Вторая стадия концептуального проектирования (Модели данных СУБД. Представление концептуальной модели средствами модели данных СУБД)
Это одна из наиболее ранних моделей данных СУБД. Типовая сетевая модель данных была предложена рабочей группой по базам данных (Data Base Task Group – DBTG) системного комитета CODASYL ( Conference of Data System Languages), основными функциями которого были анализ известных фирменных систем обработки управленческих данных с единых позиций и в единой терминологии, обобщение опыта организации таких систем и разработка рекомендаций по созданию соответствующих систем. Структура данных сетевой модели определяется в терминах раздела 6.1 (элемент, запись, группа, групповое отношение, файл, база данных).
Реализация групповых отношений в сетевой модели осуществляется с использованием специально вводимых дополнительных полей — указателей (адресов связи или ссылок), которые устанавливают связь между владельцем и членом группового отношения. Запись может состоять в отношениях разных типов (1:1, 1:N, M:N). Заметим, что если один из вариантов установления связи 1:1 очевиден (в запись – владелец отношения, поля которой соответствуют атрибутам сущности , включается дополнительное поле – указатель на запись – член отношения), то возможность представления связей 1:N и M:N таким же образом весьма проблематична. Поэтому наиболее распространенным способом организации связей в сетевых СУБД является введение дополнительного типа записей (и соответственно, дополнительного файла), полями которых являются указатели.
Рассмотрим для примера представление группового отношения M:N. В модель вводится дополнительная группа (дополнительный вид записей). Элементы этой записи представляют собой указатели на две исходные группы и указатели на экземпляры рассматриваемой дополнительной записи, связывающие их в список (цепь), соответствующий M и (или) N членам группового отношения ( рис. 6.1.).
Представление связей 1:1, 1:M, N:1 является частным случаем связи типа M:N и осуществляется аналогично рассмотренному выше.
Заметим, что группа может быть членом более чем одного группового отношения. В этом случае вводится несколько дополнительных групп -указателей, а в группе – владельце отношений вводится несколько полей – указателей на дополнительные группы . Тогда множество записей (групп) и связей между ними образует некую сетевую структуру (ориентированный граф общего вида). Вершинами графа являются группы; дугами графа, направленными от владельца к члену группового отношения, – связи между группами.
Сетевая модель данных поддерживает все необходимые операции над данными, реализованные как действия со списковыми структурами . Сетевая модель данных является, вероятно, наиболее общей по возможностям представления концептуальной модели . По сути, любая ER-диаграмма без каких-либо изменений представляется средствами сетевой модели . К недостаткам сетевой модели обычно относят сложность получаемой на её основе концептуальной схемы и большую трудоемкость понимания соответствующей схемы внешним пользователем.
Рассмотрим пример записи части ER-диаграммы (СТУДЕНТ и ФАКУЛЬТЕТ) из предыдущей лекции в терминах сетевой СУБД. Для примера рассмотрим несколько экземпляров сущности СТУДЕНТ и сущности ФАКУЛЬТЕТ ( рис. 6.2.).
Пусть студенты Иванов, Петров, Мишин учатся на факультете ВМК, Сидоров и Кашин на механико-математическом факультете. Тогда сетевая модель соответствующего фрагмента ER-диаграммы будет выглядеть следующим образом ( рис. 6.3).
Заметим, что в дополнительном файле один из указателей не потребовался, так как рассматриваемая связь имеет тип 1:N, а не M:N. Значок x обозначает отсутствие дальнейшей связи.
Наиболее существенным недостатком сетевой модели является «жесткость» получаемой концептуальной схемы. Связи закреплены в записях в виде указателей. При появлении новых аспектов использования этих же данных может возникнуть необходимость установления новых связей между ними. Это требует введения в записи новых указателей, т.е. изменения структуры БД, и, соответственно, переформирования всей базы данных.
СУБД, поддерживающие сетевую модель, широко использовались на вычислительных системах серии IBM 360/370 (ЕС ЭВМ). В качестве примеров таких систем можно указать IDMS , UNIBAD (БАНК), и их аналоги СЕДАН, СЕТОР. На персональных компьютерах сетевые СУБД не получили широкого распространения. Примером сетевой СУБД для персонального компьютера является db_VISTA III. Отметим, что система db_VISTA реализована на языке С и поэтому является переносимой. Система может эксплуатироваться на ПЭВМ типа IBM PC, SUN, Macintosh.
6.2.2. Иерархическая модель данных
Это также одна из наиболее ранних моделей данных. Реализация групповых отношений в иерархической модели , как и в сетевой, может осуществляться с помощью указателей и представляется в виде графа. Однако, в отличие от сетевой модели , здесь существует ряд принципиальных особенностей.
- Групповые отношения являются отношениями соподчиненности. Группа (запись) – владелец отношения имеет подчиненные группы – члены отношений. Исходная группа называется предком, подчиненная – потомком.
- Групповые отношения образуют иерархическую структуру, которую можно описать как ориентированный граф следующего вида:
- имеется единственная особая вершина (соответствующая группе), называемая корнем, в которую не заходит ни одно ребро (группа не имеет предков);
- во все остальные вершины входит только одно ребро (все остальные группы имеют одного предка), а исходит произвольное количество ребер (группы имеют произвольное количество потомков);
- отсутствуют циклы.
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.
Необходимо отметить, что программы, реализующие операции иерархической модели , существенно проще, чем аналогичные программы для сетевой модели , т.к. здесь много легче осуществлять навигацию по структуре. Целесообразность появления иерархической модели обусловлена, конечно, тем, что большинство организационных систем реального мира имеют иерархическую структуру (административное деление страны, организационная структура предприятия и т.п.). Соответствующее концептуальное представление также будет иметь иерархическую структуру и естественным образом может быть описано в терминах иерархической модели . В качестве недостатков иерархической модели можно назвать вышеуказанные недостатки сетевой.
СУБД, поддерживающие иерархическую модель , достаточно широко использовались на вычислительных системах IBM 360/370 (ЕС ЭВМ). В качестве примеров таких систем можно указать IMS , OKA и широко тиражируемую в СССР отечественную разработку ИНЕС. Примером иерархической СУБД для персональных ЭВМ является отечественная система НИКА (адаптация системы ИНЕС к IBM PC).
IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2017
Во многих сферах, будь то деловая или личная, все чаще приходится работать с данными из разных источников, каждый из которых связан с определенным видом деятельности. Хранение информации является одной из важнейших функций компьютера. Одним из распространенных средств хранения данных – базы данных [1].
База данных – это упорядоченное хранение какой-либо информации. То есть, информация хранится в упорядоченном или систематизированном виде. Видов систематизации, упорядочивания и хранения информации может быть множество. Каждый из способов хранения информации отвечает каким-либо специфическим требованиям или предназначен для выполнения каких-либо определенных действий [4].
Основой любой базы данных является модель данных. Модель данных – это совокупность структур данных и операций их обработки. С ее помощью могут быть представлены информационные объекты и их взаимосвязи. Выделяют три основных типа моделей данных: иерархическую, сетевую и реляционную.
- Иерархическая модель представляет собой совокупность элементов, расположенных в порядке их подчинения от общего к частному.
То есть, в иерархической БД каждый объект представляется в виде определенной сущности, то есть, у этой сущности могут быть дочерние элементы, родительские элементы, а у тех дочерних могут быть еще дочерние элементы, но есть один объект, с которого все начинается. Получается своеобразное структурное дерево (граф).
- Сетевые базы данных, являются своеобразной модификацией иерархических баз данных. Отличаются от иерархических лишь тем, что у дочернего элемента может быть несколько предков, то есть, элементов стоящих выше него. Ниже на рисунке 1 приведен пример структуры сетевых баз данных.
- Главной особенностью реляционных баз данных является, то, что объекты внутри таких баз данных хранятся в виде набора двумерных таблиц. То есть, таблица состоит из набора столбцов, в котором может указываться: название, тип данных (дата, число, строка, текст и так далее). Еще одной важной особенность реляционных БД является, то, что число столбцов фиксировано, то есть, структурабазы данных известна заранее, а вот число строк или рядов в реляционных базах данных ничем не ограничено, если говорить грубо, то строки в реляционных базах данных и есть объекты, которые хранятся в базе данных [2].
- ИСТОРИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ СЕТЕВОЙ МОДЕЛИ ДАННЫХ. ОПИСАНИЕ
На разработку этого стандарта большое влияние оказал американский ученый Чарльз Уильям Бахман. Основные принципы сетевой модели данных были разработаны в середине 60-х годов, эталонный вариант сетевой модели данных описан в отчетах рабочей группы по языкам баз данных (COnference on DAta SYstem Languages) CODASYL в 1971г.
Наиболее известной из таких систем была IDMS корпорации Computer Associates International, Inc [7].
Сетевая модель данных — это логическая модель данных, представляющая их сетевыми структурами типов записей и связанные отношениями мощности один-к-одному или один-ко-многим.
Сети – это естественный способ представления отношений между объектами базы данных и связей между этими объектами. Под словом объекты следует понимать таблицы баз данных или сущности.
Сетевые базы данных опираются на математику графов, конкретнее, сетевую модель данных можно представить в виде ориентированного графа. Направленный граф состоит из узлов и ребер. Узлы направленного графа – это ни что иное, как объекты сетевой базы данных, а ребра такого графа показывают связи между объектами сетевой модели данных, причем ребра показывают не только саму связь, но и тип связи (связь один к одному или связь один ко многим).
Рисунок 1 – Пример структуры сетевой базы данных
В отличие от реляционной модели, связи в ней моделируются наборами, которые реализуются с помощью указателей. Сетевые модели данных являются расширенной версией иерархической модели, однако основным отличием является то, что в сетевых моделях данных имеются указатели в обоих направлениях, которые соединяют родственную информацию.Сетевую модель можно представить, как граф узлами, которого является запись, а ребрами — набор. Сегменты данных в сетевых БД могут иметь множественные связи с сегментами старшего уровня. При этом направление и характер связи в сетевых БД не являются столь очевидными, как в случае иерархических БД. Поэтому имена и направление связей должны идентифицироваться при описании БД.
Сетевые базы данных имеют достаточно простую структуру. Структура состоит из четырех компонентов, то есть в сетевой модели используют четыре типа структур данных. Два из которых являются главными и два, если можно так сказать, не главными. Главные типы структур сетевых данных – это запись и набор [6]. Вспомогательные типы структур сетевой модели данных, которые используются для построения главных структур – это элемент данных и агрегат данных, на рисунке 2 представлена вся структура сетевых БД:
Рисунок 2 – Пример структуры сетевых баз данных
Рассмотрим каждую структуру более подробно:
- Элемент данных – это наименьшая информационная именованная единица данных, доступная пользователю, если провести аналогию с файловой системой, то это поле в файловой системе, а если проводить аналогию с реляционной базой данных, то элемент данных – один столбец таблицы реляционной БД. Если говорить точнее, то это подстолбец.
- Агрегат данных – это именованная совокупность данных внутри одной записи. Аналогию с реляционными БД тут не проведешь, поскольку агрегат данных – это столбец над столбцами, который объединяет элементы данных по логике их содержимого, для наглядности выше сказанного, рассмотрим рисунок 3:
Рисунок 3 – Пример агрегата данных сетевой модели данных
На данном рисунке видно, что дата – это агрегат данных структуры сетевой модели, а день, месяц и год – это элемент данных сетевой БД.
- Запись в сетевой модели данных – это конечный уровень обобщения данных, что-то наподобие таблицы в реляционной базе данных. Каждая запись в сетевой базе данных должна обладать или содержать в себе, как минимум один именованный элемент данных, если элементов внутри записи более одного, то каждый элемент данных должен обладать уникальным форматом.