43. Понятие предметной области. Виды моделей баз данных. Иерархическая и сетевая модели

Основа информационной системы, объект ее обработки - база данных (БД). База данных - это совокупность сведений о конкретных объектах реального мира в какой-либо предметной области или разделе предметной области. Например, база данных по вузам (высшее образование), база данных по лекарственным препаратам (медицина), база данных по автомобилям (автомагазин), база данных по стройматериалам (склад) и т.п.

Ядром любой базы данных является  модель данных, которая представляет собой структуру данных, соглашения о способах их представления и операций манипулирования ими. Иными словами, это формализованное описание объектов предметной области и взаимосвязей между ними.

Взаимосвязи могут быть типизированы по трем видам:

- «один к одному» - когда один объект может быть связан строго только с одним объектом;

- «один к многим» - когда один объект может быть взаимосвязан с многими другими;

- «многие к многим» - когда один и тот же объект может быть взаимосвязан с другими объектами во многих вариантах.

Применение трех видов связей предопределило и три вида моделей баз данных: иерархическую, сетевую и реляционную.

 Иерархическая структура представляет собой совокупность элементов, в которой данные одного уровня подчинены данным другого уровня, а связи между элементами образуют древовидную структуру. В такой структуре исходные элементы порождают другие элементы, причем эти элементы в свою очередь порождают следующие элементы и т.д. Существенно то, что каждый порожденный элемент имеет только одного «родителя». Обратите внимание, что в иерархической структуре порождающим элементом может быть не объект сам по себе, а только конкретный экземпляр объекта. Примером иерархической базы данных может служить генеалогическое древо вашей семьи. Модель данных принято представлять ее логической структурой.

Пусть необходимо разработать логическую структуру базы данных для хранения данных о трех поставщиках: П₁, П₂. П₃, которые могут поставлять товары Т₁,Т₂,Т₃. Пусть при этом из анализа деятельности поставщиков определено, что поставщик П₁ может поставлять все три типа товаров Т₁,Т₂,Т₃ , поставщик П₂ может поставлять только товары Т₁,Т₂, а поставщик П₃ – только товары Т₂,Т_{3 .}

Тогда иерархическая модель будет иметь древовидную структуру, изображенную на рисунок 12.1.

П

П₁

П₂

П₃

Т₂

Т₁

Т₃

Т₁

Т₂

Т₂

Т₃

Рисунок 12.1- Структура иерархической модели базы данных

Как следует из анализа структуры, представленной на рисунке 12.1.1, она является иерархической трехуровневой. На верхнем (первом) уровне находится информация об абстрактном объекте – «поставщики» (П), на втором – о конкретных поставщиках П₁, П₂. П₃ , на нижнем (третьем) уровне – о конкретных товарах, которые могут поставлять конкретные поставщики.

При разработке иерархической модели должны выполняться следующие правила:

- каждый порожденный объект (его называют «узел») не может иметь более одного порождающего объекта (узла), т.е. может иметь только одну входящую стрелку;

- во всей структуре модели может быть только один непорожденный узел (без входящей стрелки). Его называют «корнем дерева»;

- на нижнем уровне всегда находятся узлы, не имеющие выходных стрелок. Их называют «листья дерева».

В самой базе данных узлы интерпретируются как «записи». Для поиска требуемой записи необходимо двигаться только «сверху –вниз» от корня к листьям, всегда за один проход захватывая только одну «ветвь» дерева (например, П – П₁ – Т₁.). Это существенно упрощает доступ у данным. Вторым достоинством иерархической структуры является то, что она позволяет описывать структуру БД как на логическом, так и на физическом уровнях.

Недостатками данной модели является жесткая фиксируемость взаимосвязей между элементами данных, вследствие чего любые изменения объектов и особенно их взаимосвязей в предметной области ведет к необходимости изменения структуры модели. Быстрота доступа у данному объекту в иерархической модели достигается за счет уменьшения информационной гибкости базы данных (за один проход по дереву данных невозможно получит информацию, например, о том какие поставщики поставляют товар Т₁). Эти недостатки существенно ограничивают возможности применения такой модели.

В иерархической модели используются связи только вида «один к многим». Если в рассматриваемой предметной области присутствуют взаимосвязи «многие к многим», то необходимо переходит к сетевой модели базы данных.

В сетевых структурах каждый порожденный элемент может иметь более одного порождающего элемента. Сетевая модель данных отличается от иерархической тем, что каждый элемент сетевой структуры данных связан с любым другим элементом. Примером сложной сетевой структуры может служить структура базы данных, содержащая сведения об учащихся, занимающихся в различных кружках. При этом возможны занятия одного и того же ученика в разных кружках, а также посещение несколькими учениками занятий одного кружка.

Для предметной области о поставщиках товаров структура сетевой модели примет вид, изображенный на рисунке 12.2.

Рисунок 12.2- Структура сетевой модели базы данных

В сетевых моделях принято делить все типы данных на две группы:

- независимые (основные). В данном примере это данные об объектах –поставщиках (П₁, П₂. П₃);

- зависимые (неосновные). В данном примере это данные об объектах –товарах (Т₁,Т₂,Т₃).

Достоинством сетевой модели является ее значительно большая информационная гибкость по сравнению с иерархической моделью. Однако при этом сохраняется общий недостаток – достаточно жесткая структура, что препятствует развитию информационной базы системы управления.

Сетевые и иерархические структуры можно свести к простым двумерным таблицам.

При необходимости частой реорганизации информационной базы (например, при использовании настраиваемых базовых технологий) применяют, так называемую, реляционную модель базы данных, ставшую в настоящее время по существу стандартом в разработке и проектировании баз данных информационных систем различного назначения.