Модели и структуры баз данных

Инфологическая модель

Развитие базы данных показало, что качественное решение задачи управления большими объемами данных невозможно без решения многих проблем технического, организационного, программного характера. Чтобы подчеркнуть важность всех этих компонентов, некоторые авторы характеризуют базы данных как совокупность информационных, математических, технических и организационных средств, направленных на удовлетворение информационных потребностей широкого круга пользователей. Важно подчеркнуть, что базы данных - не просто собранный в одном месте большой объем данных, а такое объединение данных, в котором выделена структура взаимосвязей для каждого отдельного элемента информации.

База данных является моделью некоторой предметной области, состоящей из связанных между собой данных об объектах, их свойствах и характеристиках. Чтобы сохранять данные согласно какой-либо модели предметной области, структура БД должна максимально соответствовать этой модели. В базе данных отображается какая-то часть реального мира. Естественно, что полнота ее описания будет зависеть от целей создаваемой информационной системы. Для того чтобы база данных адекватно отражала предметную область, проектировщик базы данных должен хорошо представлять себе все нюансы, присущие данной предметной области (ПО), и уметь отобразить их в базе данных. Поэтому, прежде чем начинать проектирование базы данных, необходимо как следует разобраться, как функционирует предметная область, для отображения которой создается БД. Предметная область должна быть предварительно описана. Для этого в принципе может использоваться и естественный язык, но его применение имеет много недостатков, основными из них являются громоздкость описания и неоднозначность его трактовки. Поэтому обычно для этих целей используют искусственные формализованные языковые средства. В связи с этим под инфологической моделью (ИЛМ) понимают описание предметной области, выполненное с использованием специальных языковых средств, не зависящих от используемых в дальнейшем программных средств.

Инфологическая модель (ИЛМ) должна строиться вне зависимости от того, будете ли вы в дальнейшем использовать какую-либо СУБД или пользоваться другими программными средствами для реализации своей информационной системы.

Основным требованием к ИЛМ, вытекающим из ее назначения, является требование адекватного отображения предметной области. В связи с этим язык для представления ИЛМ должен обладать достаточными выразительными возможностями для отображения явлений, имеющих место в предметной области. ИЛМ должна быть непротиворечивой. Она является единым интегрированным описанием предметной области и отражает взгляды и потребности всех пользователей системы. Не должна допускаться неоднозначная трактовка модели.

Несмотря на то, что реальный мир, отображаемый в ИЛМ, является по своей природе бесконечным, инфологическая модель является конечной, что обеспечивается четким ограничением предметной области. Тем не менее в ИЛМ по разным причинам часто приходится вводить новые объекты. ИЛМ должна в связи с этим обладать свойством легкой расширяемости, обеспечивающим ввод новых данных без изменения ранее определенных. То же самое можно сказать и об удалении данных. В связи с большой размерностью реальных инфологических моделей должна обеспечиваться возможность композиции и декомпозиции модели.

Желательно, чтобы язык спецификации ИЛМ был одинаково применим как при ручном, так и при автоматизированном проектировании информационных систем. Последнее предъявляет дополнительные требования к нему, а именно он должен: быть вычисляемым, т. е. восприниматься и обрабатываться ЭВМ; использовать «дружелюбные» пользователю интерфейсы, в частности графические; быть не зависимым от оборудования и других ресурсов, которые подвержены частым изменениям; использовать средства тестирования ИЛМ, а также иметь аппарат для указания того, что спецификация завершена и по ней может быть выполнена генерация структур баз данных. При автоматизированном проектировании все изменения, внесенные в ИЛМ, должны быть автоматически отражены в связанных с модифицируемым элементом компонентах банка данных.

Инфологическая модель должна легко восприниматься разными категориями пользователей. Желательно, чтобы ИЛМ строил специалист, работающий в этой предметной области, а не проектировщик систем машинной обработки данных. Если в силу определенных причин это невозможно обеспечить, то необходимо, чтобы первые могли хотя бы проверить сделанное описание, чтобы убедиться, что специфика предметной области воспринята правильно. Инфологическая модель должна также легко н однозначно восприниматься всеми специалистами, которые в дальнейшем участвуют в процессе проектирования баз данных и программного обеспечения.

Инфологическая модель является средством коммуникации разнообразных коллективов как конечных пользователей, так и разработчиков. Кроме того, она является ядром системы проектирования

Понятие модели данных

В классической теории баз данных, модель данных есть 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).

Аспект структуры определяет, что из себя логически представляет база данных, аспект манипуляции определяет способы перехода между состояниями базы данных (то есть способы модификации данных) и способы извлечения данных из базы данных, аспект целостности определяет средства описаний корректных состояний базы данных.

Модель данных — это абстрактное, самодостаточное, логическое определение объектов, операторов и прочих элементов, в совокупности составляющих абстрактную машину доступа к данным, с которой взаимодействует пользователь. Эти объекты позволяют моделировать структуру данных, а операторы — поведение данных.

Каждая БД и СУБД строится на основе некоторой явной или неявной модели данных. Все СУБД, построенные на одной и той же модели данных, относят к одному типу. Например, основой реляционных СУБД является реляционная модель данных, сетевых СУБД — сетевая модель данных, иерархических СУБД — иерархическая модель данных и т.д.

М. Р. Когаловский поясняет эволюцию смысла термина следующим образом. Первоначально понятие модели данных употреблялось как синоним структуры данных в конкретной базе данных []. В процессе развития теории систем баз данных термин «модель данных» приобрел новое содержание. Возникла потребность в термине, который обозначал бы инструмент, а не результат моделирования, и воплощал бы, таким образом, множество всевозможных баз данных некоторого класса. Во второй половине 1970-х годов во многих публикациях, посвященных указанным проблемам, для этих целей стал использоваться все тот же термин «модель данных». В настоящее время в научной литературе термин «модель данных» трактуется в подавляющем большинстве случаев в инструментальном смысле (как инструмент моделирования). Тем не менее, длительное время термин «модель данных» использовался без формального определения. Одним из первых специалистов, который достаточно формально определил это понятие, был Э. Кодд. В статье «Модели данных в управлении базами данных» он определил модель данных как комбинацию трех компонентов: коллекции типов объектов данных, образующих базовые строительные блоки для любой базы данных, соответствующей модели; коллекции общих правил целостности, ограничивающих набор экземпляров тех типов объектов, которые законным образом могут появиться в любой такой базе данных; коллекции операций, применимых к таким экземплярам объектов для выборки и других целей^[4].