Уровни представления баз данных

Для разделения представления БД была создана трехуровневая архитектура ANSI-SPARK.

Данная модель позволяет стандартным образом описать особенности функционирования СУБД, выделяя при этом 3 уровня: внешнего(общего), концептуального(логического) и внутреннего(физического).

Цель - отделение пользовательского представления БД от ее физической реализации.

Внешний уровень – представление БД с точки зрения пользователя. Описывает часть БД, относящуюся к конкретному пользователю. Состоит из внешнего представления БД, каждое представление – ведение предметной сущности пользователя и содержит только те сущности, атрибуты и связи, которые интересны этому пользователю.

Концептуальный уровень – обобщающее представление БД, описывает, какие данные хранятся в БД, отображает связи между ними. Содержит полную структуру БД, отображающую требования организации. Концептуальный уровень включает в себя понятия объектов базы данных (таких как ключи, таблицы, индексы, представления и тп) без учета их внутренней организации.

Внутренний уровень – физическое представление БД в ЭВМ. Описывает хранение информации в БД, сведения о размещении, сжатии и методах шифрования. Внутренний уровень занимается управлением файлами и файловыми группами, страницами файлов данных, организацией таблиц и индексов, управлением работой с экстентами и отслеживанием свободного места.

Совокупность схем всех уровней называется схемой базы данных. В архитектурной модели ANSI/SPARC предполагается наличие в СУБД механизмов, обеспечивающих междууровневое отображение данных “внешний - концептуальный” и “концептуальный - внутренний”. Функциональные возможности этих механизмов обеспечивают абстракцию данных и определяют степень независимости данных на всех уровнях.

Понятие схемы и подсхемы

Структуру данных необходимо описывать формализованным образом. Описания логической и физической структур БД используется программными средствами управления БД при обработке требований пользователей на получение той информации, которую содержит БД. Описание логической структуры БД называется схемой. Схема представляет собой таблицу типов используемых данных. Она содержит имена объектов и их атрибуты и указывает на существующую между ними связь. Если схема содержит значения элементов данных, ее называют экземпляром схемы. Сам термин схема используется для определения полной таблицы всех типов элементов данных и типов записей, хранимых в БД.

Подсхема это часть схемы, основывающаяся на представлении данного пользователя о модели данных. Таким образом, на основе одной схемы можно получить разные подсхемы.

Часто схемы и подсхемы представляют в виде диаграмм (и тут конечно можно о них немного рассказать, но с этим самостоятельно справиться даже совсем дубовый студент). Связи на схеме могут обеспечивать передачу такой информации, которая не представлена конкретными элементами данных, показанными на схеме.

Модели данных (ER, семантическая, объектная, логическая, физическая модели)

Модель данных это формальная теория представления и обработки данных в системе управления базами данных (СУБД), которая включает, по меньшей мере, три аспекта:

- аспект структуры: методы описания типов и логических структур данных в базе данных;

- аспект манипуляции: методы манипулирования данными;

- аспект целостности: методы описания и поддержки целостности базы данных.

ER-модель(модель сущность-связь) используется при высокоуровневом (концептуальном) проектировании баз данных. С её помощью можно выделить ключевые сущности и обозначить связи, которые могут устанавливаться между этими сущностями. Во время проектирования баз данных происходит преобразование ER-модели в конкретную схему базы данных на основе выбранной модели данных (реляционной, объектной, сетевой или др.). Для визуализации ER-модели было предложено использование диаграмм (получивших название ER-диаграммы), при этом обычно используется одна из двух нотаций: Питера Чена или Crow’s Foot. ER-модель можно разрабатывать на основе ER-диаграмм например в визуальном редакторе Oracle Datamodeller.

Семантическая модель – это модель предметной области, предназначенная для представления семантики предметной области на самом высоком уровне абстракции. Наиболее известным представлением класса семантических моделей является ER-модель.

Объектная модель представления данных оперирует такими понятиями, как класс и объект. Классы определяют структуру данных и представляют собой набор атрибутов (текстовая строка, целое число, изображение и т.д.). Представители класса (объекты) имеют определенную структуру и могут содержать другие объекты, образуя произвольную иерархическую структуру. Объекты могут наследовать свойства, содержание и поведение объектов, которые в них содержатся. Примерами объектов служат документы, картинки, папки и учетные записи пользователей. Класс контента не хранит в себе реальных данных — такую информацию содержат объекты (экземпляры класса). Определив один класс, можно создать множество его представителей (контент объектов).

Модель данных, в которой на логическом уровне полностью описывается информационное содержание базы данных, называется логической моделью базы данных. Логическая модель является основой для всех пользователей информационной системы (прикладных программ и людей). Пользователи и прикладные программы обращаются к базе данных посредством СУБД только в терминах логической модели.

Физическая модель БД определяет способ размещения данных на носителях (устройствах внешней памяти), а также способ и средства организации эффективного доступа к ним.

Иерархическая модель данных

Иерархическая модель данных — это представление базы данных в виде древовидной (иерархической) структуры, состоящей из объектов (данных) различных уровней. Между объектами существуют связи, каждый объект может включать в себя несколько объектов более низкого уровня. Первые СУБД использовали иерархическую модель. Иерархическая БД состоит из упорядоченного набора деревьев.

В рамках иерархической модели выделяют языковые средства описания данных (ЯОД) и средства манипулирования данными (ЯМД). Каждая физическая база описывается набором операторов, обусловливающих как её логическую структуру, так и структуру хранения БД. При этом способ доступа устанавливает способ организации взаимосвязи физических записей.

Определены следующие способы доступа: иерархически последовательный, иерархически индексно-последовательный, иерархически прямой, иерархически индексно-прямой, индексный.

В иерархической модели автоматически поддерживается целостность ссылок между предками и потомками. Основное правило: никакой потомок не может существовать без своего родителя.

Известные иерархические СУБД: System 2000, Google App Engine Datastore API.

Сетевая модель данных

Сетевая модель данных — логическая модель данных, являющаяся расширением иерархического подхода, строгая математическая теория, описывающая структурный аспект, аспект целостности и аспект обработки данных в сетевых базах данных.

Разница между иерархической моделью данных и сетевой состоит в том, что в иерархических структурах запись-потомок должна иметь в точности одного предка, а в сетевой структуре данных у потомка может иметься любое число предков.

Сетевая БД состоит из набора экземпляров определенного типа записи и набора экземпляров определенного типа связей между этими записями.

Тип связи определяется для двух типов записи: предка и потомка. Экземпляр типа связи состоит из одного экземпляра типа записи предка и упорядоченного набора экземпляров типа записи потомка.

Достоинства: высокая эффективность оперативности, низкие затраты памяти. Недостатки: сложность, “жесткость” требований выходной БД.

Реляционная модель данных

Термин «реляционный» означает, что теория основана на математическом понятии отношение (relation).

Реляционная модель данных (РМД) — логическая модель данных, прикладная теория построения баз данных, которая является приложением к задачам обработки данных таких разделов математики как теории множеств и логика первого порядка.

На реляционной модели данных строятся реляционные базы данных.

Реляционная модель данных включает следующие компоненты:

- Структурный аспект (составляющая) — данные в базе данных представляют собой набор отношений.

- Аспект (составляющая) целостности — отношения (таблицы) отвечают определенным условиям целостности. РМД поддерживает декларативные ограничения целостности уровня домена (типа данных), уровня отношения и уровня базы данных.

- Аспект (составляющая) обработки (манипулирования) — РМД поддерживает операторы манипулирования отношениями (реляционная алгебра, реляционное исчисление).

Кроме того, в состав реляционной модели данных включают теорию нормализации.

Схема отношений

Схема отношения БД — это именованное множество пар {имя атрибута, имя домена (или типа, если понятие домена не поддерживается)}. Схема БД (в структурном смысле) — это набор именованных схем отношений.

Отношение — это множество кортежей данной базы данных, соответствующих одной схеме отношения. Иногда, чтобы не путаться, говорят «отношение-схема» и «отношение-экземпляр», иногда схему отношения называют заголовком отношения, а отношение как набор кортежей — телом отношения.

В табличной форме представления отношений, схема отношения – это не что иное, как строка заголовков столбцов.

Кортеж, соответствующий данной схеме отношения в базе данных, — это множество пар {имя атрибута, значение}, которое содержит одно вхождение каждого имени атрибута, принадлежащего схеме отношения.

Число атрибутов в отношении называют степенью (или -арностью) отношения. Мощность множества кортежей отношения называют мощностью отношения.

Фундаментальные свойства отношений: отсутствие кортежей-дубликатов, отсутствие упорядоченности кортежей, отсутствие упорядоченности атрибутов, атомарность значений атрибутов.