CIMS基本知識(shí)與支撐技術(shù)-網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫-PPT課件

1、專題一：CIMS基本知識(shí)與支撐技術(shù)(下)現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)22022/7/20上次課小結(jié)1. 制造業(yè)發(fā)展簡史2. CIMS的產(chǎn)生和發(fā)展3. CIMS的組成4. CIMS的特征和內(nèi)涵5. CIMS在我國的發(fā)展你了解哪些網(wǎng)絡(luò)技術(shù)？基于網(wǎng)絡(luò)的企業(yè)應(yīng)用架構(gòu)有哪幾種？據(jù)你所知，哪些系統(tǒng)用到了數(shù)據(jù)庫技術(shù)？數(shù)據(jù)庫在CIMS中主要用來做什么？請思考：42022/7/20第一部分：網(wǎng)絡(luò)技術(shù)簡介計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)概述計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的分類計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的參考模型Internet52022/7/201957 Arpa is created by the DoD (Department of Defense), a pr

2、oject to create an indestructible communications system1990 Arpanet becomes the Internet1991 World Wide Web is born (Tim Berners-Lee)2019 10 million hosts - the Internet covers the globe2019 Internet 2 backbone deploys IPv62019 The number of Internet hosts exceeds 110 million exponential growth1.2.1

3、 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)概述 62022/7/20從體系結(jié)構(gòu)來觀察，其發(fā)展可分為三個(gè)階段（三代網(wǎng)絡(luò)）以主機(jī)為中心的聯(lián)機(jī)終端系統(tǒng)以通信子網(wǎng)為中心的主機(jī)互連具有層次化體系結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò)1.2.1 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)概述 72022/7/201） 早期的“單機(jī)工作模式”82022/7/202） 具有通信功能的單機(jī)系統(tǒng)92022/7/203）具有統(tǒng)一體系結(jié)構(gòu)、國際化標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò) 102022/7/20兩層網(wǎng)絡(luò)的概念結(jié)構(gòu)CCCHHH資源子網(wǎng)通信子網(wǎng)在通信子網(wǎng)上可有多個(gè)資源子網(wǎng)，共享通信子網(wǎng)的服務(wù)HH112022/7/201.2.2 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的分類按地域范圍分類局域網(wǎng)(Local Area Network ， L

4、AN)范圍：小，20KM傳輸技術(shù)：基帶，10-1000Mbps，延遲低，出錯(cuò)率低（10-11）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：總線，環(huán)城域網(wǎng)(Metropolitan Area Network ， MAN)范圍：中等，100KM傳輸技術(shù)：寬帶/基帶拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：總線廣域網(wǎng)(Wide Area Network ， WAN)范圍：大，100KM傳輸技術(shù)：寬帶，延遲大，出錯(cuò)率高拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：不規(guī)則，點(diǎn)到點(diǎn)122022/7/20按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分類總線型結(jié)構(gòu)星型結(jié)構(gòu)環(huán)型結(jié)構(gòu)樹型結(jié)構(gòu)網(wǎng)型結(jié)構(gòu)復(fù)合型結(jié)構(gòu)1.2.2 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的分類132022/7/20優(yōu)點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便。缺點(diǎn)：傳輸信息容易發(fā)生沖突。線狀連接，共用一條共用總線?？偩€型

5、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)142022/7/20采用非集中控制方式，各節(jié)點(diǎn)之間關(guān)系對(duì)等。優(yōu)點(diǎn)：簡化了路徑選擇控制；當(dāng)某節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，可采用旁路環(huán)的方法，提高傳輸可靠性；路中任一節(jié)點(diǎn)發(fā)出的信息，其他節(jié)點(diǎn)均可接收，傳輸速度快。環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)閉合的總線型152022/7/20優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，便于控制和管理，建網(wǎng)容易，傳輸錯(cuò)誤率低。中心節(jié)點(diǎn)是主節(jié)點(diǎn)，它接受各分散節(jié)點(diǎn)的信息再轉(zhuǎn)發(fā)給其他相應(yīng)節(jié)點(diǎn)。采用集中控制方式。缺點(diǎn)：可靠性較低，一旦中央節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，必將全網(wǎng)癱瘓。星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)162022/7/20采用分層結(jié)構(gòu)，適用于分級(jí)管理和控制優(yōu)點(diǎn)：線路總長度短，成本低，易于維護(hù)和擴(kuò)展。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)172022/

6、7/20任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信線路不是唯一的優(yōu)點(diǎn)：當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，可繞道其他通路傳遞信息，可靠性好。缺點(diǎn)：建網(wǎng)成本高，只能用于特殊場合。網(wǎng)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不規(guī)則型或全互聯(lián)型182022/7/20將多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連在一起，可兼顧 不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。復(fù)合型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)192022/7/201.2.3 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的參考模型1）ISO OSI參考模型2）TCP/IP參考模型3）TCP/IP與OSI的對(duì)比202022/7/20 ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化組織International Organization for StandardizationOSI開放系統(tǒng)互連Open Systems Interconnecti

7、on功能上相對(duì)獨(dú)立的七層結(jié)構(gòu)指定每層應(yīng)干什么，但沒有具體定義協(xié)議1）ISO OSI參考模型212022/7/20OSI參考模型示意圖物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)層傳輸層會(huì)話層表示層應(yīng)用層物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)層傳輸層會(huì)話層表示層應(yīng)用層物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)層分組幀位流TPDUSPDUPPDUAPDU應(yīng)用協(xié)議表示協(xié)議會(huì)話協(xié)議傳輸協(xié)議網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議物理協(xié)議端到端點(diǎn)到點(diǎn)222022/7/20OSI各層的功能與特性（自學(xué)）232022/7/202）TCP/IPTCP/IP協(xié)議的基本事實(shí)TCP/IP協(xié)議的分層模型TCP/IP模型與ISO/OSI模型的對(duì)比TCP/IP模型的兩個(gè)重要分界線TCP/IP的數(shù)據(jù)流TC

8、P/IP網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)242022/7/20TCP/IP協(xié)議的基本事實(shí)設(shè)計(jì)目標(biāo)：能經(jīng)受打擊，結(jié)構(gòu)靈活UNIX操作系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)通信模塊通用的、可使異種機(jī)相互通信的網(wǎng)絡(luò)互連軟件計(jì)算機(jī)通信協(xié)議族因特網(wǎng)采用的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)既成事實(shí)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)252022/7/20設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序如LAN的接口（網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序）自身包含網(wǎng)絡(luò)協(xié)議如X.25、ATM等應(yīng)用層傳輸層網(wǎng)際層數(shù)據(jù)鏈路層TCP/IP協(xié)議的分層262022/7/20 IP ICMP ARP RARP應(yīng)用層傳輸層網(wǎng)際層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)際層的主要協(xié)議IP。本層提供無連接的傳輸服務(wù)（不保證送達(dá)，不保序）。本層的主要功能是尋找一條能夠把數(shù)據(jù)報(bào)送到目的地的路徑。TCP/IP協(xié)議的分

9、層272022/7/20 TCP UDP應(yīng)用層傳輸層網(wǎng)際層數(shù)據(jù)鏈路層TCP/IP協(xié)議的分層282022/7/20文件傳輸 FTP、TFTP、NFS電子郵件 SMTP、POP3WWW應(yīng)用 HTTP遠(yuǎn)程登錄 Telnet、rlogin網(wǎng)絡(luò)管理 SNMP域名系統(tǒng) DNS 應(yīng)用層網(wǎng)際層數(shù)據(jù)鏈路層傳輸層TCP/IP協(xié)議的分層292022/7/20TCP/IP協(xié)議族302022/7/20TCP/IP協(xié)議族舉例：HTTP訪問312022/7/20在源端進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝在宿端進(jìn)行數(shù)據(jù)解封封裝： EncapsulationTCP/IP數(shù)據(jù)封裝322022/7/20數(shù)據(jù)封裝應(yīng)用TCPIP以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)程序用戶數(shù)據(jù)用戶數(shù)據(jù)

10、App頭TCP頭TCP頭IP頭TCP頭IP頭Eth頭Eth尾應(yīng)用數(shù)據(jù)(塊)TCP分節(jié)IP分組以太網(wǎng)幀以太網(wǎng)電纜發(fā)送方App頭App頭App頭用戶數(shù)據(jù)用戶數(shù)據(jù)用戶數(shù)據(jù)332022/7/20應(yīng)用數(shù)據(jù)（塊）應(yīng)用TCPIP以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)程序用戶數(shù)據(jù)用戶數(shù)據(jù)App頭TCP頭IP分組 Eth頭Eth尾以太網(wǎng)幀以太網(wǎng)電纜接收方IP頭TCP 分節(jié)IP分組TCP分節(jié)應(yīng)用數(shù)據(jù)(塊)數(shù)據(jù)解封裝342022/7/20應(yīng)用層表示層會(huì)話層傳輸層物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)層7654321OSI參考模型應(yīng)用層傳輸層網(wǎng)絡(luò)接口(數(shù)據(jù)鏈路層+物理層)網(wǎng)絡(luò)層TCP/IP概念層次Ethernet,802.3,802.5,FDDI等等TCP/IP

11、支持所有標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層協(xié)議TCP/IP與OSI參考模型對(duì)比Any Question?352022/7/20362022/7/20第二部分：數(shù)據(jù)庫技術(shù)簡介數(shù)據(jù)庫技術(shù)概述實(shí)體聯(lián)系方法關(guān)系數(shù)據(jù)庫的基本理論數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的規(guī)范化與數(shù)據(jù)庫范式SQL概述372022/7/20學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫技術(shù)的重要性在計(jì)算機(jī)的三大應(yīng)用（科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理與過程控制）中，數(shù)據(jù)處理所占比重約為70%左右。在60年代末，數(shù)據(jù)庫技術(shù)就是作為數(shù)據(jù)處理中的一門技術(shù)發(fā)展起來的。數(shù)據(jù)庫技術(shù)是計(jì)算機(jī)軟件領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，已形成相當(dāng)規(guī)模的理論體系和實(shí)用技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展及其應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，特別是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和Internet的發(fā)

12、展，基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)的信息管理系統(tǒng)、應(yīng)用系統(tǒng)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。如事物處理系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)（GIS）、聯(lián)機(jī)分析系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng)、企業(yè)資源規(guī)劃（ERP）、客戶關(guān)系管理（CRM）、數(shù)據(jù)倉庫和數(shù)據(jù)挖掘等系統(tǒng)都是以數(shù)據(jù)庫技術(shù)作為重要的支撐的?？梢哉f，只要有計(jì)算機(jī)存在，就存在著數(shù)據(jù)庫技術(shù)。因此，數(shù)據(jù)庫技術(shù)的基本知識(shí)和基本技能已成為工程相關(guān)專業(yè)的必修內(nèi)容。382022/7/20數(shù)據(jù)庫（DataBase ,DB）顧名思義就是存放數(shù)據(jù)的倉庫，但所有存放的數(shù)據(jù)相互是有聯(lián)系并按某種存儲(chǔ)模式組織管理的。嚴(yán)格意義上講，所謂數(shù)據(jù)庫就是以一定的組織方式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)介質(zhì)中互相關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的集合。它能以最佳方式、

13、最少重復(fù)、最大獨(dú)立性為多種應(yīng)用提供共享服務(wù)。DB是統(tǒng)一管理的相關(guān)數(shù)據(jù)的集合。DB能為各種用戶共享，具有最小冗余度、數(shù)據(jù)間聯(lián)系密切、而又有較高對(duì)程序的獨(dú)立性等特點(diǎn)。數(shù)據(jù)庫DBMS應(yīng)用程序1應(yīng)用程序2數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系 392022/7/20數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)402022/7/20人工管理階段 文件系統(tǒng)階段 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段 人工管理階段文件系統(tǒng)階段數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段1.數(shù)據(jù)不保存 2.沒有文件的概念 3.一組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)一個(gè)程序 4.沒有形成完整的數(shù)據(jù)管理的概念1.數(shù)據(jù)可長期.反復(fù)使用 2.程序和數(shù)據(jù)之間有了一定的獨(dú)立性 3.文件形式多樣化 4.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和程序之間的依賴關(guān)系并

14、未根本改變 5.數(shù)據(jù)存取以記錄為單位優(yōu)點(diǎn)1.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化 2.共享性好，冗余度低 3.數(shù)據(jù)獨(dú)立性高 4.數(shù)據(jù)由DBMS統(tǒng)一管理和控制1.數(shù)據(jù)冗余大 2.數(shù)據(jù)不一致性 3.程序和數(shù)據(jù)之間獨(dú)立性差 4.數(shù)據(jù)聯(lián)系弱缺點(diǎn)數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展在數(shù)據(jù)庫中用數(shù)據(jù)模型這個(gè)工具來抽象、表示和處理現(xiàn)實(shí)世界中的數(shù)據(jù)和信息。數(shù)據(jù)模型就是現(xiàn)實(shí)世界的模擬。數(shù)據(jù)模型應(yīng)滿足三方面要求能比較真實(shí)地模擬現(xiàn)實(shí)世界容易為人所理解便于在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的描述 數(shù)據(jù)模型412022/7/20422022/7/20在數(shù)據(jù)處理中數(shù)據(jù)描述將涉及不同的范疇。從事物的特性到計(jì)算機(jī)中的具體表示，實(shí)際上經(jīng)歷了三個(gè)領(lǐng)域（或稱數(shù)據(jù)的三個(gè)范疇）現(xiàn)實(shí)世界、信息世

15、界和計(jì)算機(jī)世界。對(duì)數(shù)據(jù)的描述現(xiàn)實(shí)世界信息世界機(jī)器世界現(xiàn)實(shí)世界、信息世界和計(jì)算機(jī)世界三者關(guān)系現(xiàn)實(shí)世界 信息世界(E-R表示) 計(jì)算機(jī)世界(DBMS支持的數(shù)據(jù)模型) 收集、分類和抽象 加工轉(zhuǎn)換 客觀對(duì)象的抽象過程-兩步抽象現(xiàn)實(shí)世界中的客觀對(duì)象抽象為概念模型；把概念模型轉(zhuǎn)換為某一DBMS支持的數(shù)據(jù)模型。數(shù)據(jù)模型分為兩類（分屬兩個(gè)不同的層次）(1) 概念模型 也稱信息模型，它是按用戶的觀點(diǎn)來對(duì)數(shù)據(jù)和信息建模，用于數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)。 (2) 數(shù)據(jù)模型 兩大類數(shù)據(jù)模型2022/7/20機(jī)器世界和信息世界的術(shù)語對(duì)應(yīng)關(guān)系機(jī)器世界信息世界記錄實(shí)體字段（或數(shù)據(jù)項(xiàng)）屬性實(shí)體集文件記錄鍵實(shí)體鍵442022/7/20 數(shù)據(jù)模

16、型是對(duì)客觀事物及其聯(lián)系的數(shù)據(jù)描述，是實(shí)體聯(lián)系模型的數(shù)據(jù)化。它是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的核心，它的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)嚴(yán)重影響到系統(tǒng)的其他部分，它也是數(shù)據(jù)定義和數(shù)據(jù)操縱語言的基礎(chǔ)。層次模型 發(fā)展最早，但由于其結(jié)構(gòu)不符合大多數(shù)客觀世界實(shí)際問題 中數(shù)據(jù)間的聯(lián)系，漸被淘汰網(wǎng)狀模型 開發(fā)也較早，而且有一定優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)前網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的用戶仍較多關(guān)系模型 開發(fā)相對(duì)較晚，但有一系列優(yōu)點(diǎn)，具有很強(qiáng)的生命力，被廣泛使用數(shù)據(jù)庫基本模型452022/7/20 關(guān)系數(shù)據(jù)庫是目前應(yīng)用最廣泛，也是最重要、最流行的數(shù)據(jù)庫。以下介紹關(guān)系數(shù)據(jù)庫的一些基本理論，包括關(guān)系數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、關(guān)系的完整性、關(guān)系代數(shù)、關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)及關(guān)系數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)語言。 關(guān)系模型的完

17、整性規(guī)則是對(duì)關(guān)系的某種約束條件。關(guān)系的完整性約束條件包括三大類：實(shí)體完整性，參照完整性和用戶定義的完整性。關(guān)系數(shù)據(jù)庫的基本概念462022/7/201實(shí)體完整性（Entity Integrity）實(shí)體完整性是指主關(guān)系鍵的值不能為空或部分為空在任何關(guān)系的任何一個(gè)元組中，主鍵的任一分量都不允許為空值，即若屬性 A是基本關(guān)系 R的主屬性，則屬性 A不能取空值，也即要求關(guān)系中元組在組成主鍵的屬性上不能有空值。例如，在學(xué)生關(guān)系 “ 學(xué)生自然情況（學(xué)號(hào)，班級(jí)號(hào)，姓名，性別，出生年月，入學(xué)成績）”中，“ 學(xué)號(hào) ”為主鍵，那么“學(xué)號(hào)”這個(gè)屬性不能取空值。472022/7/202參照完整性（Referentia

18、l Integrity）現(xiàn)實(shí)世界中的實(shí)體之間往往存在某種聯(lián)系，在關(guān)系模型自然存在著關(guān)系與關(guān)系間的引用。即“外鍵” 。例：有兩個(gè)基本關(guān)系為學(xué)生表（學(xué)號(hào)，班級(jí)號(hào)，姓名，性別，出生年月，入學(xué)成績）班級(jí)表（班級(jí)號(hào)，班級(jí)名稱，所屬系部，入學(xué)時(shí)間，系別）學(xué)生表的主碼為學(xué)號(hào)，而班級(jí)表的主碼為班級(jí)號(hào)，因而班級(jí)號(hào)是學(xué)生表的外鍵。按照參照完整性，學(xué)生表中的外鍵即班級(jí)號(hào)的取值有兩種可能： 取空值，表明該學(xué)生尚未分配到任何班級(jí) 若取非空值，則它必須是參照關(guān)系班級(jí)表中某個(gè)元組中的班 級(jí)號(hào)的值，因?yàn)樵搶W(xué)生不能屬于一個(gè)不存在的班級(jí)482022/7/203 用戶定義的完整性（User-defined Integrity）任何

19、關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)都應(yīng)該支持實(shí)體完整性和參照完整性。除此之外，不同的關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)根據(jù)其應(yīng)用環(huán)境的不同，往往還需要一些特殊的約束條件，用戶定義的完整性就是針對(duì)某一具體關(guān)系數(shù)據(jù)庫的約束條件由應(yīng)用環(huán)境決定的。它反映一具體應(yīng)用所涉及的數(shù)據(jù)必須滿足的語義要求。例如:某個(gè)屬性必須取惟一值，某些屬性值之間應(yīng)滿足一定的函數(shù)關(guān)系，學(xué)生的年齡定義為兩位整數(shù)，且范圍在15 30之間，性別只接受“男”或“女”等等。系統(tǒng)提供定義和檢驗(yàn)這類完整性的機(jī)制，以便用統(tǒng)一的系統(tǒng)方法處理它們，而不再由應(yīng)用程序承擔(dān)這項(xiàng)工作。在關(guān)系的完整性規(guī)則中，實(shí)體完整性和用戶定義的完整性是關(guān)系模型必須滿足的完整性的約束條件，被稱做是關(guān)系的兩個(gè)關(guān)系不

20、變性，應(yīng)由關(guān)系系統(tǒng)自動(dòng)支持。492022/7/20 關(guān)系代數(shù)是一種抽象的查詢語言，是關(guān)系數(shù)據(jù)操縱語言的一種傳統(tǒng)表達(dá)式，它是用對(duì)關(guān)系的運(yùn)算來表達(dá)查詢的。 任何一種運(yùn)算都是將一定的運(yùn)算操作應(yīng)用于一定的運(yùn)算對(duì)象上，得到預(yù)期的運(yùn)算結(jié)果。所以運(yùn)算對(duì)象、運(yùn)算符、運(yùn)算結(jié)果是運(yùn)算的三大要素。關(guān)系代數(shù)的運(yùn)算對(duì)象是關(guān)系，運(yùn)算結(jié)果亦為關(guān)系。 關(guān)系代數(shù)的運(yùn)算符包括四類：集合運(yùn)算符、專門的關(guān)系運(yùn)算符、比較運(yùn)算符和邏輯運(yùn)算符 關(guān)系代數(shù)的運(yùn)算按運(yùn)算符的不同可分為傳統(tǒng)的集合運(yùn)算和專門的關(guān)系運(yùn)算兩類。其中傳統(tǒng)的集合運(yùn)算將關(guān)系看成元組的集合，其運(yùn)算是從關(guān)系的“水平”方向即行的角度來進(jìn)行的。而專門的關(guān)系運(yùn)算不僅涉及行而且涉及列。比

21、較運(yùn)算符和邏輯運(yùn)算符是用來輔助專門的關(guān)系運(yùn)算符進(jìn)行操作的。 關(guān)系代數(shù)502022/7/20運(yùn)算符分類運(yùn)算符含義集合運(yùn)算符并運(yùn)算差運(yùn)算交運(yùn)算專門的關(guān)系運(yùn)算符笛卡兒積選擇運(yùn)算投影運(yùn)算連接運(yùn)算除法運(yùn)算比較運(yùn)算符大于大于等于小于小于等于等于不等于邏輯運(yùn)算符非運(yùn)算與運(yùn)算或運(yùn)算關(guān)系代數(shù)的運(yùn)算符512022/7/20定義 設(shè)關(guān)系R和關(guān)系S具有相同的關(guān)系模式（即兩個(gè)關(guān)系都有相同的屬性）， 且相應(yīng)的屬性取自同一個(gè)域，則關(guān)系R和關(guān)系S的并是由屬于關(guān)系R或 關(guān)系S的元組構(gòu)成的集合，即R和S的所有元組合并，刪去重復(fù)元組， 組成一個(gè)新關(guān)系，其結(jié)果仍為n目關(guān)系。 記為RS=t|tRtS 其中t是元組變量，關(guān)系R和關(guān)系S的

22、元數(shù)相同。 對(duì)于關(guān)系數(shù)據(jù)庫，記錄的插入和添加可通過并運(yùn)算實(shí)現(xiàn)。 （1）并（Union）定義 設(shè)關(guān)系R和關(guān)系S具有相同的關(guān)系模式，R和 S的差是由屬于 R但不屬于S 的所有元組構(gòu)成的集合，即 R中刪去與 S中相同的元組，組成一個(gè)新關(guān)系，其結(jié)果仍為n目關(guān)系。 記為R-S=t|tRtS，R和S元數(shù)相同。 通過差運(yùn)算，可實(shí)現(xiàn)關(guān)系數(shù)據(jù)庫記錄的刪除。 （2）差（Difference）傳統(tǒng)的集合運(yùn)算522022/7/20例：設(shè)有兩個(gè)關(guān)系R和S，且R和S具有相同的關(guān)系模式，則關(guān)系R和關(guān)系S的并、差如下圖所示。 ABCabcdgfxyzABCbeadgfABCabcdgfxyzbeaABCabcxyz關(guān)系R關(guān)系

23、S關(guān)系RS關(guān)系R-S532022/7/20定義 設(shè)關(guān)系R和關(guān)系S具有相同的關(guān)系模式，R和S的交是由屬于R又屬于S 的元組構(gòu)成的集合。 記為RS=t|tRtS 如果兩個(gè)關(guān)系沒有相同的元組，那么他們的交為空。 兩個(gè)關(guān)系的并和差運(yùn)算為基本運(yùn)算（即不能用其他運(yùn)算表達(dá)），而交 運(yùn)算為非基本運(yùn)算，交運(yùn)算可以用差運(yùn)算來表示。 RS= R-（R-S） （3）交（Intersection）（4）笛卡兒積（Cartesian Product）定義 設(shè)關(guān)系R和關(guān)系S的元數(shù)分別為 m和 n。定義 R和 S的笛卡兒積是一個(gè)（m+ n）元的元組集合，每個(gè)元組的前 m個(gè)分量（屬性值）來自R的一個(gè)元組，后 n個(gè)分量自 S的一

24、個(gè)元組。記為RS t|t（tm,tn) tmRtnS若R有k1個(gè)元組，S有k2個(gè)元組，則RS有k1k2個(gè)元組。 542022/7/20例：仍以關(guān)系R和S為例，且R和S具有相同的關(guān)系模式，關(guān)系R和關(guān)系S的交和笛卡兒積如下圖所示。 ABCabcdgfxyzABCbeadgfABCdgfABCABCabcbeaabcdgfdgfbeadgfdgfxyzbeaxyzdgf關(guān)系R關(guān)系S關(guān)系RS關(guān)系RS552022/7/20 由于傳統(tǒng)的集合運(yùn)算，只是從行的角度進(jìn)行，而要靈活地實(shí)現(xiàn)關(guān)系數(shù)據(jù)庫多樣的查詢操作，必須引入專門的關(guān)系運(yùn)算。（1）選擇（selection）定義 選擇操作是根據(jù)某些條件對(duì)關(guān)系進(jìn)行水平分割

25、，即在關(guān)系 R選取符合條件的元組。 記作其中F表示選擇條件，它是一個(gè)邏輯表達(dá)式，取邏輯值真或假 邏輯表達(dá)式F的基本形式為X1 Y1X2 Y2，其中， 為比較運(yùn)算符，它可以是，或。X1，Y1等是屬性名、常量或簡單函數(shù)。屬性名也可以用它的列序號(hào)來代替。表示邏輯運(yùn)算符，它可以是，或。 表示可選項(xiàng)，即 中的部分可以省略。因此選擇運(yùn)算實(shí)際上是關(guān)系R中選取使邏輯表達(dá)式F為真的元組。這是從行的角度進(jìn)行的運(yùn)算。 專門的關(guān)系運(yùn)算562022/7/20為了說明選擇關(guān)系運(yùn)算，這里假設(shè)有學(xué)生關(guān)系student，如下表所示 學(xué)號(hào)姓名性別出生年月入學(xué)成績981001姜英奇男77-6-26512991001張丹女78-1-

26、3419991002雷拓男78-8-28579201902蘇湘婷女80-1-10558201903蕭易寒男81-10-9520例：從學(xué)生關(guān)系student中查詢?nèi)雽W(xué)成績大于520分的學(xué)生信息。運(yùn)算式為運(yùn)算結(jié)果如下表所示學(xué)號(hào)姓名性別出生年月入學(xué)成績991002雷拓男78-8-28579201902蘇湘婷女80-1-10558572022/7/20（2）投影（Projection） 定義 關(guān)系R上的投影操作是從R中選擇出若干屬性列組成新的關(guān)系。 記作 其中 A為 R中的屬性列投影操作是從列的角度進(jìn)行的運(yùn)算，即對(duì) 關(guān)系R進(jìn)行垂直分割，消去某些列，并重新安排列的順序，再刪 去重復(fù)的元組。 例：從學(xué)生關(guān)

27、系student中查詢學(xué)生姓名和入學(xué)成績兩個(gè)屬性信息。運(yùn)算式為運(yùn)算結(jié)果如右表所示姓名入學(xué)成績姜英奇512張丹419雷拓579蘇湘婷558蕭易寒520582022/7/20（3）連接（Join）定義 連接是指從兩個(gè)關(guān)系的笛卡兒積中選取屬性值滿足一定條件的 元組。記作 其中A，B分別為 R和 S上可比的屬性組，是比較運(yùn)算符。連 接運(yùn)算從R和S的笛卡兒積RS中選取R關(guān)系在A屬性組上的值 與S關(guān)系在B屬性組上值滿足比較關(guān)系的元組。592022/7/20連接運(yùn)算中兩種最為重要最為常用的連接等值連接自然連接為“=”的連接運(yùn)算稱為等值連接。它是從關(guān)系R和S的笛卡兒積中選取A，B屬性值相等的那些元組。即等值連

28、接為自然連接是一種特殊的等值連接，它要求兩個(gè)關(guān)系中進(jìn)行比較的分量必須是相同的屬性組，并且要在結(jié)果中把重復(fù)的屬性去掉。即若R和S具有相同的屬性組B。則自然連接可記作一般的連接操作是從行的角度進(jìn)行運(yùn)算。但自然連接還需要取消重復(fù)列，所以是同時(shí)從行和列的角度進(jìn)行運(yùn)算。602022/7/20例：設(shè)有關(guān)系R和關(guān)系S如下表學(xué)號(hào)姓名性別出生年月971101張賓男78-9-9971102王雷女78-8-10981102許寧男79-2-17992101姜江女80-11-14學(xué)號(hào)入學(xué)成績971101532971102512981102489992101520R.學(xué)號(hào)姓名性別出生年月S.學(xué)號(hào)入學(xué)成績971101張賓男

29、78-9-9971101532971102王雷女78-8-10971102512981102許寧男79-2-17981102489992101姜江女80系 R關(guān)系 SRS|R.學(xué)號(hào)=S.學(xué)號(hào)的等值連接 的自然連接R.學(xué)號(hào)姓名性別出生年月入學(xué)成績971101張賓男78-9-9532971102王雷女78-8-10512981102許寧男79-2江女80-11-14520求 和 的值。求解結(jié)果見下圖。=612022/7/20 關(guān)系數(shù)據(jù)庫的規(guī)范化理論主要包括三個(gè)方面的內(nèi)容：函數(shù)依賴、范式（Normal Form）和模式設(shè)計(jì)。其中函數(shù)依賴起著核

30、心作用，是模式分解和模式設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，范式是模式分解的標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)系數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)理論為什么需要規(guī)范化？622022/7/20 數(shù)據(jù)庫的邏輯設(shè)計(jì)為什么要遵循一定的規(guī)范化理論？ 什么是好的關(guān)系模式？ 某些不好的關(guān)系模式可能導(dǎo)致哪些問題？下面通過例子對(duì)這些問題進(jìn)行分析。例要求設(shè)計(jì)教學(xué)管理數(shù)據(jù)庫，其關(guān)系模式，SCD如下： SCD（SNO，SN，AGE，DEPT，DEAN，CNO，SCORE）其中SNO表示學(xué)生學(xué)號(hào)SN表示學(xué)生姓名AGE表示學(xué)生年齡DEPT表示學(xué)生所在系別MN表示系主任姓名CNO表示課程號(hào)SCORE表示成績。 632022/7/20（1） 一個(gè)系有若干個(gè)學(xué)生，但一個(gè)學(xué)生只屬于一個(gè)系；（2） 一

31、個(gè)系只有一名系主任，但一個(gè)系主任可以同時(shí)兼幾個(gè)系的系主任；（3） 一個(gè)學(xué)生可以選修多門功課，每門課程可被若干個(gè)學(xué)生選修；（4） 每個(gè)學(xué)生學(xué)習(xí)的課程有一個(gè)成績。 在此關(guān)系模式中填入一部分具體的數(shù)據(jù)，則可得到SCD關(guān)系模式的實(shí)例，即一個(gè)教學(xué)管理數(shù)據(jù)庫，如下圖所示。 SNOSNAGEDEPTDEANCNOSCORES1趙軍17計(jì)算機(jī)劉軍航C190S1趙軍17計(jì)算機(jī)劉軍航C285S2錢進(jìn)18信息王平C557S2錢進(jìn)18信息王平C680S2錢進(jìn)18信息王平C7S2錢進(jìn)18信息王平C570S3張偉20信息王平C10S3張偉20信息王平C270S3張偉20信息王平C485S4李平20自動(dòng)化劉軍航C193根據(jù)

32、實(shí)際情況，這些數(shù)據(jù)有以下語義規(guī)定：642022/7/20根據(jù)上述的語義規(guī)定并分析以上關(guān)系中的數(shù)據(jù)，我們可以看出，（SCO，CNO）屬性的組合能唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)元組，所以（SCO，CNO）是該關(guān)系模式的主關(guān)鍵。但在進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的操作時(shí)，會(huì)出現(xiàn)以下幾方面的問題。（1）數(shù)據(jù)冗余。每個(gè)系名和系主任的名字存儲(chǔ)的次數(shù)等于該系的學(xué)生人數(shù)乘以每個(gè)學(xué)生選修的課程，同時(shí)學(xué)生的姓名、年齡也都要重復(fù)存儲(chǔ)多次，數(shù)據(jù)的冗余度很大，浪費(fèi)了存儲(chǔ)空間。（2）插入異常。如果某個(gè)新系沒有招生，尚無學(xué)生時(shí)，則系名和系主任的信息無法插入到數(shù)據(jù)庫中。因?yàn)樵谶@個(gè)關(guān)系模式中，（SCO，CNO）是主關(guān)系鍵。根據(jù)關(guān)系的實(shí)體完整性約束，組關(guān)系鍵的值不能

33、為空，而這時(shí)沒有學(xué)生，SNO和CNO均無值，因此不能進(jìn)行插入操作，另外，當(dāng)某個(gè)學(xué)生尚未選課，即CNO未知，實(shí)體完整性約束還對(duì)規(guī)定，主關(guān)系鍵的值不能部分為空，同樣也不能進(jìn)行插入操作。652022/7/20（3）刪除異常。當(dāng)某系因?qū)W生全部畢業(yè)而沒有招生時(shí)，要?jiǎng)h除全部學(xué)生的記錄，這時(shí)系名、系主任也隨之刪除，而現(xiàn)實(shí)總這個(gè)系仍然存在，但在數(shù)據(jù)庫中卻無法找到該系的信息。另外，如果某個(gè)學(xué)生不再選修C1課程，本應(yīng)該只刪去C1，但C1是主關(guān)系鍵的一部分，為保證實(shí)體完整性，必須將整個(gè)元組一起刪掉，這樣，有關(guān)學(xué)生的所有記錄的其他信息也隨之丟失。（4）更新異常。如果某學(xué)生改名，則該學(xué)生的所有記錄都要逐一修改SN的值；

34、又如某系更換系主任，則屬于該系的學(xué)生記錄都要修改MN的內(nèi)容，稍有不慎，就有可能漏改某些記錄，這就會(huì)造成數(shù)據(jù)庫的不一致性，破壞了數(shù)據(jù)的完整性。 662022/7/20 由于存在以上問題，我們說，SCD是一個(gè)不好的關(guān)系模式。產(chǎn)生上述問題的原因，直觀地說，是因?yàn)殛P(guān)系中“包羅萬象”，內(nèi)容太復(fù)雜了。那么，怎樣才能得到一個(gè)好的關(guān)系模式呢？我們把關(guān)系模式SCD分解為 學(xué)生關(guān)系S（SNO，SN，AGE，DEPT） 選修課SC（SNO，CNO，SCORE） 系關(guān)系D（DEPT，DEAN） 三個(gè)結(jié)構(gòu)簡單的關(guān)系模式。672022/7/20SNOCNOSCORES1C190S1C285S2C557S2C680S2C7

35、S2C570S3C10S3C270S3C485S4C193DEPTDEAN計(jì)算機(jī)劉軍航信息王平自動(dòng)化劉軍航SCD在以上三個(gè)關(guān)系模式中，實(shí)現(xiàn)了信息的某種程度的分離：S中存學(xué)生基本信息，與所選課程及系主任無關(guān)D中存儲(chǔ)系的有關(guān)信息，與學(xué)生無關(guān)SC中存儲(chǔ)的學(xué)生選課的信息，而與學(xué)生及系的有關(guān)信息無關(guān)與SCD相比，分解為三個(gè)關(guān)系模式后，數(shù)據(jù)的冗余程度明顯降低。SNOSNAGEDEPTS1趙軍17計(jì)算機(jī)S2錢進(jìn)18信息S3張偉20信息S4李平21自動(dòng)化S682022/7/20同時(shí)，由于數(shù)據(jù)冗余度的降低，數(shù)據(jù)沒有重復(fù)存儲(chǔ)，也不會(huì)引起更新異常。 當(dāng)新插入一個(gè)系時(shí)，只要在關(guān)系D中添加一個(gè)記錄就可以了；當(dāng)某個(gè)學(xué)生尚

36、未選課時(shí)，只要在關(guān)系 S中添加一條學(xué)生記錄就可以了，而與選課關(guān)系無關(guān)，這就避免了插入異常。當(dāng)一個(gè)系的學(xué)生全部畢業(yè)時(shí)，只需在 S中該系的全部學(xué)生記錄，而關(guān)系D中有關(guān)該系的信息仍然保留，從而不會(huì)引起異常刪除。經(jīng)過上述分析，我們說分解后的關(guān)系模式是一個(gè)好的關(guān)系數(shù)據(jù)庫模式。從而得出結(jié)論，一個(gè)好的關(guān)系模式應(yīng)該具備四個(gè)條件： （1）盡可能少的數(shù)據(jù)冗余（2）沒有插入異常（3）沒有刪除異常（4）沒有更新異常一個(gè)好的關(guān)系模式并不是在任何情況下都是最優(yōu)的，比如查詢某個(gè)學(xué)生選修課程名及所在系的系主任時(shí)，要通過連接，而連接所需的系統(tǒng)開銷非常大，因此要以實(shí)際設(shè)計(jì)的目標(biāo)出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 注意692022/7/20范式 在關(guān)

37、系數(shù)據(jù)模式設(shè)計(jì)中，為了避免由依賴引起的數(shù)據(jù)的冗余和更新異常問題，必須進(jìn)行關(guān)系數(shù)據(jù)模式的規(guī)范化。 自1971年，E.F.Codd提出關(guān)系規(guī)范化理論以來，人們對(duì)規(guī)范化問題進(jìn)行了長期的研究，并已經(jīng)有了很大進(jìn)展。 范式(Normal Form)的概念最早是由E.F.Codd提出的，19711972年，先后提出了1NF,2NF,3NF(根據(jù)關(guān)系模式滿足的不同性質(zhì)和規(guī)范化的程度劃分)。1974年，又和Boyce共同提出了BCNF（Boyce-Codd Normal Form）。1976年，F(xiàn)agin提出了4NF，后又有人提出5NF。最重要的是3NF和BCNF。這是進(jìn)行規(guī)范化的主要目標(biāo)。702022/7/20全部表格將所有欄目分解成最小數(shù)據(jù)項(xiàng)1NF關(guān)系消除部分函數(shù)依賴消除傳遞函數(shù)依賴消除主屬性對(duì)非主屬性的函數(shù)