数据库系统及应用（第5版）课件 第1章 数据库概论

数据库概论本章内容数据管理及其发展过程数据库系统的特点数据模型初步数据独立性与三层结构三层模式结构和数据库管理系统数据库系统数据库概论数据管理及其发展过程数据管理及其发展过程?????????计算机用于数据管理经历了哪几个阶段？有什么特点？现阶段是什么阶段？数据管理及其发展过程人工管理阶段文件系统阶段数据库系统阶段高级数据库阶段数据管理及其发展过程人工管理阶段文件系统阶段数据库系统阶段高级数据库阶段人工管理阶段(50年代中期以前)从硬件看，外存只有磁带、卡片、纸带，没有磁盘从软件看，没有操作系统，没有管理数据的软件背景人工管理阶段(50年代中期以前)数据不保存没有软件系统对数据进行管理只有程序的概念，没有文件的概念一组数据对应一个程序，数据是面向程序的

没有形成完整的数据管理的概念从硬件看，外存只有磁带、卡片、纸带，没有磁盘从软件看，没有操作系统，没有管理数据的软件背景有什么特点？应用程序1

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数据集1

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…………数据管理及其发展过程人工管理阶段文件系统阶段数据库系统阶段高级数据库阶段文件系统阶段

(50年代后期~60年代中期)直接存取存储设备操作系统（含文件系统）和高级语言背景应用程序1

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文件1

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…………文件系统文件系统阶段

(50年代后期~60年代中期)数据可长期保留在磁盘上，可经常对文件进行查询、修改、插入、删除等操作有软件（文件系统）对数据进行管理，程序和数据有了一定的独立性（数据不再属于某个特定的程序，可以重复使用）文件的形式多样化数据的存取基本上以记录为单位直接存取存储设备操作系统（含文件系统）和高级语言背景有什么特点？应用程序1

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…………文件系统应用程序A1应用程序A2学生基本信息管理学生选课管理学生信息文件F1课程信息文件F2学生选课信息文件F3F1包括：学号、姓名、性别、出生日期、所在系、专业、所在班、特长、家庭住址。F2包括：课程号、课程名、授课学期、学分、课程性质。F3包括：学号、姓名、……、课程号、课程名、……、修课类型、修课时间、考试成绩。文件系统阶段

(50年代后期~60年代中期)数据冗余文件系统的缺陷？程序和数据之间的独立性差数据联系弱数据冗余大数据不一致性数据管理及其发展过程人工管理阶段文件系统阶段数据库系统阶段高级数据库阶段数据库系统阶段(60年代后期开始)应用程序1

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……数据库管理系统（DBMS）数据库标志着数据库技术诞生的三个事件标志着数据库技术诞生的三个事件层次数据模型1968年研制成功、1969年形成产品的美国IBM公司的数据库管理系统IMS（InformationManagementSystem）的问世。标志着数据库技术诞生的三个事件层次数据模型1968年研制成功、1969年形成产品的美国IBM公司的数据库管理系统IMS（InformationManagementSystem）的问世。网状数据模型20世纪60年代末和70年代初，美国数据系统语言协会CODASYL（ConferenceOnDAtaSYstemLanguage）下属的数据库任务组DBTG发表的DBTG报告。该报告建立了数据库技术的很多概念、方法和技术。标志着数据库技术诞生的三个事件层次数据模型1968年研制成功、1969年形成产品的美国IBM公司的数据库管理系统IMS（InformationManagementSystem）的问世。网状数据模型20世纪60年代末和70年代初，美国数据系统语言协会CODASYL（ConferenceOnDataSystemLanguage）下属的数据库任务组DBTG发表的DBTG报告。该报告建立了数据库技术的很多概念、方法和技术。关系数据模型从1970年起，IBM的研究员E.F.Codd发表了一系列的论文，提出了数据库的关系模型，开创了数据库关系方法和关系数据理论的研究，为关系数据库的发展和理论研究奠定了基础。标志着数据库技术诞生的三个事件层次数据模型1968年研制成功、1969年形成产品的美国IBM公司的数据库管理系统IMS（InformationManagementSystem）的问世。网状数据模型20世纪60年代末和70年代初，美国数据系统语言协会CODASYL（ConferenceOnDataSystemLanguage）下属的数据库任务组DBTG发表的DBTG报告。该报告建立了数据库技术的很多概念、方法和技术。关系数据模型从1970年起，IBM的研究员E.F.Codd发表了一系列的论文，提出了数据库的关系模型，开创了数据库关系方法和关系数据理论的研究，为关系数据库的发展和理论研究奠定了基础。第一代数据库系统标志着数据库技术诞生的三个事件层次数据模型1968年研制成功、1969年形成产品的美国IBM公司的数据库管理系统IMS（InformationManagementSystem）的问世。网状数据模型20世纪60年代末和70年代初，美国数据系统语言协会CODASYL（ConferenceOnDataSystemLanguage）下属的数据库任务组DBTG发表的DBTG报告。该报告建立了数据库技术的很多概念、方法和技术。关系数据模型从1970年起，IBM的研究员E.F.Codd发表了一系列的论文，提出了数据库的关系模型，开创了数据库关系方法和关系数据理论的研究，为关系数据库的发展和理论研究奠定了基础。第一代数据库系统第二代数据库系统数据管理及其发展过程人工管理阶段文件系统阶段数据库系统阶段高级数据库阶段高级数据库阶段又经过40多年的发展，数据库不仅仅可以管理一般数据，还可以管理对象数据，可以进行知识管理等。把基于新技术的数据库应用（如分布式数据库、面向对象数据库、数据仓库等）称作高级数据库系统阶段。大数据时代？数据库领域的四位图灵奖得主图灵奖01CharlesW.Bachman1973网状数据库之父02E.FCodd1982关系数据库之父03JamesGray1998数据库技术和事务处理专家04MichaelStonebraker2014现代主流数据库系统架构奠基人数据库系统的特点数据库系统的特点数据库可以最大限度地保证数据完整性数据库具有安全控制机制,能够保证数据的安全、可靠数据库允许并发地使用，能有效、及时地处理数据，并能保证数据的一致性数据库是相互关联的数据的集合数据库具有较小的数据冗余，可供多个用户共享数据库具有较高的数据独立性数据库用综合的方法组织数据，保证尽可能高的访问效率应用程序1

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……数据库管理系统数据库

数据库中的数据不是孤立的，数据与数据之间是相互关联的。也就是说，在数据库中不仅要能够表示数据本身，还要能够表示数据与数据之间的联系。

相互关联的数据的集合学生课程在概念数据模型中将深入讨论数据之间的联系

用综合的方法组织数据存储管理数据库能够根据不同的需要按不同的方法组织数据。

顺序索引聚簇

低冗余与数据共享学生基本情况冗余！冗余带来什么问题？学生基本情况有关学籍管理的数据学生基本情况有关生活管理的数据学生基本情况有关……的数据教务文件后勤文件……文件数据库中的数据可以共享，但是是可控制、受约束的。

低冗余与数据共享学生基本情况有关学籍管理的数据有关生活管理的数据有关……的数据学生基本情况有关学籍管理的数据学生基本情况有关生活管理的数据学生基本情况有关……的数据逻辑存储物理存储保证数据的一致性

数据具有较高的独立性

数据独立性是指数据的组织和存储方法与应用程序互不依赖、彼此独立的特性。数据库的三层模式结构

可以保证数据的正确性

保证数据正确的特性在数据库中称之为数据完整性。2学生年龄关系模型的完整性约束200

保证数据的安全、可靠

数据库技术要能够保证数据库中的数据是安全、可靠的。数据库安全、备份与恢复

有效地防止数据库中的数据被非法使用或非法修改主动安全安全机制

数据遭到破坏时能立刻将数据完全恢复被动安全备份恢复

数据可以并发使用并能同时保证其一致性

在多个用户同时使用数据库时，能够保证不产生冲突和矛盾，保证数据的一致性和正确性。10张票购票终端A购票终端B查询1010-2=8查询10允许并发10-3=787数据不一致87所以数据库在允许并发的同时还要采取一些保障数据一致性的措施。2020年3月12日，北京到上海高铁G400的余票信息10张票购票终端A购票终端B查询1010-2=8查询88-3=5885

失败5‘’成功数据可以并发使用并能同时保证其一致性事务管理与并发控制2020年3月12日，北京到上海高铁G400的余票信息

‘’所以数据库在允许并发的同时还要采取一些保障数据一致性的措施。数据库系统的特点数据库可以最大限度地保证数据完整性数据库具有安全控制机制,能够保证数据的安全、可靠数据库允许并发地使用，能有效、及时地处理数据，并能保证数据的一致性数据库是相互关联的数据的集合数据库具有较小的数据冗余，可供多个用户共享数据库具有较高的数据独立性数据库用综合的方法组织数据，保证尽可能高的访问效率数据模型初步数据模型数据模型用来描述数据、组织数据和对数据进行操作，是对现实世界数据特征的描述。什么是数据模型？数据模型计算机不能直接处理现实的事物，所以，人们只有将现实事物转成数字化的数据，才能让计算机识别处理。建立数据模型的目的数据模型能比较真实地模拟现实世界容易被人们理解便于在计算机上实现数据模型应满足三个条件概念数据模型组织数据模型认知模型实现模型数据模型概念数据模型组织数据模型从数据的语义视角来抽取模型从数据的组织层次来描述数据按用户的观点来对数据和信息进行建模按计算机系统的观点对数据进行建模主要用在数据库的设计阶段主要用于DBMS的实现与DBMS无关与DBMS有关数据库系统的核心和基础认知模型实现模型概念数据模型认知模型描述现实世界的数据模型称为概念模型或概念数据模型。实体属性联系概念数据模型E-R（EntityRelationship）方法使用的工具称作E-R图，它所描述的现实世界的信息结构称为企业模式（EnterpriseSchema），也把这种描述结果称为E-R模型或概念数据模型。E-R方法的三要素认知模型身份证号

姓名座位号

位置乘坐时间乘客座位乘坐11实体属性联系概念数据模型E-R（EntityRelationship）方法使用的工具称作E-R图，它所描述的现实世界的信息结构称为企业模式（EnterpriseSchema），也把这种描述结果称为E-R模型或概念数据模型。E-R方法的三要素身份证号

姓名座位号

位置乘坐时间乘客座位乘坐11认知模型实体属性

联系概念数据模型E-R（EntityRelationship）方法使用的工具称作E-R图，它所描述的现实世界的信息结构称为企业模式（EnterpriseSchema），也把这种描述结果称为E-R模型或概念数据模型。E-R方法的三要素身份证号

姓名座位号

位置乘坐时间乘客座位乘坐11认知模型实体属性联系概念数据模型E-R（EntityRelationship）方法使用的工具称作E-R图，它所描述的现实世界的信息结构称为企业模式（EnterpriseSchema），也把这种描述结果称为E-R模型或概念数据模型。E-R方法的三要素身份证号

姓名座位号

位置乘坐时间乘客座位乘坐11认知模型组织层数据模型实现模型层次数据模型010203网状数据模型关系数据模型层次模型层次数据模型用树形结构来表示实体之间联系的模型称为层次模型。层次模型表示一对多的联系是直接而方便的。层次模型有以下两点限制：有且仅有一个结点无父结点，这个结点即为树的根；其他结点有且仅有一个父结点。支持层次模型的典型系统是诞生于1970年左右的IBM公司的IMS（InformationManagementSystem）。层次模型不能表示多对多的联系。网状数据模型用网状结构来表示实体之间联系的数据模型称为网状数据模型。取消了层次模型中的两点限制。网状模型的典型代表CODASYL（ConferenceOnDataSystemLanguages）。关系模型

关系数据模型用关系（表格数据）表示实体和实体之间联系的模型称为关系数据模型。通俗地讲，关系就是二维表格。关系数据模型什么是关系？关系模型

关系数据模型学号姓名性别年龄所属系0101李勇男20010102刘晨女19010103王明女20030199张立男1802系号系名01计算机系02材料系03英语系04信息系关系模式：学生（学号、姓名、性别、年龄、所属系）系（系号、系名）关系模型

关系数据模型学号姓名性别年龄所属系0101李勇男20010102刘晨女19010103王明女20030199张立男1802系号系名01计算机系02材料系03英语系04信息系关系模式：学生（学号、姓名、性别、年龄、所属系）系（系号、系名）关系模型

思考学号姓名性别年龄所属系0101李勇男20010102刘晨女19010103王明女20030199张立男1802系号系名01计算机系02材料系03英语系04信息系关系模式：学生（学号、姓名、性别、年龄、所属系）系（系号、系名）如何避免错误的字段值？如何避免插入一条重复或错误的记录？如何避免插入错误关联的记录？三层模式结构与数据库管理系统三层模式结构和数据库管理系统三层模式结构与数据独立性数据库管理系统的基本功能数据独立性数据库的三层模式结构数据库管理系统的基本框架数据库管理系统管理数据库的系统软件数据库管理系统（DataBaseManagementSystem,DBMS)数据库的诸多特点是靠用好DBMS来保证的数据库管理系统的基本功能数据库管理系统的基本功能数据库定义功能数据库操纵功能数据库查询功能数据库控制功能数据库通讯功能DBMS基本功能数据库的三层模式结构外部数据库A

外部数据库B…………概念数据库存储数据库图三层数据库示意数据库的三层模式结构外部数据库A

外部数据库B…………概念数据库存储数据库图三层数据库示意数据库的三层模式结构外部数据库A

外部数据库B…………概念数据库存储数据库图三层数据库示意

定义存储数据库结构的模式称为存储模式，又称为内模式。数据库的三级模式数据库的三层模式结构存储模式图数据库的三级模式数据库概念模式外部模式A外部模式B外部模式C用户A用户B用户C存储模式存储文件存储文件数据库的三级模式数据库的三层模式结构存储模式图数据库的三级模式数据库概念模式外部模式A外部模式B外部模式C用户A用户B用户C定义概念数据库结构的模式称为概念模式，或简称模式。概念模式表表数据库的三级模式数据库的三层模式结构存储模式图数据库的三级模式数据库概念模式外部模式A外部模式B外部模式C用户A用户B用户C定义外部数据库结构的模式称为外部模式，又称为子模式或用户模式。外部模式视图视图68视图69视图70视图数据库的三级模式数据库的三层模式结构存储模式图数据库的三级模式数据库概念模式外部模式A外部模式B外部模式C用户A用户B用户C外部模式概念模式存储模式映像映像提供了概念数据独立性视图表存储文件数据库的三级模式数据库的三层模式结构存储模式图数据库的三级模式数据库概念模式外部模式A外部模式B外部模式C用户A用户B用户C外部模式概念模式存储模式映像映像提供了概念数据独立性提供了存储数据独立性视图表存储文件数据库系统的特点数据库可以最大限度地保证数据完整性数据库具有安全控制机制,能够保证数据的安全、可靠数据库允许并发地使用，能有效、及时地处理数据，并能保证数据的一致性数据库是相互关联的数据的集合数据库具有较小的数据冗余，可供多个用户共享数据库具有较高的数据独立性数据库用综合的方法组织数据，保证尽可能高的访问效率应用程序1

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……数据库管理系统数据库回顾数据独立性与三层结构数据独立性应用程序1

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……数据库管理系统数据库数据独立性与三层结构数据独立性

数据独立性指应用程序与数据的组织和存储结构相互独立的特性。具体说，就是当修改数据的组织方法和存储结构时，应用程序不用修改的特性。数据独立性概念数据独立性存储数据独立性存储数据独立性存储数据独立性存储数据独立性存储数据独立性概念文件是存储文件的抽象存储数据独立性

不管存储文件的存储方法和存储结构怎么改变，用户程序都能继续正确执行。存储数据独立性存储数据独立性概念数据独立性概念数据独立性

又叫逻辑数据独立性，指当用户程序操作的概念文件有插入或删除字段的情况发生时（当然是通过存储文件），用户程序仍能正确执行的性质。概念数据独立性外部文件是概念文件的部分抽取概念数据独立性概念数据独立性

又叫逻辑数据独立性，指当用户程序操作的概念文件有插入或删除字段的情况发生时（当然是通过存储文件），用户程序仍能正确执行的性质。概念数据独立性概念数据独立性概念数据独立性

又叫逻辑数据独立性，指当用户程序操作的概念文件有插入或删除字段的情况发生时（当然是通过存储文件），用户程序仍能正确执行的性质。概念数据独立性概念数据独立性概念数据独立性

又叫逻辑数据独立性，指当用户程序操作的概念文件有插入或删除字段的情况发生时（当然是通过存储文件），用户程序仍能正确执行的性质。概念数据独立性概念数据独立性概念数据独立性

又叫逻辑数据独立性，指当用户程序操作的概念文件有插入或删除字段的情况发生时（当然是通过存储文件），用户程序仍能正确执行的性质。概念数据独立性概念数据独立性概念数据独立性

又叫逻辑数据独立性，指当用户程序操作的概念文件有插入或删除字段的情况发生时（当然是通过存储文件），用户程序仍能正确执行的性质。概念数据独立性概念数据独立性概念数据独立性

又叫逻辑数据独立性，指当用户程序操作的概念文件有插入或删除字段的情况发生时（当然是通过存储文件），用户程序仍能正确执行的性质。概念数据独立性提供了存储数据独立性概念数据独立性概念数据独立性

又叫逻辑数据独立性，指当用户程序操作的概念文件有插入或删除字段的情况发生时（当然是通过存储文件），用户程序仍能正确执行的性质。概念数据独立性提供了概念数据独立性概念数据独立性概念数据独立性

又叫逻辑数据独立性，指当用户程序操作的概念文件有插入或删除字段的情况发生时（当然是通过存储文件），用户程序仍能正确执行的性质。概念数据独立性概念数据独立性概念数据独立性

又叫逻辑数据独立性，指当用户程序操作的概念文件有插入或删除字段的情况发生时（当然是通过存储文件），用户程序仍能正确执行的性质。概念数据独立性外部文件是概念文件的部分抽取概念文件是存储文件的抽象数据库的三级模式数据库的三层模式结构存储模式图数据库的三级模式数据库概念模式外部模式A外部模式B外部模式C用户A用户B用户C外部模式概念模式存储模式映像映像提供了概念数据独立性提供了存储数据独立性视图表存储文件存储模式图数据库管理系统的基本框架数据库概念模式外部模式A外部模式B数据库管理系统的基本框架DBCSDBSS存取方法系统缓冲区DBCS接口DBMS外部模式A概念模式外部模式B概念模式概念模式存储模式用户程序A1工作区用户程序A2工作区用户程序B1工作区用户程序B2工作区相当于前面提到的概念级的存取子程序存储模式图数据库管理系统的基本框架数据库概念模式外部模式A外部模式B数据库管理系统的基本框架DBCSDBSS存取方法系统缓冲区DBCS接口DBMS外部模式A概念模式外部模式B概念模式概念模式存储模式用户程序A1工作区用户程序A2工作区用户程序B1工作区用户程序B2工作区相当于前面提到的概念级的存取子程序相当于前面提到的存储级的存取子程序存储模式图数据库管理系统的基本框架数据库概念模式外部模式A外部模式B用户程序A1工作区数据库管理系统的基本框架用户程序A2工作区用户程序B1工作区用户程序B2工作区DBCSDBSS系统缓冲区DBCS接口DBMS外部模式A概念模式外部模式B概念模式概念模式存储模式例：一个用户程序通过DBMS读取一条记录时所发生的一系列事件。①用户程序A1向DBMS发出读一条记录的指令，这时用户程序要给出外部文件名和记录的关键字值。存储模式图数据库管理系统的基本框架数据库概念模式外部模式A外部模式B用户程序A1工作区数据库管理系统的基本框架用户程序A2工作区用户程序B1工作区用户程序B2工作区DBCSDBSS系统缓冲区DBCS接口DBMS外部模式A概念模式外部模式B概念模式概念模式存储模式②DBCS分析所接到的指令，访问对应的外部模式。例：一个用户程序通过DBMS读取一条记录时所发生的一系列事件。存储模式图数据库管理系统的基本框架数据库概念模式外部模式A外部模式B用户程序A1工作区数据库管理系统的基本框架用户程序A2工作区用户程序B1工作区用户程序B2工作区DBCSDBSS系统缓冲区DBCS接口DBMS外部模式A概念模式外部模式B概念模式概念模式存储模式③DBCS完成外部模式到概念模式的转换，决定访问哪个（些）概念文件。例：一个用户程序通过DBMS读取一条记录时所发生的一系列事件。存储模式图数据库管理系统的基本框架数据库概念模式外部模式A外部模式B用户程序A1工作区数据库管理系统的基本框架用户程序A2工作区用户程序B1工作区用户程序B2工作区DBCSDBSS系统缓冲区DBCS接口DBMS外部模式A概念模式外部模式B概念模式概念模式存储模式④DBSS完成概念模式到存储模式的转换，并决定访问哪个（些）存储文件。例：一个用户程序通过DBMS读取一条记录时所发生的一系列事件。存储模式图数据库管理系统的基本框架数据库概念模式外部模式A外部模式B用户程序A1工作区数据库管理系统的基本框架用户程序A2工作区用户程序B1工作区用户程序B2工作区DBCSDBSS系统缓冲区DBCS接口DBMS外部模式A概念模式外部模式B概念模式概念模式存储模式⑤DBSS调用存取方法，通过操作系统将读取的记录送到系统缓冲区。存取方法例：一个用户程序通过DBMS读取一条记录时所发生的一系列事件。存储模式图数据库管理系统的基本框架数据库概念模式外部模式A外部模式B用户程序A1工作区数据库管理系统的基本框架用户程序A2工作区用户程序B1工作区用户程序B2工作区DBCSDBSS系统缓冲区DBCS接口DBMS外部模式A概念模式外部模式B概念模式概念模式存储模式⑥用户程序从系统缓冲区得到所需记录和DBMS返回的状态信息。存取方法例：一个用户程序通过DBMS读取一条记录时所发生的一系列事件。存储模式图数据库管理系统的基本框架数据库概念模式外部模式A外部模式B用户程序A1工作区数据库管理系统的基本框架用户程序A2工作区用户程序B1工作区用户程序B2工作区DBCSDBSS系统缓冲区存取方法DBCS接口DBMS外部模式A概念模式外部模式B概念模式概念模式存储模式⑦用户程序在工作区中使用所得到的记录。例：一个用户程序通过DBMS读取一条记录时所发生的一系列事件。存储模式图数据库管理系统的基本框架数据库概念模式外部模式A外部模式B数据库管理系统的基本框架DBCSDBSS存取方法系统缓冲区DBCS接口DBMS外部模式A概念模式外部模式B概念模式概念模式存储模式用户程序A1工作区用户程序A2工作区用户程序B1工作区用户程序B2工作区例：一个用户程序通过DBMS读取一条记录时所发生的一系列事件。数据库管理系统的基本功能数据独立性数据库的三层模式结构数据库管理系统的基本框架数据库系统数据库系统的组成数据库应用系统的体系结构数据库管理和数据库管理员数据库系统数据库系统的组成以数据为主体的数据库管理数据库的系统软件数据库管理系统（DBMS）支持数据库系统的计算机硬件环境和操作系统环境管理和使用数据库系统的人，特别是负责设计、维护数据库的技术人员——数据库管理员方便使用和管理系统的各种技术说明书和使用说明书数据库系统的组成数据库数据库管理系统数据库系统存储在计算机中的数据集合基于数据库的计算机应用系统支持数据库管理的系统软件数据库管理和数据库管理员从事数据库管理工作的人员称之为数据库管理员（DatabaseAdministrator，简称为DBA）。数据库管理员指的是一种角色，是负责数据库管理的人员或部门。数据库管理员从事的工作既有管理方面的、也有技术方面的，数据库管理员负责数据库的规划、设计、建设、运行、维护、升级等各个方面的工作。数据库管理员在数据库规划阶段要参与选择和评价与数据库有关的计算机软件和硬件，要与数据库用户共同确定数据库系统的目标和数据库应用需求，要确定数据库的开发计划；在数据库设计阶段要负责数据库标准的制定，要负责数据库的设计，负责数据库安全、可靠方面的设计；在数据库实施阶段要负责数据库的具体物理实现，负责系统的转换和数据的载入，负责协调数据库应用系统的开发等；在数据库运行阶段首先要负责对用户进行数据库方面的培训；负责数据库的备份和恢复