Модели данных: классификация, классические и современные подходы

Модели данных: классические и современные подходы

За любой базой данных стоит не просто набор разрозненных сведений, а продуманная логическая организация. Именно она превращает «сырые» записи в осмысленную информацию, где важны не только сами значения, но и связи между ними. За эту организацию отвечает модель данных.

То есть в них содержится не только сам набор данных, но и связи между отдельными элементами.

Иными словами, модель данных описывает совокупность родовых понятий и признаков, присущих всем конкретным системам управления базами данных (СУБД) и управляемым ими базам, если те опираются на эту модель. Наличие такой модели удобно тем, что разные реализации можно сравнивать между собой на едином общем языке.

Как классифицируют модели данных

Модели данных принято разделять по уровням, на которых они применяются. Физическая модель оперирует категориями, связанными с организацией внешней памяти и структурами хранения в конкретной операционной среде. Сегодня в этой роли выступают разные способы размещения данных, основанные на файловых структурах: файлы прямого и последовательного доступа, индексные и инвертированные файлы, файлы с различными механизмами кэширования, а также взаимосвязанные файлы.

Кроме того, современные базы широко применяют страничную организацию данных. Именно физические модели, построенные на страничном принципе, сегодня считаются наиболее перспективными.

Наибольший интерес представляют модели концептуального уровня. По отношению к ним внешние модели называют подсхемами — они пользуются теми же абстрактными категориями, что и концептуальные модели.

Инфологические модели задействуют на ранних этапах проектирования, чтобы описать структуру данных ещё в процессе разработки приложения. Даталогические модели уже поддерживаются конкретной СУБД. Физические модели, в свою очередь, описывают сами структуры и принципы их хранения во внешней памяти, а также доступ к ним, который зависит от аппаратной части и низкоуровневого программного обеспечения. Среди инфологических моделей наибольшее распространение получила модель «сущность-связь».

Даталогические модели: документальные и их разновидности

Даталогические модели делят на две основные категории.

Первая — документальные модели. Они рассчитаны на слабоструктурированную информацию и, как правило, ориентированы на свободные форматы документов и тексты на естественном языке.

Вторая — модели, ориентированные на формат документа. В их основе лежат различные языки разметки, восходящие к стандартному обобщённому языку разметки SGML (Standard Generalised Markup Language), который ISO утвердила в качестве стандарта ещё в 80-е годы прошлого века. С помощью SGML создают другие языки разметки: он задаёт допустимые наборы тегов, их атрибуты и внутреннюю структуру документа. За корректностью применения тегов следит особый набор правил — так называемые DTD-описания, которые клиентская программа использует при разборе документа. Каждому классу документов отвечает свой набор грамматических правил выбранного языка разметки. Сам SGML применяют для описания структурированных данных и представления их в стандартизованном виде. Однако из-за сложности язык чаще использовали для описания синтаксиса других языков (например, HTML), а напрямую с SGML-документами работали немногие приложения.

Куда проще и удобнее оказался HTML. Он позволяет оформлять элементы документа с помощью ограниченного набора инструкций-тегов. При этом команды HTML в основном управляют выводом содержимого на экран программы-клиента, то есть определяют способ представления документа, а не его структуру. Элемент гипертекстовой базы, описанной средствами HTML, — это обычный текстовый файл, который легко передаётся по сети по протоколу HTTP. Эта особенность, открытость стандарта и доступность языка широкой массе пользователей сделали HTML главным механизмом представления информации в интернете. Но со временем и он перестал полностью удовлетворять запросам разработчиков, а на смену ему пришёл более мощный и гибкий язык — XML.

XML применяют не только для разметки, но и как средство описания грамматики других языков, а также как инструмент контроля за правильностью составления документов. При этом сам XML не содержит готовых тегов разметки — он лишь задаёт порядок их создания.

Отдельно стоят тезаурусные модели. Они построены по принципу словарей и включают языковые конструкции вместе с правилами их взаимодействия в заданной грамматике. Такие модели хорошо показывают себя в системах перевода, особенно многоязычных, где принцип хранения информации как раз и подчиняется тезаурусной логике.

Ещё проще устроены дескрипторные модели — самые ранние среди документальных. В них каждому документу соответствовал дескриптор, то есть описатель с жёсткой структурой, который характеризовал документ по признакам, необходимым для работы в конкретной документальной базе.

Классические модели данных

Хранимые сведения всегда обладают определённой логической структурой, которую описывает поддерживаемая СУБД модель представления данных. К классическим моделям относят три:

• иерархическую;
• сетевую;
• реляционную.

Помимо них, в последние годы активно внедряются и новые подходы: постреляционная, многомерная и объектно-ориентированная модели. Разрабатываются и системы на базе других моделей, расширяющих уже известные, — объектно-реляционные, дедуктивно-объектно-ориентированные, семантические, концептуальные и ориентированные.

Иерархическая модель

Первая версия СУБД появилась в 1968 году и опиралась на модель в виде упорядоченных наборов деревьев. Такая модель строится по принципу иерархии типов объектов: один тип выступает главным, а остальные — подчинёнными.

Главный и подчинённые объекты связаны отношением «один ко многим», причём у каждого подчинённого типа существует лишь один исходный тип. Основной минус подобной организации — довольно долгий поиск нужной информации.

Сетевая модель

Здесь любой объект способен выступать и главным, и подчинённым, а также участвовать в любом количестве взаимодействий. Проще говоря, каждая информационная единица может иметь множество предков и множество потомков. Связи в таких моделях заложены прямо внутри описаний объектов.

Достоинство сетевой модели — её гибкость и возможность повысить быстродействие системы. Недостатком же становится повышенная нагрузка на информационные ресурсы.

Реляционная модель

Своё название реляционная модель данных получила от английского слова relation — «отношение». При соблюдении определённых условий отношение можно представить в виде привычной человеку двумерной таблицы. Большинство современных баз данных для компьютеров как раз реляционные.

Такую модель чаще всего используют в базах среднего размера. По мере роста числа таблиц скорость работы с базой снижается. Возникают сложности и при построении систем со сложными структурами данных — например, систем автоматизации проектирования.

Объектно-ориентированные базы объединяют сразу две модели — реляционную и сетевую — и применяются при создании крупных баз со сложной структурой.

Классификация СУБД по характеру использования

По тому, как именно применяются системы управления базами данных, их делят на две группы:

• персональные (СУБДП);
• многопользовательские (СУБДМ).

К персональным относят Visual FoxPro, Paradox, Clipper, dBase, Access и другие. В число многопользовательских входят Oracle и Informix. Последние состоят из сервера базы данных и клиентской части и работают в неоднородной вычислительной среде — с разными типами ЭВМ и различными операционными системами. Благодаря этому СУБДМ подходят для построения информационных систем по технологии «клиент-сервер». Расплата за такую универсальность — высокая цена и значительные компьютерные ресурсы, необходимые для поддержки.

Выбор модели данных и типа СУБД всегда зависит от масштаба задачи. Для небольшого проекта достаточно реляционной модели и персональной СУБД вроде Access. Крупным же системам со сложными структурами и множеством пользователей ближе объектно-ориентированные модели и многопользовательские решения на архитектуре «клиент-сервер».