Сетевая модель данных
Сетевая модель данных — логическая модель данных, являющаяся расширением иерархического подхода, строгая математическая теория, описывающая структурный аспект, аспект целостности и аспект обработки данных в сетевых базах данных. Сетевая модель представляет собой структуру, у которой любой элемент может быть связан с любым другим элементом.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.
Особенности сетевой модели данных.
- Связи в сетевой модели данных осуществляются наборами, которые реализуются с помощью указателей. Сетевая модель данных являются особым витком в развитии иерархической модели данных, их основным отличием является то, что в сетевых моделях данных имеются указатели в обоих направлениях, которые соединяют родственную информацию.
- Сетевая модель данных предполагает наличие в ней произвольного количества записей и наборов в том числе их различных типов.
- Связь между двумя записями может выражаться произвольным количеством наборов.
- В любом наборе может быть только один владелец.
- Тип записи может быть владельцем в одних типах наборов и членом в других типах наборов, а также не входить ни в какой тип наборов.
- Допускается добавление новой записи в качестве экземпляра владельца, если экземпляр-член отсутствует.
- При удалении записи-владельца удаляются соответствующие указатели на экземпляры-члены, но сами записи-члены не уничтожаются (сингулярный набор).
Управление сетевыми данными.
Операции с сетевыми данными можно разделить на две группы: навигационные операции с данными и операции модификации данных.
Навигационные операции с данными
Навигационные операции сетевых баз данных осуществляют переход по связям, определенных в схеме баз данных, в результате таких переходов определяется запись, которую называют текущей.
- Найти конкретную запись в наборе однотипных записей и сделать ее текущей;
- Перейти от записи-владельца к записи-члену в некотором наборе;
- Перейти к следующей записи в некоторой связи;
- Перейти от записи-члена к владельцу по некоторой связи.
Операции модификации данных
Операций модификации сетевых баз данных осуществляют добавление новых записей данных, добавление новых наборов данных, удаление записей данных и наборов записей, модификация агрегатов и элементов данных.
- извлечь текущую запись в буфер прикладной программы для обработки;
- заменить в извлеченной записи значения указанных элементов данных на заданные новые их значения;
- запомнить запись из буфера в БД;
- создать новую запись;
- уничтожить запись;
- включить текущую запись в текущий экземпляр набора;
- исключить текущую запись из текущего экземпляра набора.
Реляционная модель данных
Реляционная модель — совокупность данных, состоящая из набора двумерных таблиц. В теории множеств таблице соответствует термин отношение (relation), физическим представлением которого является таблица, отсюда и название модели – реляционная. Соответственно теория построения баз данных, которая является приложением к задачам обработки данных таких разделов математики, как теория множеств и логика первого порядка. В сравнении с иерархической и сетевой моделью данных, реляционная модель отличается более высоким уровнем абстракции данных. Реляционная модель является удобной и наиболее привычной формой представления данных, так в настоящее время эта модель является фактическим стандартом, на который ориентируются практически все современные коммерческие СУБД. На реляционной модели данных строятся реляционные базы данных.
При табличной организации данных отсутствует иерархия элементов. Строки и столбцы могут быть просмотрены в любом порядке, поэтому высока гибкость выбора любого подмножества элементов в строках и столбцах. Любая таблица в реляционной базе состоит из строк, которые называют записями, и столбцов, которые называют полями. На пересечении строк и столбцов находятся конкретные значения данных. Для каждого поля определяется множество его значений.
В реляционной модели данных применяются разделы реляционной алгебры, откуда и была заимствована соответствующая терминология.В реляционной алгебре поименованный столбец отношения называется атрибутом, а множество всех возможных значений конкретного атрибута – доменом. Строки таблицы со значениями разных атрибутов называют кортежами. Атрибут, значение которого однозначно идентифицирует кортежи, называется ключевым (или просто ключом). Так ключевое поле – это такое поле, значения которого в данной таблице не повторяется. В отличие от иерархической и сетевой моделей данных в реляционной отсутствует понятие группового отношения. Для отражения ассоциаций между кортежами разных отношений используется дублирование их ключей. Сложный ключ выбирается в тех случаях, когда ни одно поле таблицы однозначно не определяет запись.
Записи в таблице хранятся упорядоченными по ключу. Ключ может быть простым, состоящим из одного поля, и сложным, состоящим из нескольких полей. Сложный ключ выбирается в тех случаях, когда ни одно поле таблицы однозначно не определяет запись.
Кроме первичного ключа в таблице могут быть вторичные ключи, называемые еще внешними ключами, или индексами. Индекс – это поле или совокупность полей, чьи значения имеются в нескольких таблицах и которое является первичным ключом в одной из них. Значения индекса могут повторяться в некоторой таблице. Индекс обеспечивает логическую последовательность записей в таблице, а также прямой доступ к записи.
По первичному ключу всегда отыскивается только одна строка, а по вторичному – может отыскиваться группа строк с одинаковыми значениями первичного ключа. Ключи нужны для однозначной идентификации и упорядочения записей таблицы, а индексы для упорядочения и ускорения поиска.
Индексы можно создавать и удалять, оставляя неизменным содержание записей реляционной таблицы. Количество индексов, имена индексов, соответствие индексов полям таблицы определяется при создании схемы таблицы.
Индексы позволяют эффективно реализовать поиск и обработку данных, формируя дополнительные индексные файлы. При корректировке данных автоматически упорядочиваются индексы, изменяется местоположение каждого индекса согласно принятому условию (возрастанию или убыванию значений). Сами же записи реляционной таблицы не перемещаются при удалении или включении новых экземпляров записей, изменении значений их ключевых полей.
С помощью индексов и ключей устанавливаются связи между таблицами. Связь устанавливается путем присвоения значений внешнего ключа одной таблицы значениям первичного ключа другой. Группа связанных таблиц называется схемой данных. Информация о таблицах, их полях, ключах и т.п. называется метаданными.
- Изложение информации в простой и понятной для пользователя форме (таблица).
- Реляционная модель данных основана на строгом математическом аппарате, что позволяет лаконично описывать необходимые операции над данными.
- Независимость данных от изменения в прикладной программе при изменении.
- Позволяет создавать языки манипулирования данными не процедурного типа.
- Для работы с моделью данных нет необходимости полностью знать организацию БД.
- Относительно медленный доступ к данным.
- Трудность в создании БД основанной на реляционной модели.
- Трудность в переводе в таблицу сложных отношений.
- Требуется относительно большой объем памяти.
7.2.2. Сетевая модель данных
В сетевой модели при тех же основных понятиях (уровень, узел, связь) каждый порожденный элемент может быть иметь более одного порождающего элемента.
Рис. 7.2.2.1. Сетевая модель данных
Сетевая модель отличается большей гибкостью, чем иерархическая, так как в ней существует возможность устанавливать дополнительно к вертикальным иерархическим связям горизонтальные связи. Это облегчает процесс поиска требуемых элементов данных, так как уже не требуется обязательное прохождение всех предшествующих ступеней.
Примером сетевой структуры может служить структура базы данных, содержащей сведения о студентах, участвующих в научно-исследовательских работах (НИРС). Возможно участие одного студента в нескольких НИРС, а также участие нескольких студентов в разработке одной НИРС.
Рис. 7.2.2.2. Принцип построения сетевой модели организации БД.
7.2.3. Реляционная модель данных
Можно доказать, что и иерархическую, и сетевую структуры данных можно преобразовать в двумерную таблицу. Такое представление является наиболее удобным и для пользователя, и для компьютера, – подавляющее большинство современных информационных систем работает именно с такими таблицами. Базы данных, которые состоят из двумерных таблиц, называют реляционными.
Основная идея реляционного подхода состоит в том, чтобы представить произвольную структуру данных в виде двумерной таблицы или, как говорят, нормализовать структуру. Нормализация – это процесс прохода по веткам иерархического дерева с целью разместить листочки» со всеми их узлами и ветками в отдельных строках таблицы.
Основы теории реляционных БД разработал в 70-х годах XX века Э.Кодд (США).
Основными понятиями реляционной модели данных являются сущность, отношение, атрибут и кортеж.
Сущность – это конкретный объект реального мира в какой-либо предметной области. т.е. объектом можно назвать то «нечто», для которого существуют название и способ отличить один подобный объект от другого. Например, каждый ВУЗ – это объект. Объектами также являются человек, фирма, сплав, химическое соединение и т. д. Объектами могут быть не только материальные предметы, но и более абстрактные понятия, отражающие реальный мир, например, события, произведения искусства, правовые нормы, научные теории и пр.
Группы всех подобных объектов образует набор объектов. Например, наборами объектов могут быть факультеты ВУЗа, товары на складе, люди, работающие на предприятии. Конкретный объект в такой группе называют экземпляром объекта.
Данные о сущности хранятся в двумерных таблицах, которые называются реляционными. Формальное построение таблиц связано с фундаментальным понятием отношение (от английского слова relation – отношение).
Каждая строка таблицы представляет собой одну запись файла данных, каждый столбец – одно поле.
Рис. 7.2.3.1. Структура табоицы базы данных
Атрибут (или данное) – это некоторый показатель, который характеризует некий объект и принимает для конкретного экземпляра объекта некоторое числовое, текстовое или иное значение. Например, возьмем в качестве набора объектов группы факультета. Число студентов в группе – это атрибут, который принимает числовые значения (у одной группы 25, у другой 18). Название группы – это атрибут, который принимает текстовые значения (у одной – ФК-11, у другой – ЭКО-12 и т.д.).
Очень часто в современных информационных системах используются «качественные» данные об объектах, например рейтинг (фильма, спортсмена, политика), увлечения человека, его темперамент.
Атрибут некоторого набора объектов сам может быть набором объектов, имеющим собственные атрибуты. Например, атрибутом человека (как экземпляра набора объектов «Люди») является ВУЗ, который этот человек окончил (МГУ, МарГТУ и т.п.). С другой стороны, конкретный ВУЗ – это экземпляр набора объектов «Вузы» и характеризуется множеством данных: фамилия ректора, адресом, специализацией, количеством студентов и т.д. Наконец, ректор, в свою очередь – это экземпляр набора объектов «Люди». Таким образом, возникает возможность установления связи между экземплярами объектов из разных наборов.
Списки возможных значений атрибутов называются классификаторами (справочниками, словарями). Например, страна, гражданином которой является конкретное лицо, служит атрибутом этого лица. Список всех стран планеты – это и есть классификатор, из которого выбирают значение атрибута для конкретного лица.
Иногда для конкретного объекта один и тот же атрибут может принимать несколько значений. Например, одна фирма изготавливает разные виды продукции, один человек может иметь несколько увлечений и т. п. Такие данные образуют так называемые повторяющиеся группы.
Значения некоторых данных постоянны у конкретных объектов (например, год рождения человека); значения других могут меняться с течением времени (например, образование человека, его должность, число работающих на предприятии и т.п.).
Кортеж – это элемент отношения , строка таблицы; упорядоченный набор из N элементов.
Хотя любое отношение можно изобразить в виде таблицы, нужно четко понимать, что отношения не являются таблицами. Это близкие, но не совпадающие понятия. Термины, которыми оперирует реляционная модель данных, имеют соответствующие «табличные» синонимы:
Рис. 7.2.3.2. Основные понятия баз данных
- В отношении нет одинаковых кортежей.
- Кортежи не упорядочены (сверху вниз).
- Все атрибуты содержат однородные по типу данные.
- Имена атрибутов должны быть уникальны в пределах отношения.
- Атрибуты не упорядочены (слева направо).