2. Основные понятия баз данных, структур данных и систем управления базами данных.

• Понятие данных. Понятие базы данных. Понятие системы управления базой данных. Понятие хранилища данных.
• Основные типы структур данных. Иерархии или деревья. Понятие сетевой организации данных. Табличное представление данных – основа реляционной модели. Комбинированные структуры данных.
• Классификация баз данных. Иерархические, сетевые, реляционные, полнотекстовые и объектно-ориентированные базы данных. Документальные, фактографические, мультимедийные базы данных. Персональные базы данных, базы данных рабочих групп, базы данных масштаба предприятия. Централизованные, сетевые и распределённые базы данных.

Логические модели данных

Иерархическая модель данных

Логическая БД состоит из поименованной совокупности записей. Она может содержать один или несколько типов записей, которые, в свою очередь, могут иметь различную структуру. Запись логической БД данных представляет собой совокупность сегментов, связанных между собой в иерархическую структуру (дерево). Она может содержать один или несколько типов сегментов, каждый из которых может иметь свой формат и свою длину.

Сегмент - это поименованная единица данных фиксированной длины, которая может содержать одно или несколько полей. Понятие "сегмент" в некотором смысле аналогично понятию "запись" и является важной частью логической структуры БД. Сегменты различаются по типу, а каждый тип характеризуется фиксированной длиной и конкретным разбиением на поля данных.

Два связанных сегмента, расположенные на смежных уровнях (рис.1), называются исходными (для более высокого уровня) и порожденными (для более низкого).

Рис.1.Типы сегментов в иерархическом представлении данных

Иерархическая запись есть система иерархически взаимосвязанных сегментов, в которой каждый порожденный сегмент представлен столько раз, сколько необходимо для полного раскрытия исходного сегмента. В каждой логической структуре БД имеется единственный сегмент, который не зависит ни от какого другого сегмента. Этот сегмент называется головным или корневым (см. рис. 1). В корневом сегменте обычно располагается идентификатор объекта, свойства которого раскрываются в сегментах второго и более глубоких у ровней иерархии. Все сегменты одного типа, которые порождены одним и тем же исходным сегментом, называются подобными.

Сетевая модель данных

Концепция сетевой модели данных связана с именем известного специалиста в области систем обработки данных Ч. Бахмана. Будучи одним из идеологов СУБД сетевого типа, он оказал существенное влияние на разработку проекта Рабочей группы по базам данных КОДАСИЛ (CODA-SYL) - Ассоциации по языкам и системам обработки данных [6]. Эта ассоциация внесла большой вклад в разработку теории сетевых моделей данных, языков описания и манипулирования СУБД. Сетевые СУБД используют модель представления данных в виде произвольного графа.

Основной конструкцией сетевой модели данных является набор. Набор представляет собой поименованную совокупность записей, образующих двухуровневую иерархическую структуру, причем один тип записи определяется как "владелец", а другие типы записей являются "членами" набора. Каждый экземпляр набора состоит из одного экземпляра записи-владельца и одного или более экземпляров записей-членов.

Рассмотрим сетевую модель данных об исполнителях и научно-исследовательских работах (рис. 2). Узлами сети являются отдельные экземпляры записи, которые являются единицей доступа. Сеть является более общей структурой в сравнении с иерархией (деревом), так как отдельный узел может иметь произвольное количество непосредственно старших узлов, также как и произвольное количество непосредственно подчиненных узлов.

Исполнитель

Количество

Работы

 Рис.2.Сетевое представление данных

Каждый экземпляр записи-набора представляет иерархические связи между экземпляром записи- владельца и соответствующими экземплярами записей -членов. Это является следствием того ограничения, что ни один экземпляр записи-члена набора не может принадлежать в каждый момент времени более чем одному экземпляру набора. Основными недостатками сетевой модели данных являются следующие: сложная структура памяти, а также необходимость понижать сложность сетевой модели, а именно исключать имеющиеся циклы.

Реляционная модель данных

 Практически все СУБД персональных компьютеров поддерживают реляционную модель данных. Реляционная модель данных является моделью, которая легка для понимания и имеет очень много возможных приложений. Реляционная база данных состоит из набора таблиц. Эти таблицы удовлетворяют определенным ограничениям, а потому могут рассматриваться как математические отношения. Строки таких таблиц (экземпляры записей) называются кортежами, или выборками. Столбцы (элементарные типы) часто называются атрибутами, или полями записи. Домен представляет собой множество, набор значений, из которого извлекаются значения для данного атрибута. Связи устанавливаются между отношениям и неявно определены на перекрывающихся доменах.

Перечислим условия и ограничения, накладываемые на отношения реляционной моделью данных, которые позволяют таблицы считать отношениями:

• Все строки таблицы должны быть уникальны.
• Все строки таблицы должны иметь одну и ту же структуру, т.е. одно и то же количество атрибутов с соответственно совпадающими именами.
• Имена столбцов таблицы должны быть различны, а значения столбцов должны быть однотипными.
• Значения атрибутов должны быть атомарными, т.е. отношения не могут иметь в качестве компонент другие отношения.
• Порядок следования строк в таблице несущественен, так как влияет лишь на скорость доступа к строке.

Каждое отношение (таблица) в ПК представляется в виде файла. Между ними существуют следующие соответствия:

Реляционные СУБД в наибольшей степени соответствуют техническим возможностям персональных компьютеров и в наиболее полном варианте включают следующие компоненты:

• Среда пользователя, дающая возможность непосредственного управления данными с клавиатуры.
• Алгоритмический язык для программирования прикладных систем обработки данных, реализованный как интерпретатор. Последнее позволяет быстро создавать и отлаживать программы.
• Компилятор для придания завершенной программе вида готового коммерческого продукта в форме независимого ЕХЕ-файла.
• Программы- утилиты быстрого программирования, рутинных операций (генераторы программ отчетов, форматов экранов, меню и других приложений).
• Встроенная программа интерактивной помощи, а иногда и наличие интерактивной обучающей программы.

 Преимущества, которыми обладает реляционная БД:

• Использование двумерных таблиц для представления большинства структур данных является, безусловно, самым простым способом работы с БД.
• Операции проекции и соединения позволяют легко "разрезать" и "склеивать" отношения; таким образом, можно получать разнообразные файлы баз данных в нужной им форме.
• Направленные связи, ставшими обычным явлением в базах данных, могут быть опущены.
• Отношения по своей природе обладают более точным смыслом и подаются математически точным методам манипулирования с использованием таких средств, как реляционная алгебра и исчисление отношений.
• Контроль секретности, санкционированности доступа упрощается, так как для каждого отношения задается правомерность, возможность доступа.
• Реляционное представление дает ясную картину взаимосвязи атрибутов из различных отношений. Физическое размещение табличных файлов может оказаться намного проще, чем размещение иерархических и сетевых структур.
• Исключение сложных указателей связи в файле снижает не только требования к программированию обработки данного файла, но и к аппаратуре, разрабатываемой с ориентацией на ускоренный поиск (например, наличие ассоциативного процессора не обязательно).
• Как правило, структура БД должна допускать возможность ее роста, то есть добавления новых атрибутов и отношений. Могут добавляться новые выборки и удаляться старые. То же самое касается и элементов данных. При задании баз данных с независимым программным обеспечением перестройка данных не потребует применения прикладных программ. Вообще независимость данных проще обеспечить в реляционной БД, чем в случае иерархических и сетевых структур.
• Другими преимуществами данной модели являются простота языка манипулирования данными и ясность логической схемы БД.

В заключении следует отметить, что по мере снижения стоимости обработки информации на ПК, с одной стороны, и непрерывного увеличения затрат на программирование - с другой, преимущества реляционного подхода растут.