Сетевые и иерархические модели данных
Сетевая или иерархическая модели данных реализуют соответствующий метод логической организации базы данных в СУБД, поддерживающей модель, и операции по обработке данных. До массового внедрения ПК СУБД, поддерживающие сетевую модель данных, были наиболее распространенными.
В СУБД, поддерживающих иерархические и сетевые модели данных, как правило, требуется производить настройку на конкретную БД. При этом надо делать описание структуры базы данных – схемы данных средствами языка описания данных (ЯОД). Полученное описание подлежит генерации для формирования специального программного модуля, который используется при всех обращениях к базе данных. Изменения в структуре БД требуют корректировки описания модели и повторной генерации программного модуля 10,12.
Операции обработки данных сетевых и иерархических моделей осуществляются средствамиязыка манипулирования данными. Язык манипулирования данными, который реализует типовые процедуры доступа к данным, специфичен для каждой сетевой или иерархической СУБД.
Структуры данных сетевых и иерархических моделей
К типовым структурам данных относятся: элемент данных, агрегат данных, запись, база данных.
Элемент данных (атрибут)– это наименьшая поименованная структурная единица данных (аналог поля в файловых системах).
Агрегат данных– поименованное подмножество элементов данных или других агрегатов внутри записи. В агрегатах допускается множественный элемент, который содержит несколько значений элемента в одном экземпляре агрегата.
Записьв сетевой или иерархической модели в общем случае является составным агрегатом, который не входит в состав других агрегатов. Она характеризуется структурой взаимосвязей ее элементов и агрегатов. Структура записи может иметь иерархический характер. Все множество экземпляров записи одинаковой структуры образуюттип записи. Запись конкретного типа в иерархической модели являетсяобъектом моделиданных.
На рис.1 приведен пример иерархической записи, в которой имеются названные выше типы структур данных. Тип записи назван “Договор”, так как в записи представлена вся структура информации о договорах с заказчиками на поставку изделий.
Следует отметить, что собственно данные (элементарные данные, имеющие значение) представлены лишь в конечных (терминальных) вершинах записи. Остальные типы структур данных, в том числе агрегаты, являются лишь поименованной совокупностью данных (групповыми данными).
Связи объектов в сетевых и иерархических моделях данных
Модель данных, как правило, включает несколько разных объектов. Между объектами модели данных устанавливаются связи. Совокупность взаимосвязанных конкретных объектов модели для некоторой предметной области образует базу данных.
Связи между любыми двумя объектами модели определяются групповыми отношениями между их экземплярами.
Рис.1. Пример иерархической записи “Договор”.
Групповое отношение(набор) – это строго иерархическое отношение между записями двух типов: главной записью набора и подчиненными записи набора.
Способы организации групповых отношений. Отличия в разных СУБД может иметь и организация связей (групповых отношений) объектов сетевой модели – цепи, логические связи (аналоги набора). При этом могут отличаться и способы реализации групповых отношений, например, с помощью адресных указателей или по ключу связи (атрибуту связи) – одинаковому в связанных объектах (записях, файлах) модели.
Связи в иерархических и сетевых моделях часто реализуются физически и при большом числе объектов преимущества организации базы данных могут резко снижаться из-за трудностей поддержания связей, которые становятся громоздкими.
Сетевая модель данных и ее характеристики. Понятие набора
Сетевая модель данных позволяет отображать разнообразные взаимосвязи элементов данных в виде произвольного графа, обобщая тем самым иерархическую модель данных (рис. 2.4). Наиболее полно концепция сетевых БД впервые была изложена в Предложениях группы КОДАСИЛ (KODASYL).
Рис. 2.4. Представление связей в сетевой модели
Для описания схемы сетевой БД используется две группы типов: «запись» и «связь». Тип «связь» определяется для двух типов «запись»: предка и потомка. Переменные типа «связь» являются экземплярами связей. Сетевая БД состоит из набора записей и набора соответствующих связей. На формирование связи особых ограничений не накладывается. Если в иерархических структурах запись-потомок могла иметь только одну запись-предка, то в сетевой модели данных запись-потомок может иметь произвольное число записей-предков (сводных родителей). Пример схемы простейшей сетевой БД показан на рис. 2.5. Типы связей здесь обозначены надписями на соединяющих типы записей линиях.
Рис. 2.5. Пример схемы сетевой БД
Рис. 2.5. Пример схемы сетевой БДВ различных СУБД сетевого типа для обозначения одинаковых по сути понятий зачастую используются различные термины. Например, такие, как элементы и агрегаты данных, записи, наборы, области и т. д. Физическое размещение данных в базах сетевого типа может быть организовано практически теми же методами, что и в иерархических базах данных. К числу важнейших операций манипулирования данными баз сетевого типа можно отнести следующие: поиск записи в БД; переход от предка к первому потомку; переход от потомка к предку; создание новой записи; удаление текущей записи; обновление текущей записи; включение записи в связь; исключение записи из связи; изменение связей и т. д. Достоинством сетевой модели данных является возможность эффективной реализации по показателям затрат памяти и оперативности. В сравнении с иерархической моделью сетевая модель предоставляет большие возможности в смысле допустимости образования произвольных связей. Недостатком сетевой модели данных является высокая сложность и жесткость схемы БД, построенной на ее основе, а также сложность для понимания и выполнения обработки информации в БД обычным пользователем. Кроме того, в сетевой модели данных ослаблен контроль целостности связей вследствие допустимости установления произвольных связей между записями. Системы на основе сетевой модели не получили широкого распространения на практике. Наиболее известными сетевыми СУБД являются следующие: IDMS, db VistaIII, СЕТЬ, СЕТОР и КОМПАС.
Набор –это структура данных, которая отображает связи меду объектами в предметной области. Каждый набор содержит единственную запись, называемую владельцем набора, и множество записей, называемых членами набора. Наборы, имеющие одинаковый тип владельца и одинаковый тип члена, а также обладающие одинаковой семантикой (смыслом), объединяются в тип набора, который имеет уникальное имя.
8.2 Сетевая модель базы данных
2. Сетевая модель данных является более общей структурой по сравнению с иерархической. 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 (1971 г.).
В сетевых БД наряду с вертикальными реализованы и горизонтальные связи. Каждый отдельный сегмент (ячейка) может иметь произвольное число непосредственных исходных (старших) сегментов, а также и произвольное число порожденных (младших) ( рис. 8). Это обеспечиваетпредставление отношения «многие к многим».
Рис. 8. Сетевая модель данных
Однако унаследованы многие недостатки иерархической и главный из них, необходимость четко определять на физическом уровне связи данных и столь же четко следовать этой структуре связей при запросах к базе. Поскольку логика процедуры выборки данных зависит от их физической организации, то сетевая модель не является полностью независимой от приложения. Другими словами, если необходимо изменить структуру данных, то нужно поменять и приложение.
Основное различие этих моделей состоит в том, что в сетевой модели запись может быть членом более чем одного группового отношения. Согласно этой модели каждое групповое отношение именуется и проводится различие между его типом и экземпляром. Тип группового отношения задается его именем и определяет свойства общие для всех экземпляров данного типа. Экземпляр группового отношения представляется записью-владельцем и множеством (возможно пустым) подчиненных записей. При этом имеется следующее ограничение: экземпляр записи не может быть членом двух экземпляров групповых отношений одного типа (т.е. сотрудник из примера в п..1, например, не может работать в двух отделах).
8.3. Достоинства и недостатки ранних субд
Достоинства ранних СУБД:
- развитые средства управления данными во внешней памяти на низком уровне;
- возможность построения вручную эффективных прикладных систем;
- возможность экономии памяти за счет разделения подобъектов (в сетевых системах)
- сложность использования;
- высокий уровень требований к знаниям о физической организации БД;
- зависимость прикладных систем от физической организации БД;
- перегруженность логики прикладных систем деталями организации доступа к БД.
8.4. Реляционная модель данных
Понятие реляционный (англ. relation — отношение) связано с разработками известного американского специалиста в области систем баз данных Е. Кодда. Эта модель характеризуется простотой структуры данных, удобным для пользователя табличным представлением и возможностью использования формального аппарата алгебры отношений и реляционного исчисления для обработки данных. Все данные в модели представляются в виде таблиц и только таблиц. Реляционная модель — единственная из всех обеспечивает единообразие представления данных. И сущности, и связи этих самых сущностей представляются в модели совершенно одинаково — таблицами. Таблица является наиболее удобным инженерным представлением для пользователя ( рис. 9,а). Каждый столбец ее соответствует атрибуту объекта, и ему присваивается соответствующее имя. В столбцах таблицы (отношения) вводятся значения атрибутов. Используя отношения связи и язык реляционной алгебры, можно осуществлять выбор любого подмножества информации: по строкам, столбцам или другим признакам. Применяя операции «разрезания» и «склеивания» отношений, можно получить разнообразные файлы в нужной форме ( рис. 9,б). При использовании реляционной модели атрибут объекта может сам выступать как объект другой предметной области, т.е. задействуется относительность (отсюда – отношение) понятий объекта и его атрибутов. Рис. 9 Пример (а) и общий вид (б) реляционной модели данных