автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Разработка расширенной реляционной модели данных распределенной хронологической системы управления виртуальными представительствами

Введение

1 Анализ существующих моделей данных и СУБД

1.1 Требования к СУБД для разработки систем управления виртуальными представительствами.

1.1.1 Поддержка распределенной структуры БД.

1.1.2 Поддержка хронологий данных

1.2 Обзор существующих моделей данных и программных средств

1.2.1 Реляционная модель.

1.2.2 Объектная модель

1.2.3 Темпоральные модели.

1.3 Дополнительные предположения предметной области.

Постановка задач диссертационного исследования.

2 Разработка расширенной реляционной модели данных 2.1 Реляционная модель.

2.1.1 Структура данных.

2.1.2 Ограничения целостности.

2.1.3 Операции реляционной алгебры.

2.2 Расширенная реляционная модель данных.

2.2.1 Структурная компонента.

2.2.2 Целостная компонента

2.2.3 Манипуляционная компонента.

2.3 Возможности.

2.3.1 Синхронизация.

2.3.2 Важный частный случай полной системы действий

2.3.3 Типичные примеры действий.

Выводы.

3 Алгоритмизация и реализация расширенной реляционной

3.1 Реализация структурной компоненты.

3.1.1 Представление расширенного реляционного отношения

3.1.2 Представление действий и потока действий

3.2 Реализация манипуляционной компоненты.

3.2.1 Реализация расширения классических реляционных операций.

3.2.2 Реализация операций над действиями и потоками действий

3.2.3 Реализация операции выполнения действия.

3.2.4 Реализация операции получения ревизии отношения

3.2.5 Реализация операции синхронизации двух БД.

3.3 API

3.4 Сравнительный анализ эффективности.

Выводы.

4 Создание системы управления виртуальными представительствами

4.1 Особенности реализации системы.

4.2 Модифицированная схема MVC.

4.3 Подсистемы.

4.3.1 Подсистема вывода пользовательского интерфейса

4.3.2 Подсистема работы с SQL-сервером.

4.3.3 Дополнительные подсистемы.

Выводы.

Актуальность темы. Информационные системы моделирования и управления всевозможными процессами, основанные на системах управления базами данных (СУБД), в настоящее время используются практически повсеместно. Важным примером подобных систем являются системы управления виртуальными представительствами (сайтами). К современным системам подобного рода предъявляются требования распределенности и хронологичности (т.е. предоставления возможности просмотра, модификации, и удаления любой версии данных, сохраняемой в системе, а также операций над ними). Первое требование обуславливается географической распределенностью организации-владельца представительства и размещающей сайт организации; второе - ростом важности публикуемых на сайте данных и необходимостью контроля доступа к ним.

Для решения задачи построения распределенных и хронологических систем предоставляемых существующими СУБД средств оказывается недостаточно: практически не решается задача синхронизации гетерогенных БД; интегрирование управления синхронизацией БД в приложение затруднено; не предусмотрено никаких средств для манипулирования хронологиями данных и действий. Лежащая в основе большинства СУБД реляционная модель, а также другие известные модели данных (сетевая, иерархическая, объектные, темпоральные), в свою очередь, никак не учитывают распределенной и хронологической структуры данных.

Из сказанного следует, что выбор и обоснование модели данных, учитывающей распределенную и хронологическую структуру, и создание на ее основе инструментария для разработки виртуальных представительств, отвечающих потребностям настоящего времени, является актуальной задачей.

Диссертационная работа соответствует научному направлению ЛГТУ "Разработка теории проектирования информационных систем".

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка расширенной реляционной модели данных и программного обеспечения распределенной хронологической информационной системы управления виртуальными представительствами.

Исходя из данной цели, определены следующие основные задачи:

- разработка логической модели данных, ориентированной на поддержку распределенных хронологических БД;

- разработка алгоритмов и методов синхронизации БД и доступа к хронологии данных и операций;

- разработка программного обеспечения, реализующего управление распределенной хронологической БД, и проведение на его основе сравнительного анализа скоростных характеристик существующих реляционных СУБД и разработанной СУБД;

- разработка базовых программных компонент, обеспечивающих типовые элементы функциональности для класса задач создания виртуальных представительств и систем управления ими.

Методы исследования. В работе использованы методы реляционной алгебры, теории множеств, теории графов, теории построения интерпретаторов, модульного, структурного и объектно-ориентированного программирования, а также вычислительные эксперименты.

Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

- расширенная реляционная модель данных, отличающаяся использованием элементов и операций расширенной реляционной алгебры, обеспечивающая представление хронологий данных и действий над данными;

- алгоритм проектирования Web-приложений, расширяющий возможности введения семантических связей между экранными формами, отличающийся использованием для каждой формы многофазного контроллера;

- способ разработки интерфейсов Web-приложений, обеспечивающий сокращение трудоемкости разработки за счет реализации процедурного подхода к визуализации отдельных Web-компонент;

- метод проектирования распределенных хронологических СУБД, обеспечивающий повышение эффективности их создания и внедрения за счет применения расширенной реляционной модели данных и механизма ее отображения в реляционные отношения.

Практическая ценность результатов диссертационной работы. Разработан программный комплекс для сравнительного анализа эффективности основных операций реляционных СУБД, а также реализации СУБД, базирующейся на расширенной реляционной модели.

С применением предложенного алгоритма проектирования приложения и подхода к разработке интерфейсов разработан программный комплекс для создания и управления виртуальными представительствами, содержащий подсистему управления распределенными хронологическими базами данных, основанными на расширенной реляционной модели.

Реализация и внедрение результатов работы. Разработанный программный комплекс для создания и управления виртуальными представительствами внедрен в деятельность ведущего оператора связи Липецкой области «Липецкэлектросвязь» (филиал ОАО «ЦентрТелеком») и используется для разработки Web-сайтов как самого филиала «Липецкэлектросвязь», так и для сторонних заказчиков.

Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе ЛГТУ при изучении студентами специальности 073000 «Прикладная математика» дисциплин «Базы данных» и «Системное и прикладное программное обеспечение».

Апробация работы. Теоретические и практические результаты, полученные в процессе исследования, докладывались и обсуждались на VII-й и VIII-й Международной электронной научной конференции «Современные проблемы информатизации в непромышленной сфере и экономике» (Воронеж, 2002-2003), на семинарах, проводимых Липецким региональным отделением Российской ассоциации искусственного интеллекта (Липецк, 2000-2003), а также на научных семинарах кафедры прикладной математики ЛГТУ.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 11 работ, в том числе 9 без соавторов. В [9] лично автором предложен метод реализации СУБД, построенной на расширенной реляционной модели данных, основанный на использовании реляционной СУБД; в [10] предложены алгоритм проектирования Web-приложений, модифицирующий схему MVC (Model-View-Controller, Модель-Отображение-Контроллер), и процедурный подход к созданию интерфейсов виртуальных представительств.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, библиографического списка из 102 наименований. Основная часть работы изложена на 121 странице машинописного текста, содержит 12 рисунков и 7 таблиц.

Основные результаты, полученные в работе, таковы:

1) Предложена расширенная реляционная модель данных, использующая расширенную реляционную алгебру для представления хронологий данных и действий, развивая возможности для создания хронологических БД.

2) Разработан метод проектирования распределенных хронологических СУБД, основанных на расширенной реляционной модели данных, на базе промышленных реляционных СУБД, увеличивающий эффективность их создания и внедрения.

3) Проведен сравнительный анализ скоростных характеристик существующих реляционных СУБД и разработанной распределенной хронологической СУБД, обосновывающий практическую применимость последней.

4) Предложен подход к разработке интерфейсов Web-приложений, отличающийся использованием поэлементных процедур визуализации, позволяющий повысить качество и сократить трудоемкость разработки.

5) Разработан алгоритм проектирования приложения, расширяющий возможности введения семантических связей между экранными формами Web-приложения за счет введения многофазного контроллера для каждой формы.

6) Разработан и внедрен в филиале «Липецкэлектросвязь» ОАО «Центр-Телеком» программный комплекс, основанный на полученных принципах и алгоритмах, делающий возможным создание и внедрение распределенных систем управления виртуальными представительствами и обеспечивающий значительное сокращение трудоемкости разработки локальных систем.

Заключение

Модели данных и основанные на них системы управления базами данных получили широчайшее распространение и являются базой основой для решения многих сложных технических, социальных и экономических задач. Одним из классов решаемых при помощи СУБД задач является организация виртуальных представительств и систем управления ими. В связи с распространением компьютерной сети Internet, актуальность данного класса задач неуклонно повышается.

При использовании для решения данного класса практических задач современных систем управления базами данных (в основном реляционных) возникают задачи организации распределенных систем и хранения хронологий данных и действия, в полной мере не реализуемые СУБД. В диссертационной работе проведено исследование современных СУБД и моделей данных, наиболее часто используемых на практике. Предложено расширение реляционной модели для представления данных и его реализация, позволяющие успешно разрешать поставленные задачи в достаточном для практики объеме.

1. Агошков В., Дмитриев П. А. Системы публикации электронных изданий / / Программирование. - 2002. - №5.

2. Аксенов А. А. Основы ЗО-графики / / Программист. - 2001. - №1. - 72-75.

3. Аксенов А. А. Удаление невидимых частей сцены / / Программист. - 2001. - №2. - 63-68.

4. Аксенов А. А, ЗО-графика: Оптимизация / / Программист. - 2001. - №5. - 45-49.

5. Аксенов А. А, Эффективное хранение инвертированных индексов / / Современные проблемы информатизации в технике и технологии: Сб. тр. Вып. 7. - Воронеж: ЦЧКИ, 2002. - 74-75.

6. Аксенов А. А. Расширенная реляционная модель для представления бизнес-данных и действий / / Современные проблемы информатизации в непромышленной сфере и экономике: Сб. тр. Вып. 7. - Воронеж: ЦЧКИ, 2002. - 50-51.

7. Аксенов А. А. Вопросы синхронизации в гетерогенных сетях / / Современные проблемы информатизации в технике и технологии: Сб. тр. Вып. 8. - Воронеж: ЦЧКИ, 2003. - 101-102.

8. Аксенов А. А. Модель данных для разработки виртуальных представительств / / Современные проблемы информатизации в технике и технологии: Сб. тр. Вып. 8. - Воронеж: ЦЧКИ, 2003. - 95-96.

9. Аксенов А. А., Блюмин Л. Программный комплекс "Сравнительный анализ расширенной и обычной реляционной модели данных". - М.: ФАП ВНТИЦ, 2003. Per. N50200300778 от 01.10.2003.

10. Аншина М., Цимбал А. Технологии создания распределенных систем. - СПб.: изд. Питер, 2002. - 576 с.

11. Арсеньев Б.П., Яковлев А, Интеграция распределенных баз данных. - М.: 2001. - 464 с.

12. Архипенков Oracle Express OLAP. - М.: Диалог-МИФИ, 1999. - 320 с.

13. Аткинсон М., Бансилон Ф., ДеВитт Д., Диттрих К., Майер Д., Здо- ник Манифест систем объектно-ориентированных баз данных / / Системы управления базами данных. - 1995. - №4.

14. Блюмин Л., Погодаев А.К., Тарасов Н.А. Математическое обеспечение информационных технологий. Часть I. Реляционная математика и базы данных: Учебное пособие. - Липецк: ЛЭГИ, 2001. - 75 с.

15. Бойченко И., Relex. Асинхронная репликация для решений электронной коммерции. - Open Forum'2000 "Технологии открытых систем в , электронном бизнесе". Материалы конференции.

16. Газета.Ру, 1999-2003. - http://gazeta.ru/

17. Гамма Э. и др. Приемы объектно-ориентированного проектирования. Паттерны проектирования. - СПб.: изд. Питер, 2001. - 368 с.

18. Ганеев Р. М. Web-интерфейс баз данных ODBC. - М.: Горячая Линия-Телеком, 2003. - 208 с.

19. Горшкова Е. А., Некрестъянов И. С, Новиков Б. А., Павлова Е. Ю. Поддержка согласованности для слабоструктурированных данных / / Программирование. - 2000. - №3. - 23-30.

20. Дейт К. Дж. Введение в системы баз данных, 7-е издание, (пер. с англ.) - М.: Издательский дом "Вильяме", 2001. - 1072 с.

21. Доставка.Ru. http://www.dostavka.ru/

22. Елманова Н., Федоров А. Введение в OLAP-технологии Microsoft. - М.: Диалог-МИФИ, 2002. - 272 с.

23. Жуклинец И. А,, Хотимский Д. А, Логическое время в распределенных программных системах / / Программирование. - 2000. - №6. -С. 3-19.

24. ЗАО ИД "Комсомольская правда". Комсомольская Правда, 1997-2003. *"' - http://kp.ru/

25. ЗАО "Лента.Ру". Электронное периодическое издание Lenta.Ru, 2001-2003. - http://lenta.ru/. Свидетельство о регистрации средства массовой информации ЭЛ (с) 77-4400 выдано 23 февраля 2001 года.

26. ЗАО "Редакция газеты "Московский комсомолец". Московский комсомолец, 2001-2003. - http://mk.ru/

27. Калиниченко Л. А., Скворцов Н. А., Брюхов Д. О., Кравченко Д. В., Чабан И. А. Проектирование персонализованных электронных библиотек над Web-сайтами со слабоструктурированными данными / / Программирование. - 2000. - №3. - 9-22.

28. Кирстен В., Ирингер М., Шульте П. Объектно-ориентированная раз- •Y- работка приложений в среде постреляционной СУБД CACHE. - СПб.: АОЗТ "СП. АРМ", 2000.

29. Когаловский М. Р. Систематика коллекций информационных ресурсов в электронных библиотеках / / Программирование. - 2000. - №3. - 31-52.

30. Когаловский М. Р. Энциклопедия технологий баз данных. - М.: Финансы и статистика, 2002. - 800 с.

31. Когаловский М. Р., Новиков Б. А. Электронные библиотеки - новый класс информационных систем / / Программирование. - 2000. - №3. - 3-8.

32. Кодд Э. Ф. Расширение реляционной модели для лучшего отражения -^ > семантики / / Системы управления базами данных. - 1996. - №5. -С. 163-192.

33. Козленке Л. Введение в управление транзакциями / / Открытые системы. - 2002. - №4-5, 11.

34. Комитет по развитию функциональных возможностей СУБД. Системы баз данных третьего поколения: Манифест / / Системы управления базами данных. - 1995. - №2. - 143-159.

35. Крёнке Д. Теория и практика построения баз данных, 8-е изд. - СПб.: Изд. Питер, 2003. - 800 с.

36. Кузнецов Д. Направления исследований в области управления базами данных: краткий обзор / / Системы управления базами данных. - 1995. - №1.

37. Кузнецов Д. Основы современных баз данных, 2000-2003. - Информационно-аналитические материалы Центра информационных технологий, (http://www.citforum.ru/)

38. Луковенко А., Фаритов А.. Практическая репликация / / Открытые системы. - 2001. - №12.

39. Мамаев Е. SQL Server 2000 в подлиннике - СПб.: БХВ-Петербург, 2001. - 1280 с.

40. Марчук А, Г., Осипов А. Е. К вопросу об идентификации электронных документов и коллекций / / Программирование. - 2000. - №3. -С. 53-62.

41. Мориссо-Леруа И., Соломон М. К. Oracle8i: Java-компонентное программирование при помощи EJB, CORBA и JSP. - М.: Лори, 2002. -484 с. ^) 45. Мюллер Р. Дж. Базы данных и UML. - М.: Лори, 2002. - 420 с.

42. Интернет-магазин оЗон, 1998-2003. - http://ozon.ru/

43. Павлова Е. Ю. Управление транзакциями в СУБД реального времени / / Программирование. - 2000. - №2. - 41-58. Г '

44. Послед Б. Borland C++ Builder 6. Разработка приложений баз данных. - М.: ДиаСофтЮП, 2003. - 320 с.

45. Романова Е. В., Романов М. В., Некрестъянов И. Использование интеллектуальных сетевых роботов для построения тематических .МП коллекций / / Программирование. - 2000. - №3. - 63-71.

46. Саенко И. Б. Расширение реляционной модели для представления темпоральных данных в реляционных информационных системах. -Военный университет связи.

47. Смит А.Б. Реляционные, древовидные и объектно-ориентированные базы данных. / / MSM-бюллетень. - 1997. - №5. - 19-28.

48. Станишич П. Трансформация реляционных баз данных в объектно- ориентированные, включая трансляцию запросов / / Программирование. - 1999. - №2. - 12-45.

49. Сцепа Д. Microsoft ADO .NET. - М.: Русская Редакция, 2002. - 800 с. Y-' 54. Таненбаум Э., Ван Стеен М. Распределенные системы. Принципы и парадигмы. - СПб, изд. Питер, 2003. - 880 с.

50. Ульман Дж. Основы систем баз данных. - М.: Финансы и статистика, 1983.

51. Харрингтон Д. Л. Проектирование реляционных баз данных. Просто и доступно. - М.: Лори, 2000. - 230 с.

52. Харрисон Э. Состояния транзакций, сборка мусора, интересующиеся и активные транзакции, sweep, и примеры (пер. с англ. Кузьменко Д.), 1997. - http://www.ibase.ru/devinfo/oitoat.htm

53. Ходоровский В. В. К вопросу нормализации отношений в реляционных базах данных / / Программирование. - 2002. - №1. 55-71. •^' 59. Холзнер XSLT: библиотека программиста. - СПб.: Изд. Питер, 2002. - 544 с.

54. Цаленко М. Ш. Реляционная модель данных с оценками в гейтинго- вых алгебрах / / Программирование. - 1995. - №2. - 3-8. fy

55. Яргер P. Д., Риз Д., Кинг Т. MySQL и mSQL. Базы данных для небольших предприятий и Интернета. - СПб.: Символ-Плюс, 2000. -560 с.

56. Atkinson М., Frangois Bancilhon F., et al. The Object-Oriented Database System Manifesto / / Proceedings of the First International Conference on Deductive and Object-Oriented Databases". - 1989. - P. 223-240.

57. Bagai R., Orgun M. A. A Temporal Paraconsistent Relational Algebra for Incomplete and Inconsistent Information / / Proceedings of the 33rd Annual ACM Southeast Conference. - 1995. - P. 240-248.

58. Bailey J. A. et al. Active Databases and Agent Systems - A Comparison / / Proceedings of the 2nd International Workshop on Rules in Database Systems. - 1995. - P. 342-356.

59. Codd E. F. A Data Base Sublanguage Founded on the Relational Calculus / / Proc. of the 1971 ACM-SIGFIDET Workshop on Data Description, Access, and Control. - 1972.

60. Codd E. F. A Relation Model of Data for Large Shared Data Banks / / Communications of ACM. - 1970. - №6. - P. 377-387.

61. Codd E, F. Access Control for Relational Data Base Systems / / BCS Symposium on Relational Data-Base Concepts. - 1973.

62. Codd E. F. Does Your DBMS Run By the Rules? / / ComputerWorld. - Л 1985.

63. Codd E. F, Further Normalization of the Data Base Relational Model / / Courant Computer Sci. Symposia. - 1972. - Vol. 6.

64. Codd E. F. Is Your DBMS Really Relational? / / ComputerWorld. - 1985.

65. Codd E. F. Providing OLAP (On-line Analytical Processing) to User Analysts: an IT mandate. - E. F. Codd and Associates, technical report. - 1993.

66. Codd E. F. Recent Investigations in Relational Data-Base Systems / / Information Processing'74. - 1974.

67. Codd E. F. Relational Completeness of Data Base Sublanguages / / Courant Computer Sci. Symposia. - 1972. - Vol. 6.

68. Codd E. F, Relational Database: A Practical Foundation for Productivity / / Communications of ACM. - 1982. - Vol. 25. - No. 2.

69. Codd E. F, The Relational Model for Database Management: Version 2. - Addison-Wesley Publishing Co., Reading, MA. 1990.

70. Darwen H., Date С J. The Third Manifesto / / SIGMOD Record. - 1995. - Vol. 24. - №. 1. - P. 39-49.

71. Date. C. J. Thirty years of relational: Extending the Relational Model / / Intelligent Enterprise. - 1999. - Vol 2. - №8.

72. Dayal U., Hanson E. N., Widom J. Active Database Systems. - Modern Database Systems. - 1995. - P. 434-456.

73. Dittrich K. R., Gatziu S., Geppert A. The Active Database Management System Manifesto: A Rulebase of a ADBMS Features / / Proceedings of the 2nd International Workshop on Rules in Database Systems. - 1995. - P. 3-20.

74. Duggan V. InterBase Replication: Fundamentals / / Proc. of 11th Borland Developers Conference. - 2000.

75. Duggan V. InterBase Replication: Internal / / Proc. of 11th Borland Developers Conference. - 2000.

76. Fiebig Т., Weiss J., Moerkotte G.. RAW: A Relational Algebra for the Web // Workshop on Management of Semistructured Data (PODS/DIGMOD'97). - 1997.

77. GUIDE Business Rule Project. Guide Business Rules Project, Final Report, 1995. - http://www.businessrulesgroup.org/

78. Independent Media. The Moscow Times, 1997-2003. http.'Z/www.moscowtimes.ru/

79. Jaeger U., Freytag J. С Annotated Bibliography on Active Databases / / SIGMOD Record. - 1995. - Vol 24. - №1. - P. 58-69.

80. Kemme В., Alonso G. Don't be lazy, be consistent: Postgres-R, a new way to implement Database Replication / / Proc. of the 2th International Conference on Very Large Databases (VLDB). - 2000.

81. Li Chang, Wang Xiaoyang Sean. A Data Model for Supporting On-Line Analytical Processing / / CIKM. - 1996. - P. 81-88

82. Meo R., Psaila G., et al. A New SQL-like Operator for Mining Association Rules / / The VLDB Journal. - 1996. - P. 122-133.

83. Oracle Corp. Oracle 9i Replication, 2001. http://otn.oracle.com/products/dataint/pdf/oracle9i_replication_twp.pdf

84. Reiter R. On closed world data bases in Logic and Data Bases. - New York: H. Gallaire and J. Minker, Eds., Plenum Press, 1978.

85. Richard Т. Snodgrass, Michael H. Bohlen, Christian S. Jensen and Andreas Steiner. Transitioning Temporal Support in TSQL2 to SQL3, 1997. - A TIMECENTER Technical Report.

86. Snodgrass R.T. The Temporal Query Language TSQL2. - Dortrecht, Netherlands: Kluwer Academic Pub., 1995.

87. Son S.H., Zhang F. Real-Time Replication Control for Distributed Database Systems: Algorithms and Their Performance / / Proceedings of the 4th International Conference on Database Systems for Advanced Applications (DASFAA). - 1995. - P. 260-264.

88. Stonebraker M. Future trends in database systems / / Knowledge and Data Engineering. - 1989. - №1. - P. 33-44.

89. The PostgreSQL Global Development Group. Concurrency Control, 2002. - PostgreSQL 7.3 Documentation. Chapter 9. (http://www.postgresql.org/docs/)

90. Uehara S. Component Architecture for Business Application Systems / / y- International Workshop on Component-Based Software Engineering. -1998.