для кинематографа, иногда в этом случае автор романа бывает и автором сценария (сценаристом). Сценарист-это человек, который пишет сценарий к фильму. Иногда многие сценаристы заняты в написании одного и того же сценария, прежде чем режиссер выберет лучший. Необязательно автор книги становится сценаристом при ее экранизации. Эта работа обычно отдается сценаристу. задач, которые должны быть выполнены. Например, простое покупательское соглашение состоит из шестишагового потока работ для 1) запроса покупателя, 2) предложения цены, 3) подтверждения, 4) поставки, 5) выписки счета, 6) оплаты. Системы для составления сценариев, выполнения и управления потоками работ становятся общераспространенными.

Чтобы приблизиться к современному состоянию технологии управления данными, имеет смысл описать два крупных проекта управления данными, в которых используются предельные возможности сегодняшней технологии. Система Earth Observation System/Data Information System (EOS/DIS) разрабатывается агентством NASA и его подрядчиками для хранения всех спутниковых данных, которые начнут поступать со спутников серии «Миссия к планете Земля» в 1997 году. Объем базы данных, включающей данные от удаленных сенсорных датчиков, будет расти на 5 Тбайт в день (терабай – это миллион гигабайтГигабайт (ГБ, Гбайт)— кратная единица измерения количества информации, равная 10 = 1 000 000 000 байт. Часто используется для обозначения 2 = 1 073 741 824 байт, что согласно предложению международной электротехнической комиссии является гибибайтом.). К 2007 году размер базы данных вырастит до 15 петабайт. Это в тысячу раз больше объема самых больших сегодняСегодня — наречие, указывающее (кроме телевизионных рекламных анонсов) на «текущий» 24-часовой отрезок времени (с 00 до 24 часов по местному времени).шних оперативных баз данных. NASA желает, чтобы эта база данных была доступна каждому в любом месте в любое время. Любой человекЧеловек разумный (лат.Homo sapiens) (в биологии)— вид рода Люди (Homo) из семейства гоминид в отряде приматов, единственный живущий в настоящее время. От современных человекообразных, помимо ряда анатомических особенностей, отличается значительной степенью развития материальной культуры (включая изготовление и использование орудий), способностью к членораздельной речи и абстрактному мышлению. Человек, как биологический вид— предмет исследования физической антропологии. Природа и сущность человека является предметом как философского, так и религиозного диспута. сможет производить поиск, анализ и визуализацию данных из этой базы данных. Для построения EOS/DIS потребуются наиболее развитые методы хранения, управления, поиска и визуализации данных. Большая часть данных будет обладать пространственными и временными характеристиками, так что для системы потребуются существенное развитие технологии хранения данных этих типов, а также библиотеки классов для различных научных наборов данных. Например, для этого приложения потребуется библиотека для определения снежного покрова, каталога растительных форм, анализа облачности и других физических свойств образов LandSat. Эта библиотека классов должна легко подключаться к менеджеру данных EOS/DIS.

Другим впечатляющим примером базы данных является возникающая всемирная библиотека. Многие ведомственные библиотеки открывают доступ к своим хранилищам в режиме online. Новая научная литература публикуется в режиме online. Такой вид публикации поднимает трудные социальные вопросы по поводу авторских прав и интеллектуальной собственности и заставляет решать глубокие технические проблемы. Пугают размеры и многообразие информации. ИнформацияИнформация (от лат.informatio— осведомление, разъяснение, изложение, от лат.informare— придавать форму)— в широком смысле абстрактное понятие, имеющее множество значений, в зависимости от контекста. В узком смысле этого слова— сведения (сообщения, данные) независимо от формы их представления. Сведения об объектах живой или неживой природы, их свойств и взаимном влиянии друг на друга. появляется на многих языках, во многих форматах данных и в громадных объемах. При применении традиционных подходов к организации такой информации (автор, тема, название) не используются мощности компьютеров для поиска информации по содержимому, для связывания документов и для группирования сходных документов. Обнаружение информации, нахождение требуемой информации в море документов, карт, фотографий, звука и видео представляет собой захватывающую и трудную проблему.

3. Размышления и предсказания

Достижения в области компьютерной аппаратуры сделали возможным переход от ручной бумажной обработки к современным средствам информационного поиска. Ожидается, что этот прогресс в мире аппаратуры будет продолжаться в будущем в течение многих лет.

Программное обеспечение управления данными развивалось параллельно с развитием аппаратных средств. Системы, ориентированные на записи и наборы, открыли дорогу реляционным системам, которые теперь эволюционизируют к объектно-реляционным системам. Эти нововведения представляют один из лучших примеров преобразования в продукты исследовательских прототипов. Реляционная модель, параллельные системы баз данных, активные базы данных и объектно-реляционные базы данных вышли в свет из академических и промышленных исследовательских лабораторий. Развитие технологии баз данных является хрестоматийным примером успешного сотрудничества академии и индустрии.

Недорогая аппаратураАппаратура— комплекс, совокупность аппаратов. Термин обычно (но не всегда и не обязательно) применяется по отношения к набору аппаратов (инструментов) для выполнения какой-либо одной функциональной задачи (напр. и простое для использования программное обеспечение сделали компьютеры доступными почти для каждого. Теперь просто и недорого создать Web-сервер или базу данных. Это делают миллионы людей. Эти пользователи ожидают, что компьютеры будут в состоянии сами себя автоматически проектировать и управлять. Эти пользователи не хотят быть операторами компьютеров. Они ожидают возможности добавления новых приложений почти без усилий: менталитет plug-and-play. Это видение распространяется от настольных компьютеров до наиболее мощных серверов. Пользователи ожидают появления автоматизированного управления с интуитивно понятными графическими интерфейсИнтерфейс (от англ.interface— поверхность раздела, перегородка)— совокупность средств, методов и правил взаимодействия между элементами системы.ами для решения задач администрирования, обработки и проектирования. После построения и ввода в действие базы данных пользователи ожидают возможности применения простых и мощных средств для просмотра, поиска, анализа и визуализации данных. Эти требования выходят за пределы сегодняшних технологий.