Управление данными (Трипутина в.В.)

72__Классификация моделей данных

Модель данных — формализованное описание информационных структур и операций над ними.

Информационная модель — модель предметной области, отражающая ее информационные аспекты.

Инфологическая модель (информационно-логи­ческая модель) — ориентированная на человека и не зависимая от типа СУБД модель предметной области, определяющая совокупности информационных объектов, их атрибутов и отношений между объектами, динамику изменений предметной области, а также харак­тер информационных потребностей пользователей. Инфологическая модель предметной области может быть описана моделью "сущность—связь" (моделью Чена), в основе которой лежит деление реального мира на отдель­ные различимые сущности, находящиеся в определенных связях друг с другом.

Даталогические модели — модели данных, ориентированные на выбранный тип СУБД: внутренняя, концептуальная, внешняя.

Внутренняя модель — модель данных низшего (физического) уровня в архитектуре СУБД, отражающая представление данных во внешней памяти и методы до­ступа к ним.

Внешняя модель — модель данных внешнего уровня в архитектуре СУБД, отражающая представление пользователя о базе данных (подсхема базы данных и ее описание).

Концептуальная модель — информационная модель предметной области в терминах конкретной СУБД, содержащая полный набор данных и связей между ними. В архитектуре СУБД представляет промежуточный между внешним и внутренним уровень.

Схема базы данных — описание даталогических моделей в терминах СУБД (часто используется как си­ноним модели данных).

Иерархическая модель — модель данных, в ос­нове которой лежит граф типа "дерево". Вершине дерева соответствует тип записи, дуге — отношение между дву­мя типами записей. Иерархическая модель данных строится по принципу иерархии объектов, то есть один тип объекта является главным, все нижележащие – подчиненными. Устанавливается связь «один ко многим», то есть для некоторого главного типа существует несколько подчиненных типов объектов. Иначе, главный тип именуется исходным типом, а подчиненные – порожденными. У подчиненных типов могут быть в свою очередь подчиненные типы. Наивысший в иерархии узел (совокупность атрибутов) называют корневым. Основной структурой в иерархических моделях данных является «дерево». Особенности такого представления в наличии корня – единственной точки входа в дерево, и что каждый порожденный узел имеет только одного родителя. Недостатком этой системы является высокая избыточность. Одна запись БД – это совокупность деревьев. Через эту структуру нельзя построить отношение N:N (многие ко многим).

Сетевая модель — модель данных, предназна­ченная для представления данных сетевой структуры и манипулирования ими. Сетевая модель данных строится по принципу «главный и подчиненный тип одновременно», то есть любой тип данных одновременно может одновременно порождать несколько подчиненных типов (быть владельцем набора) и быть подчиненным для нескольких главных (быть членом набора). Основной структурой в сетевых моделях данных является «сеть». При таком представлении существует несколько входов в сеть – неоднозначность доступа к данным. Особенности такого представления: один или несколько узлов могут иметь больше одного родителя; время доступа изменяется в зависимости от исходного входа. Время доступа в сетевой структуре может быть больше, чем в иерархической структуре. COBOL – идея о хранении данных независимо от программ. Автор идеи – Бахман.

Недостатком обеих этих структур является то, что при добавлении новых вершин или установлении новых связей возникают проблемы выгрузки данных из базы, перегенерации полностью структуры, загрузка данных обратно в базу. При этом возникает вероятность потерять данные при обратной загрузке.

Реляционная модель (модель Кодда,1970) — множе­ство нормализованных отношений (таблиц), к которым применимы операции реляционной алгебры. Отношения могут находиться в одной из нормализованных форм первой (1НФ), второй (2НФ), третьей (ЗНФ) или четвер­той (4НФ).Реляционная модель данных объекты и связи между ними представляются в виде таблиц, при этом связи тоже рассматриваются как объекты. Все строки, составляющие таблицу в реляционной базе данных должны иметь первичный ключ. Все современные средства СУБД поддерживают реляционную модель данных.

В основе структуры данных реляционной модели лежит мощный аппарат реляционной алгебры, реляционного исчисления и теории нормализации. При проектировании реляционной модели БД используется понятия ER-модели: сущность – объект, атрибут – свойства и связь. Связи бывают нескольких типов: 1:1, 1:N (N:1), N:N. У реляционной модели есть ряд ограничений: невозможность существования двух одинаковых записей; задание типа столбца, области значений атрибута. Достоинство реляционных СУБД, обеспечившее высокую популярность, заключается в не функциональности языка запросов. Это означает, что формулируете запрос не то, как надо найти данные, а что надо найти.

Инфологическая модель должна быть отображена в компьютеро-ориентированную даталогическую модель, "понятную" СУБД. В процессе развития теории и практического использования баз данных, а также средств вычислительной техники создавались СУБД, поддерживающие различные даталогические модели.

• Сначала стали использовать иерархические даталогические модели. Простота организации, наличие заранее заданных связей между сущностями, сходство с физическими моделями данных позволяли добиваться приемлемой производительности иерархических СУБД на медленных ЭВМ с весьма ограниченными объемами памяти. Но, если данные не имели древовидной структуры, то возникала масса сложностей при построении иерархической модели и желании добиться нужной производительности.

• Сетевые модели также создавались для мало ресурсных ЭВМ. Это достаточно сложные структуры, состоящие из "наборов" - поименованных двухуровневых деревьев. "Наборы" соединяются с помощью "записей-связок", образуя цепочки и т.д. При разработке сетевых моделей было выдумано множество "маленьких хитростей", позволяющих увеличить производительность СУБД, но существенно усложнивших последние. Прикладной программист должен знать массу терминов, изучить несколько внутренних языков СУБД, детально представлять логическую структуру базы данных для осуществления навигации среди различных экземпляров, наборов, записей и т.п. Один из разработчиков операционной системы UNIX сказал "Сетевая база - это самый верный способ потерять данные".

Сложность практического использования иерархических и и сетевых СУБД заставляла искать иные способы представления данных. В конце 60-х годов появились СУБД на основе инвертированных файлов, отличающиеся простотой организации и наличием весьма удобных языков манипулирования данными. Однако такие СУБД обладают рядом ограничений на количество файлов для хранения данных, количество связей между ними, длину записи и количество ее полей.

Сегодня наиболее распространены

• реляционные модели (реляционная модель – способ представления объектов и связей между ними в виде отношений. Отношения при реализации представлены таблицей).

• Объектная модель(Буч, 1998).

В последние годы активно развивается объектно-ориентированный подход к созданию ИС. Объектные БД организованы как объекты и ссылки к объектам. Объект представляет собой данные и правила, по которым осуществляется операция с этими данными. Объект включает метод, который является частью определения объекта и запоминается вместе с объектом. В объектных БД данные запоминаются как объекты, классифицированные по типам классов и организованные в иерархическое семейство классов. Класс – коллекция объектов с одинаковыми свойствами. Объекты принадлежат классу. Классы организованы в иерархии. С данными не хранятся их описания, любая программа, если может распознать объектный язык (SQL), может обрабатывать данные своими методами.