автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Разработка теоретико-множественной модели организации данных и методов поддержки целостности в системах управления данными

ВВЕДЕНИЕ

1 Задание ограничений целостности в системах управления данными.

1.1 Модели данных и поддержка семантики

1.2 Ограничения целостности.

1.3 Способы заданий ограничений

1.3.1 Утверждения, задаваемые декларативно

1.3.2 Триггеры.

1.3.3 Правила.

1.4 Ограничения в объектно-ориентированных и объектно-реляционных БД.

1.5 Ограничения в распределенных БД.

1.6 Использование языков описания данных для задания ограничений.

1.7 Расширения реляционной модели для поддержки семантики.

1.8 Преобразование запросов с использованием семантики ограничений целостности.

1.9 Реализация ограничений в СУБД.

ВЫВОДЫ ПО ПЕРВОЙ ГЛАВЕ.

2 Архектура системы управления данными для поддержки семантики.

Вводные замечания.

2.1 Введение в структуры.

2.2 Специальные структуры.

2.3 Операции над структурами.

2.4 Сведение алгебры над структурами к реляционной алгебре.

2.5 Архитектура доменно-ориентированной БД, построенной на структурной модели данных.

2.6 Реализация запросов к доменно-ориентированной системе, основанной на структурах SDS.

2.7 Преобразование SQL выражения в алгебраическое выражение над структурами.

2.8 Поддержка целостности в доменно-ориентированной БД.

2.8.1 Ограничения целостности, налагаемые на базовый домен.

2.8.2 Целостность сущности. Уникальность сущности.

2.8.3 Целостность по атрибутам. Уникальность ключа.

2.8.4 Ссылочная целостность.

2.8.5 Наследование.

2.8.6 Ограничения целостности, налагаемые на сущность (бизнес правила)

2.9 Реализация диалоговых компонентов в доменноориентированной системе.

ВЫВОДЫ ПО ВТОРОЙ ГЛАВЕ.

3 Организация доменно-ориентированных СУБД.

3.1 Организация доменно-ориентированной СУБД на основе алгебры структур SDS.

3.2 Организация хранения и обработки данных.

3.3. Организация менеджера доменов.

3.4. Организация менеджера ограничений целостности.

3.5 Язык определения семантики доменно-ориентированной системы.

3.5.1 Определение доменов и ограничений целостности.

3.5.2 Правила поведения.

3.6 Вставка значений в доменно-ориентированной системе. 121 3.7. Удаление в доменно-ориентированной системе.

3.8 Запросы в доменно-ориентированной информационной системе.

3.9 Реализация методов хранения данных.

ВЫВОДЫ ПО ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ.

Актуальность работы. Для обеспечения эффективного функционирования информационных систем (ИС) необходима соответствующая организация данных. Для выбора наилучшей (с точки зрения конкретного приложения) организации данных важное значение имеет учет их семантических свойств. Формализация этих свойств в виде модели данных дает точную спецификацию операций, выполняемых над данными в системах управления базами данных (СУБД). Кроме этого учет семантических свойств в модели данных создает основу эффективной реализации механизмов поддержки целостности баз данных (БД), а также позволяет предложить типовые решения и информационные компоненты для разработки информационных систем, что особенно важно при разработке глобальных баз данных, использующих общие ресурсы.

Современные системы предлагают несколько подходов поддержки целостности БД. Каждый подход имеет свою, зависящую от применяемой модели данных, специфику и представляет собой в основном расширение традиционных моделей данных. Для поддержки целостности данных используются декларативные способы описания ограничений, различные формы определения активных правил, являющихся в основном хранимыми процедурами и триггерами, программный код приложения. Использование декларативных описаний и триггеров порождает ряд проблем: сложность, а порой и невозможность их совместного использования, а также низкую мобильность разрабатываемых систем, обусловленную наличием специфичного для конкретных СУБД программного

Проблемы, связанные с реализацией поддержки семантики в моделях данных, рассматриваются в работах отечественных и зарубежных специалистов в области баз данных (Цаленко М., Цикритзис Д., Кузнецов С., Кодд Е., Дейт К. и др.).

В диссертационной работе исследуются механизмы поддержки целостности с применением внутренней модели данных, основанной на доменно-ориентированной методологии. Внутренняя модель данных основана на использовании нумерационных методов идентификации данных и связей между ними, что является дальнейшим развитием нумерационных методов в системах управления данными, предложенных Линьковым В.М.

Применение нумерационных методов в доменно-ориентированных системах управления данными позволило создать удобный механизм идентификации данных и реализовать на его основе эффективные способы поддержки связей между доменами.

Объектом исследования являются способы организации данных и методы управления ими в информационных системах.

Предметом исследования являются вопросы повышения эффективности хранения и обработки семантики в доменно-ориентированных информационных системах.

Цель работы. Целью работы является разработка методов организации данных и механизмов поддержки целостности данных на основе теоретико-множественной внутренней модели данных.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

1 . Разработка формальной модели данных на основе доменно-ориентированного подхода с использованием нумерационных методов. Определение алгебраических операций в рамках предложенной модели.

2 . Разработка способов представления запросов к системе при помощи алгебраических выражений.

3. Разработка методов поддержки целостности данных на основе теоретико-множественных операций.

4. Определение способов реализации запросов, учитывающих внутреннее строение доменно-ориентированных систем.

5. Разработка алгоритмов поддержки семантических свойств предметной области.

Методы исследования. В процессе исследования использовались положения теории алгебраических систем, теории множеств, математической логики, дискретной математики, теоретических основ информатики и теории баз данных.

Научная новизна.

1. Разработана формальная внутренняя модель данных, изоморфная реляционной, в которой предложено теоретико-множественное описание отношений, что позволяет точно специфицировать операции, задаваемые над связями между доменами в доменно-ориентированных системах управления данными.

2. На основе операций предложенной внутренней модели разработаны механизмы поддержки целостности БД, которые, в отличие от традиционных систем, позволяют упростить реализацию правил поддержки целостности данных.

3. Предложены механизмы поддержки связей между доменами, которые, в отличие от традиционных систем, обеспечивают логическую независимость запросов от изменения структуры связей в БД.

4 . Разработаны способы реализации изменений данных в БД, которые, в отличие от существующих подходов, являются более простыми и эффективными, поскольку не требуют от разработчика БД усложнения программного обеспечения ИС (дополнительного программного кода в прикладных программах и хранимых процедур в СУБД).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Теоретико-множественная внутренняя модель данных, изоморфная реляционной модели.

2. Метод преобразования реляционной модели во внутреннюю модель.

3. Способы реализации запросов и ограничений целостности при помощи алгебраических выражений предложенной модели данных.

4. Декларативные способы описания семантических свойств предметной области: ограничений целостности, взаимодействий доменов информационной системы.

5. Организация доменно-ориентированной системы управления данными на основе предложенной модели данных.

Практическая ценность заключается в следующем: - на основе предложенной внутренней модели данных разработаны механизмы поддержки семантических свойств данных в доменно-ориентированных информационных системах; определены основные требования, предъявляемые к взаимодействию доменов при выполнении операций над данными в доменно-ориентированных системах; принципы поддержки целостности доменно-ориентированных систем управления данными нашли свое применение в ряде информационных систем.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались: на научно-практическом семинаре «Применение баз данных» (г. Пенза, 1997);

- на межвузовской конференции «Математические методы решения прикладных физико-технических задач»(г.Пенза, 1999); на научно-практическом семинаре «Проблемы информатики в образовании, управлении, экономике и технике» (г. Пенза, 2001);

Реализация работы. Основные результаты, изложенные в диссертационной работе, использованы в НИР, проводимой в рамках грантов: «Доменно-ориентированная нумерационная система управления базами данных», №63-1-8, 1999 г. по программе "Конверсия и высокие технологии. 1997-2000 г.г."; «Типовая автоматизированная информационная система вуза», №3307, 2000г; «Распределенная информационно-аналитическая система сбора и обработки образовательной статистики по вузам Пензенской области», №3309, 2000г; «Разработка программного обеспечения формирования региональной базы данных о высших и средних учебных заведениях», №08МО, 01.01.2001г. Результаты работы внедрены:

-в автоматизированную информационную систему "Абитуриент", что подтверждено соответствующим актом;

-в автоматизированную систему контроля и диагностики электронных устройств "КРОНА-511", что подтверждено 9 соответствующим актом;

-в автоматизированную систему контроля и диагностики цифроаналоговых блоков "КРОНА-512", что подтверждено соответствующим актом.

Система контроля и диагностики цифро-аналоговых блоков "КРОНА-512" в 2001 году награждена бронзовой медалью первого международного салона инноваций и инвестиций.

Автоматизированные системы "КРОНА-512" и "КРОНА-511" внедрены и успешно используются на ряде атомных станций РФ.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 13 печатных работах, а также отражены в 2 зарегистрированных отчетах о НИР.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 8 4 наименований и трех приложений. Работа содержит 14 0 страниц текста, 15 рисунков, 35 таблиц, 9 страниц библиографии.

1.Основные результаты сводятся к следующему: Для эффективного представления данных предложена внутренняя формальная модель данных, изоморфная реляционной модели и позволяющая реализовывать доменно-ориентированные СУБД на основе нумерационных методов.

2.Разработаны механизмы преобразования отношений реляционной модели в структуры внутренней модели. Показаны способы реализации запросов к системе при помощи алгебраических выражений. 3.Определены способы проверки ограничений целостности, сводимые к построению и решению выражений алгебры над структурами и теоретико-множественным операциям над множеством идентификаторов.

4.Доменно-ориентированная система, основанная на теоретико-множественной модели данных, позволяет проектировать ИС с логической независимостью данных от их внутреннего представления. Показано, что учет связей между доменами позволяет изменять схему БД без изменения запросов.

5. Разработаны способы декларативного описания семантики предметной области. Определены правила

138 поведения информационной системы, позволяющие эффективно управлять данными. Показаны алгоритмы реализации правил поведения, б. Для применения предложенной модели разработана организация и выполнена реализация доменно-ориентированной системы управления данными. Реализованы методы решения алгебраических выражений над структурами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа посвящена вопросам повышения эффективности систем управления целостностью в доменно-ориентированных информационных системах на основе применения нумерационных методов и теоретико-множественных операций.

1. Белсон Дон. Внутренний мир Огас1е8. Проектирование и настройка / Белсон Дон, Гокмен Марк, Ингрем Джонатан. К.: "ДиаСофт", 2000. - 800с.

2. Вьюкова Н.И. Информационная безопасность систем управления базами данных / Н.И. Вьюкова, В. А. Галатенко // СУБД.-1996.-№1.-С.29-54

3. Голосов А. О. Аномалии в реляционных БД//СУБД.-1996.-№3.-С.23-28.

4. Грабер Мартин. Введение в SQL. М.: "ЛОРИ",1996

5. Грачев А. Объектно-реляционная СУБД Informix Universal Server // СУБД.-1998.-№1-2.

6. Григорьев Е. Представления идентифицируемых сложных объектов в реляционной базе данных. //Открытые системы. 2000.- №1-2.-С.79

7. Давид Бич. К объектным базам данных//СУБД.-1994.-№4.- С.50-55

8. Дарвин X. Третий манифест / Дарвин X., . Дэйт К

9. СУБД.- 1996.-№1.- С.110-123

10. Дейт К. Дж. Введение в системы баз данных.: Пер. с англ.- б-е изд.- К.: Диалектика,1998.

11. Дехтярь М.И. Восстановление ограничений целостности за счет наименьших достаточных изменений / М.И. Дехтярь, А.Я. Диковский, Н. Спиратос //Программирование.-1998.-№2.-С.27-37

12. Доменно-ориентированная система управления данными / В.М. Линьков, В.В. Дрождин, В.И. Горбаченко, А.А. Дружаев, М. А. Иванцов, А.Л. Белоусов и др. // Отчет о НИР, № гос. регистрации 01.9.70.006285. Пенза: ПГУ. -1999

13. Дружаев А.А Система контроля и диагностикиэлектронных устройств / А.А. Дружаев, В. Г. Ханбеков // Энергетик.- 2001.- №9.

14. Дружаев А.А. Правила поведения доменно-ориентированной системы управления данными // Экономика, менеджмент, информатика, иностранные языки: Ежегодн. Межвуз. сб. научн. ст. Пенза: ПГПУ им. В. Г. Белинского. 2001.-С.92-95

15. Дружаев А. А. Экспертная обучающе-контролирующая система / А.А. Дружаев, В.А. Артюхин, А.В. Ручков // Сборник докладов межвузовской конференции "Математические методы решения прикладных физико-технических задач". Пенза: изд-во ПАИИ,1999.

16. Калиниченко Б. О. Асинхронное тиражирование данных в гетерогенных средах. // СУБД.-1996.-№3.-С.118

17. Ковтун И. И. Матрично-реляционная модель данных для преставления и обработки информации в автоматизированных системах мониторинга и управления. // Программирование.- 1997.- №6.- С.58-72.

18. Кодд Е.Ф. Реляционная модель данных для больших совместно используемых банков данных // СУБД.-1995.-№1.-С .145-160

19. Колгановский М.Р. Абстракции и модели в системах баз данных // СУБД.-1998.- №4-5.

20. Коржов В. Базы данных идут в тираж. Обзор известных механизмов тиражирования и их доступность в SQL Server 7.0 //СУБД.- 1998.- №3.

21. Кришнамурфи Вишу. Объекты и SQL в ORACLE8// Русское издание ORACLE MAGAZINE.-1997.-№2(4).

22. Кузнецов С. Безопасность и целостность, или Худший враг себе это ты сам //Открытые системы.-1997.-№5.

23. Кузнецов С. Объектно-ориентированные базы данных основные концепции, организация и управление: краткий обзор //Открытые системы.-1997.- №6.

24. Кузнецов С. Третий манифест Дейта и Дарвена. //Открытые системы.- 2 000.- №4

25. Кузнецов С. Третий манифест Дейта и Дарвена: немного формализма. // Открытые системы.- 2000.-№7-8

26. Ладыженский Г. Распределенные информационные системы и базы данных // Открытые системы.- 1997.-№7-8

27. Линьков В.М. Интервальные вычисления и поддержка целостности БД. / В.М. Линьков, А.А. Дружаев // Сборникдокладов межвузовской конференции "Математические методы решения прикладных физико-технических задач". Пенза: ПАИИ.-1999

28. Линьков В.М. Использование семантики в реализации запросов к БД /В.М. Линьков, А.А. Масленников, А. В. Породников // Материалы IV международной научно-технической конференции.- Пенза: ПГУ, 2000.

29. Линьков В.М. Категорная модель данных и проектирование открытых информационных систем// Тезисы докладов.- Пенза: ПДЗ.- 2000.

30. Линьков В.М. Нумерационная доменно-ориентированная методология построения баз данных // Материалы всероссийской научно-технической конференции.-Пенза.- 1997. С.З

31. Линьков В.М. Нумерационные методы в проектировании систем управления данными.- Пенза: ПГТУ, 1994

32. Линьков В.М. Теоретико-множественная модель поддержки ограничений целостности доменно-ориентированной БД и ее реализация /В.М. Линьков, А.А. Дружаев // Материалы IV международной научно-технической конференции.- Пенза:ПГУ.-2000.

33. Лисовский К. IBM DB2 и объектно-ориентированные информационные системы // СУБД.-1997.-№б.

34. Лоран Д. Детерминированное поддержание ограничений целостности / Лоран Д., Спиратос Н., Стамат Д. // Программирование 1998.-№2.-С.38-57

35. Мартин Дж. Организация баз данных в вычислительных системах. Изд. 2-е М: "Мир", 198 0

36. Математика и информатика / Линьков В.М., Линькова В.П., Дружаев А.А., Ручков А.В. // Учебное пособие. Часть 2. Пенза: ПГПУ, 1997. - 54 с.

37. Михаэл Стоунбрейкер. Объектно-реляционные системы баз данных// СУБД.-1994.-№4.-С.43-44

38. Непрерывная и смежные логики в информатике, экономике и социологии / В.М. Линьков, В.В. Дрождин, Д.В. Майоров, Д. В. Белоусов, Е.В. Огуречников // Материалы всероссийской научно-технической конференции.- Пенза, 1997.- С.З.

39. Пржиялковский В. Абстракции в проектировании БД // СУБД.-1998.-№ 01-02.

40. Пржиялковский В. Новые одежды знакомых СУБД: новая реальность данная нам // СУБД.-1997.-№4.-С.88

41. Применение доменно-ориентированного подхода при разработке систем автоматизированного проектирования средств измерения с поддержкой временной семантики / В.М. Линьков, А.Л. Белоусов, Д.В. Майоров, Е.В. Огуречников,

42. A.А. Дружаев // Применение баз данных: Материалы научно-практического семинара.- Пенза.- 1997. С. 5-6.

43. Принципы построения информационных систем с использованием доменно-ориентированной модели / Линьков

44. B.М., Дружаев А.А., Иванцов М.А., Дрождин В. В., Колгушкин А. А. // Информационные системы в образовании (ИТО): X юбилейная международная конференция.- Москва:1. МИФИ.-2 000.

45. Распределенная информационно-аналитическая система сбора и обработки статистики по вузам Пензенской области / В. М. Линьков, В.В. Дрождин, А.А.Дружаев, А.А. Колгушкин // Отчет по проекту. № гос. регистрации 01.20.00.06408. Пенза: ПГУ.-2000.

46. Реализация ассоциаций между классами в среде активных баз данных / Topee X., Мартин О., Тройано Х.А., Торо М. // Программирование.- 2000.- №4, с. 42-54

47. Системы баз данных третьего поколения: Манифест // СУБД.-1995.-№2.-С.143-159

48. Структура обучающей экспертной системы / Линькова В.П., Дружаев А.А., Ручков А.В., Лосева О.В. // Применение баз данных: Материалы научно-практического семинара.- Пенза: ПДЗ, 1997.

49. Ханбеков В.Г. Система контроля и диагностики электронных устройств / Ханбеков В.Г., Дружаев А. А. // Промышленные АСУ и контроллеры. 2000.- №12. - С.53.

50. Цаленко М.1Л. Реляционные модели баз данных.-В сб.: Алгоритмы и организация решения экономических задач. Вып 9.-М. "Статистика", 1977.

51. Цаленко М.Ш. Моделирование семантики в базах данных.- М. Наука 1989.

52. Цикритзис Д. Модели данных / Цикритзис Д., Лоховски Ф. М.:"Финансы и статистика", 1985

53. Чемберлин Д. Анатомия объектно-реляционных баз данных // СУБД.-1998.-№1-2

54. Эйзенберг Эндрю. SQL:1999, ранее известный как SQL3 / Эйзенберг Эндрю, Мелтон Джим. // Открытые системы 1999.- №1.- с.52

55. SEQUEL 2: унифицированный подход к определению, манипулированию и контролю данных. Д. Д. Чамберлин, М.М.Астрахан, К.П.Эсваран, П.П.Грифитс, Р.А.Лори, Д.В.Мел, П.Райшер, Б.В.Вейд //СУБД.- 1996.- №1.-с144-159

56. Alejandro P. Buchmann, Alin Deutsch, and Uuergen Zimmermann. The REACH Active OODBMS. Technical report, Technical University Darmstadt, 1995.

57. Ashish Gupta, Sanjai Tiwari. Constraint Management On Distributed Design Databases // Data Engeneering, Uune 1994,Vol. 17, №2.

58. C.J. Date. Persistence Not Orthogonal to Type/ Database Programming & Design On Line October 1998

59. C.J.Date 1987. What is distributed database? InfoDB, 2:7

60. Catriel Beeri. A Formal Approach to Object-Oriented Databases // Data and Knowledge Eng.- 5,- 1990.353-382

61. David Wells. Will Oracle8 Be Universal? //Oracle View, October 1997

62. DBMS, August 1996. Integrity Control

63. Donald D. Chamberlin Anatomy of an Object-Relational Database. DB2 Online Magazine, Winter 1996

64. Eric N. Hanson and Jennifer Widom. An Overview of Production Rules in Database Systems. Technical report, University of Florida, Department of Computer and Information Sciences, October 1992.

65. IDEA at Bonn: Chimera Model and Language, 1996. Bonn .

66. J. D. Ullman. Principles of Database and Knowledge-Base Systems 1 and 2. CSP, 1989.

67. Paul W.P.J. Grefen Rolf A. de By Peter M.G. Apers. Integrity Control in Advanced Database Systems// Data Engeneering, June 1994,Vol. 17, №2

68. Paul W.P.J. Grefen, Rolf A. de By, Peter M.G. Apers. Integrity Control in Advanced Database Systems//Data Engeneering, June 1994,Vol. 17, №2.

69. S. Ceri, P. Fraternali, S. Paraboschi, L. Tanca. Active Rule Management in Chimera//Active Database Systems, Morgan-Kaufmann, 1996

70. S. К. Lellani, N. Spiratos. Towards a Categorical Data Model Supporting Structured Objects and Inheritance // Proc. 1st Int. East/West Database Workshop, Kiev, Oct. 1990, Lect. Notes Comput. Sci.-540.- 1991

71. SQL Reference//IBM DB2 Universal Database: Online Books, 1998

72. Stefano Ceri, Piero Fraternali, Stefano Paraboschi. Constraint Management in Chimera// Data Engeneering, June 1994,Vol. 17, №2.

73. Stonebraker M.R., Wong E. Access Control in Relation Data Base Managment System by Query Modification // Proc. ACM National Conference.-1974

74. Subhasish Mazumdar, David Stemple. Helping the Database Designer Maintain Integrity Constraints// Data Engeneering, June 1994,Vol. 17, №2

75. Sudarshan S. Chawathe, Hector Garcia-Molina, and Jennifer Widom. Flexible Constraint Management for Autonomous Distributed Databases // Data Engeneering, June 1994,Vol. 17, №2.

76. The PostgreSQL Development Team. Edited by Thomas Lockhart// PostgreSQL is copyright (C) 1998 by the Postgres Global Development Group.

77. Umeshwar Dayal. Active Database Management Systems. In Proceedings of the Third International Conference on Data and Knowledge Bases, pages 150-169, Jerusalem, June 1988.