Классификация БД по виду модели

Существующие виды концептуальных и логических моделей БД – это картотека, сетевая модель, иерархическая модель, реляционная модель, многомерная модель, объектная модель. Рассмотрим эти модели по отдельности.

Картотека. Картотекой называется систематизированное хранилище информации, как правило, в форме карточек с некоторыми данными. Встретиться с картотекой до сих пор можно, к примеру, в библиотеке: в виде картотеки зачастую представляется библиотечный каталог. Картотеками повсеместно пользовались до появления электронных баз данных: в настоящее время картотеки почти полностью вытеснены последними.

Иерархическая модель. Иерархическая модель базы данных состоит из объектов с указателями от родительских объектов к потомкам, соединяя вместе связанную информацию. Например, если иерархическая база данных содержит информацию о покупателях и заказах, то будет существовать родительский объект «покупатель» и дочерний объект «заказ». В этой модели запрос, направленный вниз по иерархии, прост (пример: «какие заказы принадлежат этому покупателю?»), однако запрос, направленный вверх по иерархии, более сложен (например, «какой покупатель поместил этот заказ?»). Также, трудно представить не-иерархические данные при использовании этой модели.

Типичным (наиболее известным и распространенным) примером иерархической СУБД является Information Management System (IMS) фирмы IBM, первая версия которой появилась в 1968 году. Известны также Time-Shared Date Management System (TDMS) компании Development Corporation, Mark IV Multi-Access Retrieval System компании Control Data Corporation и некоторые другие.

Сетевая модель. Сетевые базы данных подобны иерархическим, за исключением того, что в них имеются указатели в обоих направлениях, которые соединяют родственную информацию. К основным понятиям сетевой модели базы данных относятся уровень, элемент (узел), связь. Узел – это совокупность атрибутов данных, описывающих некоторый объект. В сетевой структуре каждый элемент может быть связан с любым другим элементом.

Несмотря на то, что эта модель решает некоторые проблемы, связанные с иерархической моделью, выполнение простых запросов остается достаточно сложным процессом. Также, поскольку логика процедуры выборки данных зависит от физической организации этих данных, то эта модель не является полностью независимой от приложения. Другими словами, если необходимо изменить структуру данных, то нужно изменить и приложение.

Реляционная модель. Реляционная база данных основана на т.н. реляционной модели, представляющей собой строгую формальную теорию. Принципы реляционной модели были сформулированы в 1969-1970 годах доктором Эдгаром Коддом из компании IBM. Эта модель характеризуется простотой структуры данных, удобным для пользователя табличным представлением и возможностью использования формального аппарата алгебры отношение и реляционного исчисления для обработки данных.

Реляционная модель ориентирована на организацию данных в виде двумерных таблиц. Каждая из этих таблиц обладает следующими свойствами:

• Каждый элемент таблицы – один элемент данных.

• Все столбцы в таблице однородны, т.е. все элементы в столбце имеют одинаковый тип (числовой, символьный и т.д.).

• Каждый столбец имеет уникальное имя.

• Одинаковые строки в таблице отсутствуют.

• Порядок следования строк и столбцов может быть произвольным.

Одним из важнейших в реляционной модели является понятие первичного ключа, обозначающее поле (столбец) или группу полей таблицы базы данных, значение которого (или комбинация значений которых) используется в качестве уникального идентификатора записи (строки) этой таблицы. Смысл использования первичного ключа состоит в том, что в теории реляционных баз данных порядок следования строк в таблице не определен, и, соответственно, единственный способ идентифицировать определенную запись в этой таблице – это указать набор значений одного или нескольких полей, который был бы уникальным для этой записи.

Значение первичного ключа используется везде, где требуется указать на конкретную запись. На использовании первичных ключей основана организация связей между таблицами реляционной БД. С этой целью в одну из связываемых таблиц добавляют поле, содержащее значение первичного ключа записи в другой таблице (такое поле называют внешним ключом).

Известны три вида связей между таблицами:

• Связь «один к одному». На каждое значение первичного ключа первой таблицы ссылается не более одной записи второй таблицы.

• Связь «один ко многим». На каждое значение первичного ключа первой таблицы может ссылаться множество записей второй таблицы.

• Связь «многие ко многим». Для организации этой разновидности связи создается отдельная таблица, называемая таблицей связи или таблицей ассоциации, каждая запись которой содержит значения первичных ключей

двух связываемых записей в разных таблицах.

Необходимым качеством реляционной базы данных является т.н. ссылочная целостность, заключающаяся в отсутствии в любой таблицы базы данных внешних ключей, ссылающихся на несуществующие записи в этой или других таблицах. База данных, в которой ссылочная целостность нарушена, не может нормально эксплуатироваться, т.к. в ней разорваны связи между зависимыми объектами или даже между частями одного и того же объекта. Непосредственным результатом нарушения ссылочной целостности является то, что корректным запросом не удается выбрать все данные, относящиеся к искомому объекту или группе объектов. Причинами нарушения ссылочной целостности может быть некорректная работа программного обеспечения (неполная запись объектов, некорректная правка ссылки и т.п.) или сбои в работе оборудования.

Обязательным (хотя и не достаточным) условием сохранения ссылочной целостности является поддержка транзакций. Если программное обеспечение выполняет группу связанных между собой операций, которые по отдельности могут приводить к нарушению целостности ссылок, СУБД должна предоставлять возможность выполнения всей этой группы в одной транзакции, т.е. так, чтобы при любом сбое производилась автоматическая отмена всех операций группы, в том числе уже полностью завершенных.

Кроме того, СУБД может иметь механизм автоматического поддержания ссылочной целостности, основанный на явном описании ссылок при создании БД. При описании таблиц БД программист явно описывает, какие поля таблиц являются внешними ключами и на какие таблицы они ссылаются. Эта информация сохраняется в служебных областях памяти БД. Любая операция, изменяющая данные в таблице, вызывает автоматическую проверку ссылочной целостности. При этом:

• При операции добавления или редактирования записи автоматически проверяется, ссылаются ли внешние ключи в этой записи на существующие записи в заявленных при описании связанных таблицах. Если выясняется, что операция приведет к появлению некорректных ссылок, она отменяется.

• При операции редактирования записи проверяется, не изменяется ли ее первичный ключ, и нет ли на нее ссылок. Если первичный ключ изменяется, и при этом на данную запись имеются ссылки, то операция редактирования отменяется или же происходит каскадное обновление внешних ключей в связанных таблицах.

• При операции удаления записи проверяется, нет ли на нее ссылок. Если ссылки имеются, то удаление отменяется, либо происходит каскадное удаление связанных записей.

Для устранения из БД избыточных функциональных зависимостей между полями таблиц используется т.н. нормализация – процесс преобразования БД к виду, соответствующему одной из т.н. нормальных форм. Понятие нормальной формы было введено Эдгаром Коддом при создании реляционной модели БД. Основное назначение нормальных форм – обеспечение минимальной избыточности данных, содержащихся в базе.

Каждая нормальная форма представляет собой определенное условие, которому должна соответствовать таблица базы данных. Если таблица не соответствует нормальной форме, она может быть приведена к ней (нормализована) за счет декомпозиции, т.е. разбиения на несколько таблиц, связанных между собой. Обычно выделяют следующие нормальные формы:

• Первая нормальная форма (1NF). Таблица находится в первой нормальной форме, если каждое из ее полей содержит только одно значение, и все строки различны.

• Вторая нормальная форма (2NF). Таблица находится во второй нормальной форме, если она находится в первой нормальной форме, и при этом любое ее поле, не входящее в состав первичного ключа, зависит от первичного ключа, но при этом не находится в зависимости от какой-либо его части.

• Третья нормальная форма (3NF). Таблица находится в третьей нормальной форме, если она находится во второй нормальной форме, и при этом любое ее неключевое поле функционально зависит только от первичного ключа.

Также известны нормальная форма Бойса-Кодда (BCNF), четвертая и пятая нормальные формы (4NF и 5NF), но они при разработке БД используются сравнительно редко.

Многомерная модель. Многомерная модель рассматривает данные либо как факты с соответствующими численными параметрами, либо как текстовые измерения, которые характеризуют эти факты. К примеру, в розничной торговле покупка – это факт, объем покупки и стоимость – параметры, а тип приобретенного продукта, время и место покупки – измерения.

Многомерная модель данных характеризуется следующими преимуществами использования:

• Возможность анализа больших объемов данных с приемлемой скоростью.

• Возможность осуществления любых «срезов» и «углублений» в структуре БД.

• Быстрая локализация трендов и проблемных областей.

Многомерный подход возник практически одновременно и параллельно с реляционным, но только с середины 1990-х годов интерес к многомерным СУБД (МСУБД) начал приобретать всеобщий характер в связи с массовым появлением информационных систем, ориентированных на аналитическую обработку данных.

Объектная модель. В объектно-ориентированной БД данные оформлены в виде моделей объектов, включающих прикладные программы, которые управляются внешними событиями. Объектно-ориентированный подход представляет более совершенные средства для отображения реального мира, чем реляционная модель, т.к. обеспечивают естественное представление данных (в реляционной модели все отношения принадлежат одному уровню, в то время как объектную модель можно рассматривать послойно, на разных уровнях абстракции), и, кроме того, имеется возможность определения новых типов данных и операций с ними. В то же время объектной модели присущ и ряд недостатков: отсутствуют мощные непроцедурные средства извлечения объектов из базы, а вместо декларативных средств ограничений целостности приходится писать процедурный код. Последнее является основной причиной того, что СУБД, использующие объектную модель, пока уступают по распространенности реляционным СУБД. Примеры объектных СУБД: IBM Lotus Notes/Domino, Jasmine, ObjectStore.

СУБД позволяют структурировать, систематизировать и организовать данные для их компьютерного хранения и обработки. Невозможно представить себе деятельность современного предприятия или учреждения без использования профессиональных СУБД. Несомненно, они составляют фундамент информационной деятельности во всех сферах — начиная с производства и заканчивая финансами и телекоммуникациями.