Система управления базой данных объектов гражданской обороны для принятия решений в чрезвычайной ситуации (Диплом)

Система управления базой данных объектов гражданской обороны для принятия решений в чрезвычайной ситуации (Диплом)

Государственный Комитет Российской Федерации по

высшему образованию

Московский Государственный Институт Радиотехники, Электроники и Автоматики

(Технический Университет)

Факультет ВМС

Кафедра Кибернетики

Шифр АВ-4-92156

Дипломный Проект

Тема: Система управления базой данных объектов Гражданской Обороны для

принятия решений в чрезвычайных ситуациях.

Исполнитель: Сафронов С. О.

Руководитель проекта: Мошкин В. В.

Консультант по спец. части: Юсупов Э. И.

Консультант по организационно-

экономической части: Забродина М. В.

Консультант по технике

безопасности: Ахобадзе Г.И.

Консультант по гражданской

обороне: к.т.н. Манукалов В.В.

Консультант по эргономике: Пименов А.И.

Рецензент:

«Допущен к защите»

Зав. Кафедрой:

МОСКВА - 1998 г.

ЗАДАНИЕ

РЕФЕРАТ

Темой разработанного дипломного проекта является "Система управления

базой данных объектов Гражданской Обороны для принятия решений в

чрезвычайных ситуациях".

Результатом дипломного проектирования является разработанная база

данных по объектам экономики, объектам гражданской обороны и учащихся в

учебно-методическом центре. А так же программа по управлению базой данных,

которая позволяет производить различные действия: ведение, корректировку

данных, построение отчетов и составление различной статистической

информации.

Дипломный проект содержит _____ страниц текста, ____ рисунков и

____ таблиц. Приложения занимают ____ страниц. Список литературы содержит

____ наименований.

В расчетно-пояснительной записке приведено экономическое

обоснование создание программного продукта; представлен расчет затрат и

определение цены ПП, экономическая эффективность разработки. Определены

мероприятия, обеспечивающие оптимальные условия труда пользователя на

рабочем месте. Произведена разработка программы по расчету основных

поражающих факторов ядерного взрыва. Приведен эргономический анализ стилей

программирования. Сделаны соответствующие выводы по выбору операционной

системы и базы данных.

Данная программа позволяет полностью автоматизировать существующую

систему сбора и хранения информации. Заменяет книги учёта объектов

Гражданской Обороны и облегчает корректировку и поиск любой необходимой

информации.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ЗАДАНИЕ 2

РЕФЕРАТ 3

ОГЛАВЛЕНИЕ 4

СОКРАЩЕНИЯ 8

1. ВВЕДЕНИЕ 9

2. ВЫБОР ОПЕРАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ 11

2.1. Определение операционной системы 11

2.2. ОС как система управления ресурсами 11

2.3. Классификация ОС 12

2.3.1. Особенности алгоритмов управления ресурсами 12

2.3.1.1. Поддержка многозадачности. 12

2.3.1.2. Поддержка многопользовательского режима. 13

2.3.1.3. Вытесняющая и невытесняющая многозадачность 13

2.3.1.4. Поддержка многонитевости 14

2.3.1.5. Многопроцессорная обработка 14

2.3.1.6. Поддержка сети 14

2.3.2. Особенности аппаратных платформ 15

2.3.3. Особенности областей использования 16

2.3.3.1. Системы пакетной обработки 16

2.3.3.2. Системы разделения времени 17

2.3.3.3. Системы реального времени 18

2.4.Обзор сетевых операционных систем 18

2.5. Выбор операционной системы 20

3. ВЫБОР БАЗЫ ДАННЫХ 24

3.1. Определение СУБД 24

3.2. Основные функции СУБД 24

3.2.1. Непосредственное управление данными во внешней памяти

25

3.2.2. Управление буферами оперативной памяти 25

3.2.3. Управление транзакциями 25

3.2.4. Журнализация 26

3.2.5. Поддержка языков БД 28

3.3. Варианты построения информационных приложений с использованием

СУБД 30

3.3.1. Централизованные многотерминальные системы 31

3.3.2. Файл-серверные приложения 32

3.3.3.Приложения клиент-сервер 33

4. ВЫБОР ЯЗЫКА ПРОГРАММИРОВАНИЯ 35

4.1.Традиционные системы программирования 36

4.2. Инструменты для создания файл-серверных приложений 37

4.3. Средства разработки приложений клиент-сервер 38

4.3.1. Среды разработки приложений для серверов баз данных 39

4.3.2. Средства поддержки распределенных информационных приложений

40

5. ВЫВОДЫ ПО ВЫБОРУ ОПЕРАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ, ЯЗЫКА ПРОГРАММИРОВАНИЯ И БАЗЫ

ДАННЫХ 43

6. СТРУКТУРА И ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ УПРАВЛЕНИЯ ПО ДЕЛАМ ГРАЖДАНСКОЙ ОБОРОНЫ И

ЧРЕЗВЫЧАЙНЫМ СИТУАЦИЯМ 46

6.1. Определение ГО 46

6.2. Основные задачи ГО 47

6.3. Схема управления по делам ГО и ЧС 47

7. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ БАЗОЙ ДАННЫХ

ОБЪЕКТОВ ГО. 48

7.1. Назначение и цели создания программного продукта 48

7.2. Решаемые задачи 49

7.3. Определение необходимых таблиц базы данных 49

7.4. Нормализация базы данных 51

7.4.1. Первая нормальная форма 52

7.4.2. Вторая нормальная форма 52

7.4.3. Третья нормальная форма 53

7.4.4. Четвертая нормальная форма 53

7.4.5. Пятая нормальная форма 53

7.5. Определение столбцов в таблицах 54

7.6. Создание SQL сценария 68

7.6.1. Создание базы данных 68

7.6.2. Создание таблиц 69

7.6.3. Создание индексов 69

7.6.4. Определение первичных ключей 69

7.6.5. Определение вторичных ключей 70

7.6.6. Создание триггеров 70

7.6.7. Создание последовательностей 70

7.7.Выбор типа создаваемого приложения 71

7.8. Соглашение о название компонентов в программе GOBASE 71

7.9. Структура главного меню 73

7.9.1. Меню «Файлы» 74

7.9.2. Меню «Таблицы» 74

7.9.3. Меню «Отчеты» 75

7.9.4. Меню «Помощь» 75

7.10. Проектирование иерархий форм и отчетов 75

7.11. Иерархия форм программы 76

7.12. Основные органы управления форм программы GOBase 77

7.13. Основные формы программы 78

7.13.1. Форма ввода объектов экономики 78

7.13.2. Форма ввода учащихся в УМЦ 79

7.13.3. Форма отчетов (управления) 81

7.14. Экспорт в Excel 82

7.15. Требования к аппаратуре и программным средствам 84

7.16. Установка программы 84

8. ОРГАНИЗАЦИОННО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ 85

8.1. Введение 85

8.2. Описание программы 86

8.3. Последовательность выполнения работ 86

8.4. Оценка издержек на разработку программы. 92

8.4.1. Статья I. Оплата труда 93

8.4.2. Статья II. Материальные ресурсы 94

8.4.3. Статья III. Отчисления на социальные нужды 95

8.4.4. Статья IV. Накладные расходы 95

8.5. Цена программного продукта 96

8.6. Анализ эффективности внедрения программы 96

9. МЕРОПРИЯТИЯ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЕ ОПТИМАЛЬНЫЕ УСЛОВИЯ ТРУДА ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ НА

РАБОЧЕМ МЕСТЕ 99

9.1. Специфика дипломного проекта 99

9.2. Обзор вредных особенностей работы, встречающихся при изготовлении,

наладке и эксплуатации программ 99

9.3.1. Работа с монитором 99

9.3.2. Кресло 99

9.3.3. Клавиатура 100

9.3.4. Эффекты отражения и рабочий стол. 100

9.3.5. Оригиналодержатель 100

9.3.6. Шумы 100

9.3.7. Выделение избытков теплоты 101

9.4. Анализ категории тяжести труда инженера-программиста. 101

9.5. Анализ освещения на рабочем месте программиста. 106

10. ПРИМЕНЕНИЕ ЭВМ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ШТАБА ГО 110

10.1. Задачи гражданской обороны. 110

10.2. Основной расчет поражающих факторов ядерного взрыва 111

10.2.1. Исходные данные: 111

10.2.2. Выходные данные: 111

10.3. Текст программы 111

10.4. Проврка работоспособности 113

10.5. Выводы: 113

11. ЭРГОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭВМ 114

11.1. Введение 114

11.2. Проектирование форм 114

11.3. Формы выдачи решений 117

11.4. Интерактивные формы. 118

11.5.Формы ввода данных. 119

11.6. Проектирование отчетов. 120

12. ВЫВОДЫ 122

13. ЛИТЕРАТУРА 124

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 125

П.1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ 125

П.1.1 Общие сведения 125

П.1.2. Постановка задачи 125

П.1.3. Основания для разработки 125

П.1.4. Назначение и цели создания программного продукта 125

П.1.5. Требования к программе 126

П.1.6. Состав и содержание работ по созданию программы 127

П.1.7. Входная информация 127

П.1.8. Выходная информация 128

П.1.9. Порядок контроля и приемки программы 129

П.1.10. Требования к составу и содержанию работ по установке

программы на рабочем месте оператора 129

П.1.11. Требования к документированию 129

П.1.12. Источники разработки 129

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 129

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 132

ПРИЛОЖЕНИЕ 4 132

СОКРАЩЕНИЯ

|BL (Business or |Прикладная логика |

|Application Logic) | |

|DL (Data Logic |Логика управления данными |

|DS (Data Services) |Операции с БД |

|FK |Foreign Key (вторичный ключ) |

|FS (File Services) |Файловые операции |

|ID |идентификатор |

|ODBC |Open DataBase Connectivity |

|PK |Primary Key (первичный ключ) |

|PL (Presentation Logic) |Логика представлений |

|PS (Presentation | средства представления. |

|Services) | |

|RAD (Rapid Application |Средства быстрой разработки приложений |

|Development) | |

|АС |Автоматизированная система |

|АСУ |Автоматизированная система управления |

|БД |База данных |

|ВТ |Вычислительная техника |

|ГО |Гражданская Оборона |

|ДП |Дипломный проект |

|КЧС |Комиссия по ЧС |

|МТС |Материально-технические средства |

|ОП |Оперативная память |

|ОП |Особый период |

|ОС |Операционная система |

|ОТ |Охрана труда |

|ПК |Персональный компьютер |

|ПО |Программное обеспечение |

|ПП |Прикладная программа |

|ППП |Пакет ПП |

|ПУФ |Повышение устойчивости функционирования |

|ПЭВМ |Персональная ЭВМ |

|РФ |Российская Федерация |

|РФ |Российская Федерация |

|СУБД |Система управления базами данных |

|ТЗ |Техническое задание |

|ТП |Техническое предложение |

|УМЦ |Учебно-методический центр |

|ЦП |Центральный процессор |

|ЧС |Чрезвычайные ситуации |

|ЭВМ |Электронно-вычислительная машина |

|ЭЛТ |Электронно-лучевая трубка |

1. ВВЕДЕНИЕ

Прогресс, достигнутый за последние несколько лет во всех аспектах

вычислительной техники, включая теорию, технологию и приложения, привели

к значительному расширению области применения компьютеров и росту

числа их пользователей. Существенной частью современного общества

являются разнообразные системы доступа и хранения информации, которые

являются неотъемлемой составляющей современного научно-технического

прогресса. Существует много веских причин перевода существующей

информации на компьютерную основу, т.к. более быстрая обработка данных и

централизация их хранения с использованием клиент/серверных технологий

позволяют сберечь значительные средства, а главное и время для получения

необходимой информации, а также упрощает доступ и ведение.

В любой организации, как большой, так и маленькой, возникает проблема

такой организации управления данными, которая обеспечила бы наиболее

эффективную работу. Некоторые организации используют для этого шкафы с

папками, но большинство предпочитают компьютеризированные СУБД, позволяющие

эффективно хранить, извлекать информацию и управлять большими объемами

данных. Современные СУБД - многопользовательские системы управления базой

данных, которые специализируется на управлении массивом информации одним

или множеством одновременно работающих пользователей.

В настоящее время, вследствие нестабильной экономической и

политической ситуации в России возрастает опасность возникновения ЧС на

хозяйственных объектах (заводах, фабриках, электростанциях и т.п.),

возникновения аварий, стихийных бедствий и прочих катаклизмов. С каждым

годом чрезвычайные ситуации, порождаемые производственными и транспортными

авариями, катастрофами и стихийными бедствиями, становятся все более

частыми, масштабными и опасными, сопровождаются все большими человеческими

жертвами, материальным ущербом и деградацией природной сферы.

Как свидетельствует анализ статистических данных большая часть ЧС

возникает в РФ в регионах с высокой концентрацией предприятий угольной,

химической, нефтяной и газовой промышленности, с разветвленной сетью

автомобильных и железных дорог, а также в крупных городах. В основном это

ЧС техногенного характера (свыше 70% от общего числа) [1]. (См. ПРИЛОЖЕНИЕ

2)

Для решения задач предотвращения и ликвидации ЧС, снижения возможных

потерь населения и ущерба экономике в случае их возникновения в РФ создана

и действует единая государственная система предупреждения и ликвидации ЧС.

В соответствии с законом “О защите населения и территорий от ЧС природного

и технического характера” в стране функционирует единая государственная

система предупреждения и ликвидации ЧС, которая располагает органами

управления, силами, техническими средствами и другими материальными

ресурсами для того чтобы защитить население и национальное достояние от

воздействий аварий, катастроф, экологических и стихийных бедствий или

уменьшить их воздействия.

Основной целью создания этой системы является объединение усилий

центральных органов исполнительной власти, органов представительной и

исполнительной власти республик в составе РФ, краев, областей, городов и

районов, а также организаций, учреждений и предприятий, их сил средств в

деле предупреждения и ликвидации ЧС.

В связи с этим необходимо уделить пристальное внимание вопросам

гражданской обороны, а также оснащенность частей гражданской обороны

современной техникой, в том числе компьютерной, для своевременного и

оперативного реагирования на возникшую критическую ситуацию и на устранение

ее последствий. Для этого компьютерная техника должна быть оснащена

соответствующим программным обеспечением.

К сожалению, на сегодняшний момент не существует единой базы данных

объектов ГО, даже для такого крупного города как Москва. Существующее

хранение информации только с использованием картотек становится не

приемлемым в складывающейся ситуации.

В данной дипломной работе разработана программа по управлению базой

данных объектов экономики, с помощью которой можно оперативно собрать все

необходимые данные (о находящейся в распоряжении техники, защитных

сооружений, близ находящиеся объектах и другой информации) об объектах

экономики округа или города в чрезвычайной ситуации при планировании и

организации спасательных и других неотложных работ и тем самым сократить

время на сбор информации, которая так необходима в первые минуты ЧС, когда

каждая минута промедления может стоить жизни людей. Результатом

дипломного проектирования является разработанная база данных по объектам

экономики, объектам гражданской обороны и учащихся в учебно-методическом

центре. А так же программа по управлению базой данных, которая позволяет

производить различные действия: введение, корректировку данных, построение

отчетов и составление различной статистической информации.

2. ВЫБОР ОПЕРАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ

2.1. Определение операционной системы

Операционная система в наибольшей степени определяет облик всей

вычислительной системы в целом. Довольно затруднительно дать определение

операционной системе. Частично это связано с тем, что ОС выполняет две по

существу мало связанные функции: обеспечение пользователю-программисту

удобств посредством предоставления для него расширенной машины и повышение

эффективности использования компьютера путем рационального управления его

ресурсами.

2.2. ОС как система управления ресурсами

Идея о том, что ОС прежде всего система, обеспечивающая удобный

интерфейс пользователям, соответствует рассмотрению сверху вниз. Другой

взгляд, снизу вверх, дает представление об ОС как о некотором механизме,

управляющем всеми частями сложной системы. Современные вычислительные

системы состоят из процессоров, памяти, таймеров, дисков, накопителей на

магнитных лентах, сетевой коммуникационной аппаратуры, принтеров и других

устройств. В соответствии со вторым подходом функцией ОС является

распределение процессоров, памяти, устройств и данных между процессами,

конкурирующими за эти ресурсы. ОС должна управлять всеми ресурсами

вычислительной машины таким образом, чтобы обеспечить максимальную

эффективность ее функционирования. Критерием эффективности может быть,

например, пропускная способность или реактивность системы. Управление

ресурсами включает решение двух общих, не зависящих от типа ресурса задач:

. планирование ресурса - то есть определение, кому, когда, а для делимых

ресурсов и в каком количестве, необходимо выделить данный ресурс;

. отслеживание состояния ресурса - то есть поддержание оперативной

информации о том, занят или не занят ресурс, а для делимых ресурсов -

какое количество ресурса уже распределено, а какое свободно.

Для решения этих общих задач управления ресурсами разные ОС используют

различные алгоритмы, что в конечном счете и определяет их облик в целом,

включая характеристики производительности, область применения и даже

пользовательский интерфейс.

Так, например, алгоритм управления процессором в значительной степени

определяет, является ли ОС системой разделения времени, системой пакетной

обработки или системой реального времени.

2.3. Классификация ОС

Операционные системы могут различаться особенностями реализации

внутренних алгоритмов управления основными ресурсами компьютера

(процессорами, памятью, устройствами), особенностями использованных методов

проектирования, типами аппаратных платформ, областями использования и

многими другими свойствами.

Ниже приведена классификация ОС по нескольким наиболее основным

признакам.

2.3.1. Особенности алгоритмов управления ресурсами

От эффективности алгоритмов управления локальными ресурсами компьютера

во многом зависит эффективность всей сетевой ОС в целом. Поэтому,

характеризуя сетевую ОС, часто приводят важнейшие особенности реализации

функций ОС по управлению процессорами, памятью, внешними устройствами

автономного компьютера. Так, например, в зависимости от особенностей

использованного алгоритма управления процессором, операционные системы

делят на многозадачные и однозадачные, многопользовательские и

однопользовательские, на системы, поддерживающие многонитевую обработку и

не поддерживающие ее, на многопроцессорные и однопроцессорные системы.

2.3.1.1. Поддержка многозадачности.

По числу одновременно выполняемых задач операционные системы могут

быть разделены на два класса:

. однозадачные (например, MS-DOS, MSX)

. многозадачные (OC EC, OS/2, UNIX, Windows 95/NT).

Однозадачные ОС в основном выполняют функцию предоставления

пользователю виртуальной машины, делая более простым и удобным процесс

взаимодействия пользователя с компьютером. Однозадачные ОС включают

средства управления периферийными устройствами, средства управления

файлами, средства общения с пользователем.

Многозадачные ОС, кроме вышеперечисленных функций, управляют

разделением совместно используемых ресурсов, таких как процессор,

оперативная память, файлы и внешние устройства.

2.3.1.2. Поддержка многопользовательского режима.

По числу одновременно работающих пользователей ОС делятся на:

. однопользовательские (MS-DOS, Windows 3.x, ранние версии OS/2);

. многопользовательские (UNIX, Windows NT).

Главным отличием многопользовательских систем от однопользовательских

является наличие средств защиты информации каждого пользователя от

несанкционированного доступа других пользователей. Следует заметить, что не

всякая многозадачная система является многопользовательской, и не всякая

однопользовательская ОС является однозадачной.

2.3.1.3. Вытесняющая и невытесняющая многозадачность

Важнейшим разделяемым ресурсом является процессорное время. Способ

распределения процессорного времени между несколькими одновременно

существующими в системе процессами (или нитями) во многом определяет

специфику ОС. Среди множества существующих вариантов реализации

многозадачности можно выделить две группы алгоритмов:

. невытесняющая многозадачность (NetWare, Windows 3.x);

. вытесняющая многозадачность (Windows NT, OS/2, UNIX).

Основным различием между вытесняющим и невытесняющим вариантами

многозадачности является степень централизации механизма планирования

процессов. В первом случае механизм планирования процессов целиком

сосредоточен в операционной системе, а во втором - распределен между

системой и прикладными программами. При невытесняющей многозадачности

активный процесс выполняется до тех пор, пока он сам, по собственной

инициативе, не отдаст управление операционной системе для того, чтобы та

выбрала из очереди другой готовый к выполнению процесс. При вытесняющей

многозадачности решение о переключении процессора с одного процесса на

другой принимается операционной системой, а не самим активным процессом.

2.3.1.4. Поддержка многонитевости

Важным свойством операционных систем является возможность

распараллеливания вычислений в рамках одной задачи. Многонитевая ОС

разделяет процессорное время не между задачами, а между их отдельными

ветвями (нитями).

2.3.1.5. Многопроцессорная обработка

Другим важным свойством ОС является отсутствие или наличие в ней

средств поддержки многопроцессорной обработки - мультипроцессирование.

Мультипроцессирование приводит к усложнению всех алгоритмов управления

ресурсами.

В наши дни становится общепринятым введение в ОС функций поддержки

многопроцессорной обработки данных. Такие функции имеются в операционных

системах Solaris 2.x фирмы Sun, Open Server 3.x компании Santa Crus

Operations, OS/2 фирмы IBM, Windows NT фирмы Microsoft и NetWare 4.1 фирмы

Novell.

Многопроцессорные ОС могут классифицироваться по способу организации

вычислительного процесса в системе с многопроцессорной архитектурой:

асимметричные ОС и симметричные ОС. Асимметричная ОС целиком выполняется

только на одном из процессоров системы, распределяя прикладные задачи по

остальным процессорам. Симметричная ОС полностью децентрализована и

использует весь пул процессоров, разделяя их между системными и прикладными

задачами.

2.3.1.6. Поддержка сети

Выше были рассмотрены характеристики ОС, связанные с управлением

только одним типом ресурсов - процессором. Важное влияние на облик

операционной системы в целом, на возможности ее использования в той или

иной области оказывают особенности и других подсистем управления локальными

ресурсами - подсистем управления памятью, файлами, устройствами ввода-

вывода.

Специфика ОС проявляется и в том, каким образом она реализует сетевые

функции: распознавание и перенаправление в сеть запросов к удаленным

ресурсам, передача сообщений по сети, выполнение удаленных запросов. При

реализации сетевых функций возникает комплекс задач, связанных с

распределенным характером хранения и обработки данных в сети: ведение

справочной информации о всех доступных в сети ресурсах и серверах,

адресация взаимодействующих процессов, обеспечение прозрачности доступа,

тиражирование данных, согласование копий, поддержка безопасности данных.

2.3.2. Особенности аппаратных платформ

На свойства операционной системы непосредственное влияние оказывают

аппаратные средства, на которые она ориентирована. По типу аппаратуры

различают операционные системы персональных компьютеров, мини-компьютеров,

мейнфреймов, кластеров и сетей ЭВМ. Среди перечисленных типов компьютеров

могут встречаться как однопроцессорные варианты, так и многопроцессорные. В

любом случае специфика аппаратных средств, как правило, отражается на

специфике операционных систем.

Очевидно, что ОС большой машины является более сложной и

функциональной, чем ОС персонального компьютера. Так в ОС больших машин

функции по планированию потока выполняемых задач, очевидно, реализуются

путем использования сложных приоритетных дисциплин и требуют большей

вычислительной мощности, чем в ОС персональных компьютеров. Аналогично

обстоит дело и с другими функциями.

Сетевая ОС имеет в своем составе средства передачи сообщений между

компьютерами по линиям связи, которые совершенно не нужны в автономной ОС.

На основе этих сообщений сетевая ОС поддерживает разделение ресурсов

компьютера между удаленными пользователями, подключенными к сети. Для

поддержания функций передачи сообщений сетевые ОС содержат специальные

программные компоненты, реализующие популярные коммуникационные протоколы,

такие как IP, IPX, Ethernet и другие.

Многопроцессорные системы требуют от операционной системы особой

организации, с помощью которой сама операционная система, а также

поддерживаемые ею приложения могли бы выполняться параллельно отдельными

процессорами системы. Параллельная работа отдельных частей ОС создает

дополнительные проблемы для разработчиков ОС, так как в этом случае гораздо

сложнее обеспечить согласованный доступ отдельных процессов к общим

системным таблицам, исключить эффект гонок и прочие нежелательные

последствия асинхронного выполнения работ.

Другие требования предъявляются к операционным системам кластеров.

Кластер - слабо связанная совокупность нескольких вычислительных систем,

работающих совместно для выполнения общих приложений, и представляющихся

пользователю единой системой. Наряду со специальной аппаратурой для

функционирования кластерных систем необходима и программная поддержка со

стороны операционной системы, которая сводится в основном к синхронизации

доступа к разделяемым ресурсам, обнаружению отказов и динамической

реконфигурации системы. Одной из первых разработок в области кластерных

технологий были решения компании Digital Equipment на базе компьютеров VAX.

Недавно этой компанией заключено соглашение с корпорацией Microsoft о

разработке кластерной технологии, использующей Windows NT. Несколько

компаний предлагают кластеры на основе UNIX-машин.

Наряду с ОС, ориентированными на совершенно определенный тип

аппаратной платформы, существуют операционные системы, специально

разработанные таким образом, чтобы они могли быть легко перенесены с

компьютера одного типа на компьютер другого типа, так называемые мобильные

ОС. Наиболее ярким примером такой ОС является популярная система UNIX. В

этих системах аппаратно-зависимые места тщательно локализованы, так что при

переносе системы на новую платформу переписываются только они. Средством,

облегчающем перенос остальной части ОС, является написание ее на машинно-

независимом языке, например, на С, который и был разработан для

программирования операционных систем.

2.3.3. Особенности областей использования

Многозадачные ОС подразделяются на три типа в соответствии с

использованными при их разработке критериями эффективности:

. системы пакетной обработки (например, OC EC),

. системы разделения времени (UNIX, VMS),

. системы реального времени (QNX, RT/11).

2.3.3.1. Системы пакетной обработки

Системы пакетной обработки предназначались для решения задач в

основном вычислительного характера, не требующих быстрого получения

результатов. Главной целью и критерием эффективности систем пакетной

обработки является максимальная пропускная способность, то есть решение

максимального числа задач в единицу времени. Для достижения этой цели в

системах пакетной обработки используются следующая схема функционирования:

в начале работы формируется пакет заданий, каждое задание содержит

требование к системным ресурсам; из этого пакета заданий формируется

мультипрограммная смесь, то есть множество одновременно выполняемых задач.

Для одновременного выполнения выбираются задачи, предъявляющие отличающиеся

требования к ресурсам, так, чтобы обеспечивалась сбалансированная загрузка

всех устройств вычислительной машины; так, например, в мультипрограммной

смеси желательно одновременное присутствие вычислительных задач и задач с

интенсивным вводом-выводом. Таким образом, выбор нового задания из пакета

заданий зависит от внутренней ситуации, складывающейся в системе, то есть

выбирается "выгодное" задание. Следовательно, в таких ОС невозможно

гарантировать выполнение того или иного задания в течение определенного

периода времени. В системах пакетной обработки переключение процессора с

выполнения одной задачи на выполнение другой происходит только в случае,

если активная задача сама отказывается от процессора, например, из-за

необходимости выполнить операцию ввода-вывода. Поэтому одна задача может

надолго занять процессор, что делает невозможным выполнение интерактивных

задач. Таким образом, взаимодействие пользователя с вычислительной машиной,

на которой установлена система пакетной обработки, сводится к тому, что он

приносит задание, отдает его диспетчеру-оператору, а в конце дня после

выполнения всего пакета заданий получает результат. Очевидно, что такой

порядок снижает эффективность работы пользователя.

2.3.3.2. Системы разделения времени

Системы разделения времени призваны исправить основной недостаток

систем пакетной обработки - изоляцию пользователя-программиста от процесса

выполнения его задач. Каждому пользователю системы разделения времени

предоставляется терминал, с которого он может вести диалог со своей

программой. Так как в системах разделения времени каждой задаче выделяется

только квант процессорного времени, ни одна задача не занимает процессор

надолго, и время ответа оказывается приемлемым. Если квант выбран

достаточно небольшим, то у всех пользователей, одновременно работающих на

одной и той же машине, складывается впечатление, что каждый из них

единолично использует машину. Ясно, что системы разделения времени обладают

меньшей пропускной способностью, чем системы пакетной обработки, так как на

выполнение принимается каждая запущенная пользователем задача, а не та,

которая "выгодна" системе, и, кроме того, имеются накладные расходы

вычислительной мощности на более частое переключение процессора с задачи на

задачу. Критерием эффективности систем разделения времени является не

максимальная пропускная способность, а удобство и эффективность работы

пользователя.

2.3.3.3. Системы реального времени

Системы реального времени применяются для управления различными

техническими объектами, такими, например, как станок, спутник, научная

экспериментальная установка или технологическими процессами, такими, как

гальваническая линия, доменный процесс и т.п. Во всех этих случаях

существует предельно допустимое время, в течение которого должна быть

выполнена та или иная программа, управляющая объектом, в противном случае

может произойти авария: спутник выйдет из зоны видимости, экспериментальные

данные, поступающие с датчиков, будут потеряны, толщина гальванического

покрытия не будет соответствовать норме. Таким образом, критерием

эффективности для систем реального времени является их способность

выдерживать заранее заданные интервалы времени между запуском программы и

получением результата (управляющего воздействия). Это время называется

временем реакции системы, а соответствующее свойство системы -

реактивностью. Для этих систем мультипрограммная смесь представляет собой

фиксированный набор заранее разработанных программ, а выбор программы на

выполнение осуществляется исходя из текущего состояния объекта или в

соответствии с расписанием плановых работ.

Некоторые операционные системы могут совмещать в себе свойства систем

разных типов, например, часть задач может выполняться в режиме пакетной

обработки, а часть - в режиме реального времени или в режиме разделения

времени. В таких случаях режим пакетной обработки часто называют фоновым

режимом.

2.4.Обзор сетевых операционных систем

Большое разнообразие типов компьютеров, используемых в вычислительных

сетях, влечет за собой разнообразие операционных систем: для рабочих

станций, для серверов сетей уровня отдела и серверов уровня предприятия в

целом. К ним могут предъявляться различные требования по производительности

и функциональным возможностям, желательно, чтобы они обладали свойством

совместимости, которое позволило бы обеспечить совместную работу различных

ОС.

Сетевые ОС могут быть разделены на две группы: масштаба отдела и

масштаба предприятия. ОС для отделов или рабочих групп обеспечивают набор

сетевых сервисов, включая разделение файлов, приложений и принтеров. Они

также должны обеспечивать свойства отказоустойчивости, например, работать с

RAID-массивами, поддерживать кластерные архитектуры. Сетевые ОС отделов

обычно более просты в установке и управлении по сравнению с сетевыми ОС

предприятия, у них меньше функциональных свойств, они меньше защищают

данные и имеют более слабые возможности по взаимодействию с другими типами

сетей, а также худшую производительность.

Сетевая операционная система масштаба предприятия прежде всего должна

обладать основными свойствами любых корпоративных продуктов, в том числе:

. масштабируемостью, то есть способностью одинаково хорошо работать в

широком диапазоне различных количественных характеристик сети,

. совместимостью с другими продуктами, то есть способностью работать в

сложной гетерогенной среде интерсети в режиме plug-and-play.

Корпоративная сетевая ОС должна поддерживать более сложные сервисы.

Подобно сетевой ОС рабочих групп, сетевая ОС масштаба предприятия должна

позволять пользователям разделять файлы, приложения и принтеры, причем

делать это для большего количества пользователей и объема данных и с более

высокой производительностью. Кроме того, сетевая ОС масштаба предприятия

обеспечивает возможность соединения разнородных систем - как рабочих

станций, так и серверов. Например, даже если ОС работает на платформе

Intel, она должна поддерживать рабочие станции UNIX, работающие на RISC-

платформах. Аналогично, серверная ОС, работающая на RISC-компьютере, должна

поддерживать DOS, Windows и OS/2. Сетевая ОС масштаба предприятия должна

поддерживать несколько стеков протоколов (таких как TCP/IP, IPX/SPX,

NetBIOS, DECnet и OSI), обеспечивая простой доступ к удаленным ресурсам,

удобные процедуры управления сервисами, включая агентов для систем

управления сетью.

Важным элементом сетевой ОС масштаба предприятия является

централизованная справочная служба, в которой хранятся данные о

пользователях и разделяемых ресурсах сети. Такая служба, называемая также

службой каталогов, обеспечивает единый логический вход пользователя в сеть

и предоставляет ему удобные средства просмотра всех доступных ему ресурсов.

Администратор, при наличии в сети централизованной справочной службы,

избавлен от необходимости заводить на каждом сервере повторяющийся список

пользователей, а значит избавлен от большого количества рутинной работы и

от потенциальных ошибок при определении состава пользователей и их прав на

каждом сервере.

Важным свойством справочной службы является ее масштабируемость,

обеспечиваемая распределенностью базы данных о пользователях и ресурсах.

Такие сетевые ОС, как Banyan Vines, Novell NetWare 4.x, IBM LAN

Server, Sun NFS, Microsoft LAN Manager и Windows NT Server, могут служить в

качестве операционной системы предприятия, в то время как ОС NetWare 3.x,

Personal Ware, Artisoft LANtastic больше подходят для небольших рабочих

групп.

2.5. Выбор операционной системы

Критериями для выбора ОС масштаба предприятия являются следующие

характеристики:

. Органичная поддержка многосерверной сети;

. Высокая эффективность файловых операций;

. Возможность эффективной интеграции с другими ОС;

. Наличие централизованной масштабируемой справочной службы;

. Хорошие перспективы развития;

. Эффективная работа удаленных пользователей;

. Разнообразные сервисы: файл-сервис, принт-сервис, безопасность данных и

отказоустойчивость, архивирование данных, служба обмена сообщениями,

разнообразные базы данных и другие;

. Разнообразные программно-аппаратные хост-платформы: IBM SNA, DEC NSA,

UNIX;

. Разнообразные транспортные протоколы: TCP/IP, IPX/SPX, NetBIOS,

AppleTalk;

. Поддержка многообразных операционных систем конечных пользователей: DOS,

UNIX, OS/2, Mac;

. Поддержка сетевого оборудования стандартов Ethernet, Token Ring, FDDI,

ARCnet;

. Наличие популярных прикладных интерфейсов и механизмов вызова удаленных

процедур RPC;

. Возможность взаимодействия с системой контроля и управления сетью,

поддержка стандартов управления сетью SNMP.

Конечно, ни одна из существующих сетевых ОС не отвечает в полном

объеме перечисленным требованиям, поэтому выбор сетевой ОС, как правило,

осуществляется с учетом производственной ситуации и опыта. В таблице 2.1.

приведены основные характеристики популярных и доступных в настоящее время

сетевых ОС.

Таблица. 2.1. Основные характеристики сетевых ОС

|Novell |Специализированная операционная система, |

|NetWare |оптимизированная для работы в качестве файлового |

|4.1 |сервера и принт-сервера |

| |Ограниченные средства для использования в качестве |

| |сервера приложений: не имеет средств виртуальной |

| |памяти и вытесняющей многозадачности, а поддержка |

| |симметричного мультипроцесcирования отсутствовала до |

| |самого недавнего времени. Отсутствуют API основных |

| |операционных сред, используемых для разработки |

| |приложений, - UNIX, Windows, OS/2 |

| |Серверные платформы: компьютеры на основе процессоров|

| |Intel, рабочие станции RS/6000 компании IBM под |

| |управлением операционной системы AIX с помощью |

| |продукта NetWare for UNIX |

| |Поставляется с оболочкой для клиентов: DOS, |

| |Macintosh, OS/2, UNIX, Windows (оболочка для Windows |

| |NT разрабатывается компанией Novell в настоящее |

| |время, хотя Microsoft уже реализовала клиентскую |

| |часть NetWare в Windows NT) |

| |Организация одноранговых связей возможна с помощью ОС|

| |PersonalWare |

| |Имеет справочную службу NetWare Directory Services |

| |(NDS), поддерживающую централизованное управление, |

| |распределенную, полностью реплицируемую, |

| |автоматически синхронизируемую и обладающую отличной |

| |масштабируемостью |

| |Поставляется с мощной службой обработки сообщений |

| |Message Handling Service (MHS), полностью |

| |интегрированную (начиная с версии 4.1) со справочной |

| |службой |

| |Поддерживаемые сетевые протоколы: TCP/IP, IPX/SPX, |

| |NetBIOS, Appletalk |

| |Поддержка удаленных пользователей: ISDN, |

| |коммутируемые телефонные линии, frame relay, X.25 - с|

| |помощью продукта NetWare Connect (поставляется |

| |отдельно) |

| |Безопасность: аутентификация с помощью открытых |

| |ключей метода шифрования RSA; сертифицирована по |

| |уровню C2 |

| |Хороший сервер коммуникаций |

| |Встроенная функция компрессии диска |

| |Сложное обслуживание |

|Banyan |Серверные платформы: |

|VINES 6.0 |ENS for UNIX: работает на RISC-компьютерах под |

|и ENS |управлением SCO UNIX, HP-UX, Solaris, AIX ENS for |

|(Enterpris|NetWare: работает на Intel-платформах под управлением|

|e |NetWare 2.x, 3.x, 4.x |

|Network |VINES работает на Intel-платформах |

|Services) |Клиентские платформы: DOS, Macintosh, OS/2, UNIX, |

|6.0 |Windows for Workgroups, Windows NT |

| |Хороший сервер приложений: поддерживаются вытесняющая|

| |многозадачность, виртуальная память и симметричное |

| |мультипроцессирование в версии VINES и в ENS-версиях |

| |для UNIX. Поддерживаются прикладные среды UNIX, OS/2,|

| |Windows |

| |Поддержка одноранговых связей - отсутствует |

| |Справочная служба - Streettalk III, наиболее |

| |отработанная из имеющихся на рынке, с |

| |централизованным управлением, полностью |

| |интегрированная с другими сетевыми службами, |

| |распределенная, реплицируемая и автоматически |

| |синхронизируемая, отлично масштабируемая |

| |Согласованность работы с другими сетевыми ОС: |

| |хорошая; серверная оболочка работает в средах NetWare|

| |и UNIX; пользователи NetWare, Windows NT и LAN Server|

| |могут быть объектами справочной службы Streettalk III|

| | |

| |Служба сообщений - Intelligent Messaging, |

| |интегрирована с другими службами |

| |Поддерживаемые сетевые протоколы: VINES IP, TCP/IP, |

| |IPX/SPX, Appletalk |

| |Поддержка удаленных пользователей: ISDN, |

| |коммутируемые телефонные линии, X.25 |

| |Служба безопасности: поддерживает электронную подпись|

| |(собственный алгоритм), избирательные права доступа, |

| |шифрацию; не сертифицирована |

| |Простое обслуживание |

| |Хорошо масштабируется |

| |Отличная производительность обмена данными между |

| |серверами, хуже - при обмене сервер-ПК |

|Microsoft |Серверные платформы: компьютеры на базе процессоров |

|Windows NT|Intel, |

|Server |PowerPC, DEC Alpha, MIPS |

|3.51 и 4.0|Клиентские платформы: DOS, OS/2, Windows, Windows for|

| |Workgroups, Macintosh |

| |Организация одноранговой сети возможна с помощью |

| |Windows NT Workstation и Windows for Workgroups |

| |Windows NT Server представляет собой отличный сервер |

| |приложений: он поддерживает вытесняющую |

| |многозадачность, виртуальную память и симметричное |

| |мультипроцессирование, а также прикладные среды DOS, |

| |Windows, OS/2, POSIX |

| |Справочные службы: доменная для управления учетной |

| |информацией пользователей (Windows NT Domain |

| |Directory service), справочные службы имен WINS и DNS|

| | |

| |Хорошая поддержка совместной работы с сетями NetWare:|

| |поставляется клиентская часть (редиректор) для |

| |сервера NetWare (версий 3.х и 4.х в режиме эмуляции |

| |3.х, справочная служба NDS поддерживается, начиная с |

| |версии 4.0), выполненная в виде шлюза в Windows NT |

| |Server или как отдельная компонента для Windows NT |

| |Workstation; недавно Microsoft объявила о выпуске |

| |серверной части NetWare как оболочки для Windows NT |

| |Server |

| |Служба обработки сообщений - Microsoft Mail |

| |NT - Microsoft Message Exchange, интегрированная с |

| |остальными службами Windows NT Server |

| |Поддерживаемые сетевые протоколы: TCP/IP, IPX/SPX, |

| |NetBEUI, Appletalk |

| |Поддержка удаленных пользователей: ISDN, |

| |коммутируемые телефонные линии, frame relay, X.25 - с|

| |помощью встроенной подсистемы Remote Access Server |

| |(RAS) |

| |Служба безопасности: мощная, использует избирательные|

| |права доступа и доверительные отношения между |

| |доменами; узлы сети, основанные на Windows NT Server,|

| |сертифицированы по уровню C2 |

| |Простота установки и обслуживания |

| |Отличная масштабируемость |

|IBM LAN |Серверные платформы: операционные системы MVS и VM |

|Server 4.0|для мейнфреймов; AS/400 с OS/400, рабочие станции |

| |RS/6000 с AIX, серверы Intel 486 или Pentium под OS/2|

| | |

| |Поставляется с оболочками для клиентов: DOS, |

| |Macintosh, OS/2, Windows, Windows NT, Windows for |

| |Workgroups |

| |Серверы приложений могут быть организованы с помощью |

| |LAN Server 4.0 в операционных средах MVS, VM, AIX, |

| |OS/2, OS/400. В среде OS/2 поддерживаются: |

| |вытесняющая многозадачность, виртуальная память и |

| |симметричное мультипроцессирование |

| |Организация одноранговых связей возможна с помощью ОС|

| |Warp Connect |

| |Справочная служба - LAN Server Domain, то есть основа|

| |на доменном подходе |

| |Поддерживаемые сетевые протоколы: TCP/IP, NetBIOS, |

| |Appletalk |

| |Безопасность - избирательные права доступа, система |

| |не сертифицирована |

| |Служба обработки сообщений - отсутствует |

| |Высокая производительность |

| |Недостаточная масштабируемость |

3. ВЫБОР БАЗЫ ДАННЫХ

3.1. Определение СУБД

Традиционных возможностей файловых систем недостаточно для построения

даже простых информационных систем из-за возникающих потребностей, которые

не покрываются возможностями систем управления файлами:

. поддержание логически согласованного набора файлов;

. обеспечение языка манипулирования данными;

. восстановление информации после разного рода сбоев;

. реально параллельная работа нескольких пользователей.

Можно считать, что если прикладная информационная система опирается на

некоторую систему управления данными, обладающую этими свойствами, то эта

система управления данными является системой управления базами данных

(СУБД).

3.2. Основные функции СУБД

Более точно, к числу функций СУБД принято относить следующие:

3.2.1. Непосредственное управление данными во внешней памяти

Эта функция включает обеспечение необходимых структур внешней памяти

как для хранения данных, непосредственно входящих в БД, так и для служебных

целей, например, для убыстрения доступа к данным в некоторых случаях

(обычно для этого используются индексы). В некоторых реализациях СУБД

активно используются возможности существующих файловых систем, в других

работа производится вплоть до уровня устройств внешней памяти. В развитых

СУБД пользователи в любом случае не обязаны знать, использует ли СУБД

файловую систему, и если использует, то как организованы файлы. В

частности, СУБД поддерживает собственную систему именования объектов БД.

3.2.2. Управление буферами оперативной памяти

СУБД обычно работают с БД значительного размера; по крайней мере этот

размер обычно существенно больше доступного объема оперативной памяти.

Понятно, что если при обращении к любому элементу данных будет

производиться обмен с внешней памятью, то вся система будет работать со

скоростью устройства внешней памяти. Практически единственным способом

реального увеличения этой скорости является буферизация данных в

оперативной памяти. При этом, даже если операционная система производит

общесистемную буферизацию (как в случае ОС UNIX), этого недостаточно для

целей СУБД, которая располагает гораздо большей информацией о полезности

буферизации той или иной части БД. Поэтому в развитых СУБД поддерживается

собственный набор буферов оперативной памяти с собственной дисциплиной

замены буферов.

3.2.3. Управление транзакциями

Транзакция - это последовательность операций над БД, рассматриваемых

СУБД как единое целое. Либо транзакция успешно выполняется, и СУБД

фиксирует (COMMIT) изменения БД, произведенные этой транзакцией, во внешней

памяти, либо ни одно из этих изменений никак не отражается на состоянии БД.

Понятие транзакции необходимо для поддержания логической целостности БД.

Таким образом, поддержание механизма транзакций является обязательным

условием даже однопользовательских СУБД (если, конечно, такая система

заслуживает названия СУБД). Но понятие транзакции гораздо более важно в

многопользовательских СУБД.

То свойство, что каждая транзакция начинается при целостном состоянии

БД и оставляет это состояние целостным после своего завершения, делает

очень удобным использование понятия транзакции как единицы активности

пользователя по отношению к БД. При соответствующем управлении параллельно

выполняющимися транзакциями со стороны СУБД каждый из пользователей может в

принципе ощущать себя единственным пользователем СУБД (на самом деле, это

несколько идеализированное представление, поскольку в некоторых случаях

пользователи многопользовательских СУБД могут ощутить присутствие своих

коллег).

С управлением транзакциями в многопользовательской СУБД связаны важные

понятия сериализации транзакций и сериального плана выполнения смеси

транзакций. Под сериализаций параллельно выполняющихся транзакций

понимается такой порядок планирования их работы, при котором суммарный

эффект смеси транзакций эквивалентен эффекту их некоторого

последовательного выполнения. Сериальный план выполнения смеси транзакций -

это такой план, который приводит к сериализации транзакций. Понятно, что

если удается добиться действительно сериального выполнения смеси

транзакций, то для каждого пользователя, по инициативе которого образована

транзакция, присутствие других транзакций будет незаметно (если не считать

некоторого замедления работы по сравнению с однопользовательским режимом).

Существует несколько базовых алгоритмов сериализации транзакций. В

централизованных СУБД наиболее распространены алгоритмы, основанные на

синхронизационных захватах объектов БД. При использовании любого алгоритма

сериализации возможны ситуации конфликтов между двумя или более

транзакциями по доступу к объектам БД. В этом случае для поддержания

сериализации необходимо выполнить откат (ликвидировать все изменения,

произведенные в БД) одной или более транзакций. Это один из случаев, когда

пользователь многопользовательской СУБД может реально (и достаточно

неприятно) ощутить присутствие в системе транзакций других пользователей.

3.2.4. Журнализация

Одним из основных требований к СУБД является надежность хранения

данных во внешней памяти. Под надежностью хранения понимается то, что СУБД

должна быть в состоянии восстановить последнее согласованное состояние БД

после любого аппаратного или программного сбоя. Обычно рассматриваются два

возможных вида аппаратных сбоев: так называемые мягкие сбои, которые можно

трактовать как внезапную остановку работы компьютера (например, аварийное

выключение питания), и жесткие сбои, характеризуемые потерей информации на

носителях внешней памяти. Примерами программных сбоев могут быть: аварийное

завершение работы СУБД (по причине ошибки в программе или в результате

некоторого аппаратного сбоя) или аварийное завершение пользовательской

программы, в результате чего некоторая транзакция остается незавершенной.

Первую ситуацию можно рассматривать как особый вид мягкого аппаратного

сбоя; при возникновении последней требуется ликвидировать последствия

только одной транзакции.

Понятно, что в любом случае для восстановления БД нужно располагать

некоторой дополнительной информацией. Другими словами, поддержание

надежности хранения данных в БД требует избыточности хранения данных,

причем та часть данных, которая используется для восстановления, должна

храниться особо надежно. Наиболее распространенным методом поддержания

такой избыточной информации является ведение журнала изменений БД.

Журнал - это особая часть БД, недоступная пользователям СУБД и

поддерживаемая с особой тщательностью (иногда поддерживаются две копии

журнала, располагаемые на разных физических дисках), в которую поступают

записи обо всех изменениях основной части БД. В разных СУБД изменения БД

журнализуются на разных уровнях: иногда запись в журнале соответствует

некоторой логической операции изменения БД (например, операции удаления

строки из таблицы реляционной БД), иногда - минимальной внутренней операции

модификации страницы внешней памяти; в некоторых системах одновременно

используются оба подхода.

Во всех случаях придерживаются стратегии "упреждающей" записи в журнал

(так называемого протокола Write Ahead Log - WAL). Грубо говоря, эта

стратегия заключается в том, что запись об изменении любого объекта БД

должна попасть во внешнюю память журнала раньше, чем измененный объект

попадет во внешнюю память основной части БД. Известно, что если в СУБД

корректно соблюдается протокол WAL, то с помощью журнала можно решить все

проблемы восстановления БД после любого сбоя.

Самая простая ситуация восстановления - индивидуальный откат

транзакции. Строго говоря, для этого не требуется общесистемный журнал

изменений БД. Достаточно для каждой транзакции поддерживать локальный

журнал операций модификации БД, выполненных в этой транзакции, и

производить откат транзакции путем выполнения обратных операций, следуя от

конца локального журнала. В некоторых СУБД так и делают, но в большинстве

систем локальные журналы не поддерживают, а индивидуальный откат транзакции

выполняют по общесистемному журналу, для чего все записи от одной

транзакции связывают обратным списком (от конца к началу).

При мягком сбое во внешней памяти основной части БД могут находиться

объекты, модифицированные транзакциями, не закончившимися к моменту сбоя, и

могут отсутствовать объекты, модифицированные транзакциями, которые к

моменту сбоя успешно завершились (по причине использования буферов

оперативной памяти, содержимое которых при мягком сбое пропадает). При

соблюдении протокола WAL во внешней памяти журнала должны гарантированно

находиться записи, относящиеся к операциям модификации обоих видов

объектов. Целью процесса восстановления после мягкого сбоя является

состояние внешней памяти основной части БД, которое возникло бы при

фиксации во внешней памяти изменений всех завершившихся транзакций и

которое не содержало бы никаких следов незаконченных транзакций. Для того,

чтобы этого добиться, сначала производят откат незавершенных транзакций

(undo), а потом повторно воспроизводят (redo) те операции завершенных

транзакций, результаты которых не отображены во внешней памяти.

Для восстановления БД после жесткого сбоя используют журнал и архивную

копию БД. Грубо говоря, архивная копия - это полная копия БД к моменту

начала заполнения журнала (имеется много вариантов более гибкой трактовки

смысла архивной копии). Конечно, для нормального восстановления БД после

жесткого сбоя необходимо, чтобы журнал не пропал. Как уже отмечалось, к

сохранности журнала во внешней памяти в СУБД предъявляются особо повышенные

требования. Тогда восстановление БД состоит в том, что исходя из архивной

копии по журналу воспроизводится работа всех транзакций, которые

закончились к моменту сбоя. В принципе, можно даже воспроизвести работу

незавершенных транзакций и продолжить их работу после завершения

восстановления. Однако в реальных системах это обычно не делается,

поскольку процесс восстановления после жесткого сбоя является достаточно

длительным.

3.2.5. Поддержка языков БД

Для работы с базами данных используются специальные языки, в целом

называемые языками баз данных. В ранних СУБД поддерживалось несколько

специализированных по своим функциям языков. Чаще всего выделялись два

языка - язык определения схемы БД (SDL - Schema Definition Language) и язык

манипулирования данными (DML - Data Manipulation Language). SDL служил

главным образом для определения логической структуры БД, т.е. той структуры

БД, какой она представляется пользователям. DML содержал набор операторов

манипулирования данными, т.е. операторов, позволяющих заносить данные в БД,

удалять, модифицировать или выбирать существующие данные.

В современных СУБД обычно поддерживается единый интегрированный язык,

содержащий все необходимые средства для работы с БД, начиная от ее

создания, и обеспечивающий базовый пользовательский интерфейс с базами

данных. Стандартным языком наиболее распространенных в настоящее время

реляционных СУБД является язык SQL (Structured Query Language).

Прежде всего, язык SQL сочетает средства SDL и DML, т.е. позволяет

определять схему реляционной БД и манипулировать данными. При этом

именование объектов БД (для реляционной БД - именование таблиц и их

столбцов) поддерживается на языковом уровне в том смысле, что компилятор

языка SQL производит преобразование имен объектов в их внутренние

идентификаторы на основании специально поддерживаемых служебных таблиц-

каталогов. Внутренняя часть СУБД (ядро) вообще не работает с именами таблиц

и их столбцов.

Язык SQL содержит специальные средства определения ограничений

целостности БД. Опять же, ограничения целостности хранятся в специальных

таблицах-каталогах, и обеспечение контроля целостности БД производится на

языковом уровне, т.е. при компиляции операторов модификации БД компилятор

SQL на основании имеющихся в БД ограничений целостности генерирует

соответствующий программный код.

Специальные операторы языка SQL позволяют определять так называемые

представления БД, фактически являющиеся хранимыми в БД запросами

(результатом любого запроса к реляционной БД является таблица) с

именованными столбцами. Для пользователя представление является такой же

таблицей, как любая базовая таблица, хранимая в БД, но с помощью

представлений можно ограничить или наоборот расширить видимость БД для

конкретного пользователя. Поддержание представлений производится также на

языковом уровне.

Наконец, авторизация доступа к объектам БД производится также на

основе специального набора операторов SQL. Идея состоит в том, что для

выполнения операторов SQL разного вида пользователь должен обладать

различными полномочиями. Пользователь, создавший таблицу БД, обладает

полным набором полномочий для работы с этой таблицей. В число этих

полномочий входит полномочие на передачу всех или части полномочий другим

пользователям, включая полномочие на передачу полномочий. Полномочия

пользователей описываются в специальных таблицах-каталогах, контроль

полномочий поддерживается на языковом уровне.

3.3. Варианты построения информационных приложений с использованием СУБД

Групповые и корпоративные информационные системы и соответствующие

приложения могут строиться различными способами:

. многотерминальные централизованные вычислительные системы;

. системы на основе локальной сети ПК (файл-серверные приложения);

. системы с архитектурой клиент-сервер;

Для лучшего понимания ограничений различных архитектур информационных

систем, разделим приложения на типовые.

Типовые компоненты информационных приложений

Выделим в информационном приложении типовые функциональные компоненты,

достаточные для формирования любого приложения на основе БД.

PS (Presentation Services) - средства представления. Обеспечиваются

устройствами, принимающими ввод от пользователя и отображающим то, что

сообщает ему компонент логики представления PL, плюс соответствующая

программная поддержка. Может быть текстовым терминалом или Х-терминалом, а

также ПК или рабочей станцией в режиме программной эмуляции терминала или Х-

терминала.

PL (Presentation Logic) - логика представления. Управляет

взаимодействием между пользователем и ЭВМ. Обрабатывает действия

пользователя по выбору альтернативы меню, по нажатию кнопки или при выборе

элемента из списка.

BL (Business or Application Logic) - прикладная логика. Набор правил

для принятия решений, вычислений и операций, которые должно выполнить

приложение.

DL (Data Logic) - логика управления данными. Операции с базой данных

(SQL-операторы SELECT, UPDATE и INSERT), которые нужно выполнить для

реализации прикладной логики управления данными.

DS (Data Services) - операции с базой данных. Действия СУБД,

вызываемые для выполнения логики управления данными, такие как

манипулирование данными, определения данных, фиксация или откат транзакций

и т. п. СУБД обычно компилирует SQL - предложения.

FS (File Services) - файловые операции. Дисковые операции чтения и

записи данных для СУБД и других компонент. Обычно являются функциями ОС.

Можно привести несколько схем построения информационных систем (таблица

3.1.) в зависимости от размещения типовых компонентов приложения по узлам

сети.

Таблица 3.1. Схем построения информационных систем

|№ |Описание схемы |Клиент |Сервер |Пример реализации |

|1 |Централизованная |PS |PL, BL,|Сервер Sun с |

| |многотерминальная | |DL, DS,|X-терминалами в среде|

| |система | |FS |ОС Solaris |

|2 |Локальная сеть ПК с |PS, PL, |DS, FS |Локальная сеть ПК в |

| |файл серверными |BL, DL | |среде NetWare, |

| |приложениями | | |программы на FoxPro, |

| | | | |Clipper и др. |

|3 |Удаленный доступ к |PS, PL, |DS, FS |Система клиент-сервер|

| |данным на сервере БД |BL, DL | |с доступом ПК к |

| | | | |серверу БД: Informix |

| | | | |(NetWare) |

|4 |Удаленный доступ к БД|PS, PL, |BL, DS,|Система |

| |с использованием |DL |FS |клиент-сервер, доступ|

| |хранимых процедур | | |ПК к серверу ORACLE в|

| | | | |среде SCO Unix |

|5 |Удаленный доступ к БД|PS, PL, |BL, DL,|Система |

| |с разделением логики |BL, DL |DS, FS |клиент-сервер, доступ|

| |приложения | | |ПК к серверу ORACLE |

| | | | |на Sun (Solaris) |

3.3.1. Централизованные многотерминальные системы

В централизованной системе, характерной для Unix, терминал реализует

лишь функции представления данных PS, тогда как остальные функции

обеспечивает центральный узел. Центр должен реагировать на каждый запрос

пользователя (PL), выполнять логику приложения (BL, DL) и извлекать данные

из БД (DS, FS). Имеются две серьезные проблемы для централизованной схемы:

трудно обеспечить графический интерфейс; каждый дополнительный пользователь

и приложение вносят существенную нагрузку на сервер, теряется

масштабируемость.

3.3.2. Файл-серверные приложения

В отличии от централизованной системы архитектура "файл-сервер"

(таблица 3.1 и рисунок 3.1) не имеет сетевого разделения компонентов

диалога PS и PL, использует ПК для функций отображения, что облегчает

построение графического интерфейса. Файл-сервер только извлекает данные из

файлов, так что дополнительные пользователи и приложения добавляют лишь

незначительную нагрузку на ЦП. Каждый новый клиент добавляет вычислительную

мощность к сети.

[pic]

Рисунок 3.1.

Варианты построения файл-серверных приложений.

Объектами разработки в файл-серверном приложении являются компоненты

приложения, определяющие логику диалога PL, а также логику обработки BL и

управления данными DL. Разработанное приложение реализуется либо в виде

законченного загрузочного модуля или в виде специального кода для

интерпретации.

Однако такая архитектура имеет два основных недостатка: некоторые

запросы к БД могут перекачивать всю БД клиенту, загружая сеть и имея

непредсказуемое время реакции, тем самым, создавая значительный сетевой

график, а также возникающая проблема "толстого клиента" - Windows-

интерфейс, коды приложения и СУБД могут перегрузить даже мощный ПК.

Первый недостаток особенно сказывается при организации удаленного

доступа к базам данных на файл-сервере через низкоскоростные каналы связи.

В этом случае система с удаленными рабочими станциями оказывается

практически неработоспособной. В данным случае единственное решение -

удаленное управление файл-серверным приложением в сети (таблица 3.1 и

рисунок 3.1). В локальной сети ставится сервер приложений, совмещенный с

телекоммуникационным сервером (сервер доступа). В многозадачной среде этого

сервера выполняются обычные файл-серверные приложения. Особенность состоит

в том, что диалоговый ввод-вывод поступает через телекоммуникации от

удаленных клиентов. Приложения не должны быть слишком сложными, иначе шансы

перегрузки сервера увеличиваются, или же нужна очень мощная платформа для

сервера приложений. На клиентских узлах работают программы удаленного

управления или эмуляции терминалов, которые передают сигналы от клавиатуры

и мыши серверу приложений, а в ответ получают копии экранов и отображают их

на видеомониторе. Помимо перечисленных недостатков нужно отметить, что

многие "настольные СУБД", как традиционные инструменты файл-серверных

приложений, не отвечают требованиям сохранности данных, в частности не

поддерживают транзакции. Однако СУБД для ПК привлекают простотой

использования и доступностью, поэтому файл-серверные приложения еще будут

использоваться для рабочих групп.

3.3.3.Приложения клиент-сервер

Архитектура клиент-сервер предназначена для разрешения проблем файл-

серверных приложений путем разделения компонентов приложения и размещение

их там, где они будут функционировать более эффективно. Особенностью

архитектуры клиент-сервер является использование выделенных серверов баз

данных, понимающих запросы на языке структурированных запросов SQL и

выполняющих поиск, сортировку и агрегирование информации на месте без

излишней перекачки данных на рабочие станции.

Другая отличительная черта серверов БД - наличие словарьа данных, в

котором записаны структура БД, ограничения целостности данных, форматы и

даже серверные процедуры обработки данных по вызову или по событиям в

программе. Объектами разработки в таких приложениях помимо диалога и логики

обработки являются прежде всего реляционная модель данных и связанный с ней

набор SQL-операторов для типовых запросов для этой БД.

Большинство конфигураций клиент-сервер использует двухзвенную модель,

состоящую из клиента, который обращается к услугам сервера (сх. 3-5 в

таблице 3.1, рисунок 3.2). Для эффективной реализации такой схемы часто

применяют неоднородную сеть. Как минимум, предполагается, что диалоговые

компоненты PS и PL размещаются на клиенте, что позволяет обеспечить

графический интерфейс. Далее возможно разместить компоненты управления

данными DS и FS на сервере, а диалог (PS, PL), логику BL и DL на клиенте -

сх. 3 в таблице 3.1). Типовое определение архитектуры клиент-сервер -

приложение на клиенте, СУБД - на сервере - использует эту схему.

[pic]

Рисунок 3.2.

Варианты построения приложений клиент-сервер.

Поскольку эта схема предъявляет наименьшие требования к серверу, она

обладает наилучшей масштабируемостью. Однако сложные приложения, вызывающие

большое взаимодействие с БД, могут жестко загрузить как клиента, так и

сеть. Результаты SQL-запроса должны вернуться клиенту для обработки, потому

что там находится логика принятия решения. Такая схема возлагает

дополнительное бремя администрирования приложений, разбросанных по

различным клиентским узлам.

Можно сократить нагрузку на клиента и сеть, переместив целиком

компонент BL на сервер, при этом вся логика принятия решений оформлена в

виде хранимых процедур и выполняется на сервере БД. Хранимая процедура -

процедура с операторами SQL для доступа к БД, вызываемая по имени с

передачей требуемых параметров и выполняемая на сервере БД. Компиляция

повышает скорость исполнения хранимых процедур и сокращает нагрузку на

сервер. Но, перегрузив хранимые процедуры прикладной логикой, можно

потерять преимущества по производительности. Хранимые процедуры улучшают

целостность приложений и БД, гарантируют актуальность коллективно

используемых операций и вычислений. Улучшается сопровождение таких

процедур, а также безопасность (нет прямого доступа к данным).

Переместив с клиента часть логики приложения на сервер, получим

систему клиент-сервер с разделенной логикой. Часть прикладной логики может

быть реализована на клиенте, а другая часть логики - в виде обработчиков

событий (триггеров) и хранимых процедур на сервере БД. Такая схема при

удачном разделении логики приводит к сбалансированной загрузке клиентов и

сервера, но при этом затрудняется сопровождение приложений.

[pic]

Рисунок 3.3.

Приложения клиент-сервер на основе многотерминальной системы.

На основе многотерминальной системы в качестве сервера приложений

также возможно создание архитектуры клиент-сервер (рисунок 3.3.). В этом

случае в многозадачной среде сервера приложений выполняются программы

пользователей, а клиентские узлы вырождены и представлены терминалами.

4. ВЫБОР ЯЗЫКА ПРОГРАММИРОВАНИЯ

Классификация средств разработки информационных приложений