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第1章數(shù)據(jù)庫技術(shù)概述 教材 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫技術(shù)與應(yīng)用 第一部分數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)知識 本節(jié)要點 數(shù)據(jù)庫技術(shù)的基本概念數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的組成概念模型數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)庫安全性 目錄 1 1數(shù)據(jù)庫技術(shù)的基本概念1 1 2數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展1人工管理2文件管理3數(shù)據(jù)庫技術(shù)1 1 3數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1數(shù)據(jù)模式2三級模式結(jié)構(gòu)3數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的二級映像技術(shù)及作用1 1 4數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的組成1 1 5概念模型1信息的三種世界2概念模型及其表示1 1 6數(shù)據(jù)模型1數(shù)據(jù)模型的概述2層次模型和網(wǎng)狀模型3關(guān)系模型 目錄 1 1 7數(shù)據(jù)庫的安全性1安全性控制的一般方法2數(shù)據(jù)完整性控制3并發(fā)控制小結(jié)習(xí)題 1 1數(shù)據(jù)庫技術(shù)的基本概念 數(shù)據(jù)與信息 數(shù)據(jù)就是對客觀事物描述和記錄的符號 數(shù)據(jù)涉及的種類很多 不僅包括文字符號 還包括圖形 圖像 聲音等多媒體數(shù)據(jù) 它所包含的含義就是信息 數(shù)據(jù)處理就是對數(shù)據(jù)的加工整理數(shù)據(jù)庫 DataBase 簡稱DB 就是存儲數(shù)據(jù)的倉庫 是長期存儲在計算機內(nèi)有結(jié)構(gòu)的大量的共享的數(shù)據(jù)集合 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) DataBaseManagementSystem 簡稱DBMS 是為數(shù)據(jù)庫的建立 使用和維護而配置的軟件 它負責(zé)對數(shù)據(jù)庫進行統(tǒng)一的管理和控制 1 1 2數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展 由于實際的需要 以及硬件技術(shù)的進步 數(shù)據(jù)處理技術(shù)得到了快速發(fā)展 計算機數(shù)據(jù)處理經(jīng)歷了如下三個階段 人工管理 數(shù)據(jù)不保存 在需要時輸入數(shù)據(jù)文件管理 據(jù)以文件的形式長久保存 二是由文件系統(tǒng)管理數(shù)據(jù) 文件系統(tǒng)把數(shù)據(jù)組織成相互獨立的數(shù)據(jù)文件 按文件名訪問數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)庫技術(shù) 在文件系統(tǒng)上發(fā)展起來的技術(shù) 它克服了文件系統(tǒng)的弱點 為用戶提供了一種使用方便 功能強大的數(shù)據(jù)管理手段 1 1 3數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 可以從不同的角度分析數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 從數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的角度來看數(shù)據(jù)庫 這是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)內(nèi)部的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 通常稱為數(shù)據(jù)庫體系結(jié)構(gòu) 從數(shù)據(jù)庫最終用戶角度來看 這是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)外部的體系結(jié)構(gòu) 1 數(shù)據(jù)模式數(shù)據(jù)模式是對數(shù)據(jù)庫中的全體數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu) 聯(lián)系和約束的描述 它僅僅涉及到數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和屬性的說明 而不涉及到具體的值 雖然數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)有很多種 數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)也各不相同 但在體系結(jié)構(gòu)上都有相同的特征 即采用三級模式結(jié)構(gòu) 2 三級模式結(jié)構(gòu)為了解決復(fù)雜的問題 往往采用分層的方法進行處理 與此類似 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的內(nèi)部體系結(jié)構(gòu)分成3級 層 外模式 模式和內(nèi)模式三級構(gòu)成 如圖 3 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的二級映像技術(shù)及作用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的三級模式是對數(shù)據(jù)的三個抽象級別 它把數(shù)據(jù)的具體管理交給DBMS管理 使用戶能邏輯上地處理數(shù)據(jù) 而不必關(guān)心數(shù)據(jù)在計算機中的具體表示方式 存儲位置 存取方式 不同的人員工作在不同的模式上 為了能夠在內(nèi)部實現(xiàn)這三個抽象層次的聯(lián)系和轉(zhuǎn)換 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)在這三級模式之間提供了兩層映像 外模式 模式映像 模式 內(nèi)模式正是這兩層映像技術(shù)保證了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)具有較高的獨立性 當(dāng)數(shù)據(jù)庫的物理結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時 如存儲設(shè)備的改變 數(shù)據(jù)存儲位置或存儲組織方式的改變 則數(shù)據(jù)庫管理員對模式 內(nèi)模式映像作相應(yīng)改變 可以使邏輯模式保持不變 用戶仍可按原來的邏輯模式使用數(shù)據(jù) 例如 為了提高數(shù)據(jù)的存取效率 數(shù)據(jù)庫管理員可以對數(shù)據(jù)庫的物理組織進行一定形式和程度的改變 而數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)不變 不需要重新定義邏輯模式 也不需要修改應(yīng)用程序 從而保證了數(shù)據(jù)的物理獨立性 1 1 4數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的組成 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)由以下三部分組成 硬件 軟件 人員 1 1 5概念模型 計算機不能直接處理現(xiàn)實世界中的客觀事物 而數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)正是使用計算機技術(shù)對客觀事物進行管理 因此就需要對客觀事物進行抽象 進行模擬 以建立適合于數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進行管理的數(shù)據(jù)模型 數(shù)據(jù)模型是對現(xiàn)實世界數(shù)據(jù)特征的模擬和抽象 數(shù)據(jù)模型應(yīng)滿足三個方面的要求 一是比較真實地模擬現(xiàn)實世界 二是容易為人所理解 三是便于計算機處理 由于問題的復(fù)雜性 一種模型很難同時滿足這些要求 為了使問題得以簡化 在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中針對不同的使用對象和目的 采用兩種數(shù)據(jù)模型 概念模型和數(shù)據(jù)模型 實際上 就是把抽象和模擬現(xiàn)實世界的過程分為兩個階段 概念模型和數(shù)據(jù)模型是兩個不同階段所使用的工具 1 信息的現(xiàn)實世界現(xiàn)實世界泛指客觀世界 信息的現(xiàn)實世界是指我們要管理的客觀存在的各種事物 事物之間的相互聯(lián)系及事物的發(fā)生 變化過程 通過對現(xiàn)實世界的了解和認識 我們對要管理的對象形成概念模型 2 信息世界當(dāng)事物用信息來描述時 即進入了信息世界 在信息世界中 實體的特征在頭腦中形成的知識稱為屬性 信息世界通過實體 特征 實體集及聯(lián)系來描述 信息世界所涉及的概念主要有 實體 客觀存在并可互相區(qū)分的事物屬性 實體所具有的某一方面特征的抽象描述實體集 同一類型實體的集合碼 它是能夠唯一標識一個實體的屬性集聯(lián)系 在現(xiàn)實世界中 事物之間是有聯(lián)系的 這些聯(lián)系在信息世界中反映為實體之間的聯(lián)系 1信息的三種世界 3 信息的計算機世界信息世界中的信息 經(jīng)過數(shù)字化處理形成計算機能夠處理的數(shù)據(jù) 就進入了計算機世界 4 信息的三個世界之間的聯(lián)系現(xiàn)實世界 信息世界和計算機世界是由客觀事物到認識 由認識到使用管理的三個不同層次 現(xiàn)實世界的的客觀事物及聯(lián)系通過系統(tǒng)分析形成信息世界的概念模型 而概念模型經(jīng)過信息化處理轉(zhuǎn)換為計算機世界的數(shù)據(jù)模型 概念模型是對信息世界的管理對象 屬性及聯(lián)系等信息的描述形式 概念模型是對信息世界的建模 它應(yīng)當(dāng)能夠全面 準確地表示出信息世界中的基本概念 概念模型的表示方法很多 其中最為著名使用最廣泛的是P P S Chen1976年提出的實體 聯(lián)系方法 Entity RelationshipApproach 即E R圖法 該方法用E R圖來描述現(xiàn)實世界的概念模型 E R方法也稱E R模型 E R圖法提供了表示實體集 屬性和聯(lián)系的方法 在E R圖中 實體集名 用矩形表示 矩形框內(nèi)寫明實體名 屬性 用橢圓形表示 并用線段將其與相應(yīng)的實體連接起來 2概念模型及其表示方法 1 1 6數(shù)據(jù)模型 數(shù)據(jù)模型是嚴格定義的一組概念的集合 這些概念精確地描述了系統(tǒng)的靜態(tài)特性 動態(tài)特性和完整性約束條件 1數(shù)據(jù)模型的概述 數(shù)據(jù)模型通常由數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)操作和完整性約束三部分組成 1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是所研究的對象類型的集合 這些對象是數(shù)據(jù)庫的組成成分 例如層次或網(wǎng)狀模型的數(shù)據(jù)項和記錄 關(guān)系模型中的關(guān)系和屬性 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是刻畫一個數(shù)據(jù)模型性質(zhì)最重要的方面 因此在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中 通常按照數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的類型來命名數(shù)據(jù)模型 例如層次結(jié)構(gòu) 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和關(guān)系結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)模型分別命名為層次模型 網(wǎng)狀模型和關(guān)系模型 2 數(shù)據(jù)操作數(shù)據(jù)操作是指對數(shù)據(jù)庫中各種數(shù)據(jù)對象允許執(zhí)行的操作的集合 數(shù)據(jù)操作包括操作對象和有關(guān)的操作規(guī)則 數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)操作主要有數(shù)據(jù)檢索和數(shù)據(jù)更新 即插入 刪除 修改 兩大類操作 3 數(shù)據(jù)約束條件數(shù)據(jù)約束條件是一組數(shù)據(jù)完整性規(guī)則的集合 數(shù)據(jù)完整性規(guī)則是指數(shù)據(jù)模型中的數(shù)據(jù)及其聯(lián)系所具有的制約及依存規(guī)則 用以限定符合數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)庫狀態(tài)以及狀態(tài)的變化 以保證數(shù)據(jù)的正確 有效和相容 常見的數(shù)據(jù)模型有層次模型 網(wǎng)狀模型和關(guān)系模型三種 現(xiàn)在所普遍使用的是關(guān)系模型 2層次模型和網(wǎng)狀模型 用樹形結(jié)構(gòu)來表示實體以及實體之間聯(lián)系的模型叫層次模型 現(xiàn)實世界中的許多實體之間本來就呈現(xiàn)出層次關(guān)系 現(xiàn)實世界中 許多事物之間是非層次結(jié)構(gòu)的 用層次模型表示有一定困難 網(wǎng)狀模型克服了這一缺點 網(wǎng)狀模型取消了層次模型中的限制 層次模型的優(yōu)點是 數(shù)據(jù)模型結(jié)構(gòu)簡單 缺點是不適宜表示非層次的聯(lián)系 網(wǎng)狀模型的優(yōu)點是 能夠更直接地描述現(xiàn)實世界 存取效率較高 缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜 不容易使用 由于層次模型和網(wǎng)狀模型的固有缺點 已逐漸被關(guān)系模型所取代 1 1 7數(shù)據(jù)庫的安全性 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)是由DBMS統(tǒng)一管理和控制的 為了適應(yīng)數(shù)據(jù)共享的環(huán)境 DBMS必須提供數(shù)據(jù)的安全性 完整性 并發(fā)控制和數(shù)據(jù)庫恢復(fù)等數(shù)據(jù)保護能力 以保證數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的安全可靠和正確有效 在計算機系統(tǒng)中 安全措施一般是一級一級層層設(shè)置的 例如 下圖就是一種很常用的安全模型 1安全性控制的一般方法 1 用戶標識和鑒定用戶標識和鑒定是系統(tǒng)提供的最外層安全保護措施 其方法是由系統(tǒng)提供一定的方式讓用戶標識自己的名字或身份 系統(tǒng)內(nèi)部記錄著所有合法用戶的標識 每次用戶要求進入系統(tǒng)時 由系統(tǒng)將用戶提供的身份標識與系統(tǒng)內(nèi)部記錄的合法用戶標識進行核對 通過鑒定后才提供機器使用權(quán) 2 存取控制在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中 為了保證用戶只能訪問他有權(quán)存取的數(shù)據(jù) 必須預(yù)先對每個用戶定義存取權(quán)限 對于通過鑒定獲得上機權(quán)的用戶 即合法用戶 系統(tǒng)根據(jù)它的存取權(quán)限定義 對它的各種操作請求進行控制 確保它只執(zhí)行合法操作 1安全性控制的一般方法 3 視圖通過視圖機制把要保密的數(shù)據(jù)對無權(quán)存取這些數(shù)據(jù)的用戶隱藏起來 從而自動地對數(shù)據(jù)提供一定程度的安全保護 在實際應(yīng)用中通常是視圖機制與授權(quán)機制配合使用 首先用視圖機制屏蔽掉一部分保密數(shù)據(jù) 然后在視圖上面再進 步定義存取權(quán)限 4 審計當(dāng)數(shù)據(jù)相當(dāng)敏感 或者對數(shù)據(jù)的處理極為重要時 就必須以審計技術(shù)作為預(yù)防手段 監(jiān)測可能的不合法行為 審計追蹤使用的是一個專用文件或數(shù)據(jù)庫 它自動保存用戶對數(shù)據(jù)庫的所有操作記錄 利用審計追蹤的信息 就能重現(xiàn)導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫現(xiàn)有狀況的一系列事件 以找到存取數(shù)據(jù)的人 5 加密對于高度敏感性數(shù)據(jù) 還可以采用數(shù)據(jù)加密技術(shù) 以密碼形式存儲和傳輸數(shù)據(jù) 這樣企圖通過不正常渠道獲取數(shù)據(jù) 例如 利用系統(tǒng)安全措施的漏洞非法訪問數(shù)據(jù) 或者在通信線路上竊取數(shù)據(jù) 那么只能看到一些無法辨認的二進制代碼 2數(shù)據(jù)完整性控制 數(shù)據(jù)庫的完整性是指數(shù)據(jù)的正確性和相容性 例如 學(xué)生的年齡必須是整數(shù) 取值范圍為14 29 學(xué)生的性別只能是男或女 學(xué)生的學(xué)號一定是唯一的 學(xué)生所在的系必須是學(xué)校開設(shè)的系等 數(shù)據(jù)的完整性與安全性是數(shù)據(jù)庫保護的兩個不同方面 安全性是防止用戶非法使用數(shù)據(jù)庫 包括惡意破壞數(shù)據(jù)和越權(quán)存取數(shù)據(jù) 完整性則是防止合法用戶使用數(shù)據(jù)庫時向數(shù)據(jù)庫加入不合語義的數(shù)據(jù) 3并發(fā)控制 數(shù)據(jù)庫是一個共享資源 可以供多個用戶使用 這些用戶程序可以串行執(zhí)行 每個時刻只有一個用戶程序運行 執(zhí)行對數(shù)據(jù)庫的存取 其他用戶程序必須等到這個用戶程序結(jié)束以后方能對數(shù)據(jù)庫存取 這會造成系統(tǒng)資源的大量浪費 因此 為了充分利用數(shù)據(jù)庫資源 發(fā)揮數(shù)據(jù)庫共享資源的特點 應(yīng)該允許多個用戶并行地存取數(shù)據(jù)庫 但這樣就會產(chǎn)生多個用戶程序并發(fā)存取同一數(shù)據(jù)的情況 若對并發(fā)操作不加控制就可能會存取和存儲不正確的數(shù)據(jù) 破壞數(shù)據(jù)庫的一致性 所以數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)必須提供并發(fā)控制機制 小結(jié) 本章主要介紹了數(shù)據(jù)管理技術(shù)的發(fā)展過程 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基本概念 數(shù)據(jù)庫 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng) 數(shù)據(jù)模型 層次模型 網(wǎng)狀模型 關(guān)系模型 數(shù)據(jù)模式 子模式 概念模式和物理模式 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的三級模式結(jié)構(gòu)及兩級映像的體系結(jié)構(gòu) 它保證了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)具有較高的邏輯獨立性和物理獨立性 習(xí)題 1 什么是數(shù)據(jù) 信息和數(shù)據(jù)處理 它們之間有什么關(guān)系 2 什么是數(shù)據(jù)庫 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng) 3 簡述數(shù)據(jù)管理技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷的三個階段 4 簡述數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的三級模式結(jié)構(gòu)及每級模式的作用 5 什么是數(shù)據(jù)的獨立性 6 簡述數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的二級映像技術(shù)及作用 7 解釋概念模型中的術(shù)語 實體 屬性 域 實體集 碼 實體關(guān)系圖 8 試述概念模型的作用 9 請舉出現(xiàn)實世界中存在的兩個實體集之間的1 1 1 n m n關(guān)系的實例 10 學(xué)校中有若干系 每個系有若干班級和教研室 每個教研室有若干教師 每個教師教若干門課程 每個班有若干個學(xué)生 每個學(xué)生選修若干門課程 每門課程有若干個學(xué)生選修 用E R圖畫出該學(xué)校的概念模型