SISTEMAS DE GESTIÓN DE BASE DE DATOS SGBD / DBMS

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1 Universidad de Carabobo Facultad Experimental de Ciencias y Tecnología Departamento de Computación Unidad Académica Base de Datos SISTEMAS DE GESTIÓN DE BASE DE DATOS SGBD / DBMS Integrantes: Fidel Gil Javier Albrigo Javier Do Rosario Sección: 01 Valencia, 14 de Febrero de 2005 Sistemas de Gestión de Base de Datos 1

2 SISTEMAS DE ARCHIVOS Un sistema de archivos es un conjunto de programas que prestan servicio a los usuarios finales, donde cada programa define y maneja sus propios datos. Los sistemas de archivos surgen de la necesidad de reemplazar el manejo de los archivos manuales para obtener acceso a los datos con mayor rapidez. Estos sistemas de archivos presentaban un modelo descentralizado para el manejo de sus datos, lo que representaba que cada núcleo de la organización donde se manejaba el sistema de archivos almacenaba y gestionaba sus propios datos. Los sistemas de archivos presentan algunos inconvenientes que se atribuyen a que la definición de los datos se encuentra codificada dentro de los programas de aplicación, y no siendo almacenada de forma independiente a las aplicaciones. Además no hay control sobre el acceso y manipulación de los datos diferente al que proporciona la aplicación diseñada para el sistema de archivos. Debido a los inconvenientes que presentaban los sistemas de archivos surgieron las Bases de Datos y los Sistemas de Gestión de Base de Datos. BASE DE DATOS Una base de datos es un conjunto de datos almacenados entre los que existen relaciones lógicas y ha sido diseñada para satisfacer los requerimientos de información de una organización, almacenando en ella su descripción. En las bases de datos se almacenan grandes cantidades de datos, que son definidos una sola vez y que pueden ser accesados por varios usuarios a la vez, teniendo todos los datos integrados y creando una dependencia de datos a la organización y no a los departamentos o núcleos de la misma, eliminando la redundancia de datos y estableciendo una mínima duplicidad de los datos. Cada dato de la base de datos almacena una descripción de los mismos que es denominada metadatos, la cual se almacena en el diccionario de datos o catálogo y es lo que permite que exista una independencia de los datos lógico-física. Los sistemas de información separan la definición de la estructura de datos de los programas de aplicación y almacenan esta definición en la base de datos, lo que permite que al añadir o modificar estructura de datos, los programas de aplicación no se ven afectados, ya que no dependen directamente de ello. Sistemas de Gestión de Base de Datos 2

3 SISTEMA DE GESTIÓN DE BASE DE DATOS (SGBD) DATA BASE MANAGMENT SYSTEM (DBMS) Los sistemas de Gestión de Bases de Datos, son aplicaciones que permiten a los usuarios definir, crear y mantener la base de datos y proporciona un acceso controlado a la misma. Los SGBD es la aplicación que interactúa con los usuarios de los programas de aplicación y la base de datos. Algunos de los SGBD más conocidos son: SQL, DB2, SLQ/DS, ORACLE, INGRES, INFORMIX, SYBASE, PARADOX, DBASE, ACCESS, FOXPRO, R, RM/T y RM/V2. OBJETIVOS DE UN SGBD Definir la Base de Datos mediante el Lenguaje de Definición de Datos, el cual permite especificar la estructura, tipo de datos y las restricciones sobre los datos, almacenándolo todo en la base de datos. Separar la descripción y manipulación de la data, permitiendo un mayor entendimiento de los objetos, además de flexibilidad de consulta y actualización de los datos. Permitir la inserción, eliminación, actualización, consulta de los datos mediante el Lenguaje de Manejo de Datos, lo que permite resolver el problema que presentan los sistemas de archivos, donde hay que trabajar con un conjunto fijo de consultas o la necesidad de tener muchos programas de aplicaciones. Existen dos tipos de programas de Manejo de Datos, los cuales se diferencian por la forma en que acceden a los datos. Lenguajes procedurales: manipulan la base de datos registro a registro y se deben especificar las operaciones a realizar para obtener los datos resultado. Lenguajes no procedurales: manipulan la base de datos en conjuntos de registros y se especifican qué datos deben obtenerse como resultado sin plantear las forma de hacerlo. El lenguaje no procedural más utilizado es SQL (Structure Query Languaje) que se ha convertido en un estándar y el lenguaje por defecto de los SGBD relacionales. Proporcionar acceso controlado a la base de datos. Seguridad: los usuarios no autorizados no pueden acceder a la base de datos. Integridad: mantiene la integridad y consistencia de la base de datos. Control de Recurrencia: permite el acceso compartido a la base de datos. Control de Recuperación: restablece la base de datos después de producirse un fallo de software o hardware. Diccionario de datos o Catálogo: contiene la descripción de los datos de la base de datos y es accesible por el usuario. Gestionar la estructura física de los datos y su almacenamiento, proporcionando eficiencia en las operaciones de la base de datos y el acceso al medio de almacenamiento. Proporcionar un mecanismo de vistas, que permita a cada usuario tener su propia vista o visión de la base de datos. El lenguaje de definición nos permite definir las vistas como subconjuntos de la base de datos, permitiendo: Sistemas de Gestión de Base de Datos 3

4 Proporcionar un nivel de seguridad excluyendo datos para que no sean vistos por determinados usuarios. Permiten que los usuarios vean los datos en el formato deseado. Una vista representa una imagen consistente y permanente de la base de datos, aún cuando a la base de datos se le hagan cambios en sus estructura. Eliminar la redundancia de datos, establecer una mínima duplicidad en los datos y minimizar el espacio en disco utilizado. Proveer interfaces procedimentales y no procedimentales, permitiendo la manipulación por usuarios interactivos y programadores. Independizar la estructura de la organización lógica de los datos (Independencia física). Independizar la descripción lógica de la Base de datos y las descripciones particulares de los diferentes puntos de vistas de los usuarios. Permitir una fácil administración de los datos. ACTORES EN EL ENTORNO DE UNA BASE DE DATOS Administrador de la base de datos: se encarga del diseño físico de la base de datos y de su implementación, realiza el control de la seguridad y de la concurrencia, mantiene el sistema para que siempre se encuentre operativo y se encarga de que los usuarios y las aplicaciones obtengan buenas prestaciones. El administrador debe conocer muy bien el SGBD que se esté utilizando, así como el equipo informático sobre el que esté funcionando. Diseñadores de la base de datos: realizan el diseño lógico de la base de datos, debiendo identificar los datos, las relaciones entre datos y las restricciones sobre los datos y sus relaciones. El diseñador de la base de datos debe tener un profundo conocimiento de los datos de la empresa y también debe conocer sus reglas de negocio. Las reglas de negocio describen las características principales de los datos tal y como las ve la empresa. El diseñador de la base de datos debe implicar en el desarrollo del modelo de datos a todos los usuarios de la base de datos, tan pronto como sea posible. El diseño lógico de la base de datos es independiente del SGBD concreto que se vaya a utilizar, es independiente de los programas de aplicación, de los lenguajes de programación y de cualquier otra consideración física. Programadores de aplicaciones: se encargan de implementar los programas de aplicación que servirán a los usuarios finales. Estos programas de aplicación son los que permiten consultar datos, insertarlos, actualizarlos y eliminarlos. Estos programas se escriben mediante lenguajes de tercera generación o de cuarta generación. Usuarios finales: consultan, actualizan y generan reportes de la base de datos. A los usuarios finales también se les llama clientes de la base de datos. Sistemas de Gestión de Base de Datos 4

5 INTEGRACIÓN DE LOS DATOS VENTAJAS DE LOS SGBD Control sobre la redundancia de datos: Los sistemas de archivos almacenan varias copias de los mismos datos en archivos distintos. Esto hace que se desperdicie espacio de almacenamiento, además de provocar la falta de consistencia de datos. En los sistemas de bases de datos todos estos archivos están integrados, por lo que no se almacenan varias copias de los mismos datos. Sin embargo, en una base de datos no se puede eliminar la redundancia completamente, ya que en ocasiones es necesaria para modelar las relaciones entre los datos, o bien es necesaria para mejorar las prestaciones. Consistencia de datos: Eliminando o controlando las redundancias de datos se reduce en gran medida el riesgo de que haya inconsistencias. Si un dato está almacenado una sola vez, cualquier actualización se debe realizar sólo una vez, y está disponible para todos los usuarios inmediatamente. Si un dato está duplicado y el sistema conoce esta redundancia, el propio sistema puede encargarse de garantizar que todas las copias se mantienen consistentes. Desgraciadamente, no todos los SGBD de hoy en día se encargan de mantener automáticamente la consistencia. Más información sobre la misma cantidad de datos: Al estar todos los datos integrados, se puede extraer información adicional sobre los mismos. Compartición de datos: En los sistemas de archivos, los archivos pertenecen a las personas o a los departamentos que los utilizan. Pero en los sistemas de bases de datos, la base de datos pertenece a la empresa y puede ser compartida por todos los usuarios que estén autorizados. Además, las nuevas aplicaciones que se vayan creando pueden utilizar los datos de la base de datos existente. Mantenimiento de estándares: Gracias a la integración es más fácil respetar los estándares necesarios, tanto los establecidos a nivel de la empresa como los nacionales e internacionales. Estos estándares pueden establecerse sobre el formato de los datos para facilitar su intercambio, pueden ser estándares de documentación, procedimientos de actualización y también reglas de acceso. EXISTENCIA DE LOS SGBD Mejora en la integridad de datos: La integridad de la base de datos se refiere a la validez y la consistencia de los datos almacenados. Normalmente, la integridad se expresa mediante restricciones o reglas que no se pueden violar. Estas restricciones se pueden aplicar tanto a los datos, como a sus relaciones, y es el SGBD quien se debe encargar de mantenerlas. Mejora en la seguridad: Los SGBD permiten mantener la seguridad mediante el establecimiento de claves para identificar al personal autorizado a utilizar la base de datos. Las autorizaciones se pueden realizar a nivel de operaciones, de modo que un usuario puede estar autorizado a consultar ciertos datos pero no a actualizarlos, por ejemplo. Mejora en la accesibilidad a los datos: Muchos SGBD proporcionan lenguajes de consultas o generadores de informes que permiten al usuario hacer cualquier tipo de consulta sobre los datos, sin que sea necesario que un programador escriba una aplicación que realice tal tarea. Sistemas de Gestión de Base de Datos 5

6 Mejora en la productividad: A nivel básico, el SGBD proporciona todas las rutinas de manejo de archivos típicas de los programas de aplicación. El hecho de disponer de estas funciones permite al programador centrarse mejor en la función específica requerida por los usuarios, sin tener que preocuparse de los detalles de implementación de bajo nivel. Mejora en el mantenimiento gracias a la independencia de datos: Los SGBD separan las descripciones de los datos de las aplicaciones. Esto es lo que se conoce como independencia de datos, gracias a la cual se simplifica el mantenimiento de las aplicaciones que acceden a la base de datos. Aumento de la concurrencia: La mayoría de los SGBD gestionan el acceso concurrente a la base de datos y garantizan que no ocurran problemas en el acceso de múltiples usuarios. Mejora en los servicios de copias de seguridad y de recuperación ante fallos: Los SGBD actuales funcionan de modo que se minimiza la cantidad de trabajo perdido cuando se produce un fallo. INCONVENIENTES DE LOS SGBD Complejidad: Los SGBD son conjuntos de programas muy complejos con una gran funcionalidad. Es preciso comprender muy bien esta funcionalidad para poder sacar un buen partido de ellos. Tamaño: Los SGBD son programas complejos y muy extensos que requieren una gran cantidad de espacio en disco y de memoria para trabajar de forma eficiente. Coste económico del SGBD: El coste de un SGBD varía dependiendo del entorno y de la funcionalidad que ofrece. Además, hay que pagar una cuota anual de mantenimiento que suele ser un porcentaje del precio del SGBD. Costo del equipamiento adicional: Tanto el SGBD, como la propia base de datos, pueden hacer que sea necesario adquirir más espacio de almacenamiento. Además, para alcanzar las prestaciones deseadas, es posible que sea necesario adquirir una máquina con más prestaciones o una máquina que se dedique solamente al SGBD. Costo de la conversión: En algunas ocasiones, el costo del SGBD y el costo del equipo informático que sea necesario adquirir para su buen funcionamiento, es insignificante comparado al coste de convertir la aplicación actual en un sistema de bases de datos. Este coste incluye el coste de enseñar a la plantilla a utilizar estos sistemas y, probablemente, el costo del personal especializado para ayudar a realizar la conversión y poner en marcha el sistema. Prestaciones: Los SGBD están escritos para ser más generales y ser útiles en muchas aplicaciones, lo que puede hacer que algunas de ellas no sean tan rápidas como en los sistemas de archivos. Vulnerable a los fallos: El hecho de que todo esté centralizado en el SGBD hace que el sistema sea más vulnerable ante los fallos que puedan producirse. Sistemas de Gestión de Base de Datos 6

7 ARQUITECTURA DE TRES NIVELES Hay tres características importantes inherentes para el enfoque de las bases de datos; estas son : a) separación entre los programas y los datos (independencia entre los programas y datos ); b) el manejo de múltiples vistas de usuario y c) el empleo de un catálogo para almacenar la descripción (esquema) de la base de datos. La arquitectura de tres niveles es un método de gran aceptación para explicar el funcionamiento de los sistemas de bases de datos fue formalizado en 1975 y mejorado en 1978 es también conocido como arquitectura ANSI/SPARC asi llamada por la Standards Planning and Requirements Committee of the American National Standards Institute en español el Comite de Standarización de Requerimientos y Planificación del Instituto Nacional de Standarización Americano. Los tres niveles de la arquitectura son: Interno, Conceptual y Externo. 1. El nivel interno: tiene un esquema interno, el cual describe la estructura de almacenamiento físico de la Base de Datos. El esquema interno utiliza un modelo físico de data y describe los detalles completos de almacenamiento de data y el acceso a los caminos de la BD. 2. El nivel conceptual: tiene un esquema conceptual el cual describe la estructura de todas las Bases de Datos para una comunidad de usuarios. El esquema conceptual es una descripción global de la BD que oculta los detalles de las estructuras de almacenamiento físico y se concentra en describir las entidades, los tipos de data, las relaciones y constantes. 3. El nivel externo: o nivel de vista incluye un número de esquemas externos o vistas de usuario. Cada esquema externo describe la vista de la BD de un grupo o de los usuarios de la BD. Cada vista típicamente describe la parte de la BD en la cual un grupo de usuarios en particular esta interesado y oculta el resto de la BD para otros grupos de usuario. Sistemas de Gestión de Base de Datos 7

8 En su mayoría, los DBMS no se distinguen del todo en tres niveles, pero en algunos de ellos se cuenta, en cierta medida, con la arquitectura de tres esquemas. Algunos DBMS incluyen ciertos detalles del nivel físico en el esquema conceptual. En la mayoría de los DBMS que manejan vistas de usuarios, los esquemas externos se especifican en el mismo modelo de datos que describe la información a nivel conceptual. Es importante resaltar que los únicos datos reales existen en el nivel físico todos los demás niveles superiores solo contienen descripciones de los datos. En una arquitectura de tres esquemas cada grupo de usuarios hace referencia exclusivamente a su propio esquema externo, por tanto el DBMS debe de transformar una solicitud expresada en un esquema externo a el esquema conceptual, luego la solicitud ahora en esquema conceptual es llevada al esquema interno, es después procesada sobre la base de datos, por ejemplo si fuese un pedido de datos, será necesario modificar el formato de la información antes de ser enviada al usuario externo. El proceso de transformaciones de solicitudes es denominado correspondencia o transformación (maping). Esta es una de las razones que hacen lentas a las bases de datos de hecho en bases de datos pequeñas no vale la pena crear esquemas externos ya que mas afectan la velocidad de lo que mejoran la vista externa. MÓDULOS DE LOS DBMS Los DBMS son software tremendamente complicados; a continuación se muestran los componentes de software que constituyen un DBMS y los tipo de software del sistema que interactúan con los DBMS Es una representación de como funciona en general una bases de datos no representa la estructura real de algún sistema de bases de datos. La BD y los catálogos del DBMS usualmente son almacenados en discos. El acceso a disco es controlado principalmente por el sistema operativo el cual controla las I/O a los discos. Un módulo de administración de datos almacenados de alto nivel ( stored data manager) del DBMS controla el acceso a la información del DBMS almacenada en disco, sí este es parte de la BD o del catálogo. El compilador DDL (DDL compiler) procesa las definiciones de esquema especificadas en el DDL y almacena la descripción de los esquemas en el catálogo del DBMS; Este contiene información como los nombres de los archivos y de los elementos de información, los detalles de almacenamiento de cada archivo, la información de correspondencia entre los esquemas y las restricciones. Los módulos que requieran esta información deberán accesar el catálogo. El procesador en tiempo real (runtime processor) de la BD maneja el acceso a la BD en tiempo real, este recibe las operaciones de obtención y actualización y las lleva a la BD para su ejecución, el acceso se tiene mediante el gestor de datos almacenados. El procesador de consultas (query prossesor) maneja las consultas de alto nivel que son Sistemas de Gestión de Base de Datos 8

9 ingresadas interactivamente, donde el usuario espera los resultados de la búsqueda en el momento. Analiza la sintaxis y el contenido de la consulta, luego genera llamadas al procesador de tiempo real ( runtime processor) para ejecutar el requerimiento. El precompilador (precompiler) extrae los comandos del DML de un programa de aplicación escrito en un lenguaje de programación host. Estos comandos son enviados al compilador DML para su compilación en código objeto para el acceso de la BD. El resto del programa es enviado al compilador del lenguaje host. Ambos códigos y objetos son enlazados en un único código ejecutable. Esta figura se utiliza para mostrar las partes mas representativas de los DBMS en cuanto a módulos se refiere. Los DBMS interactúan con los sistemas operativos cuando se accede a memoria (que es donde esta la base de dato y el catálogo). Si muchos usuarios comparten el mismo sistema de cómputo, el OS programará las solicitudes de acceso a disco del DBMS junto con otros procesos. El DBMS también puede interactuar con los compiladores de los lenguajes de programación host, y puede ofrecer interfaces amigables para ayudar al usuario cuando especifiquen sus solicitudes. Sistemas de Gestión de Base de Datos 9

10 DISEÑO DE UNA BASE DE DATOS El diseño de una base de datos es un proceso complejo que abarca decisiones en distintos niveles. La complejidad se controla mejor si se descompone el problema en subproblemas y se resuelve cada uno de éstos de manera independientemente, utilizando técnicas específicas. Así, el diseño de una base de datos se descompone en diseño conceptual, diseño lógico y diseño físico. DISEÑO CONCEPTUAL El diseño conceptual se refiere a la etapa donde se debe construir un esquema de la información a partir de los requerimientos y resultados de usuario, independientemente de cualquier consideración física, como aspectos de implementación, DBMS a utilizar, hardware disponible, entre otras. Al construir el esquema, los diseñadores descubren la semántica de los datos, encontrando entidades, atributos y relaciones. El objetivo es comprender: La perspectiva que cada usuario tiene de los datos. La naturaleza de los datos, independientemente de su representación física. El uso de los datos a través de las áreas de aplicación. El esquema conceptual se puede utilizar para que el diseñador transmita lo que ha entendido sobre los requerimientos de usuario, de manera particular, la información que maneja y los resultados sobre la manipulación de ésta de una empresa. Para ello, ambas partes deben estar familiarizadas con la notación utilizada en el esquema. La notación más popular es el modelo entidad-relación. El esquema conceptual es una fuente de información para el diseño lógico de la base de datos. DISEÑO LÓGICO El diseño lógico es el proceso de construir un esquema de la información, basándose en un modelo de base de datos específico independiente del DBMS y de cualquier otra consideración física. En otras palabras, se transforma el esquema conceptual en un esquema lógico que utilizará las estructuras de datos del modelo de base de datos en el que se basa el DBMS a utilizar, como puede ser el modelo relacional, el modelo de red, el modelo jerárquico o el modelo orientado a objetos. Conforme se va desarrollando el esquema Sistemas de Gestión de Base de Datos 10

11 lógico, éste se va probando y validando con los requisitos de usuario. La normalización es una técnica que se utiliza para comprobar la validez de los esquemas lógicos basados en el modelo relacional, ya que asegura que las relaciones (tablas) obtenidas no tienen datos redundantes. Tanto el diseño conceptual como el diseño lógico son procesos iterativos, tienen un punto de inicio y se van refinando continuamente. Ambos se deben ver como un proceso de aprendizaje, donde el diseñador va comprendiendo el funcionamiento de una empresa y el significado de los datos que maneja. Estos diseños son etapas clave para conseguir un sistema que funcione correctamente, en caso contrario, será difícil o imposible definir todas las vistas de usuario (esquemas externos) y mantener la integridad de la base de datos. También puede ser difícil definir la implementación física o el mantener unas prestaciones aceptables del sistema. Además, hay que tener en cuenta que la capacidad de ajustarse a futuros cambios es un factor que identifica a los buenos diseños de bases de datos. Por todo esto, es fundamental dedicar el tiempo y las energías necesarias para producir el mejor esquema que sea posible. El esquema lógico es una fuente de información para el diseño físico. Además, juega un papel importante durante la etapa de mantenimiento del sistema, ya que permite que los futuros cambios que se realicen sobre los programas de aplicación o sobre los datos, se representen correctamente en la base de datos. DISEÑO FÍSICO El diseño físico es el proceso de producir la descripción de la implementación de la base de datos en memoria secundaria, donde las estructuras de almacenamiento y los métodos de acceso garanticen un acceso eficiente a los datos. En esta etapa se debe haber decidido cuál es el DBMS a utilizar, ya que el esquema físico se adapta a él. Entre el diseño físico y el diseño lógico hay una realimentación ya que algunas de las decisiones que se tomen durante el diseño físico para mejorar las prestaciones pueden afectar a la estructura del esquema lógico. En general, el propósito del diseño físico es describir cómo se va a implementar físicamente el esquema lógico obtenido en la fase anterior. Por ejemplo, en el modelo relacional, esto consiste en: Obtener un conjunto de relaciones (tablas) y las restricciones que se deben cumplir sobre ellas. Determinar las estructuras de almacenamiento y los métodos de acceso que se van a utilizar para conseguir unas prestaciones óptimas. Diseñar el modelo de seguridad del sistema. Sistemas de Gestión de Base de Datos 11

12 BIBLIOGRAFÍA Elmasri, R. y Navathe, S. [1997] "Sistemas de Bases de Datos conceptos y fundamentos" [visitada el día 20/02/2005] [visitada el día 22/02/2005] [visitada el día 22/02/2005] [visitada el día 23/02/2005] [visitada el día 23/02/2005] [visitada el día 23/02/2005] [visitada el día 23/02/2005] [visitada el día 23/02/2005] [visitada el día 23/02/2005] [visitada el día 25/02/2005] [visitada el día 25/02/2005] [visitada el día 25/02/2005] Sistemas de Gestión de Base de Datos 12

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