Tema 3: Bases de datos en Entorno Web

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1 Tema 3: Bases de datos en Entorno Web 1. Introducción. Un sistema de bases de datos proporciona un control centralizado de los datos. Esto contrasta con la situación que prevalece actualmente, donde a menudo cada aplicación tiene sus propios ficheros. Las ventajas del control centralizado son entre otras: 1. Reducción de redundancia: En los sistemas que no usa bases de datos, cada aplicación tiene sus propios ficheros. Esto a menudo origina enorme redundancia en los datos almacenados, así como desperdicio del espacio de almacenamiento. Por ejemplo, una aplicación de depósitos en un banco y otra de préstamos puede contener la misma información referente a la dirección de ciertos clientes. 2. Evitar la inconsistencia: Siguiendo con el ejemplo anterior, habrá algunas ocasiones en que la dirección del mismo cliente no concuerde en Préstamo y Depósito. Se dice entonces que la base de datos es Inconsistente. Si un hecho se representa por una sola entrada la inconsistencia no puede existir. 3. Seguridad: Puede aplicarse restricciones de seguridad definiendo controles y canales específicos para acceder a los datos. 4. Representación de los datos: Pueden hacerse cumplir normas de representación de los datos, para facilitar el intercambio entre sistemas y de igual forma se pueden definir procedimientos de validación cada vez que se intente una actualización de la B.D. (por ejemplo, no hay empleados de más de 65 años, compartir los datos, etc.). 5. Independencia de los datos: Como independencia de los datos se entiende la posibilidad de cambiar los programas de aplicación sin cambiar la representación y el modo de acceso de los datos y viceversa. En contraposición a la costumbre de organizar y acceder a los datos según los requerimientos de la aplicación. Pueden desarrollarse nuevas aplicaciones que operen con los datos que ya hay almacenados, pues estos son independientes de las aplicaciones. 2. Definición de un Sistema de Base de Datos. Un Sistema de Base de Datos consiste en un conjunto de recursos (datos, programas, personas y máquinas) diseñado para manejar grandes cantidades de información. El conjunto de datos se conoce como Base de Datos, que contiene información acerca de una organización determinada. Y los programas para acceder a dichos datos es lo que se conoce como Sistema de Gestión de Base de Datos (SGBD) o Data Base Management System (SGBD). El manejo de los datos incluye la definición de las estructuras para el almacenamiento de la información y los mecanismos para el manejo de dicha información. Además se encarga de otros aspectos como el cuidado de la seguridad de la información almacenada, tanto contra fallos del sistema, como contra intentos de acceso por personal no autorizado. El SGBD proporciona a los usuarios una visión abstracta de la información. Es decir, el sistema oculta ciertos detalles relativos a la forma en que los datos se almacenan y mantienen. Esto es así, porque para que el sistema sea útil, la información debe almacenarse y recuperarse en forma eficiente, lo que obliga a la utilización de estructuras de datos complejas para representar la información en la base de datos. Pero esta complejidad no interesa realmente al usuario de bases de datos, que generalmente no cuenta con conocimientos profundos de informática. Por ello se definen varios niveles de abstracción (definidos por el grupo de estudio de ANSI/X3/SPARC sobre sistemas de administración de bases de datos), desde los que puede observarse la base de datos, que ocultan en diferentes grados dicha complejidad de las estructuras de datos. Y desde los que se pueden definir las estructuras de almacenamiento y los mecanismos de manejo de la información. Estos niveles son: 1. Nivel Interno o Físico: Es el nivel más bajo de abstracción en el que se describe cómo se almacenan realmente los datos. En este nivel se describen en detalle las estructuras de datos al más bajo nivel, utilizando para dicha representación un esquema, o diseño general de la base de datos, llamado esquema físico. El esquema físico establece la forma en que los datos se almacenan en los dispositivos periféricos del ordenador. Dicha descripción podemos considerarla, así mismo, en varios niveles: en el nivel más bajo, se puede considerar cada bit del soporte, estableciendo su significado y su dirección, o bien a un nivel más alto, se puede hablar en términos de registros y ficheros. Tema 3 1

2 2. Nivel Conceptual: Es el siguiente nivel de abstracción, en el que se describe cuáles son los datos reales que están almacenados en la base de datos y qué relaciones existen entre dichos datos. Este nivel contendrá toda la base de datos en términos de unas cuantas estructuras relativamente sencillas. El paso del mundo real al esquema conceptual corresponde a un proceso de modelización en el que se clasifica en categorías a los objetos o entidades del mundo real, designándolos mediante nombres. Decimos proceso de modelización porque dicho paso (mundo real a esquema conceptual), lo realizamos ajustándonos a uno de los modelos de datos propuestos para ello. Un modelo de datos es la herramienta formal utilizada para comprender e interpretar el mundo real. 3. Nivel Externo o Lógico: Es el más cercano a los usuarios, es decir, el que atañe a la manera cómo cada usuario ve los datos. En otras palabras, habrá muchas vistas externas, cada una compuesta por una representación más o menos abstracta de alguna parte de la base de datos, y habrá una sola vista conceptual, compuesta por una representación también abstracta de la base de datos en su totalidad. La mayoría de los usuarios no se interesan en la base de datos total, sino tal sólo en alguna parte limitada de la misma, esto es, una vista de los datos. 3. Modelos de Datos. A la hora de determinar una Bases de Datos debemos establecer un proceso partiendo del acotamiento de una parcela del mundo exterior (micromundo o universo del discurso), aquél que nos interesa representar en los datos. En este proceso se debe aprehender, comprender y conceptualizar dicho mundo exterior transformándolo en un conjunto de ideas y definiciones que supongan una imagen fiel del comportamiento del mundo real. A esta imagen del mundo exterior la llamaremos Modelo Conceptual. Una vez definido el modelo conceptual, éste se ha de transformar en una descripción de datos, atributos y relaciones que denominaremos Esquema Conceptual de los datos. Por último, este esquema conceptual habrá que traducirlo a estructuras almacenables en soportes físicos. Por tanto es necesario distinguir entre Bases de datos, que será el banco, el almacén de los valores (ocurrencias) de los datos. Los Modelos de Datos, que son las herramientas para diseñar los datos y sus relaciones de forma que puedan soportar los valores correspondientes. Y finalmente los Sistemas Gestores de Bases de Datos (SGBD), que serán los encargados de las acciones que llevemos a cabo con las bases de datos, permitiendo también cumplimentar a los usuarios, mostrándoles los datos de acuerdo a sus necesidades. Con todo ello, se puede definir un Modelo de Datos como: Un grupo de herramientas conceptuales para describir los datos, sus relaciones, su semántica y sus limitaciones; de tal forma, que facilita la interpretación de nuestro mundo real y su representación en forma de datos, en nuestro sistema informático Estructura del Modelo de Datos. Definido el modelo de datos, pasamos a analizarlo. Para ello, partiremos de las propiedades, que podemos diferenciar en dos tipos: Tema 3 2

3 Estáticas: Son las propiedades invariantes en el tiempo. Quedan especificadas en el Modelo de Datos por ESTRUCTURAS. Dinámicas: Son las propiedades que varían con el tiempo. En el modelo de datos son las OPERACIONES. El modelo de Datos contiene, por tanto, propiedades Estáticas y Dinámicas. Pasaremos a continuación a analizar con mayor profundidad cada una de las partes. Parte Estática Esta se define mediante el ESQUEMA, con el lenguaje de definición de datos (DDL). El esquema, a su vez, está constituido por Estructura y Restricciones. La Estructura queda definida por los Objetos del Modelo y las Restricciones inherentes, conformando un conjunto de reglas de definición de dichas Estructuras. Los objetos y Restricciones de la Estructura dependen de cada Modelo, pero en general son: Entidades Atributos Dominio Relaciones Representación, y Restricciones: Hay tres tipos de restricciones. Restricciones inherentes vienen impuestas por la propia naturaleza de Modelo introduciendo rigideces en la modelización. Las Restricciones opcionales o de usuario, restricciones propiamente dichas en el Esquema, son definidas por el usuario, pero el Modelo de Datos las reconoce y suministra herramientas para manejarlas. Las Restricciones libres de usuarios, por último, son responsabilidad del usuario y el Modelo de Datos ni las reconoce, ni las maneja. Parte Dinámica. Se define como un conjunto de Operaciones con el Lenguaje de manipulación de datos (DML). Las operaciones sobre un Modelo de Datos pueden ser de: Selección. Localización de los datos deseados. Acción. Realización de una acción sobre los datos seleccionados. Dicha acción puede ser: Recuperación (obtención de los datos seleccionados) y Actualización, que a su vez puede ser: Modificación Inserción Borrado Generalmente, toda operación de Actualización va precedida de una de Recuperación, aunque no necesariamente. En el cuadro siguiente se resume en forma básica todo lo expuesto anteriormente. Modelo de Datos Parte Estática Parte Dinámica Estructura Entidades Atributos Relaciones Dominios Representación Restricciones inherentes Restricciones opcionales o de usuario Selección Acción Recuperación Actualización Objetos del Modelo Modificación Inserción Borrado Tema 3 3

4 3.2. Clasificación de los Modelos. Los Modelos de Datos, como ya se ha señalado se aplican a tres niveles: externo, conceptual e interno. Los correspondientes a los dos primeros son "Modelos de Datos lógicos y los correspondientes al último "Modelos de Datos físicos". Dentro del grupo de los modelos lógicos podemos diferenciar: Los "Modelos lógicos basados en objetos", más ligados al nivel conceptual, en cuyo caso el elemento de referencia es el objeto, entendiendo como tal a aquel que existe y puede distinguirse de otros, y Los "Modelos lógicos basados en registros", son los modelos lógicos por antonomasia y permiten trabajar tanto en el nivel conceptual, aunque de forma más abstracta, y desde luego en el ámbito externo. En estos modelos, el elemento básico es una ocurrencia o conjunto de datos relacionados de algún modo. Modelos lógicos basados en objetos. Los Modelos lógicos basados en objetos se utilizan para describir los datos en los niveles conceptual y externo. Se caracterizan por ser muy flexibles y hacer posible la especificación de las limitaciones de los datos. Algunos de estos modelos son: Modelo Entidad/Relación Modelo Binario Modelo Semántico de datos Modelo Infológico Modelos lógicos basados en registros. Se utilizan para describir los datos en el ámbito conceptual y externo al igual que los modelos anteriores. Estos Modelos sirven para especificar, tanto la estructura lógica general de la Base de Datos como una descripción en un nivel más alto de la implementación, pero no permite especificar de forma clara las limitaciones de los datos. Modelos de este tipo son: Modelo Relacional Modelo Jerárquico Modelo de Red 4. Modelo Relacional. El Modelo Relacional fue definido en 1970 por E.F. Codd. En este Modelo, tanto las Entidades como la Relación se presentan mediante tablas. Es tal vez el modelo más utilizado para la creación de los SGBD. Analizaremos en primer lugar, la Parte Estática del Modelo que, como apuntábamos anteriormente, está constituida por los Objetos y las Restricciones. Entre los Objetos pasamos a definir: Relación: En este Modelo el concepto de Relación no se refiere a la asociación entre Entidades, como ocurre en el Modelo Entidad - Relación, sino que está relacionado con el conjunto de ocurrencias varios elementos estructurados en forma de tablas: Atributos: Los atributos son las propiedades o características de las Entidades. Corresponden a la denominación o cabecera de una columna o campo de una tabla. Dominio: El Dominio es el conjunto de donde los Atributos toman sus valores. Puede suceder que dos atributos distintos de una misma Relación tomen sus valore del mismo Dominio. Tupla: La Tupla es una ocurrencia de la Entidad o conjunto de ítems de información que forman una fila de una tabla. Grado: El Grado es una Relación es el número de Atributos o columnas que posee. Tema 3 4

5 Cardinalidad: Se denomina así al número de Tuplas o filas de una Relación. Clave: Definimos como Clave de una relación a aquel o aquellos Atributos que nos determinan de forma unívoca y mínima a una Tupla de esa Relación. Entre las Restricciones podemos diferenciar: Restricciones inherentes. El Modelo posee dos: 1. No pueden aparecer dos filas iguales en una misma Relación 2. El atributo o Atributos, que es o forma parte de la clave, no puede tomar valores nulos(por nulos se interpreta valores desconocidos). Restricciones opcionales. Están formadas por las Dependencias Funcionales, Dependencias Transitivas, Dependencias Multivaluadas, etc. Con respecto a la Parte Dinámica, diremos que el Modelo Relacional trabaja por Especificación, es decir, se especifica una condición que debe cumplir una serie de Tuplas (las que queremos localizar). Es por tanto el lenguaje utilizado para la manipulación de datos un lenguaje No-Procedimental. Resumiendo todo lo expuesto, tenemos: 1. Una base de Datos Relacional está formada por un conjunto de datos agrupados en Relaciones. 2. Estas Relaciones se presentan mediante tablas y contiene información homogénea. 3. Los distintos ítems de información conforman Tuplas y cada una de ellas se identifican de forma única mediante una Clave. 4. Cada Tupla está formada por varios campos o Atributos cuyos valores no se pueden descomponer. 5. Los atributos se asignan a Dominios, siendo un Dominio un conjunto de valores posibles de un Atributo. A modo de ejemplo. Para interpretar en modo comparativo los tres modelos lógicos basados en registros vamos a analizar el siguiente ejemplo. Supongamos que queremos representar en una base de datos información referente a las asignaturas donde están matriculados diferentes alumnos en distintas facultades. La información que compone el problema se puede representar de distintos modos en tablas (modelo relacional), en árboles (modelo jerárquico), y en red (modelo de red). En primer lugar representaremos un esquema conceptual desarrollado a partir de un modelo de datos lógico orientado a objetos y que podemos encuadrar en lo que hemos denominado modelos conceptuales para lo que utilizaremos un esquema basado en el modelo entidad/relación. Tema 3 5

6 El anterior esquema entidad/relación podría tener su reflejo, según el modelo relacional, utilizando las tablas para mostrar la información del problema. La tabla la denominamos "Matrícula" y mantiene en sus atributos los datos referentes a "Facultad", "Alumno" y "Asignatura". La tabla sería: TABLA MATRICULA FACULTAD ALUMNO ASIGNATURA Unos datos representativos del problema Matricula Facultad Alumno Asignatura Informática Luís Saez Base de Datos Informática Ana del Pozo Metodología Informática Ana del Pozo Bases de Datos Exactas Juan Pino Geometría Exactas Eva Martín Álgebra Exactas Eva Martín Topología Por supuesto a esta tabla habría que aplicarle una serie de operaciones de Normalización para aplicar las restricciones opcionales de modelo relacional. 5. Gestor de Bases de Datos El sistema gestor de bases de datos es la porción más importante del software de un sistema de base de datos. Un SGBD es una colección de numerosas rutinas de software interrelacionadas, cada una de las cuales es responsable de alguna tarea específica. Las funciones principales de un SGBD son: Crear y organizar la Base de datos. Establecer y mantener las trayectorias de acceso a la base de datos de tal forma que los datos sean accesibles rápidamente. Manejar los datos de acuerdo a las peticiones de los usuarios. Registrar el uso de las bases de datos. Interacción automática entre el usuario y el sistema de ficheros. Respaldo y recuperación. Consiste en contar con mecanismos implantados que permitan la recuperación fácilmente de los datos en caso de ocurrir fallos en el sistema de base de datos. Control de concurrencia: Consiste en controlar la interacción entre los usuarios concurrentes para no afectar la inconsistencia de los datos. Seguridad e integridad. Consiste en contar con mecanismos que permitan el control de la consistencia de los datos evitando que estos se vean perjudicados por cambios no autorizados o previstos. La figura muestra el SGBD como interfase entre la base de datos física y las peticiones del usuario. El SGBD interpreta las peticiones de entrada/salida del usuario y las manda al sistema operativo para la transferencia de datos entre la unidad de memoria secundaria y la memoria principal. En sí, un sistema gestor de base de datos es el corazón de la base de datos ya que se encarga del control total de los posibles aspectos que la puedan afectar. Tema 3 6

7 6. Administrador de Bases de Datos Denominado por sus siglas en inglés como: DBA, Database Administrator. Es la persona encargada y que tiene el control total sobre el sistema de base de datos, sus funciones principales son: Definición de esquema. Es el esquema original de la base de datos se crea escribiendo un conjunto de definiciones que son traducidas por el compilador de DDL a un conjunto de tablas que son almacenadas permanentemente en el diccionario de datos. Definición de la estructura de almacenamiento del método de acceso. Estructuras de almacenamiento y de acceso adecuados se crean escribiendo un conjunto de definiciones que son traducidas por e compilador del lenguaje de almacenamiento y definición de datos. Concesión de autorización para el acceso a los datos. Permite al administrador de la base de datos regular las partes de las bases de datos que van a ser accedidas por varios usuarios. Especificación de límitantes de integridad. Es una serie de restricciones que se encuentran almacenados en una estructura especial del sistema que es consultada por el gestor de base de datos cada vez que se realice una actualización al sistema. 7. Usuarios de las bases de datos. Podemos definir a los usuarios como toda persona que tenga todo tipo de contacto con el sistema de base de datos desde que este se diseña, elabora, termina y se usa. Los usuarios que accesan una base de datos pueden clasificarse como: Programadores de aplicaciones. Los profesionales en computación que interactuan con el sistema por medio de llamadas en DML (Lenguaje de Manipulación de Datos), las cuales están incorporadas en un programa escrito en un lenguaje de programación (Por ejemplo, COBOL, PL/I, Pascal, C, etc.) Usuarios sofisticados. Los usuarios sofisticados interactuan con el sistema sin escribir programas. En cambio escriben sus preguntas en un lenguaje de consultas de base de datos. Usuarios especializados. Algunos usuarios avanzados escriben aplicaciones de base de datos especializadas que no encajan en el marco tradicional de procesamiento de datos. Usuarios ingenuos. Los usuarios ingenuos interactúan con el sistema invocando a uno de los programas de aplicación permanentes que se han escrito anteriormente en el sistema de base de datos, podemos mencionar al usuario ingenuo como el usuario final que utiliza el sistema de base de datos sin saber nada del diseño interno del mismo por ejemplo: un cajero. 8. Estructura general del sistema. Un sistema de base de datos se encuentra dividido en módulos cada uno de los cuales controla una parte de la responsabilidad total de sistema. En la mayoría de los casos, el sistema operativo proporciona únicamente los servicios más básicos y el sistema de la base de datos debe partir de esa base y controlar además el manejo correcto de los datos. Así el diseño de un sistema de base de datos debe incluir la interfaz entre el sistema de base de datos y el sistema operativo. Los componentes funcionales de un sistema de base de datos, son: Gestor de archivos. Gestiona la asignación de espacio en la memoria del disco y de las estructuras de datos usadas para representar información. Gestor de base de datos. Sirve de interfaz entre los datos y los programas de aplicación. Procesador de consultas. Traduce las proposiciones en lenguajes de consulta a instrucciones de bajo nivel. Además convierte la solicitud del usuario en una forma más eficiente. Compilador de DDL. Convierte las proposiciones DDL en un conjunto de tablas que contienen metadatos, estas se almacenan en el diccionario de datos. Tema 3 7

8 Archivo de datos. En él se encuentran almacenados físicamente los datos de una organización. Diccionario de datos. Contiene la información referente a la estructura de la base de datos. Indices. Permiten un rápido acceso a registros que contienen valores específicos. Una forma gráfica de representar los componentes antes mencionados y la relación que existe entre ellos sería la siguiente. Tema 3 8

9 9. Bases de Datos en Internet. Uno de los primeros problemas a los que se enfrentaron los gestores de información en internet fue la necesidad de publicar grandes volúmenes de datos estructurados a través de la Web. Hay que tener en cuenta que la Web se diseñó en un principio como un sistema de comunicación y no como un sistema de gestión de información. Esta afirmación quiere decir que la Web se enfocó en un principio a la publicación de documentos HTML cuyo contenido informativo se actualizaba de forma manual mediante la edición y modificación de las páginas. Esto es útil cuando se trabajaba con documentos a texto completo carentes de una estructuración clara. No obstante la publicación de contenidos estructurados de esta forma conllevaba grandes inversiones en tiempo y trabajo que podían solventarse mediante el uso de Sistemas Gestores de Bases de Datos que estuvieran conectados a servidores Web Edición automática de páginas Web. Una de las primeras soluciones que se abordaron fue la creación automática de páginas Web a partir del contenido de una Base de Datos. Este esquema de trabajo planteaba la gestión de una base de datos mediante un SGBD que actualizaba el contenido de la misma. Además son necesarios una serie de scripts o programas que cuya finalidad es la realizar consultas predefinidas y elaborar ficheros HTML con los resultados de dichas consultas. De esta forma se conseguía publicar en la Web el contenido de una base de datos de una forma estructurada, ahorrando los costes que supone la creación de multitud de páginas HTML de forma manual. No obstante esto conlleva una serie de desventajas: Es imposible la creación de un sistema de búsqueda por parte del usuario que permita la búsqueda de registros mediante un formulario de consulta que devuelva la información requerida por el usuario. El contenido de la base de datos y del servidor web no están sincronizados en todo momento al 100%, ya que el proceso de ejecución de los scripts de creación de páginas Web ha de realizarse de forma periódica (diariamente por ejemplo) por lo que su uso no es adecuado para entornos que necesiten la sincronización en tiempo real entre lo existente en la base de datos y lo que puede consultar el usuario a través de la Web. El volumen de la gestión de ficheros HTML en el servidor es muy considerable, ya que para obtener el máximo de eficacia cada vista o cada registro necesita de una página Web individual (aunque su creación esté automatizada). Por otro lado cada publicación implica el borrado de los ficheros existentes asociados al contenido de la base de datos y la posterior creación para los nuevos registros o aquellos que hayan sido modificados desde la última publicación. Tema 3 9

10 9.2. Integración de SGBD con los servidores WEB. Para solventar los problemas de los sistemas automáticos de edición de páginas Web se desarrollaron una serie de aplicaciones CGI, las cuales permitían conectar directamente las peticiones recibidas por el servidor Web con el SGBD cuando fuera necesario. De esta forma el usuario podía realizar consultas personalizadas mediante formularios Web, o crear páginas dinámicas permanentemente actualizadas. Con este esquema de trabajo, existen una serie de usuarios que mantienen la base de datos a través del SGBD. No es necesario crear scripts de creación automática de páginas Web, ni mantener páginas HTML con el contenido de la base de datos. Las páginas Web se generan dinámicamente bien mediante páginas HTML que incluyen lenguajes de scripts (como PHP o ASP) o mediante aplicaciones CGI que utilizando el mismo motor de consulta del SGBD interroga las páginas Web. En cualquier caso las páginas de resultados de dichas consultas se crean para devolverlas al cliente web desde el que se ha lanzado la consulta y nunca se conservan en el servidor La Web como interfaz cliente/servidor universal. El siguiente paso lógico fue la descentralización de las herramientas de usuario para el uso de los Sistemas Gestores de Bases de Datos. Hasta entonces las herramientas de uso de los SGBD estaban instaladas bien en el servidor, bien en los puesto de trabajo de cada usuario. El usuario debía disponer de la aplicación correctamente instalada para poder acceder al SGBD y realizar el mantenimiento de las tablas. La aparición de nuevas versiones de estas herramientas conllevaba la necesaria actualización de las instalaciones en cada uno de los puestos de trabajo, o alternativamente, la actualización mediante la distribución de aplicaciones mediante un entorno de red local como Novell. Con este nuevo modelo las herramientas de gestión del SGBD se instalan en el propio servidor. El usuario debe utilizar un cliente Web para acceder a estas herramientas previa identificación mediante un nombre de usuario y una clave. Este modelo también se ha extendido a la creación de aplicaciones específicas que gestionan solamente ciertas tablas o conjuntos de datos que simplifican la visión que tiene el usuario final respecto del sistema de bases de datos. Así pues mediante una aplicación de uso general, como es un navegador web, un usuario puede realizar el mantenimiento de la estructura de bases de datos o la gestión del contenido de las mismas. Tema 3 10

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