Реферат: Учебное пособие Допущено Министерством образования Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности

Министерство образования Российской Федерации

Омский государственный институт сервиса

Кафедра высшей математики и информатики


О. Н. Лучко, Е. В. Морарь, И. В. Червенчук


БАЗЫ ДАННЫХ


Учебное пособие


Допущено Министерством образования Российской Федерации

в качестве учебного пособия для студентов высших учебных

заведений, обучающихся по специальности

"Прикладная информатика в сфере сервиса"





Омск 2003

^ Базы данных: Учебное пособие / О. Н. Лучко, Е. В. Морарь, И. В. Червенчук. Омск: Омский государственный институт сервиса, 2003. 168 с.


ISBN


Целью учебного пособия является систематическое изложение теоретических основ построения баз данных. Рассматриваются основные понятия баз данных. Дается характеристика моделей данных, подробно описывается реляционная модель. Излагаются современные подходы к концептуальному проектированию баз данных. Раскрываются принципы организации баз данных в сетях, а также современные направления развития баз данных. По каждой главе приводятся контрольные вопросы и задания.

Учебное пособие составлено в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по специальности 351400 "Прикладная информатика (по областям)"

Предназначено для студентов специальности 351400 "Прикладная информатика в сфере сервиса", а также может быть полезно студентам всех направлений и специальностей подготовки в области информационных и коммуникационных технологий.


Библиогр.: 32 назв. Рис. 69. Табл. 16

^ Рецензенты: д-р техн. наук, профессор В.И. Потапов (Омский государственный технический университет)

канд. физ.-мат.наук, доцент С.Е. Макаров (Омский государственный университет)

Ответственный за выпуск зав. кафедрой ВМ и И О.Н. Лучко

ISBN

Рекомендовано заседанием кафедры

высшей математики и информатики

Протокол № 8 от 18.03.2003 г.

Утверждено научно-методическим

советом специальности 351400

П
ротокол № 4 от 21.03. 2003 г.

 Омский государственный институт сервиса, 2003

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОГЛАВЛЕНИЕ 5

введение 7

1. Основы построения баз данных 12

1.1. Архитектура системы баз данных 12

1.2. Жизненный цикл базы данных 19

^ 2. Модели представления данных 22

2.1. Классификация моделей данных 22

2.2. Разновидности инфологических моделей данных 26

3. ДатАлогические модели данных 36

3.1. Иерархические модели 36

3.2. Сетевые модели 39

3.3. Реляционные модели 41

3.3.1. Основные понятия реляционной модели 43

3.3.2. Реляционная алгебра 47

3.3.3. Язык запросов по образцу QBE 65

3.3.4. Структурированный язык запросов SQL 80

3.4. Проектирование реляционных баз данных 94

^ 4. Семантическое моделирование 105

4.1. Объектно-ориентированное проектирование 105

4.1.1. Представление объектов 105

4.1.2. Описания классов 107

4.1.3. Атрибуты в ODL 107

4.1.4. Связи в ODL 108

4.1.5. Обратные связи 110

4.1.6. Множественность связей 111

4.1.7. Типы в ODL 114

4.1.8. Проектирование с использованием ODL 116

4.1.9. Подклассы 118

4.1.10. Множественное наследование в ODL 119

4.1.11. Моделирование ограничений 121

4.1.12. Переход от объектно-ориентированной модели 124

к реляционной 124

4.2. Диаграммы "сущность-связь" 125

4.2.1. Компоненты диаграмм "сущность-связь" 125

4.2.2. Множественность E/R-связей 126

4.2.3. Роли в связях 129

4.2.4. Атрибуты связей 130

4.2.5. Конвертирование многосторонних связей в бинарные 132

4.2.6. Проектирование E/R моделей 133

Моделирование ограничений 139

^ 5. БАЗЫ ДАННЫХ В СЕТЯХ 149

5.1. Архитектура "клиент-сервер" 149

5.2. Распределенные базы данных 157

5.3. Базы данных в Интернет 166

6.СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И 170

Перспективы развития баз данных 170

Заключение 179

библиографический список 180

^ ПРИЛОЖЕНИЕ 1 182

Информационные ресурсы Internet 182

приложение 2 183

Словарь терминов 183

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 186

Список сокращений 186

^ ПРИЛОЖЕНИЕ 4 189

Темы рефератов 189

введение


Современный этап развития общества характеризуется его глобальной информатизацией и повсеместным использованием средств информационных и коммуникационных технологий. Широкое использование профессионально-ориентированных информационных систем (ИС) становится важнейшим аспектом деятельности специалистов любого профиля. Данная тенденция как нельзя более характерна для сферы сервиса. Основная задача сервиса – удовлетворение потребностей населения. Данная отрасль, основной функцией которой является оказание широкого спектра услуг, является одной из наиболее динамично развивающихся отраслей, гибко реагирующей на глобальные изменения в жизни общества, к важнейшим из которых относится информатизация всех сфер общества. Традиционные виды деятельности в сфере сервиса, например, торговля или услуги по продаже билетов, в условиях информатизации приобретают новые формы: открываются интернет-магазины, широко используются информационные системы заказа билетов и записи на услуги. В современных условиях все большая доля специалистов, занятых в сервисном обслуживании, приходится на сферу информационного сервиса.

В настоящее время, а тем более в будущем, в условиях широкой информатизации общества все большее распространение будут получать справочные системы, системы информационной поддержки деятельности учреждений, системы поддержки принятия решений, системы автоматизированного учета и контроля, системы автоматизированного проектирования и множество других систем на базе средств информационных и коммуникационных технологий.

Основу функционирования информационных систем составляют базы данных. В широком понимании база данных представляет совокупность сведений о реальных процессах, событиях или явлениях, относящихся к определенной предметной области и организованной таким образом, чтобы обеспечить удобное представление этой совокупности, как в целом, так и в любой ее части.

Истоки технологий баз данных относятся к началу 60-х годов. К этому времени уже был накоплен некоторый опыт решения задач обработки экономической информации средствами технологий файловых систем, основанных на использовании магнитных лент с последовательным доступом к данным. Появление устройств памяти прямого доступа определило начало становления новых технологий, связанных с созданием, поддержкой и использованием баз данных.

В период 60-х–70-х гг. формируются основы методологии построения баз данных. Существенный вклад в технологии баз данных внесла CODASYL (ассоциация представителей крупнейших поставщиков и пользователей средств вычислительной техники), в отчетах которой был впервые проведен систематический анализ разработанного к тому времени программного инструментария и фактически был предложена обобщенная функциональная модель СУБД, впервые сформулированы концепции многоуровневой архитектуры, функционирования систем управления базами данных общего назначения, концепция схемы базы данных и языка определения данных, основополагающие понятия сетевой модели данных. Дальнейшее формирование архитектурной концепции баз данных было продолжено Рабочей группой ANSI/X3/SPARC (была предложена трехуровневая модель систем баз данных, в значительной степени определившая дальнейшее развитие технологий баз данных).

Одновременно с подходом CODASYL формировался иной подход на основе иерархической структуризации данных, оказавший значительное влияние на разработки иерархических СУБД.

Значительный (в свое время по существу революционный) вклад в развитие теории баз данных был сделан американским математиком Э.Ф. Коддом, разработавшим реляционный подход к базам данных. В настоящее время реляционная модель данных не только не утратила своей актуальности, но и получила дальнейшее развитие благодаря объектным технологиям.

Современные технологии баз данных характеризуются объектным подходом, дальнейшим развитием архитектурных принципов "клиент-сервер" и промежуточного слоя, интеграцией неоднородных информационных ресурсов, расширением сферы применения благодаря использованию CASE-средств и др.

Значимость и масштабы проводимых в настоящее время разработок в области баз данных определяются инвестированием огромных финансовых ресурсов в эту сферу. Важнейшее место при этом отводится совершенствованию системы подготовки квалифицированных кадров, одним из важнейших элементов которой является изучение теории систем баз данных.

Эффективность научной и образовательной работы в этой области во многом определяется качеством и доступностью информационных источников. Из опубликованных фундаментальных изданий можно прежде всего отметить русские переводы знаменитого бестселлера К. Дейта "Введение в системы баз данных", монографию А. Саймона "Стратегические технологии баз данных", "Введение в системы баз данных" Д. Ульмана и Д. Вида и др. Следует также отметить большую актуальность для специалистов, преподавателей и студентов недавно появившегося научно-справочного издания "Энциклопедия технологий баз данных" М.Р. Когаловского. Кроме фундаментальной специальной литературы имеется очень большое количество изданий по различным версиям программных продуктов, предназначенных для работы с базами данных. Оперативным источником информации для широкого круга специалистов в рассматриваемой области информатики являются публикации в ведущих научно-технических журналах, материалы крупных международных конференций, информационные ресурсы Интернет.

Знание основных идей и методов в области проектирования профессионально-ориентированных баз данных, владение навыками разработки и внедрения подобных систем становится важнейшим компонентом системы подготовки специалистов, объектами профессиональной деятельности которых являются информационные процессы, определяемые спецификой предметной области. К специалистам такого направления несомненно относятся информатики (с квалификацией в области), подготовка которых в высших учебных заведениях осуществляется на основе Государственного образовательного стандарта (ГОС) высшего профессионального образования специальности 351400 "Прикладная информатика (по областям)". В соответствии с данным стандартом к числу важнейших задач профессиональной деятельности информатика – специалиста по созданию и внедрению профессионально-ориентированных информационных систем в предметной области относится и разработка баз данных.

Настоящее пособие составлено на основе указанного ГОС (данная дисциплина представлена в блоке общепрофессинальных дисциплин) и содержит систематическое рассмотрение идей, методов, подходов и технологий, используемых при проектировании и практической разработке современных баз данных. При этом необходимо отметить, что выбор в качестве предметной области сферы сервиса, которая по аналогии с ИС также может рассматриваться в широком смысле (выделяют такие виды сервиса как технический, технологический, информационный, транспортно-коммуникационный, социально-культурный), не снижает общности рассматриваемых в пособии средств и методов, а реализуется прежде всего на основе разбора примеров, являющихся специфичными для данной предметной области. Отметим, что в настоящее время все большее распространение получают понятия IT-услуг (ITSM, IT Service Management). Знания и умения, полученные в ходе освоения курса "Базы данных", составляют основу специальной подготовки студентов-информатиков (говоря современным языком, основу ИТ-образования).

Отмеченная широта понятий и методов, относящихся к информационным системам и, в частности, к базам данных, определила задачу выявления предмета изучения дисциплины "Базы данных", определения характера и объема знаний по каждой из тем пособия, а также определения роли и места данного курса в общей системе дисциплин подготовки по специальности "Прикладная информатика в сфере сервиса". Предполагается, что студенты уже обладают достаточным уровнем фундаментальной подготовки в области информатики, информационных и коммуникационных технологий, полученным в ходе изучения других дисциплин ("Информатика и программирование", "Операционные системы, среды и оболочки" и др.). С другой стороны необходимо принимать во внимание, что многие вопросы, связанные с проектированием программных средств и систем (объектно-ориентированный подход, модели данных и др.), носят общий характер и рассматриваются под собственным углом зрения в таких дисциплинах как "Высокоуровневые методы информатики и программирования", "Информационные системы", "Разработка и стандартизация программных средств и информационных технологий".

Пособие состоит из 6 глав, к каждой из которых приведены контрольные вопросы и задания для самостоятельной работы студентов. Более глубокой проработке учебного материала пособия призвана способствовать работа студентов с литературой, представленной в библиографическом списке, а также с представленными в приложении информационными ресурсами Интернет. Расширению научного кругозора студентов будет способствовать и обсуждение на семинарских занятиях рефератов, тематика которых отражает современные направления развития технологий баз данных (приложение 4).

Авторы считают нужным отметить, что в данном учебном пособии представлены прежде всего теоретические основы построения баз данных. Дальнейшее изучение современных технологий и подходов к разработке баз данных, овладение практическими умениями и навыками работы с современными СУБД для студентов специальности 351400 "Прикладная информатика в сфере сервиса" в Омском государственном институте сервиса предусматривается в рамках практических занятий, при выполнении заданий в ходе производственной практики, в процессе выполнения курсовых проектов.

Сфера возможного практического использования настоящего учебного пособия не ограничивается системой подготовки специалистов по специальности "Прикладная информатика в сфере сервиса". Оно может использоваться как при подготовке информатиков с квалификацией в других предметных областях (информатиков-экономистов, информатиков-менеджеров, информатиков-социологов и т. д.), так и при подготовке специалистов, профессиональная деятельность которых связана с проектированием, разработкой и внедрением баз данных, а также оценкой эффективности использования информационных систем на предприятии. Более того, изучение представленного в пособии материала будет полезно всем, кто планирует использовать базы данных и на уровне пользователя, поскольку эффективность эксплуатации любой системы повышается в случае, если пользователь понимает суть происходящих при этом процессов и владеет знаниями и умениями, необходимыми для ее модификации и совершенствования.


1. Основы построения баз данных


^ 1.1. Архитектура системы баз данных


Под базой данных (БД) понимается "организованная в соответствии с определенными правилами и поддерживаемая в памяти компьютера совокупность данных, характеризующая актуальное состояние некоторой предметной области и используемая для удовлетворения информационных потребностей пользователей" [15].

Д
ля описания базы данных инициативной группой ANSI/SPARC (Американский национальный институт стандартов / Комитет по требованиям и планированию стандартов) в 70-x гг. была предложена трехуровневая архитектура. Архитектура ANSI/SPARC включает следующие уровни: внутренний, концептуальный и внешний (рис. 1). Каждый уровень описывается соответствующей схемой (средствами языка описания данных соответствующего уровня), определяющей свойства базы данных в терминах типов содержащихся в БД данных. Уровни связаны механизмами междууровневого отображения данных.

Внешний уровень определяет точку зрения пользователей на базу данных. Отдельного пользователя интересует не вся БД, а только некоторая часть ее. Пользовательское представление базы данных (внешнее представление) будет абстрактным по сравнению с физическим способом хранения данных. Оно отражает представление содержимого базы данных отдельным пользователем. Например, пользователь из отдела кадров может рассматривать базу данных как набор сведений об отделах, о служащих и ничего не знать о клиентах компании или о выпускаемой продукции. Каждый пользователь создает свое внешнее представление. Пользовательские представления отображаются в данные концептуального уровня. Это отображение демонстрирует, как различные приложения будут использовать данные. Внешний уровень определяется средствами внешней схемы. Приложения внешнего уровня создаются средствами либо одного из распространенных языков программирования (например, С++), либо специального языка запросов (SQL).

Концептуальный уровень отражает обобщенную модель предметной области, для которой создавалась база данных. На этом уровне база данных представлена в наиболее общем виде. Концептуальное представление – это представление данных такими, какие "они есть на самом деле", а не то, какими их представляют пользователи, абстрактное представление всей базы данных. Может быть несколько внешних представлений, каждое из которых состоит из более или менее абстрактного представления определенной части базы данных, и может быть только одно концептуальное представление, состоящее из абстрактного представления базы данных в целом. Концептуальное представление определяется с помощью концептуальной схемы.

Внутренний уровень связан со способами хранения и извлечения данных. ^ Внутреннее представление отражает низкоуровневую структуру базы данных. Понятие структуры физической базы данных включает: формат хранимой записи, структура путей доступа и размещение записей на физических устройствах и т.д. Внутреннее представление описывается средствами внутренней схемы, определяющей не только типы хранимых записей, но и индексы, представления памяти, упорядочение полей и т.д. Отображение концептуального уровня во внутренний изолирует концептуальную модель от влияния каких-либо возможных изменений в хранимых данных на физических носителях. При изменении структуры хранимой базы данных изменяется отображение "концептуальный-внутренний" таким образом, чтобы результаты изменений не коснулись концептуального уровня.

Трехуровневая архитектура позволяет обеспечить физическую независимость хранимых данных. Разработчик базы данных может при необходимости изменить физическую модель данных, переписав хранимые данные на другие носители информации и реорганизовав их физическую структуру. Также можно подключить к системе любое число новых пользователей (новых приложений), дополнив, если надо, концептуальную модель. Указанные изменения не будут замечены существующими пользователями системы (окажутся "прозрачными" для них), так же как не будут замечены и новые пользователи. Следовательно, независимость данных обеспечивает возможность развития системы баз данных без разрушения существующих приложений.

^ Система баз данных представляет собой совокупность следующих взаимосвязанных компонентов: данные (хранимая база данных), программное обеспечение (СУБД, приложения, операционная система и т.д.), аппаратное обеспечение (процессор, оперативная память, магнитные диски для хранения информации и т. д.), пользователи (рис. 2).

Р
ассмотрим подробнее такие компоненты системы баз данных как пользователи и программное обеспечение.

С базами данных работают различные категории пользователей: прикладные программисты, конечные пользователи, администраторы базы данных.

Конечные пользователи – это основная категория пользователей. Конечные пользователи работают с базами данных через рабочую станцию или терминал, используя при этом либо приложения, либо интерфейс СУБД. В зависимости от особенностей создаваемой базы данных круг конечных пользователей может существенно различаться. Конечным пользователем может быть, например, клиент компьютерной фирмы, просматривающий каталог продукции или услуг, или начальник отдела, анализирующий перспективы ее развития.

Прикладные программисты разрабатывают внешние приложения, которые позволяют выполнять над данными все стандартные операции: выборку, удаление и изменение существующей информации, вставку новой информации.

Администратор базы данных (АБД) – под этим понятием подразумевается лицо (или группа лиц, возможно, целое штатное подразделение), на которое возложено управление средствами базы данных организации. В его функции входит:

координировать все действия по проектированию, реализации и ведению базы данных; учитывать перспективные и текущие требования пользователей; следить, чтобы база данных удовлетворяла актуальным информационным потребностям;

анализировать существующие программные средства и возможность их использования в базе данных, разрабатывать программно-технические мероприятия по развитию базы данных;

разрабатывать и реализовывать меры по обеспечению защиты данных от некомпетентного их использования, от сбоев технических средств, по обеспечению секретности определенной части данных и разграничению доступа к данным;

выполнять работы по ведению словаря данных; контролировать избыточность и противоречивость данных, их достоверность;

следить за тем, чтобы БД отвечала заданным требованиям по производительности, т. е. чтобы обработка запросов выполнялась за приемлемое время; выполнять при необходимости изменения методов хранения данных, путей доступа к ним, связей между данными, форматов данных; определять степень влияния изменений в данных на всю БД; координировать вопросы технического обеспечения системы аппаратными средствами исходя из требований, предъявляемых БД к оборудованию;

координировать работы системных программистов, разрабатывающих дополнительное программное обеспечение для улучшения эксплуатационных характеристик системы;

координировать работы прикладных программистов, разрабатывающих новые приложения и выполнять проверку и включение прикладных программ в состав программного обеспечения системы;

работать с конечными пользователями, в том числе и по вопросам обучения и консультирования и т.п.

Программное обеспечение включает, прежде всего, систему управления базами данных (СУБД) – комплекс программных средств, "предназначенный для создания и хранения базы данных на основе некоторой модели данных, обеспечения логической и физической целостности содержащихся в ней данных, надежного и эффективного использования ресурсов (данных, пространства памяти, вычислительных ресурсов), предоставления к ней санкционированного доступа для приложений и конечных пользователей, а также для поддержки функций администратора баз данных" [15].

Рассмотрим функции СУБД подробнее:

СУБД должна предоставлять пользователям и программам два типа языков: язык описания данных (для описания логической структуры данных) и язык манипулирования данными (для выполнения запросов пользователя на выборку, изменение, удаление данных).

СУБД должна контролировать пользовательские запросы и следить за выполнением правил безопасности и целостности, определенные АБД.

В СУБД должен быть предусмотрен механизм восстановления данных.

СУБД должна обеспечить функцию словаря данных. Словарь данных содержит "данные о данных", так называемые метаданные. Метаданные словаря предоставляются в виде, удобном для восприятия человеком и характеризуют состав и структуру пользовательских данных в базе данных. Словарь данных предназначен для документирования разработки системы базы данных, справочного обслуживания ее пользователей, а также для персонала АБД.

СУБД является важнейшим, но не единственным компонентом программного обеспечения. Другие программные компоненты: средства разработки приложений, средства проектирования, утилиты, генераторы отчетов и т. д.

База данных не существует без данных. Данные должны быть определенным образом организованы. Теоретическим основам организации данных посвящены главы 2-4.


С учетом вышеизложенного, детализированная архитектура баз данных представлена на рис. 3.


1
.2. Жизненный цикл базы данных


Базы данных начинаются с людей и их потребностей. Разработка базы данных представляет итеративный, пошаговый процесс. Каждый шаг ведет к созданию рабочей базы данных; каждая итерация идет от моделирования – к созданию структуры, а затем обратно в том порядке, в каком это имеет смысл делать. Проектирование базы данных начинается с определения информационных потребностей пользователей, создания модели данных и заканчивается утилизацией базы данных. Процедура создание концептуальной схемы базы данных, определение данных, включаемых в базу данных, создание программ обновления и обработки данных называется жизненным циклом базы данных (ЖЦ). Жизненный цикл включает в себя процессы проектирования, реализации и поддержания системы базы данных и состоит из следующих этапов [29]:

предварительное планирование;

проверка осуществимости;

определение требований;

концептуальное проектирование;

реализация;

оценка работы и поддержка базы данных;

снятие с эксплуатации.

Опишем главные задачи каждого этапа.

Предварительное планирование выполняется в процессе разработки стратегического плана базы данных. Стратегический план предполагает количество и вид баз данных, которые требуется создать для организации. Когда начинается разработка проекта реализации, общая информационная модель, созданная в процессе планирования базы данных пересматривается и уточняется. Предварительное планирование предполагает определение функций и количества используемых прикладных программ, приложений, находящихся в процессе создания. Эта информация помогает установить связи между текущими приложениями и определить, каким образом используется информация приложений, а также сформулировать будущие требования к системе.

Проверка осуществимости определяет технологическую, операционную и экономическую осуществимость плана создания базы данных. Технологическая осуществимость предполагает определение доступности необходимого оборудования и программного обеспечения, необходимых для работы базы данных: имеются ли в наличии данные ресурсы, или необходимо их приобретение. Операционная осуществимость связана с определением квалификации и опыта специалистов, работающих с БД. Экономическая целесообразность предполагает получение определенной выгоды от внедрения базы данных.

Этап определения требований включает выбор целей базы данных, выяснение информационных потребностей различных подразделений и требований к оборудованию и программному обеспечению. Информационные потребности могут выясняться с помощью анкет, опросов менеджеров и работников компании, а также на основе документов компании. Общая информационная модель, созданная на этапе планирования базы данных, разделяется на модели для каждого отдела компании, являющиеся основой для создания проекта следующего этапа.

Этап концептуального проектирования включает создание концептуальной схемы базы данных. На этом же этапе создаются подробные модели пользовательских представлений, которые затем преобразуются в концептуальную модель, фиксирующую все элементы данных, которые будет содержать база данных.

В процессе реализации базы данных выбирается и приобретается СУБД. Затем концептуальная модель преобразуется в проект реализации базы данных, создается словарь данных, база данных заполняется данными, создаются прикладные программы и обучаются пользователи. Построение словаря данных как центрального хранилища определений структуры данных – ключевой шаг в реализации базы данных. Словарь данных предназначен для системного персонала администрирования данных, прикладных программистов и конечных пользователей.

Оценка базы данных включает опросы пользователей с целью выяснения неучтенных информационных потребностей. При необходимости вносятся изменения, обеспечивается поддержка системы путем добавления новых программ.

Последний этап – снятие с эксплуатации базы данных. Существует правила, что сведения из базы данных не должны уничтожаться, а передаются в Государственный архив. Срок хранения в архиве определяется ценностью информации. Так, данные о заработной плате хранятся 75 лет. В архиве информация хранится на магнитных лентах, поэтому вся база данных переносится на твердый носитель.


Контрольные вопросы и задания


Какие уровни включает архитектура баз данных?

Дать определение внутреннего уровня.

Указать различие между внешним и концептуальным представлениями базы данных.

Какие виды отображений определяются в архитектуре баз данных? Охарактеризовать их.

Какие основные компоненты включает система баз данных?

Охарактеризовать категории пользователей БД.

Перечислить функции администратора баз данных.

Нарисовать схему архитектуры баз данных.

Перечислить и кратко описать этапы жизненного цикла базы данных.

Указать назначение словаря данных.

2. Модели представления данных


^ 2.1. Классификация моделей данных


Основная задача построения моделей данных – адекватное описание предметной области для последующего перевода на язык информационных систем. При этом одними из основополагающих в концепции баз данных являются обобщенные категории "данные" и "модель данных".

Категория "данные" тесно связана с понятием "информация". Под информацией понимают любые сведения об объектах и явлениях окружающей среды, их параметрах, свойствах и состоянии, которые воспринимают информационные системы (в том числе и живые организмы), в процессе жизнедеятельности и работы. Под данными можно понимать информацию, фиксированную в определенной форме, пригодной для последующей обработки, хранения и передачи. Понятие данные в концепции баз данных – это набор конкретных значений, параметров, характеризующих объект, условие, ситуацию или любые другие факторы. В энциклопедии технологий баз данных данные определяются как "представление фактов о предметной области системы баз данных или информационной системы в форме, допускающей их хранение и обработку на компьютерах, передачу по каналам связи, а также восприятие человеком" [15]. Примеры данных: ткань платьевая "Вечер", $50 и т. д. Для использования данных пользователь должен задать им определенную структуру с учетом смыслового содержания. Поэтому центральным понятием в области баз данных является понятие модели данных. Под моделью понимается представление реальных сущностей, при котором отражаются только некоторые их свойства и которое может материализоваться в различных формах. В теории баз данных используются разные модели: модели предметной области, модели данных, архитектурные модели, модели транзакций. Для их описания используются математический аппарат, графическая нотация, специально разработанные дескриптивные языки и т.д.

Не существует однозначного определения термина "модель данных", у разных авторов эта абстракция определяется с некоторыми различиями. В нашем пособии будем придерживаться определения, предложенного в [14].


^ Модель данных – это некоторая абстракция, которая, будучи приложима к конкретным данным, позволяет пользователям и разработчикам трактовать их как сведения, содержащие не только данные, но и взаимосвязь между ними.

Н
а рис. 4 представлена классификация моделей данных, в основу которой положен подход, представленный в [14].

В соответствии с рассмотренной ранее трехуровневой архитектурой ANSI/SPARC можно определить понятие модели данных по отношению к каждому уровню.

Физическая организация данных оказывает основное влияние на эксплуатационные характеристики базы данных. Разработчики пытаются создать наиболее производительные физические модели данных, предлагая пользователям тот или иной инструментарий для поднастройки модели под конкретную СУБД. Физическая модель данных оперирует категориями, касающимися организации внешней памяти и структур хранения, используемых в данной операционной среде. В настоящий момент в качестве физических моделей используются различные методы размещения данных, основанные на файловых структурах: это организация файлов прямого и последовательного доступа, индексных файлов и инвертированных файлов, файлов, использующих различные методы хэширования, взаимосвязанных файлов. Кроме того, современные СУБД широко используют страничную организацию данных. Физические модели данных, основанные на страничной организации, являются наиболее перспективными.

Модели данных, используемые на концептуальном уровне, характеризуются большим разнообразием. По отношению к ним внешние модели называются подсхемами и используют те же абстрактные категории, что и концептуальные модели данных.

При проектировании базы данных выделяют еще один уровень, предшествующий рассмотренным трем уровням. Модель этого уровня должна выражать информацию о предметной области в виде, независимом от используемой СУБД. Эти модели называются инфологическими, или семантическими. Инфологическая модель отображает реальный мир в некоторые, понятные человеку концепции, полностью независимые от параметров среды хранения данных. Термин "инфологическая модель" означает "концептуальная модель в самом широком смысле", многие авторы вместо него используют термины "абстрактная модель", "концептуальная в широком смысле модель".

Инфологические модели данных используются на ранних стадиях проектирования для описания структур данных в процессе разработки приложений. Инфологическая модель должна быть отображена в компьютерно-ориентированную даталогическую модель, поддерживаемую конкретной СУБД. В даталогическом аспекте рассматриваются вопросы представления данных в памяти информационной системы.

^ Документальные модели данных применяются для представления слабоструктурированной информации, ориентированной в основном на свободные форматы документов, текстов на естественном языке (монографий, публикаций в периодике, текстов законодательных актов и т. п.).

Модели, ориентированные Между предками и потомками автоматически поддерживается целостность ссылок. Основное правило: никакой потомок не может существовать без своего родителя, у некоторых родителей не может быть потомков.
Иерархическая модель данных активно использовалась во многих СУБД до появления реляционных систем. Наиболее известным ее представителем является СУБД IMS компании IBM Corp., первая версия которой появилась в 60-е гг. СУБД IMS эксплуатируется и в настоящее время. Иерархическую модель данных поддерживают также следующие СУБД: MARK IV компании Control Pate Corporation, System 2000, разработанный SAS-Institute и др.

"Живучесть" иерархических моделей обусловлена тем, что многие структуры данных естественным образом иерархичны (например, в области биологии: виды, классы, группы и т.д.).


^ 3.2. Сетевые модели


Концепция сетевой модели данных была сформулирована в конце 60-х годов в Предложениях группы CODASYL, и с тех пор на нее ссылаются как на модель CODASYL DTBG. Сети представляют естественный способ представления отношений между объектами. Они широко применяются в математике, физике, социологии и др. областях знаний. Сетевой подход к организации данных является расширением иерархического. В иерархических структурах запись-потомок должна иметь одного предка; в сетевой структуре данных потомок может иметь любое число предков. Возможные связи в сетевой модели представлены на рис. 10.

С
етевая БД состоит из набора записей и набора связей между этими записями.