3.2. Модели баз данных

Организация данных и способы доступа к ним, обеспечиваемые конкретной СУБД, называются моделью данных.

Существующие базы данных разработаны на основе иерархической, сетевой, реляционной, многомерной и объектно-ориентированной моделей данных или их подмножеств.

Иерархические базы данных

В основе данной модели - иерархическая модель данных. В этой модели имеется один главный объект и остальные - подчиненные - объекты, находящиеся на разных уровнях иерархии. Взаимосвязи объектов образуют иерархическое дерево с одним корневым объектом.

Иерархическая БД состоит из упорядоченного набора нескольких экземпляров одного типа дерева. Автоматически поддерживается целостность ссылок между предками и потомками. Основное правило: никакой потомок не может существовать без своего родителя (см. рис. 11).

Рис. 11. Схема иерархической модели данных

Пример иерархической архитектуры БД

Сетевые базы данных

Сетевой подход к организации данных является расширением иерархического. В иерархических структурах запись-потомок должна иметь в точности одного предка; в сетевой структуре данных потомок может иметь любое число предков.

В сетевой модели данных любой объект может быть одновременно и главным, и подчиненным, и может участвовать в образовании любого числа взаимосвязей с другими объектами. Сетевая БД состоит из набора записей и набора связей между этими записями, а если говорить более точно - из набора экземпляров каждого типа из заданного в схеме БД набора типов записи и набора экземпляров каждого типа из заданного набора типов связи (см. рис. 12).

Рисунок 12. Схема сетевой модели

Пример сетевой модели БД Примером сложной сетевой структуры может служить структура базы данных, содержащей сведения о студентах, участвующих в научно-исследовательских работах (НИРС). Возможно участие одного студента в нескольких НИРС, а также участие нескольких студентов в разработке одной НИРС.

Реляционные системы

Реляционная модель данных положена в основу большинства современных СУБД. Достоинствами модели являются простота размещения данных и удобство их интерпретации.

Реляционная модель ориентирована на организацию данных в виде таблиц (отношений).

Таблица базы данных (table) - регулярная структура, которая состоит из однотипных строк (записей, records), разбитых на столбцы (поля, fields).

В теории реляционных баз данных синоним таблицы - отношение (relation), в котором строка называется кортежем, а столбец называется атрибутом.

Рисунок 13. Реляционная модель

Пример реляционной БД

N личного дела	Фамилия	Имя	Отчество	Дата рождения	Группа
16493	Сергеев	Петр	Михайлович	01.01.76	111
16593	Петрова	Анна	Владимировна	15.03.75	112
16693	Анохин	Андрей	Борисович	14.04.76	111

Многомерные (постреляционные) базы данных

В настоящее время известны также так называемые "постреляционные" СУБД, в основе которых лежат модель данных в виде многомерных таблиц и широкое использование принципов объектно-ориентированного подхода при организации баз данных и программировании. Такие технологии носят название OLAP и используются для реализации громостких аналитических функций.

OLAP предоставляет удобные быстродействующие средства доступа, просмотра и анализа деловой информации. Пользователь получает естественную, интуитивно понятную модель данных, организуя их в виде многомерных кубов (Cubes). Осями многомерной системы координат служат основные атрибуты анализируемого бизнес-процесса. Например, для продаж это могут быть товар, регион, тип покупателя. В качестве одного из измерений используется время. На пересечениях осей - измерений (Dimensions) - находятся данные, количественно характеризующие процесс - меры (Measures). Это могут быть объемы продаж в штуках или в денежном выражении, остатки на складе, издержки и т. п. Пользователь, анализирующий информацию, может "разрезать" куб по разным направлениям, получать сводные (например, по годам) или, наоборот, детальные (по неделям) сведения и осуществлять прочие манипуляции, которые ему придут в голову в процессе анализа.

В качестве мер в трехмерном кубе, изображенном на рис. 14, использованы суммы продаж, а в качестве измерений - время, товар и магазин. Измерения представлены на определенных уровнях группировки: товары группируются по категориям, магазины - по странам, а данные о времени совершения операций - по месяцам. Чуть позже мы рассмотрим уровни группировки (иерархии) подробнее.

Рисунок 14. Пример куба

"Разрезание" куба

Даже трехмерный куб сложно отобразить на экране компьютера так, чтобы были видны значения интересующих мер. Что уж говорить о кубах с количеством измерений, большим трех? Для визуализации данных, хранящихся в кубе, применяются, как правило, привычные двумерные, т. е. табличные, представления, имеющие сложные иерархические заголовки строк и столбцов.

Двумерное представление куба можно получить, "разрезав" его поперек одной или нескольких осей (измерений): мы фиксируем значения всех измерений, кроме двух, - и получаем обычную двумерную таблицу. В горизонтальной оси таблицы (заголовки столбцов) представлено одно измерение, в вертикальной (заголовки строк) - другое, а в ячейках таблицы - значения мер. При этом набор мер фактически рассматривается как одно из измерений - мы либо выбираем для показа одну меру (и тогда можем разместить в заголовках строк и столбцов два измерения), либо показываем несколько мер (и тогда одну из осей таблицы займут названия мер, а другую - значения единственного "неразрезанного" измерения).

Взгляните на рис. 3 - здесь изображен двумерный срез куба для одной меры - Unit Sales (продано штук) и двух "неразрезанных" измерений - Store (Магазин) и Время (Time).

Рисунок 15. Двумерный срез куба для одной меры

На рис. 4 представлено лишь одно "неразрезанное" измерение – Store (магазин), но зато здесь отображаются значения нескольких мер - Unit Sales (продано штук), Store Sales (сумма продажи) и Store Cost (расходы магазина).

Рисунок 16.. Двумерный срез куба для нескольких мер

Объектно-ориентированные БД

Объектно-ориентированная база данных (ООБД) — база данных, в которой информация оформлена в виде объектов.

Каждый объект имеет состояние и поведение. Состояние объекта — набор значений его атрибутов. Поведение объекта — набор методов (программный код), оперирующих над состоянием объекта. Значение атрибута объекта - это тоже некоторый объект или множество объектов. Состояние и поведение объекта инкапсулированы в объекте; взаимодействие между объектами производится на основе передачи сообщений и выполнении соответствующих методов.

Благодаря использованию ООБД стало возможным не делить многочисленные изображения на элементы данных, а оформлять их в виде объектов. Затем ООБД стали использоваться в высокопроизводительных процессах и задачах, в которых приходится работать с разнородными данными. Очень удобны ООБД при выполнении распределённой обработки данных.

ООБД хорошо вписываются в архитектуру клиент-сервер. Здесь клиенты обращаются к объектам базы, размещённым на сервере, считывают данные о них и локально их обрабатывают. Управление ООБД осуществляет объектно-ориентированная система управления базой данных.

Любая сущность реального мира в объектно-ориентированных языках и системах моделируется в виде объекта. Любой объект при своем создании получает генерируемый системой уникальный идентификатор, который связан с объектом во все время его существования и не меняется при изменении состояния объекта.

Объектно-ориентированная СУБД - это система, позволяющая создавать, хранить и использовать информацию в форме объектов. Полностью объектно-ориентированная СУБД обеспечивает также объектно-ориентированный интерфейс взаимодействия с пользователем.

Наиболее широкое применение объектно-ориентированные базы данных нашли в таких областях, как системы автоматизированного конструирования/производства (CAD/CAM), системы автоматизированной разработки программного обеспечения (CASE), системы управления составными документами на крупных биржах, в банках, страховых компаниях, в сфере телекоммуникаций - в областях не вполне традиционных для баз данных.

Пример использования объектно-ориентированной БД: автофигуры в Ms Word.

Рисунок 17 - Пример использования объектно-ориентированной БД

Распределенные базы данных

Основная задача систем управления распределенными базами данных состоит в обеспечении средства интеграции локальных баз данных, располагающихся в некоторых узлах вычислительной сети, с тем, чтобы пользователь, работающий в любом узле сети, имел доступ ко всем этим базам данных как к единой базе.

Пример распределенной БД

Рисунок 18. Пример использования распределенной БД