Понятие модели данных. Трехуровневая модель организации базы данных. Иерархическая модель. Сетевая модель

Понятие модели данных. Трехуровневая модель организации базы данных. Иерархическая  модель: ее достоинства и недостатки. Сетевая модель: ее достоинства и  недостатки

Понятие модели данных. Трехуровневая  модель организации  базы данных

   Одними  из основополагающих в концепции баз данных являются обобщенные категории «данные» и «модель данных». Понятие «данные» в концепции баз данных — это набор конкретных значений, параметров, характеризующих объект, условие, ситуацию или любые другие факторы. Примеры данных: Петров Николай Степанович, $30 и т. д. Данные не обладают определенной структурой, данные становятся информацией тогда, когда пользователь задает им определенную структуру, то есть осознает их смысловое содержание. Модель данных — это некоторая абстракция, которая, будучи приложима к конкретным данным, позволяет пользователям и разработчикам трактовать их уже как информацию, то есть сведения, содержащие не только данные, но и взаимосвязь между ними.

   После того, как была выработана концепция  базы данных и системы управления ее, специалисты, начиная с 1971 года,  стали работать над общей архитектурой и терминологией  базы данных. Вопросы, касающиеся того, как должна быть устроена база данных, были решены не сразу. В течение ряда лет велись научные исследования в этом направлении, предлагались различные способы реализации. В результате многократных обсуждений предлагаемых решений в 1978 году учеными была принята трехуровневая система организации данных, предложенная Национальным Институтом стандартизации – ANSI (American National Standards Institute) и Комитетом по планированию выпуска стандартов и технических условий – SPARC Соединенных штатов Америки. В соответствии с принятой концепцией предлагается выделять  три уровня абстракции представления данных: внешний, концептуальный и внутренний.

Трехуровневая модель системы управления базой данных, предложенная ANSI

    Внешний уровень  – это самый верхний уровень, который отражает представление конечного пользователя о конфигурации данных. Каждый пользователь представляет реальный мир по-своему, исходя из того вида работы, которую он выполняет. Остальная часть реального мира его не интересует. Некоторые представления пользователя не являются исходными, а потому в базе данных их не следует сохранять, так как  они  могут быть вычислены, например, вместо данных о возрасте, которые надо часто менять, следует внести в базу данные о дате рождения, и из них вычислять возраст.

    Конечные  пользователи часто  оперируют с  приложениями. Каждое приложение видит  и обрабатывает только те данные, которые необходимы именно  ему. Например, системе отдела кадров нужны сведения о возрасте, домашнем адресе сотрудника, а система расчета зарплаты учитывает квалификацию работника, стаж его работы.

    Концептуальный  уровень –  это объединяющее представление данных, используемых всеми пользовательскими приложениями, работающими с данной базой. На этом уровне база данных представляет собой общий взгляд пользователя на данные проектируемой базы.  Это, например, представление с точки зрения менеджера высшего уровня о данных всего предприятия. Здесь описывается: какие данные хранятся в базе, и каковы связи между ними. Этот уровень отражает  логическую структуру всей базы с точки зрения администратора базы данных.  В действительности концептуальный уровень отражает обобщенную модель предметной области (объектов реального мира), для которой создается база данных. Концептуальный уровень – это попытка представить требования к базе со стороны организации. И этот уровень не должен содержать никаких сведений о методах хранения данных. Здесь должны быть отражены: § все сущности, включаемые в базу,  их атрибуты и связи; § накладываемые на данные ограничения; § семантическая информация о данных; § информация о мерах обеспечения безопасности и поддержки целостности данных.

    База  данных на концептуальном уровне имеет  высокую степень абстракции и  характеризуется аппаратной и программной независимостью. Создаваемая на этом уровне концептуальная модель служит основой для идентификации и описания основных объектов данных.

    Внутренний  уровень служит для адаптации концептуальной модели к конкретной СУБД. Другими словами, внутренняя уровень – это представление базы данных со стороны СУБД, и на этом уровне описывается, как данные должны храниться в компьютере. А потому на этом уровне требуется, чтобы проектировщик привел свойства и ограничения концептуальной модели в соответствие с выбранной моделью реализации базы данных. Внутренний уровень предназначен для достижения оптимальной производительности и обеспечения оптимального использования дискового пространства. Здесь  хранится такая информация: § распределение дискового пространства для хранения данных и индексов; § описание подробностей хранения данных; § сведения о размещении записей; § сведения о сжатии данных и методах их шифрования.

   Эта архитектура позволяет обеспечить логическую (между уровнями 1 и 2) и  физическую (между уровнями 2 и 3) независимость  при работе с данными. Логическая независимость предполагает возможность изменения одного приложения без корректировки других приложений, работающих с этой же базой данных. Физическая независимость предполагает возможность переноса хранимой информации с одних носителей на другие при сохранении работоспособности всех приложений, работающих с данной базой данных.

Иерархическая модель: ее достоинства  и недостатки

    Иерархическая модель появилась впервые в результате обобщения структур данных языка Кобол. В иерархических моделях основная структура представления данных имеет форму дерева. На самом высшем (первом)  уровне иерархии находится только одна вершина, которая называется корнем дерева. Эта вершина имеет связи с вершинами второго уровня, вершины второго уровня имеют связи с вершинами третьего уровня и т.д. Связи между вершинами одного уровня отсутствуют. Следовательно, данные в иерархической структуре не равноправны – одни жестко подчинены другим.  Доступ к информации возможен только по вертикальной схеме, начиная с корня, так как каждый элемент связан только с одним элементом на верхнем уровне и с одним или несколькими на низком.   

Пример дерева (схемы иерархической БД):

   Здесь Отдел является предком (корень дерева) для Начальник и Сотрудники, а Начальник и Сотрудники – потомки Отдел.

   Основными информационными единицами в  иерархической модели являются: база данных (БД), сегмент и поле. Сегмент в терминологии Американской Ассоциации по базам данных называется записью, при этом в рамках иерархической модели определяются два понятия: тип сегмента или тип записи и экземпляр сегмента или экземпляр записи.Тип сегмента — это поименованная совокупность типов элементов данных, в него входящих. Экземпляр сегмента образуется из конкретных значений полей или элементов данных, в него входящих

   К достоинствам иерархической модели данных можно отнести: 1) эффективное использование памяти ЭВМ;  2) скорость выполнения основных операций над данными; 3) удобство работы с иерархически упорядоченной информацией 
       Недостатки иерархической модели представления данных: 1) громоздкость данной модели для обработки информации с достаточно сложными логическими связями; 2) трудность в понимании ее функционирования обычным пользователем.

Сетевая модель: ее достоинства  и недостатки

   Стандарт сетевой модели впервые был определен в 1975 году организацией CODASYL (Conference of Data System Languages), которая определила базовые понятия модели и формальный язык описания. Сетевая модель – это структура, у которой любой элемент может быть связан с любым другим элементом

   Базовыми  объектами модели являются: элемент данных; агрегат данных; запись; набор данных. Элемент данных — то же, что и в иерархической модели, то есть минимальная информационная единица, доступная пользователю с использованием СУБД. Агрегат данных соответствует следующему уровню обобщения в модели. В модели определены агрегаты двух типов: агрегат типа вектор и агрегат типа повторяющаяся группа.

Простой пример сетевой схемы БД:

 
Достоинства сетевой модели представления данных:

1. эффективность в использовании памяти ЭВМ
2. высокая скорость выполнения основных операция над данными
3. сетевая модель обладает большими возможностями в смысле возможности образования произвольных связей

Недостатки  сетевой модели представления данных:

1. высокая сложность и жесткость схемы БД, построенной на ее основе
2. трудность для понимания и выполнения обработки информации в БД непрофессиональным пользователем
3. в сетевой модели данных ослаблен контроль целостности связей вследствие допустимости установления произвольных связей между записями.