Модели построения баз данных

Модель данных — это абстрактное, самодостаточное, логическое определение объектов, операторов и прочих элементов, в совокупности составляющих абстрактную машину доступа к данным, с которой взаимодействует пользователь. Эти объекты позволяют моделировать структуру данных, а операторы — поведение данных.

В настоящее время существуют следующие основные модели построения баз данных: иерархическая, сетевая, объектная, объектно-ориентированная, реляционная.

Рассмотрим особенности каждой из моделей построения баз данных.

Иерархическая структура представляет множество элементов, имеющих между собой связи по определенным правилам. Объекты, связанные иерархическими отношениями, образуют ориентированный граф (перевернутое дерево).

К основным понятиям иерархической структуры относятся: уровень, элемент (узел), связь.

Узел — это совокупность атрибутов данных, которые описывают некоторый объект.

На схеме иерархического дерева узлы представляются вершинами графа. Каждый узел на низшем уровне связан только с одним узлом, который находится на более высоком уровне.

Иерархическое дерево имеет единственную вершину (корень дерева), не подчиненную никакой другой вершине и находится на самом верхнем (первому) уровне. Зависимые (подчиненные) узлы находятся на втором, третьем и так далее уровнях. Количество деревьев в базе данных соответствует числу корневых записей. К каждой записи базы данных существует только один (иерархический) путь от корневой записи.

Особенностью реализации операций поиска в иерархической модели является то, что операция всегда начинает поиск с корневой вершины и специфицирует иерархический путь (последовательность связанных вершин) от корня до вершины, экземпляры которой удовлетворяют условиям поиска.

Структура иерархической модели данных представлена на рисунке 3 [12, с. 206].

Рисунок 3 — Структура иерархической модели данных Структура иерархической модели данных (рисунок 3) состоит из структурной части и управляющий части. В структурной части иерархической модели данных выделяют поле, представляющие собой наименьшую единицу данных, доступную пользователю и сегмент, для которого определяются тип и экземпляр. Причем экземпляр сегмента образуется из значений полей данных заданных определенным образом и поименованной совокупности входящих в него типов полей данных определяемых типом сегмента.

Основными достоинствами иерархической модели данных являются: эффективное использование памяти ЭВМ; высокая скорость выполнения операций над данными; удобство работы с иерархически упорядоченной информацией.

Недостатком иерархической модели является ее громоздкость для обработки информации с достаточно сложными логическими связями.

На иерархической модели данных основано сравнительно ограниченное количество СУБД, в числе которых можно назвать зарубежные системы IMS, PC / Focus, Team — Up и Data Edge, а также отечественные системы Ока, ИНЭС и МИРИС.

Сетевая модель данных является расширением иерархического подхода, описывается строгой математической теорией, отражающей структурный, целостный и аспект обработки данных, и состоит из набора экземпляров определенного типа записи и набора экземпляров определенного типа связей между этими записями.

Основное отличие сетевой структуры от иерархической структуры данных заключается в том, что каждый элемент в сетевой структуре может быть связан с любым другим элементом.

Достоинствами сетевой модели данных являются: эффективность в использовании памяти компьютера; высокая скорость выполнения основных операций над данными; огромные возможности по сравнению с иерархической модели по образованию произвольных связей.

Недостатками сетевой модели данных являются: высокая сложность и жесткость схемы базы данных, которая построена на ее основе; трудность для понимания и выполнения обработки информации в базе данных непрофессиональным пользователем.

Наиболее известными сетевыми СУБД являются: IDMS, db _ VistaIII, СЕТЬ, СЕТОР и КОМПАС.

Объектная модель базы данных используется в основном для создания высокого уровня абстракции и работы с объектными данными, такими как изображение, музыка, видео и различного текста, Характеристика современных объектных моделей баз данных приведена в таблице 1 [13, с. 199].

Таблица 1 — Современные объектные модели баз данных.

Объектно-ориентированная модель отличается от объектной модели тем, что данные могут, как моделироваться в виде объектов, так и представляться атрибутами, методами и классами [14, с. 22].

Объектно-ориентированные модели представления данных позволяют идентифицировать отдельные записи базы. Между записями базы данных и функциями их обработки формируются определенные взаимосвязи с помощью механизмов, похожих на соответствующие средства в объектно-ориентированных языках программирования. Характеристики объектно-ориентированной модели данных приведены в Приложении А.

Достоинствами объектно-ориентированной модели данных являются: возможность показа информации о сложных взаимосвязях объектов; способность идентификации отдельной записи базы данных и определения функции ее обработки.

К недостаткам объектно-ориентированной модели данных относятся: трудность в понимании ее деятельности непрофессиональным пользователем; неудобство обработки данных; небольшая скорость выполнения запросов.

Среди объектно-ориентированных СУБД можно выделить системы фирмы РОЕТ: Software, Versant фирмы Versant Technologies и др.

Реляционная база данных представляет собой хранилище данных, организованных в виде двумерных таблиц. Таблицы отражают тип объекта (сущности), разделенные на строки, представляющие собой экземпляры объекта и столбцы, соответствующие атрибутам, на пересечении которых содержатся значения данных, составляющие основу организации реляционной модели данных.

Для упорядочивания строк в реляционной таблице модели данных используется первичный ключ, который представляет собой атрибут или группу атрибутов, а для упорядочивания столбцов одной таблицы, значения в котором совпадают со значениями в другой таблице, используется внешний ключ. Реляционная модель данных поддерживает операторы обработки отношений, таких как реляционная алгебра и реляционное исчисление.

Основные правила реляционной модели данных отражены на рисунке 4.

Рисунок 4 — Основные правила реляционной модели данных В реляционной модели данных различают связи по типу и мощности связи, которая представляет собой отношение количества экземпляров родительской сущности к соответствующему количеству дочерней сущности.

В таблице 2 приведены характеристики используемых в реляционной модели данных связей [16, с. 36].

Таблица 2 — Виды связей, используемых в реляционной модели данных.

Особое значение в реляционной модели данных уделяется нормализации отношений, которая представляет собой процесс функциональной зависимости между атрибутами одного и того же отношения, когда каждому значения одного атрибута соответствует только одно значение второго атрибута.

Нормализация связана с разделением одной таблицы на две или более таблиц, которые соответствуют требованиям нормальных форм, характеристика которых приведена в таблице 3 [17, с. 103].

Таблица 3 — Характеристика нормальных форм.

Достоинство реляционной модели данных заключается в простоте, понятности и удобстве физической реализации на ЭВМ. Именно простота и понятность для пользователя явились основной причиной ее широкого использования.

К основным недостаткам реляционной модели относятся отсутствие стандартных средств идентификации отдельных записей и сложность описания иерархических и сетевых связей.

Примерами зарубежных реляционных СУБД для ПЭВМ являются: DB 2, Paradox, FoxPro, Access, Clarion, Oracle. К отечественным СУБД реляционного типа относятся системы ПАЛЬМА и HyTech.

На основании проведенного анализа основных моделей построения баз данных для дальнейшего исследования выбираем реляционную модель, как наиболее простую и удобную для физической реализации на ЭВМ.