6.Модели данных

Современные СУБД основываются на использовании моделей данных (МД), позволяющих описывать объекты предметных областей и взаимосвязи между ними. Существуют три основные МД и их комбинации, на которых основываются СУБД: реляционная модель данных (РМД), сетевая модель данных (СМД), иерархическая модель данных (ИМД).

Основное различие между этими МД состоит в способах описания взаимодействий между объектами и атрибутами. Взаимосвязь выражает отношение между множествами данных. Используют взаимосвязи «один к одному», «один ко многим», «многие ко многим».

«Один к одному» – это взаимно однозначное соответствие, которое устанавливается между одним объектом и одним атрибутом.

«Один ко многим» – это соответствие между одним объектом и многими атрибутами.

«Многие ко многим» – это соответствие между многими объектами и многими атрибутами.

Реляционная МД. РМД в последнее время получили широкое распространение вследствие простой формы представления данных, а также развитому теоретическому аппарату, позволяющему описывать различные преобразования реляционных данных. В РМД объекты и взаимосвязи между ними представляют в виде таблиц. Такая форма представления очень удобна для специалистов, использующих много справочной литературы. Таблица, состоящая из строк и столбцов, называется отношением. Каждый столбец в таблице является атрибутом. Строки таблицы являются картежами, т.е. упорядоченными множествами. Значения в столбце определяют из множества значений, которые принимает атрибут. Столбцы таблицы – это элементы данных, а строки – записи.

Основное достоинство реляционного подхода – его простота и доступность. Пользователи абстрагированы от физической структуры памяти. Это позволяет эксплуатировать БД без знания методов и способов ее построения. Основные достоинства РМД следующие: простота, независимость данных, гибкость, непроцедурные запросы, теоретическое обоснование на основе теории отношений.

Основные недостатки РМД: низкая производительность, по сравнения с СМД и ИМД, сложность ПО, избыточность.

Иерархическая МД. Она основана на понятии деревьев, состоящих из вершин и ребер. Вершина дерева ставится в соответствие совокупности атрибутов данных, характеризующих некоторый объект. Вершины и ребра дерева как бы образуют иерархическую древовидную структуру (ИДС), состоящую из n-уровней.

Первую вершину в дереве называют корневой вершиной ИДС. Она удовлетворяет семи условиям:

1. Иерархия начинается с корневой вершины.

2. Каждая вершина соответствует одному или нескольким атрибутам.

3. На уровнях с большим номером находятся зависимые вершины. Вершина предшествующего уровня является начальной для новых зависимых вершин.

4. Каждая вершина, находящаяся на уровне і, соединена с одной и только одной вершиной уровня і-1, за исключением корневой вершины.

5. Корневая вершина может быть связана с одной или несколькими зависимыми вершинами.

6. Доступ к каждой вершине происходит через корневую, по единственному пути.

7. Существует произвольное количество вершин каждого уровня.

ИМД состоит из нескольких деревьев, т.е. является лесом.

Древовидные иерархические структуры используются в человеком ежедневно. Примером может служить телефонный справочник или любой другой классификатор. В графической диаграмме БД вершины используются для интерпретации типов сущностей, а дуги – связей между ними. Однако в ИМД действуют строгие ограничения на представление связей между сущностями:

• Все типы связей должны быть функциональными.

• Структура связей должна быть древовидной.

Выбор ИМД осуществляет администратор БД на основе операционных характеристик. Введение двух ИМД, связанных между собой, позволяет решать вопросы удаления и добавления данных.

Достоинства ИМД – простота построения и использования, обеспечение определенного уровня независимости данных, наличие существующих СУБД, простота оценки операционных характеристик.

Недостатки – отношение «многие ко многим» реализуется очень сложно, дает громоздкую структуру и требует хранения избыточных данных, что особенно нежелательно на физическом уровне; иерархическая структура усложняет операции удаления и добавления; доступ к любой вершине возможен только через корневую, что увеличивает время доступа.

Сетевые МД. В СМД элементарные данные и отношения между ними представляются в виде ориентированной сети (вершины – данные, дуги – отношения). БД, описываемая сетевой моделью, состоит из нескольких областей. Область содержит записи. Одна запись состоит из нескольких полей. Набор, состоящий из записей, может размещаться в одной или нескольких областях. В СМД объекты предметной области объединяются в сеть. Графическая сетевая модель представляется в виде графа, содержащего прямоугольники и стрелки. Каждый тип записи может содержать множество атрибутов. Все записи, принадлежащие одному типу, объединяются в массив и упорядочиваются. Таким образом, полная идентификация записи в БД определяется именем массива (файла), типом записи и системным идентификатором, который уникален для каждой записи. Важным отличием СМД от ИМД состоит в том, что в СМД каждая запись может быть в любом числе наборов и может находиться на любом иерархическом уровне. Следовательно любая запись может быть задана как точка входа.

Достоинства СМД – наличие реализованных СУБД, обеспечивающих эту модель, простота реализация отношений «многие ко многим».

Недостаток СМД – сложность. При реорганизации БД возможна потеря независимых данных. Банки данных

Банки данных предназначены для хранения структурированных данных и использования их при решении широкого спектра задач. Пользователи при решении своих задач реализуют доступ к данным не простой адресацией, а через описание данных на более высоком логическом уровне, поскольку функции организации, хранения и управления данными на физических носителях возложены на банк данных.

Банк данных представляет собой совокупность БД и СУБД. БД содержит все необходимые прикладные и управляющие данные, которые могут быть использованы в процессах накопления, хранения и поиска информации. Банк данных может содержать одну или несколько БД, используемых в процессах автоматизированного проектирования.

В системах автоматизированного проектирования необходимо иметь по крайней мере четыре типа баз данных: административная база данных; технологическая база данных; база данных описания объекта проектирования; рабочая база данных.

Административная база данных – это, в общем случае, архив, в котором хранятся различные документы, такие, как описания чертежей, технологические карты, спецификации. Она заменяет обычный архив и реализует функции накопления, хранения, поиска и репродуцирования документов.

Технологическая база данных содержит данные, относящиеся к описанию технологических процессов и их поддержке. К ним можно отнести данные по нормированию технологических процессов, национальные и международные стандарты, инструкции, ведомости расхода сырья и материалов, другие технологические документы.

База данных описания объекта проектирования содержит все данные, необходимые для его полного отражения в памяти ЭВМ. К таким данным относятся идентификационные, классификационные, данные о пространственном положении объекта, технологические данные. Данные о пространственном положении объекта включают геометрические и размерные данные. Технологические данные в этом случае - это характеристики изготовления, сопоставленные с геометрическими параметрами объекта. Оперативная обработка БД объекта осуществляется с помощью внутримашинного представления, а ведение – с помощью СУБД.

Рабочая БД содержит временные промежуточные данные, которые вырабатываются в процессе выполнения программных модулей САПР.

Основой для многоаспектной обработки одних и тех же данных в различных процессах, защиты их от несанкционированного доступа и накопления больших объемов информации является структуризация данных в проблемно-независимых моделях данных и организация гибкого инвариантного интёрфейса между банком данных и прикладными задачами.