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1 1 1 Bases de Dados SISTEMAs DE GESTÃO DE ANO LECTIVO 2001/2002 Sistemas de Informação 2 2 Sistemas de Informação e organizações Informação e Informação nas organizações Sistemas de Informação (SI) Planeamento e Desenvolvimento de SI 1

2 3 3 ORGANIZAÇÃO E ARMAZENAMENTO DE DADOS Quando se refere à organização e armazenamento de dados necessariamente teremos de definir em que consiste uma base de dados. - Um sistema cuja finalidade é registar, actualizar, manter e disponibilizar a informação útil para a actividade de uma organização. A organização e armazenamento de dados está subentendida a nível interno da arquitectura ANSI/ SPARC (American National Standards Institute/ Standards Planning and Requirements Committee) - Que se refere ao armazenamento físico dos dados (organização de ficheiros, métodos de acesso), isto é, a definição das estruturas físicas garantindo assim um excelente desempenho. 4 4 ORGANIZAÇÃO E ARMAZENAMENTO DE DADOS Um sistema de bases de dados é composto por dois componentes fundamentais: - Estrutura lógica e física através da qual a informação é organizada; - Sistema de gestão de base de dados (SGBD) que assegura a gestão da informação. O SGBD gere os acessos à base de dados e permite: - Definir dados; - Manipular dados (ler, modificar, apagar, inserir); - Implementa segurança e integridade; - Implementa concorrência e recuperação de dados. As transações que (consistem em várias interrogações e operações), a qualquer instante requerem os serviços do SGBD, sendo necessário que essas operações nomeadamente a consulta e actualização de dados sejam eficientes. 2

3 5 5 MÉTODOS DE ACESSO E ORGANIZAÇÃO DE FICHEIROS O ficheiro é um conceito que está relacionado com o armazenamento de dados em memória secundária. No que diz respeito aos tipos de ficheiros existem vários, tais como: - Ficheiros ditos não estruturados - Ficheiros ditos estruturados No contexto especifico de base de dados o tipo de ficheiro mais relevante designa-se por ficheiro estruturado. Este ficheiro permite organizar os dados de forma a descrever conceitos presentes no mundo real. Exemplo: Num dado contexto um Arbitro é definido pelos seguintes campos: - Cod_Arbitro, - Nome_Arbitro, - Categoria_Arbitro, - Anos_Experiência, - Associação_Arbitro 6 6 MÉTODOS DE ACESSO E ORGANIZAÇÃO DE FICHEIROS Os ficheiros encontram-se armazenados em blocos do disco que por sua vez, armazenam um ou vários registos. Sendo o bloco uma unidade de base de acesso à memória secundária podemos afirmar que em cada acesso são transferidos os vários registos de um ficheiro. O SGBD contem diversas organizações de ficheiros de forma a poder responder às várias situações possíveis. Existem dois métodos de acesso: - Sequencial e - Aleatório Quanto à organização de ficheiros existem três organizações: - Ficheiros Sequenciais - Ficheiros Indexados - Ficheiros Directos/ Hashing 3

4 7 7 SGBD Programas que permitem gerir e manipular B. D. em que os dados são estruturados com independência relativamente às aplicações que os manipulam. SGBD 8 8 SGBD: -Cria um nível de abstracção elevado ao utilizador. -Esconde detalhes do armazenamento físico dos dados. -Permite ao utilizador distanciar o mais possível da máquina. 4

5 9 9 ARQUITECTURA ANSI/SPARC - Cria padrão para o desenvolvimento B. D. - 3 níveis independentes: -Nível Interno; -Nível Conceptual; -Nível externo; ARQUITECTURA ANSI/SPARC Nível Aplicacional Nível Externo Nível Conceptual Nível Interno Dados }-Níveis independentes - Cada um descreve a B.D a um nível diferente de abstracção 5

6 11 11 ARQUITECTURA ANSI/SPARC NÍVEL INTERNO - Refere-se ao armazenamento de dados; -Organização de ficheiros, métodos de acesso, etc. -Objectivo: -Proporcionar o melhor desempenho possível de todas as operações ARQUITECTURA ANSI/SPARC NÍVEL CONCEPTUAL -Representa se o modelo conceptual dos dados independente de qualquer utilizador ou aplicação particular; Ex: definição de campos de uma tabela ou relações entre elas -Objectivo: -Permitir esconder do N. Aplicacional a implementação física dos ficheiros de dados 6

7 13 13 ARQUITECTURA ANSI/SPARC NÍVEL EXTERNO OU VISUALIZAÇÃO - Corresponde à forma como os dados são apresentados ao utilizador final, através de interfaces gráficos proporcionado pelo SGBD. - Utilizador final não necessita actuar sobre a totalidade do esquema conceptual; - Apenas os interfaces e comandos necessários para realizarem as operações que sejam necessárias ARQUITECTURA ANSI/SPARC VANTAGENS DESTA ARQUITECTURA: - Possibilidade de alteração de um nível sem ter que obrigatoriamente alterar o outro nível superior; -Independência Física dos Dados Alteração ao esquema interno da B. D., sem afectar o esquema conceptual (ex: substituição de disco). -Independência Lógica dos Dados Possibilidade de alterar o esquema conceptual sem ter de alterar o esquema externo*. *a menos que haja eliminação de componentes no esquema conceptual, pode interferir no esq. Externo. 7

8 15 15 TRANSACÇÃO O SGBD deve garantir que todas as solicitações do utilizador bem como factores externos ao sistema não ponham em causa a validade da B. D. -TRANSACÇÃO Conjunto de operações sobre a B. D., perfeitamente delimitado com algumas características: -Atomicidade (Atomiticity); -Integridade (Consistency); -Isolamento (Isolation); -Persistência (Durability) CARACTERISTICAS DA TRANSACÇÃO -Atomicidade (Atomiticity) O conjunto de operações que constituem uma transacção formam um grupo indivisível (atómico). No sentido em que todas são executadas com sucesso (faz o commit) ou então todas as acções são desfeitas (faz o rollback), dando a ilusão de que nunca existiram. 8

9 17 17 CARACTERISTICAS DA TRANSACÇÃO - Integridade (Consistency) Durante a sua execução a integridade da B. D. pode ser momentaneamente violada mas no final a sua integridade tem de ser assegurada CARACTERISTICAS DA TRANSACÇÃO - Isolamento (Isolation) Quando são executadas várias ao mesmo tempo, o sistema deve dar a ilusão de que é a única a ser executada. - O sistema deve evitar que estas interfiram entre si, garantindo que o resultado final seja o mesmo como se fossem executadas em conjunto. 9

10 19 19 CARACTERISTICAS DA TRANSACÇÃO - Persistência (Durability) Os efeitos de uma transacção executada com sucesso passam a efectivos na B. D., só outra transacção posterior poderá desfazer esses efeitos TIPOS DE TRANSACÇÃO - FLAT TRANSACTIONS; - SAVEPOINTS; - CHAINED TRANSACTIONS; - NESTED TRANSACTIONS; 10

11 21 21 TIPOS DE TRANSACÇÃO - FLAT TRANSACTIONS -Só um nível de controlo ; -Ou todas as operações sucedem ou nenhuma sucede; -Limitadas. BEGIN TRANSACTION <operações sobre a B. D.> END TRANSACTION ( faz commit) TIPOS DE TRANSACÇÃO - SAVEPOINTS -Marca pontos intermédios; -Divide transacção em várias partes; -Permite desfazer (rollback) ou refazer (rollforward) partes da transacção. -Limitação: Falha na transacção, desfaz. 11

12 23 23 TIPOS DE TRANSACÇÃO - SAVEPOINTS BEGIN TRANSACTION <operações sobre a B. D.> Save point <X> <operações sobre a B. D.> Save point <Y> END TRANSACTION ( faz commit) TIPOS DE TRANSACÇÃO - CHAINED TRANSACTIONS -Guarda pontos intermédios; -Forma transacção com vários Commits; -Em situações de falha evita perder toda a transacção (último Commit). 12

13 25 25 TIPOS DE TRANSACÇÃO - SAVEPOINTS BEGIN TRANSACTION <operações sobre a B. D.> COMMIT POINT <operações sobre a B. D.> COMMIT POINT END TRANSACTION ( faz commit final) TIPOS DE TRANSACÇÃO - NESTED TRANSACTIONS -A mais flexível; -Hierarquia de transacções (subtransacções); -Subtransacções = transacção, finalizada ou desfeita autonomamente 13

14 27 27 TIPOS DE TRANSACÇÃO - REPRESENTAÇÃO NESTED TRANSACTIONS TA TA1 TA2 TA3 TA1.1 TA1.2 TA TIPOS DE TRANSACÇÃO - PRESSUPOSTOS NESTED TRANSACTIONS -Subtransacção pode desfazer ou finalizar. Commit será efectivo quando a transacção pai terminar. -O commit de cada subtransacção apenas torna visivel os efeitos à respectiva transacção pai. -Quando uma subtransacção é desfeita todas as outras o são também. 14

15 29 29 TA TIPOS DE TRANSACÇÃO -NESTED TRANSACTIONS TA1.1 BEGIN TRANSACTION START SUBTRANSACTION START SUBTRANSACTION START SUBTRANSACTION END TRANSACTION TA1 BEGIN TRANSACTION START SUBTRANSACTION START SUBTRANSACTION END TRANSACTION TA2 TA2.1 BEGIN TRANSACTION END TRANSACTION BEGIN TRANSACTION END TRANSACTION TA1.2 TA O SGBD TEM A RESPONSABILIDADE DE ASSEGURAR: -SEGURANÇA; -INTEGRIDADE DOS DADOS; -CONTROLO DA CONCORRÊNCIA NOS ACESSOS; -RECUPERAÇÃO/TOLERÂNCIA ÀS FALHAS; -GESTÃO DO ARMAZENAMENTO DOS DADOS E DA INTERFACE 15

16 SEGURANÇA OBJECTIVO: -Proteger de acessos não autorizados: -Garantir acesso apenas a utilizadores autorizados de acordo com os seus privilégios; -PERSPECTIVAS ASSUMIDAS: -Segurança física; -Segurança lógica; SEGURANÇA SEGURANÇA FÍSICA: -Implica que o sistema esteja fora do alcance de pessoas não autorizadas; -Hoje a dispersão dos meios e pontos de acesso, invalidam qualquer tentativa de impedir o acesso físico;

17 SEGURANÇA SEGURANÇA LÓGICA: -Definição de mecanismos lógicos de controlo de acesso (usernames, passwords, etc); -Definição de (perfil de utilizador): -Quem tem acesso; -A que tem acesso; -Como pode aceder; *O perfil de utilizador fica armazenado no Dicionário de Dados, para validação do utilizador com a B. D SEGURANÇA Outras medidas: -Identificação do utilizador e operações realizadas durante a sessão ficam registadas; -Situações em que a confidencialidade dos dados é de tal forma importante, a solução pode passar pela encriptação dos dados. 17

18 35 35 INTEGRIDADE Conjunto de regras (RESTRIÇÕES DE INTEGRIDADE) que pretende evitar executar operações (actualização) que conduzam a B. D. para estados não válidos. Contribuindo assim para uma maior robustez do sistema. Ex: o preço de venda de um produto deverá ser superior ao seu custo RESTRIÇÕES DE INTEGRIDADE Classificação em dois grupos: Implícitas restrições próprias de cada modelo B. D.. Impedem as actualizações que ponham em causa o funcionamento do próprio modelo. Explícitas - restrições próprias da realidade modelada pela B. D., independente do modelo que a vai suportar. São classificadas em 2 grupos restrições estáticas e dinâmicas. 18

19 37 37 RESTRIÇÕES EXPLÍCITAS Estáticas São condições que se devem verificar em cada estado para que este possa ser considerado um estado de integridade. Ex: Salário de um funcionário deve ser superior ao salário mínimo. Dinâmicas Definem quais as transições de estado permitidas impedindo que transições inválidas ocorram. Ex: o salário de um funcionário nunca poderá decrescer, só aumentar RESTRIÇÕES EXPLÍCITAS Ex: Salário de um funcionário deve ser superior ao salário mínimo. Ex: o salário de um funcionário nunca poderá decrescer, só aumentar. Ex: o salário mínimo=100 Cod_func = 1234 Nome = José Salário = 120 Cod_func = 1234 Nome = José Salário = 130 Mudança de estado válida. 19

20 39 39 RESTRIÇÕES EXPLÍCITAS Ex: Salário de um funcionário deve ser superior ao salário mínimo. Ex: o salário de um funcionário nunca poderá decrescer, só aumentar. Ex: o salário mínimo=100 Cod_func = 1234 Nome = José Salário = 120 Cod_func = 1234 Nome = José Salário = 110 Mudança de estado inválida CONTROLO DA CONCORRÊNCIA Relaciona se com a coordenação da partilha por várias aplicações e utilizadores da B. D.. A ideia é garantir que cada utilizador ou aplicação interage com a B. D. Como se fosse o único a utilizar os seus serviços. As transacções podem ser executadas de 2 formas: - Execução em série; - Execução concorrente; 20

21 CONTROLO DA CONCORRÊNCIA Execução em série- as transacções submetidas ao sistema são executadas sequencialmente, só se inicia uma quando a anterior tiver terminado. -Não existe concorrência a nível dos acessos; -Obtendo se um nível baixo da utilização do sistema; CONTROLO DA CONCORRÊNCIA Execução concorrente execução das várias transacções, combinando e intercalando, quando possível, as suas operações de leitura e escrita na B. D., no sentido de maximizar a utilização do sistema. Execução concorrente Objectivo: -Maximizar o nível de concorrência entre transacções sem que estas interfiram entre si; -Necessário definir mecanismos de controlos que impeçam duas transacções de acederem simultaneamente aos mesmos dados envolvendo actualizações 21

22 CONTROLO DA CONCORRÊNCIA Ts tempo total de execução em série. Tc - tempo total de execução em concorrência. Ta Instante de tempo intermédio para comparação T1 T2 T3 T4 Ta Ts tempo Execução série de transacções CONTROLO DA CONCORRÊNCIA Ts tempo total de execução em série. Tc - tempo total de execução em concorrência. Ta Instante de tempo intermédio para comparação T1 T2 T3 T4 Ta Tc tempo Execução concorrente de transacções 22

23 CONTROLO DA CONCORRÊNCIA ESCALONAMENTOS SERIALIZADOS Sequência ou ordem em que são executadas as operações de leitura/escrita, do conjunto de transacções, é designada por escalonamento. -escalonamento série elimina a concorrência entre transacções. - escalonamento serializado traduz essa concorrência de uma forma segura. CONTROLO DA CONCORRÊNCIA ESCALONAMENTOS SERIALIZADOS Testar a serialização de escalonamento utilizam se grafos de precedência. - grafos de precedência - representações gráficas das dependências entre transacções (dependências I/O). -Constituído por dois tipos de elementos: -Nodos Representando Transacções; - Arcos orientados representando dependências I/O 23

24 CONTROLO DA CONCORRÊNCIA ESCALONAMENTOS SERIALIZADOS (E,n) Ti Tj (E,1) quando é criado (E,n) num estádio intermédio (n) da sua evolução. Se o grafo não contém ciclos, isto quer dizer que as transacções não produziram interferências entre si escalonamento serializado CONTROLO DA CONCORRÊNCIA (E,n) ESCALONAMENTOS SERIALIZADOS (E,n) Ti Tj (E,1) quando é criado (E,n) num estádio intermédio (n) da sua evolução. (E,n+1) O grafo contém ciclos, isto quer dizer que as transacções produziram interferências entre si escalonamento não serializado 24

25 CONTROLO DA CONCORRÊNCIA Métodos de controlo da concorrência -Utilizam mecanismos de locking; -Utilizam mecanismos de etiquetagem; -Métodos optimistas. Os dois primeiros designam se por métodos preventivos com o objectivo: -Permitir a execução de transacções até onde for possível, evitando que interfiram entre si CONTROLO DA CONCORRÊNCIA Métodos de controlo da concorrência Métodos optimistas - Têm por base o pressuposto de que as interferências entre transacções são raras. -Deixar cada transacção executar livremente, quando está completa, o sistema verifica se o seu commit não traz problemas de serialização às outras transacções. - Cada transacção tem associados dois conjuntos (write-set e read-set) correspondentes a todas as actualizações efectuadas sobre a B. D

26 CONTROLO DA CONCORRÊNCIA Métodos de controlo da concorrência Métodos optimistas -Quando finaliza os dois conjuntos vão ser comparados com os de todas as transacções activas no sistema. -Se não houver elementos comuns, então a transacção pode terminar. -Caso contrário é feito o seu rollback CONTROLO DA CONCORRÊNCIA Métodos de controlo da concorrência Métodos utilizando mecanismos de etiquetagem -Consiste na atribuição de uma etiqueta com um valor a cada transacção; -Existe conflito a transacção mais antiga (menor valor) tem prioridade; -Outras envolvidas no conflito são desfeitas e reiniciadas, com outro valor de etiqueta;

27 CONTROLO DA CONCORRÊNCIA Métodos de controlo da concorrência Métodos utilizando mecanismos de locking -Locks binários, que assume em cada momento, 1 de 2 estados: -Locked correspondendo a assumir o valor um (1) -Unlocked - correspondendo a assumir o valor um (0) CONTROLO DA CONCORRÊNCIA Métodos de controlo da concorrência Métodos utilizando mecanismos de locking -A transacção antes de aceder (leitura ou escrita) aos dados, deve fazer o locking desse elemento; -Podem existir várias transacções com locks de leitura sobre o mesmo elemento. -Locks de escrita dão acesso exclusivo sobre o mesmo elemento; -Não podem existir dois locks sobre o mesmo elemento, sendo um deles de escrita

28 RECUPERAÇÃO/TOLERÂNCIA A FALHAS O SGBD terá de dispor de mecanismos que suportem a recuperação da B. D.. -Formas de Redundância/duplicação da B. D. -Backups; -Transaction logging; RECUPERAÇÃO/TOLERÂNCIA A FALHAS BACKUPS -São cópias de segurança executadas periodicamente; -Reconstrução da B.D. para falhas graves; -Permite recuperação limitada (periodicidade); -Consumidor de recursos, obriga a paragem do sistema; 28

29 RECUPERAÇÃO/TOLERÂNCIA A FALHAS TRANSACTION LOGGING -Ficheiro especial que guarda os dados de transacções passadas; -Elimina desvantagem de backup; -Este e o Backup complementam se; SGBD vs SISTEMAS DE GESTÃO DE FICHEIROS -ABSTRACÇÃO DE DADOS o utilizador não necessita conhecer como estão definidos os dados, o programador trabalha com um modelo abstracto de dados; -INDEPENDÊNCIA PROGRAMA/DADOS; -PARTILHA DE DADOS S. G. F. Existe entidade centralizadora, no SGBD é da responsabilidade das várias aplicações; -DIMINUIÇÃO DA REDUNDÂNCIA; 29

30 59 59 SGBD vs SISTEMAS DE GESTÃO DE FICHEIROS - CONTROLO NO ACESSO AOS DADOS Identificação perante o sistema e definição de vistas parciais sobre os dados; - INTEGRIDADE DOS DADOS Definição de regras que traduzem a validade dos dados, permite que seja o sistema a corrigir os dados, no SGF essa responsabilidade cabe à aplicação; - MECANISMOS DE RECUPERAÇÃO DE FALHAS No SGF a sua fiabilidade não é totalmente garantida; -QUESTÕES AD HOC É possível ao utilizador em run time obter respostas a questões, mesmo às mais complicadas UTILIZADORES DO SGBD ADMINISTRADOR DA B. D. : Responsável máximo pela B. D.; - Especificação do esquema conceptual e manutenção; - Controla a segurança -UTILIZADORES FINAIS -Acedem ao sistema para consultar, alterar, adicionar e remover dados; -Não podem alterar estrutura da B. D.; -PROGRAMADORES -Desenvolvem aplicações que os utilizadores finais irão utilizar; 30

31 61 61 LINGUAGENS DE B. D. - LINGUAGEM DE DEFINIÇÃO DE DADOS (LDD); -LINGUAGEM DE MANIPULAÇÃO DE DADOS (LMD); -LINGUAGEM SQL Structured Query Language Modelos de Dados Modelos de Dados: Hierárquico Em Rede Relacional Novos Modelos 31

32 Modelo Relacional Tabelas, Campos, Atributos, Tuplos, Registos Chaves: Super-Chave, Chave Candidata, Chave Primária, Chave Estrangeira Modelização de Dados Modelo Entidade Relação (ER) Entidades e Atributos Relacionamentos 1:1, 1:N e N:M Conversão do Modelo ER para uma Base de Dados Relacional 32

33 Utilização do Access XP Criação de: Tabelas Consultas Formulários Relatórios Construção de Aplicações Completas 33

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