ЛЕКЦИИ

Лекция на тему

МОДЕЛИ ДАННЫХ

Разработчик: доц. Бородина А.И.

План лекции

1. Трехуровневая модель организации баз данных

2. Иерархические и сетевые модели данных

3. Реляционная модель данных

4. Постреляционная, многомерная, объектно-ориентированная
и объектно-реляционная модели данных

Литература

Глоссарий

&

2. Иерархические и сетевые модели ДаННЫХ

 Одними из основополагающих в концепции баз данных являются категории «данные» и «модель данных». Данные – это набор конкретных значений, параметров, характеризующих объект, условие, ситуацию и др., например:  200 руб., Петров Петр Петрович и т.п.  Данные  не обладают определенной структурой, они становятся информацией лишь тогда, когда пользователь задает им определенную структуру, то есть наделяет их смысловым содержанием. Поэтому центральным понятием в области баз данных является понятие модели. Не существует однозначного определения этого термина, но можно выделить нечто общее в существующих определениях.

         Модель данных  – это некоторая абстракция, которая, будучи приложима к конкретным данным, позволяет пользователям и разработчикам трактовать их уже как информацию, то есть сведения, содержащие осмысленные данные и взаимосвязь между ними.

С другой стороны, любая база данных состоит из элементов данных (реквизитов) и связей между ними. Значит, чтобы организовать данные в базу, необходим предварительный процесс моделирования, то есть должна быть разработана схема, позволяющая изобразить связи между элементами данных. Такую схему принято называть моделью данных. Таким образом, модель данных – это систематизация разнообразной информации и отражение ее свойств по содержанию, структуре, объему, связям, динамике с учетом удовлетворения информационных потребностей всех категорий пользователей.  Модель данных является ядром базы данных.

В настоящее время в результате теоретических изысканий, рожденных реальными потребностями практики обработки данных, разработано много моделей данных, которые различаются по способу связи между данными. Однако наибольшее практическое применение нашли три модели: иерархическая, сетевая, реляционная. Их иногда называют традиционными моделями данных. В последние годы ведутся  работы по созданию баз данных, построенных на постреляционной, многомерной, объектно-ориентированной и других моделях, которые называют нетрадиционными моделями.

2.1. Иерархическая модель

 Иерархическая модель появилась впервые в результате обобщения структур данных языка Кобол. В иерархических моделях основная структура представления данных имеет форму дерева. На самом высшем (первом)  уровне иерархии находится только одна вершина, которая называется корнем дерева. Эта вершина имеет связи с вершинами второго уровня, вершины второго уровня имеют связи с вершинами третьего уровня и т.д. Связи между вершинами одного уровня отсутствуют. Следовательно, данные в иерархической структуре не равноправны – одни жестко подчинены другим.  Доступ к информации возможен только по вертикальной схеме, начиная с корня, так как каждый элемент связан только с одним элементом на верхнем уровне и с одним или несколькими на низком.

Примером иерархической структуры может служить  книга, как иерархическая последовательность букв, которые объединяются в слова, слова – в предложения, предложения –  в параграфы, затем в главы и т.д.

С точки зрения теории графов иерархическая модель представляет собой древовидный граф (перевернутое дерево), упрощенный вид которого показан на рис. 2.

Рис. 2. Древовидный граф

Реальный пример иерархической модели данных представлен на рис. 3 и 4.

Рис. 3. Пример иерархической модели данных

Рис. 4. Пример иерархической модели данных

Над иерархически организованными данными определенны следующие операции:

· Добавить в базу данных новую запись.

· Изменить значение данных предварительно извлеченной записи.

· Удалить некоторую запись и все подчиненные ей записи.

· Извлечь запись;  в этой операции допускается задание условий выборки, например, извлечь сотрудников с окладом более 200 тысяч руб.

Иерархическая модель является наиболее простой, поэтому исторически она появилась первой. К достоинствам иерархической модели данных относится: достаточно эффективное использование памяти и неплохие временные показатели выполнения операций над данными.  Однако, удобна эта модель в основном для работы с иерархически организованной информацией. Недостатками иерархической модели являются достаточно сложные логические связи и соответствующая громоздкость в обработке данных.

Первые системы управления базами данных, появившиеся в середине 60-х годов, позволяли работать с иерархической базой данных. Наиболее известной была иерархическая система IMS фирмы IBM. Известны также другие системы: PC/Focus, Team-Up, Data Edge и наши: Ока, ИНЭС, МИРИС.

2.2. Сетевая модель

 Дальнейшим развитием иерархической модели является сетевая. Сетевая модель – это структура, у которой любой элемент может быть связан с любым другим элементом (рис. 5). Реальный пример иерархической модели представлен на рис. 6.

Рис. 5. Представление связей в сетевой модели данных

Рис. 6. Пример сетевой модели данных

Сетевая база данных состоит из наборов записей, которые связаны между собой так, что записи могут содержать явные ссылки на другие наборы записей. Тем самым наборы записей образуют сеть. Связи между записями могут быть произвольными, и эти связи явно присутствуют и хранятся в базе данных.

Над данными в сетевой базе могут выполняться следующие операции:

· Добавить – внести запись в базу данных.

· Извлечь – извлечь запись из базы данных.

· Обновить – изменить значение элементов предварительно извлеченной записи.

· Удалить – убрать запись из базы данных.

· Включить в групповое отношение – связать существующую подчиненную запись с записью-владельцем.

· Исключить из группового отношения – разорвать связь между записью-владельцем и записью-членом.

· Переключить – связать существующую подчиненную запись с другой записью-владельцем в том же групповом отношении.

Первоначально сетевая модель замышлялась как инструмент для программистов. В качестве базового языка программирования был выбран Cobol. Одна из первых сетевых моделей данных, разработанная группой  CODASYL, была предложена в 1969 г. и развивалась до 80-х годов. К известным сетевым системам управления базами данных относятся: DBMS, IDMS, TOTAL, VISTA, СЕТЬ, СЕТОР, КОМПАС и др.

Основное достоинство сетевой модели – это высокая эффективность затрат памяти и оперативность. Недостаток – сложность и жесткость схемы базы, а также сложность понимания. Кроме того, в этой модели ослаблен контроль целостности, так как в ней допускается устанавливать произвольные связи между записями.

Сравнивая иерархические и сетевые базы данных, можно сказать следующее. В целом иерархические и сетевые модели обеспечивают достаточно быстрый доступ к данным. Но поскольку в сетевых базах основная структура представления информации имеет форму сети, в которой каждая вершина (узел) может иметь связь с любой другой, то данные в сетевой базе более равноправны, чем в иерархической, так как доступ к информации может быть осуществлен, начиная с любого узла.

Однако следует отметить жесткость организации данных в иерархических и сетевых моделях. Доступ к информации осуществляется только в соответствии со связями, определенными при проектировании структуры конкретной базы данных. Базы данных с такими моделями сложно реорганизовывать. Недостатком этих моделей является и сложность механизма доступа к данным, а также необходимость на физическом уровне четко определять связи данных. А поскольку каждый элемент данных должен содержать ссылки на некоторые другие элементы, то для этого требуются значительные ресурсы памяти ЭВМ. Кроме того, для таких моделей характерна сложность реализации систем управления базами данных.

Графовые (иерархические и сетевые) модели реализованы в качестве моделей данных в системах управления базами данных, работающих на больших ЭВМ. Для персональных компьютеров больше распространены реляционные базы данных, хотя имеются и системы управления базами данных, поддерживающих сетевую модель.