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Unidad I

Diseño, manejo y explotación de Bases de Datos

1.1.      Modelos de bases de datos

Un modelo de datos es básicamente una "descripción" de algo conocido como contenedor de datos (algo en donde se guarda la información), así como de los métodos para almacenar y recuperar información de esos contenedores. Los modelos de datos no son cosas físicas: son abstracciones que permiten la implementación de un sistema eficiente de base de datos; por lo general se refieren a algoritmos, y conceptos matemáticos.

Algunos modelos con frecuencia utilizados en las bases de datos:

Bases de datos jerárquicas

En este modelo los datos se organizan en una forma similar a un árbol, en donde un nodo padre de información puede tener varios hijos. El nodo que no tiene padres es llamado raíz, y a los nodos que no tienen hijos se los conoce como hojas.

Las bases de datos jerárquicas son especialmente útiles en el caso de aplicaciones que manejan un gran volumen de información y datos muy compartidos permitiendo crear estructuras estables y de gran rendimiento.

 Una de las principales limitaciones de este modelo es su incapacidad de representar eficientemente la redundancia de datos.

Base de datos de red

Éste es un modelo ligeramente distinto del jerárquico; su diferencia fundamental es la modificación del concepto de nodo: se permite que un mismo nodo tenga varios padres.

Fue una gran mejora con respecto al modelo jerárquico, ya que ofrecía una solución eficiente al problema de redundancia de datos; pero, aun así, la dificultad que significa administrar la información en una base de datos de red ha significado que sea un modelo utilizado en su mayoría por programadores más que por usuarios finales.

Bases de datos transaccionales

Son bases de datos cuyo único fin es el envío y recepción de datos a grandes velocidades, estas bases son muy poco comunes y están dirigidas por lo general al entorno de análisis de calidad, datos de producción e industrial, es importante entender que su fin único es recolectar y recuperar los datos a la mayor velocidad posible, por lo tanto la redundancia y duplicación de información no es un problema como con las demás bases de datos, por lo general para poderlas aprovechar al máximo permiten algún tipo de conectividad a bases de datos relacionales.

Un ejemplo habitual de transacción es el traspaso de una cantidad de dinero entre cuentas bancarias. Normalmente se realiza mediante dos operaciones distintas, una en la que se decremento el saldo de la cuenta origen y otra en la que incrementamos el saldo de la cuenta destino. Para garantizar la atomicidad del sistema (es decir, para que no aparezca o desaparezca dinero), las dos operaciones deben ser atómicas, es decir, el sistema debe garantizar que, bajo cualquier circunstancia (incluso una caída del sistema), el resultado final es que, o bien se han realizado las dos operaciones, o bien no se ha realizado ninguna.

Bases de datos relacionales

Éste es el modelo utilizado en la actualidad para modelar problemas reales y administrar datos dinámicamente. 

Su idea fundamental es el uso de "relaciones". Estas relaciones podrían considerarse en forma lógica como conjuntos de datos llamados "tuplas".

Pese a que ésta es la teoría de las bases de datos relacionales creadas por Codd, la mayoría de las veces se conceptualiza de una manera más fácil de imaginar.

Esto es pensando en cada relación como si fuese una tabla que está compuesta por registros (las filas de una tabla), que representarían las tuplas, y campos (las columnas de una tabla).

En este modelo, el lugar y la forma en que se almacenen los datos no tienen relevancia (a diferencia de otros modelos como el jerárquico y el de red). Esto tiene la considerable ventaja de que es más fácil de entender y de utilizar para un usuario esporádico de la base de datos. La información puede ser recuperada o almacenada mediante "consultas" que ofrecen una amplia flexibilidad y poder para administrar la información.

El lenguaje más habitual para construir las consultas a bases de datos relacionales es SQL, Structured Query Language o Lenguaje Estructurado de Consultas, un estándar implementado por los principales motores o sistemas de gestión de bases de datos relacionales.

Modelo Entidad-Relación

En el modelo E/R se parte de una situación real a partir de la cual se definen entidades y relaciones entre dichas entidades:

Entidad: Objeto del mundo real sobre el que queremos almacenar información (Ejemplo: una persona).

Entidades: están compuestas de atributos que son los datos que definen el objeto (para la entidad persona serían DNI, nombre, apellidos, dirección,). De entre los atributos habrá uno o un conjunto de ellos que no se repite; a este atributo o conjunto de atributos se le llama clave de la entidad, (para la entidad persona una clave seria DNI).

En toda entidad siempre hay al menos una clave que en el peor de los casos estará formada por todos los atributos de la tabla. Ya que puede haber varias claves y necesitamos elegir una, lo haremos atendiendo a estas normas:

·         Que sea única.

·         Que se tenga pleno conocimiento de ella.

·         Que sea mínima, ya que será muy utilizada por el gestor de base de datos.

Relación: Asociación entre entidades, sin existencia propia en el mundo real que estamos modelando, pero necesaria para reflejar las interacciones existentes entre entidades. Las relaciones pueden ser de tres tipos:

•  Relaciones 1-1.- Las entidades que intervienen en la relación se asocian una a una (Ejemplo: la entidad HOMBRE, la entidad MUJER y entre ellos la relación MATRIMONIO).
• Relaciones 1-n.- Una ocurrencia de una entidad está asociada con muchas (n) de otra (Ejemplo: la entidad EMPRESA, la entidad TRABAJADOR y entre ellos la relación TRABAJAR-EN).
• Relaciones n-n.-Cada ocurrencia, en cualquiera de las dos entidades de la relación, puede estar asociada con muchas (n) de la otra y viceversa (Ejemplo: la entidad ALUMNO, la entidad EMPRESA y entre ellos la relación MATRÍCULA).

1.2.      Consideraciones de diseño

Tipo de almacenamiento: Debemos pensar en qué tipo de base de datos vamos a tener, puede ser OLTP O OLAP los cuales tiene diferentes propósitos y por lo mismo un diferente diseño.

Nivel de transaccional: La base de datos OLTP en lo general requiere de un alto número de transacciones por minuto. Un diseño eficiente, con un apropiado nivel de normalización, índices y participación nos pueden dar un nivel transaccional muy alto.

Crecimiento de las bases de datos: Que el crecimiento de base de datos debe ser optimo y lo más exacto posible al requerimiento del campo para evitar generar espacio en las aplicaciones.

Archivos de datos: (Alojamos los archivos) el archivo del dato debe estar en un lugar óptimo para su manejo.

Integridad de dato.

Establecer sedes donde se instalaran las bases de datos.

1.3.      Normalizaciones

La normalización es la secuencia de las medidas por las que un modelo de base de datos relacional es creado y mejorado. La secuencia de etapas implicadas en el proceso de normalización se llama formas normales. Básicamente, la forma normal aplicada durante un proceso de normalización permitirá la creación de una base de datos relacional como un modelo paso a paso de progresión.

La normalización es la redacción y aprobación de normas que se establecen para garantizar el acoplamiento de elementos construidos independientemente, así como garantizar el repuesto en caso de ser necesario, garantizar la calidad de los elementos fabricados y la seguridad de funcionamiento. La normalización persigue fundamentalmente tres objetivos:

·         Simplificación: Se trata de reducir los modelos quedándose únicamente con los más necesarios.

·         Unificación: Para permitir la intercambiabilidad a nivel internacional.

·         Especificación: Se persigue evitar errores de identificación creando un lenguaje claro y preciso.

Primera Forma Normal (1FN)

Incluye la eliminación de todos los grupos repetidos.

La regla de la Primera Forma Normal establece que las columnas repetidas deben eliminarse y colocarse en tablas separadas.

Poner la base de datos en la Primera Forma Normal resuelve el problema de los encabezados de columna múltiples. Muy a menudo, los diseñadores de bases de datos inexpertos harán algo similar a la tabla no normalizada.

Una y otra vez, crearán columnas que representen los mismos datos. La normalización ayuda a clarificar la base de datos y a organizarla en partes más pequeñas y más fáciles de entender. En lugar de tener que entender una tabla gigantesca y monolítica que tiene muchos diferentes aspectos, sólo tenemos que entender los objetos pequeños y más tangibles, así como las relaciones que guardan con otros objetos también pequeños.

Si una relación no está en 1FN, hay que eliminar de ella los grupos repetitivos. Un grupo repetitivo será el atributo o grupo de atributos que tiene múltiples valores para cada tupla de la relación.

Por Ejemplo: En la siguiente tabla se encuentran los datos del alquiler de diferentes películas. Esta tabla se encuentra en Forma Normal 0.

Para que esta tabla pase a 1FN se debe eliminar los grupos repetitivos de las tablas individuales. Es decir la columna que contiene múltiples valores, que es Nom_Cli contiene el nombre y el apellido del cliente, esta columna se debe dividir en columnas individuales que guarden valores indivisibles, como Nom_Cli, y Ape_Cli. Se puede hacer lo mismo con la columna Nom_Ren.

La tabla en 1FN será:

Segunda Forma Normal (2FN)

Asegura que todas las columnas que no son llave sean completamente dependientes de la llave primaria (PK).

Una tabla se dice que está en 2FN si y sólo si cumple dos condiciones:

1) Se encuentra en 1 FN

2) Todo atributo secundario (aquéllos que no pertenecen a la clave principal, los que se encuentran fuera de la caja) depende totalmente (tiene una dependencia funcional total) de la clave completa y, por tanto, no de una parte de ella.

Esta forma normal sólo se considera si la clave principal es compuesta y, por tanto, está formada por varios atributos. Si la clave principal de la tabla está formada por un único atributo, entonces la tabla ya se encuentra en 2FN.

Si una tabla T tiene como atributos A, B, C, D y la clave es A.B cumpliéndose las dependencias:

A.B——> C

B——> D

Se observa que la tabla no se encuentra en 2FN puesto que el atributo D no tiene una dependencia funcional total con la clave entera A.B, sino con una parte de la clave (B).

Para convertir una tabla que no está en segunda forma normal a 2FN, se realiza una proyección y se crea:

1) Una tabla con la clave y todas sus dependencias totales con los atributos secundarios afectados

2) Otra tabla con la parte de la clave que tiene dependencias, junto con los atributos secundarios implicados

La clave de la nueva tabla será la antigua parte de la clave.

En nuestro ejemplo, tendremos que se va a crear una tabla con los datos de las Películas:

Otra tabla con los datos de los préstamos de esas películas.

Tercera Forma Normal (3FN)

Elimina cualquier dependencia transitiva. Una dependencia transitiva es aquella en la cual las columnas que no son llave son dependientes de otras columnas que tampoco son llave.

Una tabla se dice que está en tercera forma normal si y sólo si se cumplen dos condiciones:

1)      Se encuentra en 2FN

2)      No existen atributos no primarios que son transitivamente dependientes de cada posible clave de la tabla.

Esto quiere decir que un atributo secundario sólo se debe conocer a través de la clave principal o claves secundarias de la tabla y no por medio de otro atributo no primario.

Por tanto, para pasar una tabla que no cumple la tercera forma normal a 3FN, se realiza una proyección y se genera:

1)    Una tabla con la clave y todos los atributos no primarios que no son transitivos

2)    Otra tabla con los atributos transitivos y el atributo no primario (que será la clave de la nueva tabla) por medio del cual mantienen la transitividad)

Lógicamente, en la primera tabla TI, el atributo C es clave ajena con respecto de T2 y de ese modo todos los atributos quedan relacionados entre sí. Es lo que se denomina interrelación entre la tabla TI y T2.

En nuestro ejemplo tendremos que se van a generar las siguientes tablas:

Tabla Clientes para contener los datos de la persona que rento la película agregando en su cedula de identidad como clave.

Clientes

Tabla Rentadores para contener los datos de la persona que renta la película agregando un su cedula de identidad como clave.

Rentadores

Tabla Películas con los datos de las películas, con el código de la película como clave.

Películas

Tabla Prestamos con el código de la película, cedula del cliente y la cedula de la persona que rento, la fecha devolución y fecha de rento

Prestamos

Hasta esta 3FN se considera un esquema de base de datos normalizado.

Cuarta Forma Normal (4FN)

La 4FN la generó Fagin tras el teorema que demostró y que dice: "Una tabla T con atributos A, B y C se puede descomponer sin pérdidas en sus dos proyecciones T1(A, B) y T2(A, C) si y solo si la Dependencia Multivaluada A   B | C se cumple en T" De ese modo, se define la 4FN de la siguiente forma: Una tabla T se dice que está en 4FN si cumple dos condiciones:

1     Está en FNBC.

2   Las únicas Dependencias Multivariadas existentes son las dependencias Funcionales de la clave con los atributos secundarios.

Quinta Forma Normal (5FN)

Para que una tabla se encuentra en 5FN se deben cumplir dos condiciones:

1   Se encuentra en 4FN

2  Toda Dependencia de Join viene implicada por las claves (principales o secundarias) de la tabla.

Es decir, que la tabla estará en 5FN si es posible generar unas proyecciones y al realizar su Join, los atributos comunes que realizan la operación (atributos de Join) están formados por claves (principales o secundarias) de la tabla.

1.4.      Integridad Referencial

La integridad referencia es un conjunto de reglas o un sistema de reglas que utiliza la mayoría de la base de datos relacionales para asegurarse que los registros de tablas, en cierta forma ayudan a proteger la integridad de los datos implicando y tonificando los datos.

La integridad referencial requiere que dos tablas que estén sincronizadas. En integridad referencia existen 3 tipos de relación las cuales son:

·         Uno a uno este solo se puede relacionar con un único registrado de la otra tabla y viceversa

·         Uno a varios consiste en relacionar con un único registro y otra tabla tener varios registros

·         Vario a varios se relacionan con varios y la otra tabla se relaciona también con varios, en si se puede decir que se pueden relacionar entre todos.

Entre ella también existe una clave foránea que es un campo de una tabla que contiene una referencia a un registro de otra tabla. El actualizar y/o eliminar registros en cascada, son opciones que se definen cuando definimos la clave foránea.

La integridad referencial hace que el sistema gestor de la base de datos se asegure de que no haya en las claves foráneas valores que no estén en la tabla principal. La integridad referencial se activa en cuanto creamos una clave foránea y a partir de ese momento se comprueba cada vez que se modifiquen datos que puedan alterarla.

SQL Server, por otro lado, admite algunas opciones adicionales de integridad referencial. En SQL Server puede establecer opciones para desactivar la restricción FOREIGN KEY bajo las siguientes condiciones:

·         Tras la creación, para comprobar los datos existentes.

·         Durante transacciones INSERTA

·         Durante la duplicación.

1.5.      Restricción

La restricción en una base de datos importante porque tiene la seguridad y la confiablidad de que la información este sin acceso para otras personas y es personal hacer modificaciones a mi información, este igual ayuda a la integridad de los datos, como en los temas anteriores menciones sobre la integración de los datos, esto es necesario para tener los datos en organización, y para los temas mencionados también es importante.

La restricción son las que determina la limitación que cumple ciertas reglas en la base de datos algunos son determinados por los usuarios y otro por la modificación de información.

La restricción nos hace tener seguros la información almacena en cierto lugar.

Las restricciones restringen los datos que pueden ser almacenados en las tablas. Usualmente se definen usando expresiones que dan como resultado un valor booleano, indicando si los datos satisfacen la restricción o no.

1.6.      Seguridad de base de datos

La información de base de datos mayormente está almacenada en sistema de gestores por lo que se requiere que se tenga seguridad ante la información con la que se cuenta.

La seguridad en la base de datos es importante ya que evita los intrusos ingresen (usuarios) sin requerirlo o sin autorización.

En la seguridad de base de datos se tiene principios básicos de las cuales son:

• Identificar su sensibilidad
• Evaluación de vulnerabilidad y la configuración
• Endurecimiento
• Audite
• Monitoreo
• Pista de auditoria
• Audiencia y control de acceso y gestión de derecho.

Esos son algunos principios básicos de la seguridad de base de datos.

Principios básicos

Suponer que el diseño del sistema es público:

• El defecto debe ser: sin acceso.
• Chequear permanentemente.
• Los mecanismos de protección deben ser simples, uniformes y construidos en las capas más básicas del sistema.

Medidas de seguridad

·         FÍSICAS: Controlar el acceso al equipo. mediante tarjetas de acceso

·         PERSONAL: Acceso solo de personal autorizado. identificación directa de personal.

Tipos

Hay dos tipos de seguridad:

·         Direccional: Se usa para otorgar y revocar privilegios a los usuarios a nivel de archivos, registros o campos en un modo determinado (consulta o modificación).

·         Obligatoria: Sirve para imponer seguridad de varios niveles tanto para los usuarios como para los datos. Para eso se utilizan mecanismos de protección.

Requisitos para la seguridad del BD

·         La base de datos debe ser protegida contra el fuego, el robo y otras formas de destrucción.

·         Los datos deben ser reconstruirles, ya que siempre pueden ocurrir accidentes.

·         Los datos deben poder ser sometidos a procesos de auditoria.

·         El sistema debe diseñarse a prueba de intromisiones, no deben poder pasar por alto los controles.

·         Ningún sistema puede evitar las intromisiones malintencionadas, pero es posible hacer que resulte muy difícil eludir los controles.

·         El sistema debe tener capacidad para verificar que sus acciones han sido autorizadas.

·         Las acciones de los usuarios deben ser supervisadas, de modo talque pueda descubrirse cualquier acción indebida o errónea.

Las 3 principales características de la seguridad en una base de datos son:

·         La Confidencialidad de la información

·         La Integridad de la información

·         la Disponibilidad de la información.

1.7.      Reportes de base de datos

Un reporte permite presentar la información de una base de datos de forma organizada y estética en una hoja impresa, esta información es extraída o calculada a partir de los datos almacenados en la tabla.

Un reporte presenta la siguiente estructura:

·         Cabecera de página

·         Encabezado del reporte

·         Encabezado de página

·         Encabezado de grupo

Son muy útiles porque permiten presentar tus datos en un formato que es fácil de leer. Incluso, puedes personalizar la apariencia de los reportes para que sean visualmente agradables y así imprimirlos para una junta o reunión. En Access puedes crear reportes de tablas o consultas.

Los informes también permiten:

• Preparar facturas. 
•   Crear etiquetas postales. 
• Crear un directorio, como una lista alfabética de empleados con su información de contacto. 
• Permiten presentar un resumen de los datos, como las ventas agrupadas por región. 
• Los informes pueden resumir y agrupar los datos para proporcionar una introducción. 

1.8.      Gestores de base de datos

Los Sistemas Gestores de Bases de Datos (SGBD, por sus siglas en inglés), también conocidos como sistemas manejadores de bases de datos o DBMS (Data Base Management System), son un conjunto de programas que manejan todo acceso a la base de datos, con el objetivo de servir de interfaz entre ésta, el usuario y las aplicaciones utilizadas. 

Gracias a este sistema de software específico el usuario puede gestionar la base de datos (almacenar, modificar y acceder a la información contenida en ésta) mediante el uso de distintas herramientas para su análisis, con las que puede realizar consultas y generar.

1.8.1.Gestores de licencia

Microsoft  SQL  Server:

Posee una compresión de Datos que permite que los datos se almacenen de una manera más eficiente, y reduzca los requisitos de almacenamiento para sus datos. La Compresión de Datos también ofrece mejoras significativas en el rendimiento para grandes cargas de trabajo

Oracle:

Es una herramienta de administración gráfica que es muy intuitiva y cómoda de utilizar. Ayuda a analizar datos y efectuar recomendaciones para mejorar el rendimiento y la eficiencia en el manejo de aquellos datos que se encuentran almacenados. También apoya en el diseño y optimización de modelos de datos.

Microsoft Access:

Dentro del archivo, puede utilizar: Tablas para almacenar los datos, consultas para buscar y recuperar únicamente los datos que necesita. Formularios para ver, agregar y actualizar los datos de las tablas e informes para analizar o imprimir los datos con un diseño específico

Visual  fox proo:

Ofrece a los desarrolladores un conjunto de herramientas para crear aplicaciones de bases de datos para el escritorio, entornos cliente/servidor, Tablet PC o para la Web.

1.8.2.Gestores de base de datos libre

PostgreSQL:

Sus características técnicas la hacen una de las bases de datos más potentes y robustos del mercado. Diseñado para ambientes de alto volumen y nadie puede demandarlo por violar acuerdos de licencia, puesto que no hay costo asociado a la licencia del software.

APACHE DERBY

El tamaño del programa es muy reducido, ocupando 2.6 megabytes entre el motor base y controlador integrado JDBC, utilizando muy poco espacio en el computador donde se instalará el programa.

SQQULITE

Squlite se caracteriza por ser un motor de base de datos ágil y robusto diseñado para ambientes de alto volumen.

DB2 Express C

Ofrece a los desarrolladores un conjunto de herramientas para crear aplicaciones de bases de datos para el escritorio, entornos cliente/servidor, Tablet PC o para la Web.