Модель данных.

Основу механизмов управления данными любой СУБД составляет некоторая модель данных. Так называется инструмент моделирования предметной области, позволяющий отображать ее состояние и динамику в среде БД, управляемой системой. Более точно, модель данных – это совокупность правил структурирования данных в БД, допустимых операций над ними и ограничений целостности, которым эти данные должны удовлетворять. Если некоторая модель данных реализуется механизмами управления данными определенной СУБД, то говорят, что эта СУБД поддерживает указанную модель данных. СУБД может поддерживать несколько моделей данных. Такую систему называют мультимедийной. Прежде всего, модель данных представляет собой средство выражениямодели предметной области в среде системы БД. Поэтому можно рассматривать модель данных как метамодель для описания различных предметных областей в среде выбранной СУБД.

Однако для разработчика и пользователей СУБД единственно конструктивной является «материализация» модели данных в форме полной спецификации воплощающей ее языковые средства – языка определения данных и языка манипулирования данными.

Модель данных определяет не только структурные и операционные возможности моделирования данных, но и виды допустимых ограничений целостности данных (логические ограничения). Эти ограничения дают возможность СУБД следить за тем, чтобы в базе данных содержались только допустимые значения данных и между ними поддерживались только допустимые связи. В современном понимании модель данных – это не результат, а инструмент моделирования предметной области.

В процессе эволюции технологий БД было создано значительное количество разнообразных моделей данных. Разрабатываются сейчас и будут разрабатываться в дальнейшем новые модели. Такая ситуация является следствием реальных потребностей практики обработки данных. В каждом случае разработки системы БД нужно иметь возможности выбора способа виденияпредметной области, адекватного потребностям пользователей.

28. Какие известны ранние модели данных, как называются и чем они характерны? Сетевая модель данных. Иерархическая модель данных.

Ранние модели данных называются графовыми моделями. Они представляют собой инструменты для создания и использования различных разновидностей БД сетевой и иерархической структуры данных. Классическими представителями таких моделей являются – сетевая модель данных CODASYL (СУБД IDMS компании CULINET) и иерархическая модель данных (СУБД IMS компании IBM).

Хотя в настоящее время в большинстве коммерческих СУБД используются реляционные, объектные и объектно-реляционные модели данных, до сих пор эксплуатируется значительное количество установок СУБД, основанных на графовых моделях.

Это модель данных, относящаяся к категории графовых моделей. Основные элементы структуры сетевой БД CODASYL – это тип записи и тип набора данных. Тип записи определяет множество записей (экземпляров записей) БД, обладающих структурой и другими свойствами, специфицированными в описании данного типа записей в схеме базы данных.

Тип набора CODASYL представляет собой множество наборов, обладающих структурой и другими свойствами, определенными в схеме БД для этого типа набора. Все экземпляры записей одного набора соединяются указателями в цепной список. Указатели обеспечивают обход всех записей в прямом и обратном направлении. В сетевой модели данных CODASYL были разработаны языки манипулирования данными для языков программирования Кобол и Фортран.

На основе модели данных CODASYL был создан ряд широко распространенных коммерческих СУБД. В 1968 году была создана международная Рабочая группа по БД CODASYL, где был представлен полный комплекс языковых средств описания данных иманипулирования данными. В документах CODASYL были впервые систематизированы и сформулированы некоторые фундаментальные концепции технологии БД. Была впервые предложена концепция многоуровневой архитектуры СУБД. Процедуры БД CODASYL стали средством создания активных БД задолго до того, как в языке SQL была предложена аналогичная концепция триггера.

Представителем другой модели данных является СУБД IMS компании IBM Corp. Система IMS эксплуатируется до настоящего времени на платформах мейнфреймов, выпускаемых той же компанией IBM. Иерархическая модель данных является хрестоматийной разновидностью графовой модели данных. Вершинам деревьев соответствуют сегменты некоторых типов. Сегменты представляют собой записи, состоящие из простых элементов данных различных типов.

Представителем этой модели данных является СУБД IMS. Система IMS эксплуатируется до настоящего времени на платформах мейнфреймов, выпускаемых той же компанией IBM. Иерархическая модель данных является хрестоматийной разновидностью графовой модели данных. Вершинам деревьев соответствуют сегменты некоторых типов. Сегменты представляют собой записи, состоящие из простых элементов данных различных типов.

Экземпляр сегмента каждого типа идентифицируется уникальным значением ключа, определенного для сегментов этого типа. БД представляет собой совокупность таких деревьев. Наряду с навигационными операциями поддерживаются операции манипулирования данными – вставка, обновление и удаление сегментов с естественным каскадным распространением операции удаления.

29. Реляционная модель данных. Объектная модель данных. Объектно–реляционная модель данных.

Реляционная модель была предложена в 1969г. Э. Коддом, сотрудником исследовательского центра компании IBM в Сан-Хосе (Калифорния). Она получила название базовой реляционной модели и стала основой коммерческих реляционных СУБД.

Эта модель основана на математическом понятии отношения (от англ. relation). Операционные возможности модели имеют две эквивалентные формы, одна из которых – реляционная алгебра (Булева алгебра), другая – реляционное исчисление. Это позволило сформировать развитую математическую теорию реляционных моделей данных. СУБД, поддерживающие реляционную модель заняли доминирующее положение среди инстру­ментальных средств разработки систем БД.

В соответствии с реляционной моделью данных база данных (БД) представляется в виде совокупности таблиц, над которыми могут выполняться операции, формулируемые в терминах реляционной алгебры или реляционного исчисления. В реляционной модели операции над объектами БД имеют теоретико-множественных характер. Каждая операция манипулирования данными в такой модели обрабатывает множество строк таблицы. Это дает возможность пользователям формулировать их запросы более компактно, в терминах более крупных конструкций данных.

Однако такой подход порождает и сложные проблемы, связанные с обеспечением достаточно высокого уровня производительности СУБД этого класса, которые приходится решать разработчикам таких СУБД.

Другая проблема возникает, когда нужно обеспечить интерфейс СУБД, поддерживающей реляционную модель данных, с программами на традиционных языках программирования. Она заключается в несоответствии структур данных модели и языков программирования, ориентированных на «позаписную» обработку. Для ее решения пришлось дополнить реляционную модель данных специальной согласующей конструкцией данных, называемой курсором. Курсор – это временная таблица, содержащая результаты обработки запроса. Прикладная программа может последовательно просматривать строки такой таблицы (курсора) и обрабатывать их индивидуально.

Характерной чертой графовых и реляционных моделей данных является подход к данным как к самостоятельно существующим абстрактным объектам.

Эта модель была предложена в 1969г. Э. Коддом, сотрудником исследовательского центра компании IBM в Сан-Хосе (Калифорния). Она получила название базовой реляционной модели и стала основой коммерческих реляционных СУБД.

Еще в середине 1970-х годов начали проводиться исследования и разработки моделей данных нового типа, призванных решить задачу семантики предметной области. Такие модели данных стали называться семантическими. В их создании приняли участи многие крупные научные центры, как у нас, так и за рубежом. Тем не менее, семантические модели данных не стали основой создания коммерческих СУБД для широкого использования.

В конце 1980-х годов успехи объектно-ориентированного программирования стимулировали разработки СУБД, основанных на объектной модели данных. В отличие от реляционных систем среди разработчиков объектных СУБД в течение значительного времени не существовало единодушия конкретного воплощения объектной модели данных. Многочисленные разновидности объектной модели данных получили широкое распространение в области программирования БД и информационных систем. Популярность объектного подхода в области баз данных в значительной мере объясняется предоставляемыми им более естественными возможностями моделирования предметной области, чем при использовании графовых моделей данных и реляционной модели данных.

В объектных моделях предусматривается отношение наследования между типами объектов. Подтип наследует атрибуты состояния и операции своего типа.

На основе объектных моделей в конце 1980-90 годов возникла новая категория СУБД, называемых объектными СУБД.

Основным понятием объектных моделей данных является объект. При этом объект понимается как сущность, обладающая состоянием и поведением. Состояние объекта определяется совокупностью его атрибутов, которые могут принимать значения предписанных типов. Поведение объекта, в свою очередь, определяется совокупностью операций, специфицированных для этого объекта.

Объекты в объектных моделях типизируются. Свойства типа объектов (атрибуты и операции) применяются ко всем его экземплярам. Поддерживаются связи между типами объектов. Были разработаны технологии неоднородных распределенных объектных систем, новые методологии объектного анализа и проектирования сложных программных и информационных систем. Для объектных СУБД актуальной стала проблема стандартизации. Эта проблема была решена в 1993 году рабочей группой ODMG, которая разработала стандарт объектных баз данных (ODMG-93). Действующий в настоящее время стандарт был одобрен международным консорциумом в 2000 г. Объектные СУБД стали широко применяться во многих крупных проектах информационных систем. Эта среда включает объектные технологии языка Java для создания неоднородных распределенных объектных сред и компонентную модель консорциума ODMG. Немаловажное значение имеет также возможность интегрировать объектные технологии в среду Веб.

Объектно–реляционная модель данных.Это гибридная модель данных, сочетающая возможности реляционной модели с поддержкой объектных свойств данных. Такие модели стали использоваться как паллиатив, обеспечивающий преодоление ограниченных возможностей реляционной модели, которые препятствовали эффективной реализации многих приложений:

-слабая система типов данных;

-сложности интеграции в новые технологические среды, которые основаны, главным образом, на объектных моделях.

В настоящее время в большинстве коммерческих СУБД используются реляционные, объектные и объектно-реляционные модели данных. Объектно-реляционный подход в технологиях баз данных получил основательную поддержку благодаря принятой в 1999 году очередной версии международного стандарта языка SQL (SQL-1999). В этом стандарте воплощен некоторый вариант объектно-реляционной модели данных, обеспечивающий преемственность для реляционной модели, поддерживаемой ранними версиями языка SQL.