Учебное пособие Допущено Учебно-методическим объедине-нием по образованию в области прикладной информатики в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений

1.12 Особенности архитектуры клиент-сервер в распределенных средах

Для соединения клиентов и сервера требуется сетевое программное обеспечение. В системах клиент/сервер приложение, работающее на сервере, отвечает за создание и поддержку объектов баз данных в виде таблиц и индексов. Сервер поддерживает целостность ссылок и безопасность, а также обеспечивает возможность восстановления данных в случае широкого спектра отказов.

Приложения клиента выполняют всю работу по взаимодействию с пользователем, включая отображение информации и предоставление возможности работы с приложением через графический интерфейс пользователя. После того как из сервера выбраны строки данных, приложение может создавать их копии для локального хранения и последующего манипулирования с данными.

Прежде чем разрабатывать БД, необходимо понять, где находятся функциональные компоненты нашей системы. Это важно, чтобы понять, где происходит обработка данных и что стоит хранить в базе данных, а что лучше вычислять или определять по ходу дела.

Система клиент/сервер – это не только база данных, которая находится в одном месте (ПК), но и доступна с нескольких рабочих станций.

Система клиент/сервер не может быть создана из таблиц, например Microsoft Access, так как здесь нет того интеллектуального языка, который мог бы обрабатывать базу данных независимо от приложения. Логика, контролирующая данные, подчиняется указаниям приложения клиенткой стороны.

Типичные задачи клиенткой стороны:

вывод информации для пользователя;

манипулирование информацией в базе данных и на экране пользователя;

отображение отчетов;

обеспечение выполнения операций, прерванных пользователем;

клиентское приложение должно работать только с результирующим набором данных, а не со всеми доступными данными.

Типичные задачи серверной стороны.

любая операция, которая запускается на сервере, никогда не должна требовать для своего завершения участия пользователя;

ядро базы данных несет ответственность за хранение, обновление и извлечение информации;

посредством правил (rules) и триггеров (trigger) определяет функции, автоматически выполняемые сервером, на основе хранящейся в базе данных значений.

1. 
   Назовите типичные задачи клиентской стороны.
   
2. 
   Где поддерживается целостность ссылок и безопасность при архитектуре клиент-сервер?
   

Основоположником теории считается сотрудник фирмы IBM доктор Эдгар Кодд.

Теория реляционных баз данных имеет под собой мощную математическую основу. Разработанная Э. Коддом теоретическая база стала основой для разработки теории проектирования баз данных.

Э. Кодд предложил использовать для обработки данных аппарат теории множеств. Он доказал, что любой набор данных можно представить в виде двумерных таблиц особого вида, известных в математике как «отношения».

Наименьшая единица данных, которой оперирует реляционная модель данных, это отдельное атомарное для данной предметной области значение данных, которое не может быть разложено на более простые составляющие. Так, в одной предметной области составляющие адреса могут рассматриваться как различные значения, а в другой — как единое целое.

Множество атомарных значений одного и того же типа образуют домен. В самом общем виде домен определяется заданием некоторого базового типа данных, к которому относятся элементы домена и произвольного логического выражения, применяемого к элементам данных. Если при вычислении логического условия относительно элемента данных в результате получено значение «истина», то этот элемент принадлежит домену. В простейшем случае домен определяется как допустимое потенциальное множество значений одного типа.

В один домен могут входить значения из нескольких колонок, объединенных, помимо одинакового типа данных, еще и логически.

Каждый элемент данных в отношении может быть определен с указанием его адреса в формате A[i,j], где А — элемент данных, i — строка отношения, j — номер атрибута отношения.

Количество атрибутов в отношении определяет его порядок.

Множество значений A[i,j] при постоянном i и всех возможных j образуют кортеж. Их количество определяет его мощность, или кардинальное число. Мощность отношения, в отличие от порядка отношения, может со временем меняться.

Некоторое множество атрибутов образует ключ для данного отношения.

Множество атрибутов отношения являются возможным ключом этого отношения тогда и только тогда, когда удовлетворяются два независимых от времени условия:

Каждое отношение имеет один возможный ключ. Один из возможных ключей произвольно выбирается в качестве первичного ключа. Остальные возможные ключи, если они есть, принимаются за альтернативные ключи.

Реляционная модель данных в настоящее время является наиболее эффективной и популярной моделью, повсеместно используемой для построения высокопроизводительных, и функциональных баз данных.

Требования к проектированию реляционной базы данных в общем виде можно свести к нескольким правилам:

• 
  каждая таблица имеет уникальное в базе данных имя и состоит из однотипных строк;
  
• 
  каждая таблица состоит из фиксированного числа колонок и значений. В одной колонке строки не может быть сохранено более одного значения;
  
• 
  ни в какой момент времени в таблице не найдется двух строк, дублирующих друг друга. Строки должны отличаться хотя бы одним значением, чтобы у нас была возможность однозначно идентифицировать любую строку таблиц;
  
• 
  каждой колонке присваивается уникальное в пределах таблицы имя; для нее устанавливается конкретный тип данных, чтобы в этой колонке размещались однородные значения (даты, фамилии, телефоны, денежные суммы и т.д.);
  
• 
  полное информационное содержание базы данных представляется в виде явных значений самих данных, и такой метод представления является единственным.
  

Описание колонок, которое составляет разработчик, принято называть макетом таблицы.

Наиболее важными понятиями являются:

-отношение;

-кортеж;

-кардинальное число;

-атрибут;

-степень;

-домен;

-первичный ключ.

Отношение соответствует тому, что мы называем таблицей. Кортеж соответствует строке этой таблицы, а атрибут – столбцу. Количество кортежей называется кардинальным числом, а количество атрибутов – степенью.

Рассмотрим возможные типы отношения между таблицами. Если каждой строке в первой таблице в каждый момент времени соответствует ноль или одна строка во второй таблицы и наоборот, то между таблицами установлено отношение «один-к-одному» (1 : 1).

Если каждой строке в первой таблице в каждый момент времени соответствует ноль или одна строка во второй таблицы, но строка второй таблицы связана с единственной строкой первой таблицы, то между ними установлено отношение «один-ко-многим» (1 : М).

Если каждой строке в первой таблице соответствует ноль, одна или несколько строк во второй таблице и наоборот, то между ними установлено отношение «многое-ко-многим» (М : М).

Скалярные значения представляют собой «наименьшую семантическую единицу данных» в том смысле, что они атомарные: у них нет внутренней структуры (то есть они неразложимы) в реляционной модели, а значит, и при рассмотрении в реляционной СУБД. Наиболее важным доменов является следующее: домены ограничивают сравнение.

Если значение двух атрибутов взяты из одного и того же домена, тогда сравнение, а отсюда и соединение, объединения и многие другие операции, использующие такие два атрибута, тоже, будут иметь смысл, так как в них сравнивается подобный атрибут с подобным. И, наоборот, если значение взяты из различных доменов, тогда сравнение и другие операции, наверное, не будут иметь смысла. Поэтому преимущество системы поддержки домена заключается в том, что такая система способна предотвратить грубые ошибки.
Контрольные вопросы

1. 
   Какие типы отношений между таблицами вы знаете?
   
2. 
   Может ли значение реляционной модели быть разложено на составляющие?
   

Для связывания таблиц используются первичный и внешний ключи. Первичный ключ позволяет однозначно идентифицировать строку в таблице. В качестве первичного ключа можно использовать одну или более существующих колонок или создать новую. Однако первичный ключ на самом деле является частным случаем более общего понятия – потенциального ключа.

Пусть R – некоторое отношение. Тогда потенциальный ключ К для R – это подмножество множества атрибутов R, обладающее следующими свойствами:

-свойством уникальности. Нет двух различных кортежей (записей) в отношении R с одинаковым значением К;

-свойством неизбыточности. Никакое из подмножеств К не обладает свойством уникальности.

Каждое отношение имеет, по крайней мере, один потенциальный ключ. Базовое отношение может иметь, хотя и редко, больше одного потенциального ключа. В таком случае в реляционной модели по традиции один из потенциальных ключей должен быть выбран в качестве первичного ключа, а остальные потенциальные ключи, если они есть, будут называться альтернативными ключами.

Первичный ключ – этот уникальный идентификатор для таблицы, то есть столбец или такая комбинация столбцов, что в любой момент времени не существует двух строк, содержащих одинаковое значение в этом столбце или комбинации столбцов.

Дадим определение внешнего ключа.

Пусть R2 – базовое отношение. Тогда внешний ключ, скажем FK в отношении R2 – это подмножество множества атрибутов R2, такое что:

-существует базовое отношениеR1 с потенциальным ключом CK;

-каждое значение FK в текущем значении R2, всегда совпадает со значением СК некоторого кортежа в текущем значении R1.

Внешний ключ создается в зависимой таблице, которая ссылается на данные в главной таблице. Значение в колонке во внешнем ключе всегда должно существовать в главной таблице или быть неопределенным.

При изменении значения первичного ключа в главной таблице возможны следующие варианты поведения зависимой таблицы:

-каскадирование (Cascading). При удалении данных первичного ключа в главной таблице происходит удаление соответствующих данных внешнего ключа в зависимой таблице. Каскадировать операцию обновления, обновляя также внешний ключ в зависимой таблице;

-ограничение (Restrict). При удалении строки из главной таблицы возможны следующие варианты поведения зависимой таблицы: Допускается удаление только тех строк главной таблицы, для которых нет связанных строк в зависимой таблице. При попытке изменить значение первичного ключа, с которым связаны строки в зависимой таблице, изменения отвергаются;

-установление (Relation). При удалении строки из главной таблицы соответствующий внешний ключ в зависимой таблице устанавливается в неопределенное значение (NULL). При изменении данных первичного ключа внешний ключ устанавливается в неопределенное значение (NULL).

Реляционная система управления базами данных – это такая система, в которой выполняется как минимум два условия:

• 
  данные воспринимаются пользователем как таблицы (и никак иначе);
  
• 
  в распоряжении пользователя имеются операторы, которые генерируют новые таблицы из старых, и среди которых, по крайней мере, есть операторы SELECT, PROJECT, JOIN.
  

Операция PROJECT предназначена для извлечения определенных столбцов из таблицы.

Операция JOIN предназначена для соединения двух таблиц на основе общих значений в общих столбцах.

Следует выделить следующие особенности:

• 
  во-первых, таблицы представляют абстракцию способа физического хранения данных, в которой множество деталей на уровне памяти – размещение хранимой записи, последовательность хранимых записей, кодировка хранимых данных, предмет хранимых записей, хранимые структуры доступа, такие как индексы и т.д. – скрыто от пользователя. Концептуальный и внешний уровни в реляционной системе являются реляционными, а внутренний, или физический уровень – нет. На самом деле реляционная теория ничего не может сказать о внутреннем уровне вообще; она «заботится» о том, как база данных представлена пользователю;
  
• 
  во-вторых, все информационное содержимое базы данных представлено одним и только одним способом, а именно: явным заданием значений данных. Этот метод представления единственно возможный. В частности, нет никаких указателей, связывающих одну таблицу с другой. Здесь не идет речь о том, что их не может быть на физическом уровне.
  

• 
  в-третьих, все значения данных атомарные (или скалярные). Это значит, что в каждой таблице в позиции на пересечении столбца и строки всегда находится только одно значение и никак не группа из нескольких значений.
  

Реляционная модель связана с тремя аспектами данных: структурой, целостностью и обработкой данных.

Структура – это объекты данных, объектами в основном являются таблицы. Целостность обеспечивается внешними и первичными ключами, а операторы – это SELECT, PROJECT, JOIN и т.д.

Существуют определенные правила целостности, которые должны соблюдаться в базе данных:

• 
  каждая строка таблицы должна включать уникальные значения одного из столбцов, называемого первичным ключом;
  
• 
  столбец одной таблицы базы данных, ссылающейся на первичный ключ другой таблицы, является внешним ключом.
  

Исходные таблицы называются базовыми таблицами; а таблицы, полученные из них путем выполнения каких-либо реляционных выражений, называются производными таблицами. Поэтому базовые таблицы существуют независимо, в то время как производные таблицы зависят от базовых таблиц.

Базовые таблицы должны быть именованными. Большинство производных таблиц, наоборот, неименованные.

Однако реляционные системы обычно поддерживают один вид производных таблиц, называемых представлением, которое имеет имя.

Итак, представление – это именованная таблица, которая, в отличие от базовой, не может существовать сама по себе, а определяется в терминах одной или нескольких именованных таблиц.

Различия между базовой таблицей и представлением часто характеризуется так:

• 
  базовые таблицы «реально существуют» в том смысле, что они представляют данные, которые действительно хранятся в базе данных;
  
• 
  представления, наоборот, «реально не существуют», а просто предоставляют различные способы просмотра «реальных» данных.
  

Язык SQL используется для описания реляционных операций, (т.е. операций, которые определяют и обрабатывают данные в реляционной форме).

Язык SQL - это язык, ориентированный на работу с множествами. Язык не включает ни средств управления выполнением программы (ветвлений и циклов), ни средств для создания форм или отчетов. Функции управления реализуются с помощью языков программирования. Однако в некоторые версии SQL, например в Transact - SQL, используемые в Microsoft SQL Server, добавлены два оператора и .

ANSI SQL включает набор стандартных команд, сгруппированных по шести категориям: описание данных, выполнение запросов, манипулирование данными, управление курсором, управление транзакциями, а также администрирование. В 1989 г. в исходный стандарт ANSI были добавлены инструкции для обеспечения целостности данных.

Существуют три способа реализации SQL:

• 
  Непосредственный вызов. Инструкции SQL передаются в систему управления базами данных (СУБД), которая создает и выводит требуемую таблицу. Примером непосредственного вызова может служить предложение SQL системы dBase IV.
  
• 
  Язык модулей. Позволяет записывать в текстовый файл инструкции SQL, которые позднее выполняются приложением. Инструкция SQL должна начинаться с ключевого слова MODULE и определять язык программирования (LANGUAGE).
  
• 
  Встроенный SQL. Это наиболее распространенный метод реализации; инструкции SQL генерируются системой управления или включаются как текст в команды языка системы.
  

В большинстве случаев используется упрощенный вариант команды SELECT имеющий следующий синтаксис:

SELECT select list

[INTO new_table]

FROM table_source

[WHERE search_condition]

[GROUP BY group_by_expression]

[HAVING search_condition]

[ORDER BY order_expression [ASC \ DESC] ]
В операторе SELECT указываются столбцы выбираемых данных, место хранения столбцов, критерий отбора данных и порядок сортировки, применяемый к этим данным. Более того, с помощью оператора SELECT можно сгруппировать данные и назначить критерий отбора на уровне группы. SELECT имеет следующий синтаксис:

SELECT [ ALL \ DISTINCT]

[TOP n [PERCENT] [WITH TIES ]]

• 
  ALL – при указании этого ключевого слова в результат запроса разрешается включение дублирующихся строк. Параметр ALL используется по умолчанию.
  
• 
  DISTINCT – это ключевое слово запрещает появление в результате дублирующихся строк.
  
• 
  TOP n [PERCENT] [WITH TIES] – использование этой конструкции предписывает серверу выбирать не все строки, а только n первых. Для этого лишь требуется указать ключевое слово ТОР п.
  

При указании ключевого слова WITH TIES в результат будут включены строки, совпадающие с последними выведенными строками при указании ТОР n [PERCENT]. Это позволяет включать в результат все одинаковые строки, не опасаясь, что, например, из 12 одинаковых строк будут выведены только 7. WITH TIES допускается применять только в случае, если строки в результате упорядочены, то есть когда в запросе используется конструкция ORDER BY.

При указании этой конструкции результат выполнения запроса будет сохранен в новой таблице. Синтаксис раздела INTO следующий:

[INTO new_table]

Единственный аргумент, new_table, определяет имя таблицы, в которую будут вставлены результаты. Сервер автоматически создаст указанную таблицу с нужной структурой.

FROM {}

Ключевое слово FROM описывает таблицы или представления, связанные с изменяемой таблицей. Если в базе данных имеются таблицы или представления, ссылающиеся на изменяемую таблицу, то для обеспечения целостности данных необходимо указать эти объекты при выполнении команды UPDATE. Если выполняется, изменение данных, никак не влияющих на другие таблицы, то указание FROM не требуется. Порядок указания таблиц и представлений после ключевого слова FROM не влияют на результат работы команды UPDATE. Ссылки на исходные таблицы и представления указываются в конструкции UPDATE.

Добавление директивы WHERE

Используя тот же самый базовый оператор SELECT, можно сузить результаты запроса, добавив директиву WHERE.

В директиве WHERE в качестве критерия отбора строк можно использовать несколько столбцов.

Для проверки значений полей можно использовать различные операторы сравнения. Описание этих операторов приведено в таблице 1.

Помимо перечисленных выше операторов сравнения, значения столбцов, включаемые в директиву WHERE, можно проверять с помощью логических операторов AND и OR. При использовании оператора AND возвращаемые строки должны отвечать обоим условиям, расположенным слева и справа от оператора AND. Оператор же OR требует, чтобы было выполнено хотя бы одно из заданных условий.

Достаточно добавить директиву ORDER BY, чтобы отсортировать записи по любому столбцу. Для сортировки в порядке убывания используется ключевое слово DESC.

В Microsoft SQL Server предусмотрено несколько вариантов сортировки. По умолчанию используется словарный порядок, не учитывающий регистр букв (Dictionary Order, Caseinsensitive). Порядок сортировки определяется во время установки SQL Server и позже его переопределить нельзя.

Использование директивы WHERE для объединения таблиц

Не всегда будет достаточно просмотра данных только из одной таблицы. Данные в таблице могут быть связаны с данными других, таблиц базы данных. Для объединения нескольких таблиц вместе в одном операторе SELECT, можно использовать директиву WHERE:

SELECT author.au_Iname, author.au_fname, titles.title

FROM author, titleauthor, titles

WHERE authors.au_id =titleauthor.au_id AND

Titleauthor.title_id=titles.title_id

ORDER BY authors.au_Iname, authors.au_fname, titles.title

Нужно обратить внимание на способ записи имен столбцов в этом операторе. Во избежание ошибки неоднозначности при отборе данных одним оператором SQL из нескольких таблиц (заданных директивой FROM) для столбцов с одинаковыми именами в различных таблицах необходимо задавать в виде префиксов имена соответствующих таблиц.

Объединение таблиц может быть реализовано и другим способом, а именно – с помощью оператора JOIN. Этот метод объединения таблиц соответствует стандарту ANSI и имеет следующий синтаксис:

SELECT столбец 1, столбец 2, столбец З

FROM таблица 1 оператор_объединения таблица 2

ON критерий_объединения

Рассматриваемый нами оператор JOIN определяет, каким образом должны быть возвращены строки из объединяемых таблиц. Директива ON действует подобно директиве WHERE, указывая в каких полях в объединяемых таблицах должно проверяться равенство значений. Различные операторы объединения описаны в таблице 2.

С помощью оператора объединения команду SQL из предыдущего примера можно записать следующим образом:

SELECT authors.au_Iname, authors. au_fname, titles.title FROM

(authors INNER JOIN titleauthor

ON authors.au_id = titleauthor.au_id) INNER JOIN titles

ON titleauthor.title_id = titles.title_id

ORDER BY authors.au_Iname, authors.au_fname, titles.title

Итоговые функции в операторах SQL

Описываемые в данном разделе функции возвращают итоговые значения для заданных столбцов или выражений в форме итоговых сумм, количества записей, средних значений и т.п. Итоговая функция может возвращать одно значение для всех строк, отобранных запросом. Если же в оператор SQL была добавлена директива GROUP BY, то такое итоговое значение вычисляется на каждом уровне группировки. Список итоговых функций, которые можно использовать в запросах, приведен в таблице 3.

В следующем примере функция count применяется ко всем строкам таблицы titles без группировки:

SELECT count (title) 'наименований'

FROM titles

Результат представляет собой количество записей в таблице titles.

Использование директивы GROUP BY

Предположим, что вам нужно сгруппировать все похожие строки результата выполнения запроса по значениям одного или нескольких столбцов. Это можно сделать, задав требуемые столбцы в директиве GROUP BY. Если задано несколько столбцов, то строки сначала группируются по первому столбцу, а затем (внутри этих групп) – по второму столбцу и т.д.

В следующем примере директива GROUP BY используется вместе с итоговой функцией, чтобы показать, как эта функция применяется к значениям внутри каждой отдельной группы:

SELECT authors.au_Iname, authors.au_fname, count (titles.title) 'Названий'

FROM authors, titleauthor, titles

WHERE

titleauthor.title_id = titles.title_id

GROUP BY authors.au_Iname, authors.au_fname

Использование директивы HAVING

Подобно директиве WHERE, директива HAVING используется для задания критерия отбора возвращаемых запросом данных. Различие связано с уровнем, на котором выполняется проверка критерия. В директиве WHERE критерий используется для ограничения количества строк, возвращаемых запросом. А затем директива GROUP BY формирует из этих строк группы и вычисляет заданные значения. После этого критерии директивы HAVING используется для ограничения количества групп в соответствии с данными на уровне группы.

В следующем примере директива HAVING используется для выборки имен только тех авторов, которые написали более одной книги:

SELECT a.au_Iname, a.au_fname, count (c.title) 'Названий'

FROM authors a, titleauthor b, titles с

WHERE a.au_id = b.au_id AND b.title_id = c.title_id

GROUP BY a.au_Iname, a.au_fname

HAVING count (c.title) > 1

Создание таблиц выполняется инструкцией:

CREATE TABLE имя таблицы

(имя_столбца тип [NULL | NOT NULL] [DEFAULT значение_по_умолчанию]

[ограничение_на_столбец]... ;

[, имя_столбца тип [NULL | NOT NULL] [DEFAULT значение_по_умолчанию]

[ограничение на столбец]...]...

[ограничение на таблицу]...)

Ограничение на первичный ключ является ограничением на всю таблицу, так как использует более одного столбца.

Ограничения с проверкой также могут применяться ко всей таблице, если они используют более одного столбца (столбцы должны принадлежать одной таблице).

В ряде систем имеются специальные команды (не связанные с оператором CREATE TABLE) для обработки значений по умолчанию, правил и ограничений на целостность. Первые СУБД иногда перекладывали вопросы, связанные со значениями по умолчанию и ограничениями на целостность, на приложения и не поддерживали соответствующие команды SQL.