В начало

ЛЕКЦИЯ

Логические модели данных.

Иерархические, сетевые, реляционные модели данных.

Принципы построения.

Преимущества и недостатки

 

В процессе развития теории систем баз данных термин «модель данных» имел разное содержание. Для более глубокого понимания существа отдельных понятий рассмотрим некоторые особенности использования этого понятия в контексте эволюции баз данных.

11.1. О понятии «модель данных»
Первоначально понятие модели данных употреблялось как синоним структуры данных в конкретной базе данных. Структурная трактовка полностью согласовывалась с математическим определением понятия модели как множества с заданными на нем отношениями. Но, следует отметить, что объектом моделирования в данном случае являются не данные вообще, а конкретная база данных. Разработки новых архитектурных подходов, основанных на идеях многоуровневой архитектуры СУБД, показали, что уже недостаточно рассматривать отображение представлений конкретной базы данных. Требовалось решение на метауровне, позволяющее оперировать множествами всевозможных допустимых представлений баз данных в рамках заданной СУБД или, что эквивалентно, инструментальными средствами, используемыми для их спецификации. В этой связи возникла потребность в термине, который обозначал бы инструмент, а не результат моделирования, и соответствовал бы, таким образом, множеству всевозможных баз данных некоторого класса. Т.е. инструмент моделирования баз данных должен включать не только средства структурирования данных, но и средства манипулирования данными. Поэтому модель данных в инструментальном смысле стала пониматься как алгебраическая система – множество всевозможных допустимых типов данных, а также определенных на них отношений и операций. Позднее в это понятие стали включать еще и ограничения целостности, которые могут налагаться на данные. В результате проблема отображения данных в многоуровневых СУБД и системах распределенных баз данных стала рассматриваться как проблема отображения моделей данных.

Важно подчеркнуть, что для разработчиков и пользователей СУБД точным определением реализованной в ней модели данных фактически являются языковые средства определения данных и манипулирования данными. Поэтому отождествлять такой язык со схемой базы данных (результатом моделирования) – конкретной спецификацией в этом языке – неправомерно.

Начиная с середины 70-х годов, под влиянием предложенной в тот период концепции абстрактных типов само понятие типа данных в языках программирования стало трансформироваться таким образом, что в него стали вкладывать не только структурные свойства, но и элементы поведения (изменения данных). В дальнейшем это послужило основой для формирования концепции объекта, на которой базируются современные объектные модели.

В связи с этим был предложен новый подход, при котором модель данных рассматривается как система типов. Такой подход обеспечивал естественные возможности интеграции баз данных и языков программирования, способствовал формированию направления, связанного с созданием так называемых систем программирования баз данных. Трактовке модели данных как системы типов соответствуют не только уже существующие широко используемые модели, но также объектные модели, завоевывающие все большее влияние.

Итак, модель данных – модель логического уровня проектирования БД. Ее можно рассматривать как сочетание трех компонентов (слайд 2):

1.       Структурный компонент, т.е. набор правил, по которым может быть построена БД.

2.       Управляющий компонент, определяющий типы допустимых операций с данными (сюда относятся операции обновления и извлечения данных, а также операции изменения структуры БД).

3.       Поддержка набора (необязательная) ограничений целостности данных, гарантирующая корректность используемых данных.

 
С точки зрения структурного компонента выделяют модели на основе записей. В модели на основе записей структуру данных составляет совокупность нескольких типов записей фиксированного формата. Каждый тип записи определяет фиксированное количество полей, каждое из которых имеет фиксированную длину.
Существуют три основных типа логических моделей данных на основе записей (слайд 3):
-       реляционная модель данных (relational data model);
-       сетевая модель данных (network data model);
-       иерархическая модель данных (hierarchical data model).
Иерархическая и сетевая модели данных были созданы почти на десять лет раньше реляционной модели данных, потому их связь с концепциями традиционной обработки файлов более очевидна.
 

11.2. Реляционная модель данных

Реляционная модель данных основана на понятии математических отношений. В реляционной модели данные и связи представлены в виде таблиц, каждая из которых имеет несколько столбцов с уникальными именами. На слайде (слайд 4) показан пример реляционной схемы, содержащей сведения о кафедрах ВУЗа и кадровом составе. Например, из таблицы «Кадровый состав» видно, что сотрудник Иванов И.И. работает в должности заведующего кафедрой 22, которая, согласно данным из таблицы «Структура», расположена в корпусе А, в комнате 322. Здесь важно отметить, что между отношениями «Кадровый состав» и «Структура» существует следующая связь: сотрудник работает на кафедре. Однако между этими двумя отношениями нет явно заданной связи: ее существование можно заметить, только зная, что атрибут Каф в отношении «Кадровый состав» эквивалентен атрибуту Каф в отношении «Структура».

Необходимо отметить, что в реляционной модели данных единственное требование состоит в том, чтобы база данных с точки зрения пользователя выглядела как набор таблиц. Однако такое восприятие относится только к логической структуре базы данных, т.е. к внешнему и к концептуальному уровням архитектуры ANSI/SPARC. Оно не относится к физической структуре базы данных, которая может быть реализована с помощью разнообразных структур хранения.

На слайдах (слайды 5, 6) представлена реляционная модель данных для ПрО «сотрудники-проекты-детали-поставщики».

 

11.3. Сетевая модель данных

В сетевой модели данные представлены в виде коллекций записей, а связи  в виде наборов. В отличие от реляционной модели, связи здесь явным образом моделируются наборами, которые реализуются с помощью указателей (слайд 5). Сетевую модель можно представить как граф с записями в виде узлов графа и наборами в виде его ребер. На слайде показан пример сетевой схемы для тех же наборов данных, которые показаны в реляционной модели.

Самой популярной сетевой СУБД является система IDMS/R фирмы Computer Associates.

На слайдах (слайды 8, 9) представлены варианты сетевой модели данных для ПрО «сотрудники-проекты-детали-поставщики».

11.4. Иерархическая модель данных

Иерархическая модель является ограниченным подтипом сетевой модели. В ней данные также представлены как коллекции записей, а связи – как наборы. Однако в иерархической модели узел может иметь только одного родителя. Иерархическая модель может быть представлена как древовидный граф с записями в виде узлов (которые также называются сегментами) и множествами в виде ребер (слайд 6). На слайде приведен пример иерархической схемы для тех же наборов данных, которые показаны в предыдущих моделях.

Самой распространенной иерархической СУБД является система IMS корпорации IBM, хотя она обладает также некоторыми другими неиерархическими чертами.

На слайдах (слайды 11, 12) представлена варианты иерархической модели данных для ПрО «сотрудники-проекты-детали-поставщики».

 

11.5. Преимущества и недостатки моделей

Основанные на записях (логические) модели данных используются для определения общей структуры базы данных и высокоуровневого описания ее реализации. Их основной недостаток заключается в том, что они не дают адекватных средств для явного указания ограничений, накладываемых на данные. В то же время в объектных моделях данных отсутствуют средства указания их логической структуры, но за счет предоставления пользователю возможности указать ограничения для данных они позволяют в большей мере представить семантическую суть хранимой информации.

Большинство современных коммерческих систем основано на реляционной модели, тогда как самые первые системы баз данных создавались на основе сетевой или иерархической модели. При использовании последних двух моделей от пользователя требуется знание физической организации базы данных, к которой он должен осуществлять доступ. При работе с реляционной моделью независимость от данных обеспечивается в значительно большей степени. Следовательно, если в реляционных системах для обработки информации в базе данных принят декларативный подход (т.е. они указывают, какие данные следует извлечь), то в сетевых и иерархических системах – навигационный подход (т.е. они указывают, как их следует извлечь).

Сетевые и иерархические структуры в основном ориентированы на то, чтобы связи между данными хранились вместе с самими данными. Такое объединение реализовалось, например, агрегированием данных (построением сложных понятийных структур и данных) или введением ссылочного аппарата, фиксирующего семантические связи, непосредственно в записи данных.

Табличная форма представления информации является наиболее распространенной и понятной. Кроме того, такие семантически более сложные формы, как деревья и сети, путем введения некоторой избыточности могут быть сведены к табличным. При этом связи между данными также будут представлены в форме двумерных таблиц.

Реляционный подход, в основе которого лежит принцип разделения данных и связей, обеспечивает с одной стороны независимость данных, а с другой – более простые способы реализации хранения и обновления.

Многомерные модели, коммерческие реализации которых появились в начале 90-х годов для поддержки технологий OLAP представляют собой некоторое расширение модели универсальных отношений новыми операционными возможностями, обеспечивающими, в частности, необходимые для OLAP функции агрегирования данных. Таким образом, многомерные модели представляют собой особую разновидность реляционной модели.

 

11.6. Документальные системы и интеграция моделей

Приведенные выше положения разрабатывались и действительно широко используются для баз данных хорошо структурированной информации. Однако уже сегодня одной из важнейших проблем становится обеспечение интеграции неоднородных информационных ресурсов, и в частности слабоструктурированных данных. Необходимость ее решения связывается со стремлением к полноценной интеграции систем баз данных в среду Web-технологий. При этом уже недостаточно простого обеспечения доступа к базе данных традиционным способом “из-под” HTML-форм. Нужна интеграция на модельном уровне. И в этом случае проблема семантической интероперабельности информационных ресурсов сводится к задаче разработки средств и технологий, предусматривающих явную спецификацию метаданных для ресурсов слабоструктурированных данных на основе традиционных технологий моделирования из области баз данных.

Именно на достижение этой цели направлены интенсивные разработки WWW-консорциумом языка XML и его инфраструктуры (фактически, новой модели данных для этой среды), объектной модели документов и других средств, которые, как можно ожидать, в близкое время станут основой технологий управления информационными ресурсами. Это направление связано с другой глобальной проблемой - организацией распределенных неоднородных информационных систем на основе построения репозиториев метаданных (этому понятию в классических работах по проектированию баз данных соответствует понятие словарь данных), обеспечивающих возможность семантического отождествления ресурсов и, таким образом, возможность их целенаправленного повторного использования.


SeoVol Base V1.1 - качественная база allsubmitter 5.5
SeoVol Base V1.1 - качественная база allsubmitter 5.5


База данных Фирма по продаже запчастей .mdb
База данных Фирма по продаже запчастей .mdb


База доменов на CMS Zen Cart -26,473 |Сентябрь 2019
База доменов на CMS Zen Cart -26,473 |Сентябрь 2019