Базы данных. Модели данных

Каждая система БД реализует ту или иную модель данных, которая определяет правила порождения допустимых для системы видов структур данных, возможные операции над такими структурами, классы представимых средствами системы ограничений целостности данных. Таким образом, модель данных задает границы множества всех конкретных БД, которые могут быть созданы средствами этой системы.

Описание выбранной предметной области в терминах модели данных позволяет получить модель БД. Обычно выделяют три уровня моделей БД .

Мифологическая модель отражает информацию о предметной области без ориентации на конкретную СУБД (или даже на тип предполагаемой к использованию СУБД). В связи с этим некоторые авторы говорят о существовании инфологической модели предметной области, а не БД.

Даталогическая модель БД – модель логического уровня, представляющая собой отображение логических связей между элементами данных независимо от их содержания и среды хранения. Эта модель строится в терминах информационных единиц, допустимых в той СУБД, в среде которой будет создаваться БД. Этап создания данной модели называется даталогическим или логическим проектированием.

Физическая модель БД строится с учетом возможностей по организации и хранению данных, предоставляемых СУБД и используемой программноаппаратной платформой. Она, в частности, определяет используемые запоминающие устройства и способы организации данных в среде хранения.

При проектировании БД первой строится инфологическая модель, после чего – даталогическая, и только после нее – физическая. Более подробно эти этапы будут рассмотрены в следующих главах.

Однако вернемся к рассмотрению моделей данных. Разные авторы приводят несколько различающиеся перечни существующих моделей данных. Например, в предлагается такой список моделей данных и периодов времени, когда в их разработке были получены основные результаты:

• иерархическая (англ. hierarchical), конец 1960-х и 1970-е гг.;
• сетевая (англ. network), 1970-е гг.;
• реляционная (англ. relational), 1970-е и начало 1980-х гг.;
• "сущность – связь" (англ. entity – relationship), 1970-е гг.;
• расширенная реляционная (англ. extended relational), 1980-е гг.;
• семантическая (англ. semantic), конец 1970-х и 1980-е гг.;
• объектно-ориентированная (англ. object-oriented), конец 1980-х – начало 1990-х гг.;
• объектно-реляционная (англ. object-relational), конец 1980-х – начало 1990-х гг.;
• полуструктурированная (англ. semi-structured), с конца 1990-х гг. до настоящего времени.

Первыми появились модели данных, основанные на теории графов, – иерархическая и сетевая. Более подробно они рассмотрены ниже. Следующей появилась разработанная Э. Коддом (Edgar Codd) реляционная модель данных, основанная на математической теории множеств. На сегодняшний день она является самой распространенной, поэтому будет рассматриваться наиболее подробно. Вопросам, связанным с реляционной моделью и логическим проектированием реляционных баз данных, посвящены главы 4 и 5.

Модель "сущность – связь" была предложена П. Ченом (Peter Chen) в 1976 г. в качестве унифицированного способа описания предметной области. Как самостоятельная модель данных (в соответствии с приведенным выше определением) она развития не получила, но стала основой для создания инфологических моделей БД. Этап инфологического проектирования рассмотрен в главе 6.

Семантическая модель, так же как и модель "сущность – связь", используется для построения инфологических моделей. Только в этом случае пользовательские данные представляются в виде набора семантических объектов. Семантический объект – это именованная совокупность атрибутов, которая в достаточной степени описывает отдельный феномен (объект, явление и т.п.).

Объектно-ориентированная и объектно-реляционная модели данных появились в результате распространения объектно-ориентированного подхода в программировании. Объектная модель данных предлагает рассматривать БД как множество объектов, обладающих свойствами инкапсуляции, наследования и т.д. В 1989 г. был опубликован "Манифест систем объектно-ориентированных баз данных", а в 1991 г. образован консорциум ODMG (от англ. Object Data Management Group), который занялся разработкой стандартов. В 2000 г. была опубликована версия стандарта The Object Data Standard: ODMG 3.0, а в 2001 г. группа прекратила свою деятельность. Примерно в то же время велась активная работа по адаптации реляционной модели к требованиям объектно-ориентированного подхода к разработке ПО, что привело к появлению объектно-реляционной модели данных. Позднее объектные расширения были введены в стандарт языка SQL.

К полуструктурированным относят данные, в которых можно выделить некоторую структуру, но она недостаточно строгая по сравнению с реляционными структурами данных (или структурами других традиционных моделей данных) . Наиболее ярким примером полуструктурированных данных являются XML-документы (от англ. extensible Markup Language – расширяемый язык разметки). Действительный (англ. valid) XML-до- кумент должен соответствовать определенному формату описания (схеме), где заданы структура документа, допустимые названия элементов, атрибутов и т.д. Формат XML широко используется для обмена данными между приложениями, и его поддержка обеспечивается многими СУБД.

Данные в базах данных организуются в соответствии с одной из моделей данных.

С помощью модели данных могут быть представлены объекты предметной области и взаимосвязи между ними. Т.о. основой любой БД является модель данных.

Модель данных – совокупность структур данных и операций по их обработке.

К классическим моделям представления данных относят иерархическую, сетевую и реляционную. Иерархическая и сетевая модели данных стали применяться в системах управления базами данных в начале 60-х годов. В начале 70-х годов была предложена реляционная модель данных. Эти три модели различаются в основном способами представления взаимосвязей между объектами.

Основные модели представления данных:

1. Иерархическая модель данных представляет информационные отображения объектов реального мира – сущности и их связи в виде ориентированного графа или дерева (рис. 2). Узлы и ветви образуют иерархическую древовидную структуру. Узел является совокупностью атрибутов, описывающих объект. Наивысший в иерархии узел называется корневым (это главный тип объекта). Корневой узел находится на первом уровне. Зависимые узлы (подчиненные типы объектов) находятся на втором, третьем и др. уровнях. В такой модели у каждого объекта есть только один исходный (за исключением корневого объекта), но в принципе может быть несколько зависимых (порожденных).

Рис.17. Структура иерархической модели

Ветви между объектами отображают наличие некоторого отношения, причем название отношения пишется на ребре. Например, между объектами «клиент» и «заказ» может быть отношение, которое называется «делает», а между «заказ» и «товары» - отношение «состоит из». Этот тип модели отражает вертикальные связи, подчинение нижнего уровня верхнему, т.е. к каждой записи БД есть только один (иерархический) путь от корневой записи.

Примером такой модели может служить БД, содержащая сведения о ВУЗе (на примере БелГСХА)

2. Сетевая модель – является расширением иерархической модели, нов отличие от нее присутствуют горизонтальные связи (рис. 3). В данной модели данных любой объект может быть и главным и подчиненным. Структура называется сетевой, если в отношениях между данными порожденный элемент имеет более одного исходного. Сетевая модель предоставляет большие возможности по сравнению с иерархической, однако она сложнее в реализации и использовании. Примером может служить структура БД, содержащей сведения о студентах, участвующих в НИРС. Возможно участие одного студента в нескольких темах, а также нескольких студентов в разработке одной темы.

Рис. 18. Представление связей в сетевой модели

3. Реляционная модель. Понятие реляционной модели данных (от английского relation – отношение) связано с разработками Эриха Кодда. Эта модель характеризуется простотой структуры данных, удобным для пользователя табличным представлением и возможностью использования аппарата реляционной алгебры для обработки данных.

Реляционная модель ориентирована на организацию данных в виде двумерных таблиц, связанных между собой определенными отношениями.

Реляционная таблица обладает следующими свойствами :

ü таблица должна иметь имя;

ü каждый элемент таблицы – один элемент данных;

ü все столбцы в таблице однородные, т.е. все элементы в столбце имеют одинаковый тип (числовой, символьный или другой) и длину;

ü каждый столбец имеет уникальное имя;

ü одинаковые строки в таблице отсутствуют;

ü порядок следования строк и столбцов может быть произвольным;

ü таблица должна быть простой, т.е. не содержать составных столбцов;

ü должен быть известен первичный ключ.

Таблица реляционной БД состоит из некоторого числа однотипных записей, или кортежей. Слово «однотипных» означает, что все записи обладают одним и тем же набором атрибутов, или полей, хотя для каждой записи атрибут может принимать свое собственное значение.

Рассмотрим таблицу, содержащую данные о сотрудниках предприятия

Виды моделей данных БД

Модели организации данных. Сетевые, реляционные, иерархические модели.

Ядром любой базы данных является модель данных. С помощью модели данных могут быть представлены объекты предметной области и взаимосвязи между ними.

Модель данных - это совокупность структур данных и операций их обработки. Рассмотрим три основных типа моделей данных: иерархическую, сетевую и реляционную.

Виды моделей данных БД

Иерархическую модель БД изображают в виде дерева. Элементы дерева вершины представляют совокупность данных, например логические записи.

Иерархическая модель представляет собой совокупность элементов, расположенных в порядке их подчинения от общего к частному и образующих перевернутое по структуре дерево (граф).

К основным понятиям иерархической структуры относятся уровень, узел и связь. Узел - это совокупность атрибутов данных, описывающих некоторый объект. На схеме иерархического дерева узлы представляются вершинами графа. Каждый узел на более низком уровне связан только с одним узлом, находящимся на более высоком уровне. Иерархическое дерево имеет только одну вершину, не подчиненную никакой другой вершине и находящуюся на самом верхнем - первом уровне. Зависимые (подчиненные) узлы находятся на втором, третьем и т. д. уровнях. Количество деревьев в базе данных определяется числом корневых записей. К каждой записи базы данных существует только один иерархический путь от корневой записи.

Сетевые модели БД соответствуют более широкому классу объектов управления, хотя требуют для своей организации и дополнительных затрат.

В сетевой структуре при тех же основных понятиях (уровень, узел, связь) каждый элемент может быть связан с любым другим элементом.

Реляционная модель БД представляет объекты и взаимосвязи между ними в виде таблиц, а все операции над данными сводятся к операциям над этими таблицами. На этой модели базируются практически все современные СУБД. Эта модель более понятна, "прозрачна" для конечного пользователя организации данных.

Реляционная модель данных объекты и связи между ними представляет 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.

Эта модель характеризуются простотой структуры данных, удобным для пользователя табличным представлением и возможностью использования формального аппарата алгебры отношений и реляционного исчисления для обработки данных.

Каждая реляционная таблица представляет собой двумерный массив и обладает следующими свойствами:

1. Каждый элемент таблицы соответствует одному элементу данных.

2. Все столбцы в таблице однородные, т.е. все элементы в столбце имеют одинаковый тип и длину.

3. Каждый столбец имеет уникальное имя.

4. Одинаковые строки в таблице отсутствуют;

5. Порядок следования строк и столбцов может быть произвольным.

Лекция 5

Базы данных информационных систем

База данных. Классификация и характеристика СУБД.

Основные модели баз данных.

Базы данных в экономических системах

База данных определяется как совокупность взаимосвязанных данных, характеризующихся: возможностью использования для большого количества приложений; возможностью быстрого получения и модификации необходимой информации; минимальной избыточностью информации; независимостью от прикладных программ; общим управляемым способом поиска.

СУБД – это программа, с помощью которой реализуется централизованное управление данными, хранимыми в базе, а также доступ к ним, поддержка их в актуальном режиме.

Задачами СУБД являются:

Хранение информации в структурированном виде;

Обновление информации по мере необходимости;

Поиск нужной информации по определенным критериям;

Выдача информации пользователю в удобном для него виде;

Устранение избыточности данных;

Поддержка языков БД.

Для работы с базами данных используются специальные языки, в целом называемые языками баз данных. В современных СУБД обычно поддерживается единый интегрированный язык, содержащий все необходимые средства для работы с БД, начиная от ее создания, и обеспечивающий базовый пользовательский интерфейс с базами данных.

По технологии работы с базами данных существуют:

Централизованные СУБД;

Распределенные СУБД.

Централизованная СУБД - система управления базой данных, которая хранится в памяти одной вычислительной системы.

Системы централизованных баз данных с сетевым доступа предполагают две основные архитектуры:

¾ архитектура файл-сервер предполагает выделение одной из машин сети в качестве центральной (главный сервер файлов), где хранится совместно используемая централизованная база данных. Все другие машины сети исполняют роль рабочих станций. Файлы базы данных в соответствии с пользовательскими запросами передаются на рабочие станции, где в основном и производится их обработка. При большой интенсивности доступа к одним и тем же данным производительность информационной системы падает;

¾ архитектура клиент-сервер . Каждый из подключенных к сети и составляющих эту архитектуру компьютеров играет свою роль: сервер владеет и распоряжается информационными ресурсами системы, клиент имеет возможность пользоваться ими.

Сервер базы данных представляет собой СУБД, параллельно обрабатывающую запросы, поступившие со всех рабочих станций. Как правило, клиент и сервер территориально отдалены друг от друга, и в этом случае они образуют систему распределенной обработки данных.

В распределенной СУБД значительная часть программно-аппаратных средств централизована и находится на одном достаточно мощном компьютере (сервере), в то время как компьютеры пользователей несут относительно небольшую часть СУБД, которую называют клиентом.

Распределенная база данных состоит из нескольких, возможно, пересекающихся или даже дублирующих друг друга частей, хранимых в различных ЭВМ вычислительной сети. Однако пользователь распределенной базы данных не обязан знать, каким образом ее компоненты размещены в узлах сети, и представляет себе эту базу данных как единое целое. Работа с такой базой данных осуществляется с помощью системы управления распределенной базой данных (СУРБД).

Безопасность данных в базе данных достигается:

¾ шифрованием прикладных программ;

¾ шифрованием данных;

¾ защитой данных паролем;

¾ ограничением доступа к базе данных.

Основные модели баз данных

Основное различие между моделями баз данных состоит в характере описания взаимосвязи и взаимодействия между объектами и атрибутами базы данных. Связи объектов могут быть следующих типов:

¾ "один к одному";

¾ "один ко многим";

¾ "многие ко многим".

"Один к одному" - это взаимно однозначное соответствие, которое устанавливается между одним объектом и одним атрибутом. Связь "один-к-одному" определяет такое отношение между таблицами, когда каждой записи в подчиненной таблице соответствует только одна запись в главной таблице. Наличие связей между таблицами "один-к-одному" обычно не говорит о хорошей структуре базе данных, поскольку свидетельствует о том, что две таблицы имеют полностью совпадающие поля, а это ведет к нерациональному расходу дискового пространства.

Связь "один-ко-многим" в структурах баз данных является наиболее общепринятой. При этом типе связи каждой записи главной таблицы соответствует одна или несколько записей в подчиненной таблице. Структура связей типа "один-ко-многим" позволяет избежать избыточности данных и дублирования записей.

Связь типа "многие-ко-многим" выражает такое отношение между таблицами, когда многие записи одной таблицы могут быть связаны со многими записями другой таблицы.

Иерархическая модель баз данных (ИМД) основана на графическом способе и предусматривает поиск данных по одной из ветвей «дерева», в котором каждая вершина имеет только одну связь с вершиной более высокого уровня. Для осуществления поиска необходимо указать полный путь к данным, начиная с корневого элемента.

Рис. 1 – Иерархическая модель баз данных

Сетевая модель баз данных (СМД) также основана на графическом способе, но допускает усложнение «дерева» без ограничения количества связей, входящих в вершину. Это позволяет строить сложные поисковые структуры.

Рис. 2 – Сетевая модель баз данных

Реляционная модель баз данных (РМД) реализует табличный способ.

В реляционной модели базы данных взаимосвязи между элементами данных представляются в виде двумерных таблиц, называемых отношениями .

Отношения обладают следующими свойствами :

¾ каждый элемент таблицы представляет собой один элемент данных (повторяющиеся группы отсутствуют);

¾ элементы столбца имеют одинаковую природу, и столбцам однозначно присвоены имена;

¾ в таблице нет двух одинаковых строк;

¾ строки и столбцы могут просматриваться в любом порядке вне зависимости от их информационного содержания.

Реляционная модель БД имеет дело с тремя аспектами данных: со структурой данных, с целостностью данных и с манипулированием данными. Под структурой понимается логическая организация данных в БД, под целостностью данных понимают безошибочность и точность информации, хранящейся в БД, под манипулированием данными - действия, совершаемые над данными в БД.

Достоинства реляционной модели :

¾ простота построения;

¾ доступность понимания;

¾ возможность эксплуатации базы данных без знания методов и способов ее построения;

¾ независимость данных;

¾ гибкость структуры и др.

Недостатки реляционной модели :

¾ низкая производительность по сравнению с иерархической и сетевой модели;

¾ сложность программного обеспечения;

¾ избыточность элементов.

В последние годы все большее признание и развитие получают объектные базы данных (ОБД), появление которых обусловлено развитием объектно-ориентированного программирования.

Объектом называют почти все, что представляет интерес для решения поставленной задачи на компьютере. Это может быть экранное окно, кнопка в окне поле для ввода данных, пользователь программы, сама программа и т.д. Тогда любые действия можно привязать к такому объекту, а также описать, что произойдет с объектом при выполнении опреде6ленных действий (например, при „нажатии“ кнопки). Многократно используемый объект можно сохранить и применять его в различных программах.

Объектом называется программно связанный набор методов (функций) и свойств, выполняющих одну функциональную задачу.

Свойство - это характеристика, с помощью которой описывается внешний вид и работа объекта.

Событие - это действие, которое связанно с объектом. Событие может быть вызвано пользователем (щелчок мышью), инициировано прикладной программой или операционной системой.

Метод - это функция или процедура, управляющая работой объекта при его реакции на событие.

Объекты могут быть как визуальными, т.е. которые можно увидеть на экране дисплея (окно, пиктограмма, текст и т.д.), так и невизуальные (например, программа решения какой-либо функциональной задачи).

Аспект структуры определяет, что из себя логически представляет база данных, аспект манипуляции определяет способы перехода между состояниями базы данных (то есть способы модификации данных) и способы извлечения данных из базы данных, аспект целостности определяет средства описаний корректных состояний базы 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 литературе, статьях и в обиходной речи иногда встречается использование термина «модель данных» в смысле «схема базы данных » («модель базы данных»). Такое использование является неверным, на что указывают многие авторитетные специалисты, в том числе К. Дж. Дейт , М. Р. Когаловский, С. Д. Кузнецов. Модель данных есть теория , или инструмент моделирования , в то время как модель базы данных (схема базы данных) есть результат моделирования . По выражению К. Дейта соотношение между этими понятиями аналогично соотношению между языком программирования и конкретной программой на этом языке .

М. Р. Когаловский поясняет эволюцию смысла термина следующим образом. Первоначально понятие модели данных употреблялось как синоним структуры данных в конкретной базе данных . В процессе развития теории систем баз данных термин «модель данных» приобрел новое содержание. Возникла потребность в термине, который обозначал бы инструмент, а не результат моделирования, и воплощал бы, таким образом, множество всевозможных баз данных некоторого класса. Во второй половине 1970-х годов во многих публикациях, посвященных указанным проблемам, для этих целей стал использоваться все тот же термин «модель данных». В настоящее время в научной литературе термин «модель данных» трактуется в подавляющем большинстве случаев в инструментальном смысле (как инструмент моделирования) .

Тем не менее, длительное время термин «модель данных» использовался без формального определения. Одним из первых специалистов, который достаточно формально определил это понятие, был Э. Кодд . В статье «Модели данных в управлении базами данных» он определил модель данных как комбинацию трех компонентов:

См. также

• Метамоделирование
• Статья Метамоделирование в Викиучебнике

Примечания

Литература

• Дейт К. Дж. Введение в системы баз данных = Introduction to Database Systems. - 8-е изд. - М .: «Вильямс», 2006. - 1328 с. - ISBN 0-321-19784-4
• Когаловский М. Р. Перспективные технологии информационных систем. - М .: ДМК Пресс; Компания АйТи, 2003. - 288 с. - ISBN 5-279-02276-4
• Когаловский М. Р. Энциклопедия технологий баз данных. - М .: Финансы и статистика, 2002. - 800 с. - ISBN 5-279-02276-4
• Цикритзис Д., Лоховски Ф. Модели данных = D. Tsichritzis, F. Lochovsky. Data Models. Prentice Hall, 1982. - М .: Финансы и статистика, 1985. - 344 с.

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Модель данных" в других словарях:

модель данных - Совокупность правил порождения структур данных в базе данных, операций над ними, а также ограничений целостности, определяющих допустимые связи и значения данных, последовательность их изменения. Примечание Для задания модели данных используется… …

Модель данных - – способ представления данных информационной модели в вычислительной среде. [ГОСТ 2.053 2006] Рубрика термина: Технологии Рубрики энциклопедии: Абразивное оборудование, Абразивы, Автодороги, Автотехника … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

модель данных - 3.1.7 модель данных (Data Model; DM): Графическое и/или лексическое представление данных, устанавливающее их свойства, структуры и взаимосвязи. [ИСО/МЭК ТО 11404 3:1996, определение 3.2.11] Источник …

МОДЕЛЬ ДАННЫХ - согласно ГОСТ 2.053–2006 ЕСКД «Электронная структура изделия», – способ представления данных информационной модели в вычислительной среде … Делопроизводство и архивное дело в терминах и определениях

модель данных многомерная - Модель данных, оперирующая многомерными представлениями данных в виде кубов данных. Такие модели данных стали широко использоваться в середине 90 х годов в связи с развитием технологий OLAP. Операционные возможности многомерных моделей данных… … Справочник технического переводчика

модель данных Всемирной таможенной организации - Модель данных и набор данных, разработанные во Всемирной таможенной организации на основе Справочника элементов внешнеторговых данных ООН (СЭВД ООН) [Упрощение процедур торговли: англо русский глоссарий терминов (пересмотренное второе издание)… … Справочник технического переводчика

Иерархическая модель данных представление базы данных в виде древовидной (иерархической) структуры, состоящей из объектов (данных) различных уровней. Между объектами существуют связи, каждый объект может включать в себя несколько объектов… … Википедия

- (РМД) логическая модель данных, прикладная теория построения баз данных, которая является приложением к задачам обработки данных таких разделов математики как теории множеств и логика первого порядка. На реляционной модели данных строятся… … Википедия

У этого термина существуют и другие значения, см. ER. Модель сущность связь (ER модель) (англ. entity relationship model, ERM) модель данных, позволяющая описывать концептуальные схемы предметной области. ER модель используется при… … Википедия

ГОСТ Р ИСО/МЭК 19778-1-2011: Информационная технология. Обучение, образование и подготовка. Технология сотрудничества. Общее рабочее пространство. Часть 1. Модель данных общего рабочего пространства - Терминология ГОСТ Р ИСО/МЭК 19778 1 2011: Информационная технология. Обучение, образование и подготовка. Технология сотрудничества. Общее рабочее пространство. Часть 1. Модель данных общего рабочего пространства оригинал документа: 5.4.9 AE CE ID … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Книги

• Модель электронного газа и теория обобщенных зарядов для описания межатомных сил и адсорбции , А. М. Долгоносов. В предлагаемой книге рассмотрены четыре ключевые темы атомной и молекулярной физики, квантовой и физической химии: описание атомного электронного газа и следующий из этого вывод основных…