Системы управления базами данных. Типы моделей баз данных

Для логического представления взаимосвязей объектов базы данных используется информационно-логическая (инфологическая) модель.

Известны три разновидности инфологических моделей баз данных:

· иерархическая;

· сетевая;

· реляционная.

Иерархическая модель данных представляет собой древовидную структуру, где каждому элементу (объекту) соответствует только одна связь с элементом (объектом) более высокого уровня. Примером иерархической модели может служить реестр Windows, демонстрирующий размещение файлов и папок разного уровня вложенности на дисках компьютера, а также генеалогическое дерево.

Достоинствами иерархической модели являются простота и быст­родействие. Запрос к такой базе обрабатывается быстро, поскольку поиск данных происходит по одной из ветвей дерева, опускаясь от родительских объектов к дочерним или наоборот (поиск вверх по дереву обрабатывается дольше).

Если структура данных предполагает более сложные взаимосвязи, чем обычная иерархия, то для организации информации применяют иные модели.

Сетевая модель данных позволяет, в целях объединения родственной информации, обеспечивать связи одних элементов с любыми другими, не обязательно родительскими. Эта модель подобна иерархической и является улучшенным её вариантом.

В сетевой модели данных каждый элемент может иметь более одного порождающего его элемента, а графическое представление модели напоминает сеть. Она допускает усложнение «дерева» без ограничения количества связей, входящих в его вершину.

Особенностью иерархических и сетевых баз данных является задаваемая заранее, ещё на стадии проектирования, жесткая структура записей и наборы отношений, а изменение структуры базы данных требует перестройки всей базы. Кроме того, поскольку логика процедуры выборки данных зависит от физической организации этих данных, то эта модель является зависимой от приложения. Иными словами, если необходимо изменить структуру данных, то может потребоваться и изменение приложения.

Сетевые базы считаются инструментами программистов. Так, например, чтобы получить ответ на запрос: «Какой товар наиболее часто заказывает компания X?», нужно написать некоторый программный код для навигации по базе данных. Реализация пользовательских запросов может затянуться, и к моменту появления запрошенной информации она перестанет быть актуальной.

Реляционная модель достаточно универсальна, она значительно упрощает структуру базы данных и облегчает работу с ней. В реляционной базе данных все данные, доступные пользователю, организованы в виде таблиц. У каждой таблицы имеется свое уникальное имя, соответствующее характеру ее содержимого. Столбцы таблицы, называемые полями , описывают определённые атрибуты информации, например: фамилию, имя, пол, возраст, номер телефона, социальное положение респондентов. Строки реляционной таблицы содержат записи и хранят информацию об одном экземпляре объекта данных, представленного в таблице, например данные об одном человеке. Одинаковых записей в таблице быть не должно.

Основное требование к реляционной базе данных состоит в том, чтобы значения полей (столбцов таблицы) были элементарными и неделимыми информационными единицами (то есть для записи адреса потребуется не одно, а несколько полей, содержащих неделимую информацию – улица, номер дома, номер квартиры). Это позволяет применять для обработки информации математический аппарат реляционной алгебры. Наиболее популярны реляционные СУБД - Access, FoxPro, dBase, Oracle, и др.

В реляционной БД содержится, как правило, несколько таблиц с различными сведениями. Разработчик БД устанавливает связи между отдельными таблицами . При создании связей используют ключевые поля .

После установления связей появляется возможность создания запросов, форм и отчетов, в которые помещаются данные из нескольких связанных между собой таблиц.

Все данные, доступные пользователю в реляционной БД, организованы в виде таблиц-отношений, представляющих собой двумерный массив, где каждая таблица имеет свое уникальное имя, соответствующее характеру ее содержимого.

В настоящее время большинство СУБД использует табличную (реляционную) модель данных.

Достоинства реляционной модели:

· Простота и доступность для понимания конечным пользователем, так как единственной информационной конструкцией является наглядная таблица.

· Полная независимость данных. При изменении структуры БД не требуется значительных изменений в прикладной программе.

Недостатки реляционной модели:

· Предметную область не всегда можно представить в виде совокупности таблиц.

· Низкая скорость обработки запросов по сравнению с другими моделями, а также требование большего объема внешней памяти.

Примером простой реляционной базы данных может служить таблица «Респонденты», где одна строка (запись) - сведения об одном из участников телефонного опроса.

Известны три типа моделей описания баз данных (рис.3.7):

ü иерархическая;

ü сетевая;

ü реляционная.

Основное различие между ними состоит в характере описания взаимосвязей и взаимодействия между объектами и атрибутами базы данных.

Рис 3.7. Основные типы моделей данных

1. Иерархическую модель БД изображают в виде дерева. Каждой вершине соответствует множество экземпляров записей, составляющих логический файл. Вершины расположены по уровням и связаны между собой отношениями подчиненностями. Одна-единственная вершина верхнего уровня является корневой (рис.3.8).

Достоинством модели является:

· простота ее построения;

· легкость понимания сути принципа иерархии;

· наличие промышленных СУБД, поддерживающих данную модель.

Недостатком является сложность операций по включению в иерархию информации о новых объектах базы данных и удалению устаревшей информации.

Рис. 3.8. Иерархическая модель данных

2. Сетевая модель описывает элементарные данные и отношения между ними в виде ориентированной сети. Это такие отношения между объектами, когда каждый порожденный элемент имеет более одного исходного и может быть связан с любым другим элементом структуры рис.3.9).

Сетевые структуры могут быть многоуровневыми, иметь разную степень сложности.

База данных, описываемая сетевой моделью, состоит из областей (области - из записей, а записи - из полей).

Недостатком сетевой модели является ее сложность, возможность потери независимости данных при реорганизации базы данных. При появлении новых пользователей, новых приложений и новых видов запросов происходит рост базы данных, что может привести к нарушению логического представления данных.

Рис.3.9. Сетевая модель данных

3. 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.

Реляционная модель имеет в своей основе понятие «отношения», и ее данные формируются в виде таблиц. Отношение - это двумерная таблица, имеющая свое название, в которой минимальным объектом действий, сохраняющим ее структуру, является строка таблицы (кортеж), состоящая из ячеек таблицы - полей.

Каждый столбец таблицы соответствует только одному компоненту этого отношения. С логической точки зрения реляционная база данных представляется множеством двумерных таблиц различного предметного наполнения.

В реляционной базе данных СУБД поддерживает извлечение информации из БД на основе логических связей. При работе с БД не надо программировать связи с файлами, что позволяет одной командой обрабатывать все файлы данных и повышать эффективность программирования БД. Благодаря снижению требований к квалификации разработчиков существенно расширяется круг пользователей баз данных, информационные базы данных стали стандартом СУБД для информационных систем.

Рис.3.10 Реляционная модель данных

В зависимости от содержания отношения реляционные базы данных бывают:

ü объектными, в которых хранятся данные о каком-либо одном объекте, экземпляре сущности. В них один из атрибутов однозначно определяет объект и называется ключом отношения, или первичным атрибутом. Остальные атрибуты функционально зависят от этого ключа;

ü связными, в которых хранятся ключи нескольких объектных отношений, по которым между ними устанавливаются связи.

Достоинства реляционной модели:

· простота построения;

· доступность понимания;

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

· независимость данных;

· гибкость структуры и др.

Недостатки реляционной модели:

· низкая производительность по сравнению с иерархической и сетевой моделями;

· сложность программного обеспечения;

· избыточность элементов.

В последние годы все большее признание и развитие получают объектно-ориентированные базы данных (ООБД).

Принципиальное отличие реляционных и объектно-ориентированных баз данных заключается в следующем : в ООБД модель данных более близка сущностям реального мира, объекты можно сохранить и использовать непосредственно, не раскладывая их по таблицам, типы данных определяются разработчиком и не ограничены набором предопределенных типов.

Традиционными областями применения объектных СУБД являются системы автоматизированного проектирования (САПР), моделирование, мультимедиа.

К объектным СУБД можно отнести СУБД ONTOS - одного из лидеров направляя ООБД, Jasmine. ODB-Jupiter - первый российский продукт такого рода, ORACLE 8.0.

Базы знаний - это специальные компьютерные системы, основанные на обобщении, анализе и оценке знаний высококвалифицированных специалистов-экспертов.

Например, «КонсультантПлюс», «Гарант Сервис».

Основными элементами информационной технологии, используемой в БЗ являются:

Интерфейс пользователя,

База знаний,

Интерпретатор,

Модуль создания системы,

Интерфейс используется для ввода запросов и команд в экспертную систему и получает выходную информацию из нее.

Выходная информация включает не только само решение, но необходимые объяснения, которые могут быть двух видов:

1) по запросам, т.е. те, которые пользователь может получить в любой момент;

2) которые пользователь получает уже при выдаче решения, т.е. то, каким образом получается решение (например, каким образом влияет на прибыль и издержки выбранная цена и т.д.).

К базе знаний относятся факты, характеризующие проблемную область, а также их логическая взаимосвязь. Центральным звеном здесь являются правила, которые даже в простейшей задаче экспертных систем могут насчитывать тысячи. Правила определяют порядок действий в конкретной ситуации при выполнении того или другого условия.

Интерпретатор в определенном порядке проводит обработку знаний, находящихся в базе. Используются также и дополнительные блоки: база данных, блоки расчета, ввода, корректировки данных.

Модуль создания системы служит для создания набора правил, внесения в них изменений. Здесь могут использоваться как специальные алгоритмические языки (ЛИСП, Пролог), так и оболочки экспертных систем.

Более совершенным считается использование оболочек экспертных систем, т.е. программных средств, ориентированных на решение определенной проблемы путем создания соответствующей ей базы знаний. Этот путь, как правило, более быстрый и менее трудоемкий.

Контрольные вопросы

1. В чем различие между информацией и данными?

2. Как выражается адекватность информации?

3. Назовите признаки классификации экономической информации.

4. Что такое структура информации?

5. Чем показатель отличается от реквизита?

6. Укажите основные свойства информации.

7. Что входит в состав информационного обеспечения?

8. Чем внемашинное информационное обеспечение отличается от внуримашинного?

9. Какие бывают классификаторы и с какой целью разрабатываются классификаторы?

10. Каково назначение штрихового кодирования? В чем его особенности?

11. Определите понятия «классификаторы» и «коды».

12. Чем автоматизированные банки данных отличаются от баз знаний?

13. Что входит в состав автоматизированных банков данных?

14. Чем клиент-серверная архитектура отличается от файл-серверной?

15. Укажите основные характеристики СУБД.

16. Что подразумевает обеспечение целостности данных?

17. Охарактеризуйте типы моделей описания баз данных.

4. информационные технологии в управлении и экономике

Классификация моделей данных базируется на понятиях о взаимосвязи объектов. Между таблицами базами данных могут существовать четыре типа различных связей: «один к одному»; «один ко многим»; «многие ко многим».

При отношении «один к одному » в каждый момент времени одной записи таблицы «1» соответствует не более одной записи таблицы «2». Например, одному клиенту соответствует только один номер в гостинице. Этот тип связи используют не очень часто, поскольку такие данные могут быть помещены в одну таблицу. Такую связь используют для разделения очень широких таблиц, например, для разделения таблицы с информацией о сотрудниках фирмы на две – служебной и личной информацией.

Связь с отношением «один ко многим » характеризует то, что одному экземпляру информационного объекта «1» соответствует 0,1,2 и более экземпляров объекта «2». Такое отношение существует, например, между таблицами «Поставщики» и «Товары», т.е. каждый поставщик может продавать различные товары, но у каждого товара есть единственный поставщик.

Отношение «многие ко многим » предполагает, что в каждый момент времени одной записи таблицы «1» соответствует несколько экземпляров таблицы «2» и наоборот. Примером может служить связь между информационными объектами «Клиент» и «Банк». Один клиент хранит средства во многих банках. Один банк обслуживает многих клиентов. Реализуется отношение с помощью третьей (связующей) таблицы, ключ которой состоит, по крайней мере, из двух полей, которые являются полями внешнего ключа в исходных таблицах.

Известны три основных типа моделей данных.

Иерархическая модель. Предполагает организацию данных в виде древовидной структуры. Дерево представляет собой иерархию элементов. На самом верхнем уровне структуры находится корень дерева. У одного дерева может быть только один корень, остальные - узлы, называемые порожденными. Каждый узел имеет исходный, находящийся выше него.

Иерархическая базой данных представляет собой как множество отношений и веерных отношений, для которых соблюдаются два ограничения: существует единственное отношение, называемое корневым, которое не является зависимым ни в одном веерном отношении; все остальные отношения (кроме корневого) являются зависимыми отношениями только в одном веерном отношении.

Записью иерархической БД называется множество значений, содержащее одно значение корневого отношения и все вееры, доступные от него. В нашем примере запись образуют данные, относящиеся к одному факультету.

Сетевая модель . В основу модели положены сетевые структуры, в которых любой элемент может быть связан с любым другим элементом. Информационными конструкциями в модели являются отношения и веерные отношения. Последние подразделяют на основные и зависимые. Веерным отношением W(R,S) называется пара отношений R и S и связь между ними при условии, что каждое значение S связано с единственным значением R . Отношение R называют исходным (основным), а S - порожденным (зависимым).

В структуру основного и зависимого отношений вводится дополнительный атрибут, называемый адресом связи, который обеспечивает соответствие каждого значения зависимого отношения S с единственным значением основного отношения R . Адрес связи хранит начальный адрес или номер следующей обрабатываемой записи. Кольцевая структура адресов связи называется веером . Роль "ручки" веера играет запись основного отношения.

Недостатком рассмотренных выше моделей данных является то, что при добавлении новых вершин или установлении новых связей возникают проблемы выгрузки данных из базы и загрузки их в новую структуру. При этом возможна утрата данных или возникновения неопределенных значений данных.

Реляционная модель. В основе структуры данных этоймодели лежит аппарат реляционной алгебры и теории нормализации. Модель предполагает использование двумерных таблиц (отношений).

Ограничения на отношения реляционной модели: каждый элемент таблицы представляет собой простой элемент данных; в таблице нет одинаковых строк; столбцам (полям) присвоены уникальные имена; все строки таблицы имеют одну и ту же структуру; в таблице порядок строк и столбцов произволен.

Связь между таблицами осуществляется посредством значений одного или нескольких совпадающих полей. Каждая строка таблицы в реляционных базах данных уникальна. Для обеспечения уникальности строк используют ключи, которые содержат одно или несколько полей таблицы. Ключи хранятся в упорядоченном виде, что обеспечивает прямой доступ к записям таблицы во время поиска.

Различают три основные модели базы данных - это иерархическая, сетевая и реляционная. Эти модели отличаются между собой по способу установления связей между данными.

8.1. Иерархическая модель базы данных

Иерархические модели баз данных исторически возникли одними из первых. Информация в иерархической базе организована по принципу древовидной структуры, в виде отношений "предок-потомок ". Каждая запись может иметь не более одной родительской записи и несколько подчиненных. Связи записей реализуются в виде физических указателей с одной записи на другую. Основной недостаток иерархической структуры базы данных - невозможность реализовать отношения "многие-ко-многим ", а также ситуации, когда запись имеет несколько предков.

Иерархические базы данных . Иерархические базы данных графически могут быть представлены как перевернутое дерево , состоящее из объектов различных уровней. Верхний уровень (корень дерева ) занимает один объект , второй - объекты второго уровня и так далее.

Между объектами существуют связи, каждый объект может включать в себя несколько объектов более низкого уровня. Такие объекты находятся в отношении предка (объект , более близкий к корню) к потомку (объект более низкого уровня), при этомобъект -предок может не иметь потомков или иметь их несколько, тогда как объект -потомок обязательно имеет только одного предка. Объекты, имеющие общего предка, называются близнецами.

Рис. 6. Иерархическая база данных

Организация данных в СУБД иерархического типа определяется в терминах: элемент, агрегат, запись (группа ), групповоеотношение , база данных .

Атрибут (элемент данных)	Наименьшая единица структуры данных. Обычно каждому элементу при описании базы данных присваивается уникальное имя. По этому имени к нему обращаются при обработке. Элемент данных также часто называют полем.
Запись	Именованная совокупность атрибутов. Использование записей позволяет за одно обращение к базе получить некоторую логически связанную совокупность данных. Именно записи изменяются, добавляются и удаляются. Тип записи определяется составом ее атрибутов. Экземпляр записи - конкретная запись с конкретным значением элементов.
Групповое отношение	- иерархическое отношение между записями двух типов. Родительская запись (владелец группового отношения) называется исходной записью, а дочерние записи (члены группового отношения) - подчиненными. Иерархическая база данных может хранить только такие древовидные структуры.

Пример. Рассмотрим следующую модель данных предприятия (см. рис. 7): предприятие состоит из отделов, в которых работают сотрудники. В каждом отделе может работать несколько сотрудников, но сотрудник не может работать более чем в одном отделе. Поэтому, для информационной системы управления персоналом необходимо создать групповое отношение, состоящее из родительской записи ОТДЕЛ (НАИМЕНОВАНИЕ_ОТДЕЛА, ЧИСЛО_РАБОТНИКОВ) и дочерней записи СОТРУДНИК (ФАМИЛИЯ, ДОЛЖНОСТЬ, ОКЛАД). Это отношение показано на рис. 7 (а) (Для простоты полагается, что имеются только две дочерние записи). Для автоматизации учета контрактов с заказчиками необходимо создание еще одной иерархической структуры: заказчик - контракты с ним - сотрудники, задействованные в работе над контрактом. Это дерево будет включать записи ЗАКАЗЧИК (НАИМЕНОВАНИЕ_ЗАКАЗЧИКА, АДРЕС), КОНТРАКТ(НОМЕР, ДАТА,СУММА), ИСПОЛНИТЕЛЬ (ФАМИЛИЯ, ДОЛЖНОСТЬ, НАИМЕНОВАНИЕ_ОТДЕЛА) (рис. 7b). Рис. 7. Пример иерархической БД

Из этого примера видны недостатки иерархических БД :

Частично дублируется информация между записями СОТРУДНИК и ИСПОЛНИТЕЛЬ (такие записи называют парными), причем виерархической модели данных не предусмотрена поддержка соответствия между парными записями.

Иерархическая модель реализует отношение между исходной и дочерней записью по схеме 1:N, то есть одной родительской записи может соответствовать любое число дочерних.

Допустим теперь, что исполнитель может принимать участие более чем в одном контракте (т.е. возникает связь типа M:N). В этом случае в базу данных необходимо ввести еще одно групповое отношение , в котором ИСПОЛНИТЕЛЬ будет являться исходной записью, а КОНТРАКТ - дочерней (рис. 7 c). Таким образом, мы опять вынуждены дублировать информацию.

Иерархическая структура предполагаета неравноправие между данными - одни жестко подчинены другим. Подобные структуры, безусловно, четко удовлетворяют требованиям многих, но далеко не всех реальных задач.

Ядром любой базы данных есть модель данных. Модель данных представляет собой великое множество структур данных, ограничений целостности и операций манипулирования данными. С помощью модели данных могут быть представленные объекты предметной области, взаимосвязи между ними. Модель данных - это совокупность структур данных и операций их обработки. Современная СУБД базируется на использовании иерархической, сетевой, реляционной и объектно-ориентированной моделях данных, комбинации этих моделей или на некотором их подмножестве.

Рассмотрим три основных типа моделей данных: иерархическую, сетевую, реляционнную и объектно-ориентированную.

Иерархическая модель данных. Иерархическая структура представляет совокупность элементов, связанных между собою по определенным правилам. Объекты, связанные иерархическими отношениями, образовывают ориентированный граф (перевернутое дерево). К основным понятиям иерархической структуры относятся: уровень, элемент (узел), связь. Иерархическую модель организовывает данные в виде древовидной структуры. Узел - это совокупность атрибутов данных, которые описывают некоторый объект. На схеме иерархического дерева узлы имеют вид вершин графа. Каждый узел на более низком уровне связан только с одним узлом, который находится на более высоком уровне. Иерархическое дерево имеет только одну вершину (корень дерева), которая не подчинена никакой другой вершине. Зависимые (подчиненные) узлы находятся на втором, третьем и других уровнях. Количество деревьев в базе данных определяется числом корневых записей.

Сетевая модель данных.

Сетевая модель означает представление данных в виде произвольного графа. Достоинством сетевой и иерархической моделей данных является возможность их эффективной реализации по показателям затрат памяти и оперативности. Недостатком сетевой модели данных является высокая сложность и жесткость схемы БД, построенной на ее основе.

Реляционная модель данных. Понятие реляционный (англ. relation - отношение) связан с разработками известного американского специалиста в области систем баз данных Э.Ф. Кодда. Эти модели характеризуются простотой структуры данных, удобной для пользователя формой представления в виде таблиц и возможностью использования аппарата алгебры отношений и реляционного вычисления для обработки данных.

На языке математики отношение определяется таким образом. Пусть задано n множеств D1,D2, ...,Dn. Тогда R есть отношение над этими множествами, если R есть множеством упорядоченных наборов вида , где d1 - элемент с D1 , d2 - элемент с D2 , ... , dn - элемент с Dn. При этом наборы вида называются кортежами, а множества D1,D2, ...Dn - доменами. Каждый кортеж состоит из элементов, которые выбираются из своих доменов. Эти элементы называются атрибутами, а их значения - значениями атрибутов.

Итак, реляционнная модель ориентирована на организацию данных в виде двумерных таблиц, любая из которых имеет следующие свойства:

Каждый элемент таблицы - это один элемент данных;

Все столбцы в таблицы - однородные, т.е все элементы в столбце имеют одинаковый тип (символьный, числовой и т.п.);

Каждый столбец носит уникальное имя;

Одинаковые строки в таблицы отсутствуют.

Таблицы имеют строки, которые отвечают записям (или кортежам), а столбцы -атрибутам отношений (доменам, полям).

Следующие термины являются эквивалентными:

отношение , таблица, файл (для локальных БД );

кортеж, строка , запись;

атрибут, столбик, поле.

Объектно-ориентированные БД объединяют в себе две модели данных, реляционную и сетевую, и используются для создания крупных БД со сложными структурами данных.

Реляционная БД есть совокупностью отношений, которые содержат всю необходимую информацию и объединенную разными связями.

БД считается нормализованной , если выполняются следующие условия:

Каждая таблица имеет главный ключ;

Все поля каждой таблицы зависят только от главного ключа;

В таблицах отсутствуют группы повторных значений.

Для успешной работы с многотабличными БД, как правило, надо установить между ними связи. При этом пользуются терминами “базовая таблица» (главная) и “подчиненная таблица». Связь между таблицами получается благодаря двум полям, одно из которых находится в базовой таблице, а второе - в подчиненной. Эти поля могут иметь значение, которое повторяются. Если значение в связанном поле записи базовой таблицы и в поле подчиненной совпадают, то эти записи называются связанными.

Существуют четыре типа отношений между таблицами: один к одному , один ко многим, много к одному, много ко многим .

Отношение один к одному означает, что каждая запись в одной таблице соответствует только одной записи в другой таблице.

Отношение один ко многим означает, что одна запись из первой таблицы может быть связана более чем с одной записью из другой таблицы.

Главная таблица – это таблица, которая содержит первичный ключ и составляет часть один в отношении один ко многим .

Внешний ключ – это поле, содержащее такой же тип информации в таблице со стороны много .

Практическая работа