2.1. Трехуровневая архитектура ANSI-SPARC

Первая попытка создания стандартной терминологии и общей архитектуры СУБД бы­ла предпринята в 1971 году группой, называемой DBTG. Она была создана после конфе­ренции CODASYL (Conference on Data Systems and Languaguages — Конференция по язы­кам и системам данных), прошедшей в этом же году. Группа DBTG признала необходи­мость использования двухуровневого подхода, построенного на основе использования системного представления, т.е. схемы (schema), и пользовательских представлений, т.е. подсхем (subschema). Сходные терминология и архитектура были предложены в 1975 го­ду Комитетом планирования стандартов и норм SPARC (Standards Planning and Requirements Committee) Национального Института Стандартизации США (American National Standard Institute— ANSI), ANSI/X3/SPARC (ANSI, 1975). Комитет ANSI/SPARC признал необходимость использования трехуровневого подхода. В этих ма­териалах отражены предложения, которые были сделаны организациями Guide/Share, состоящими из пользователей продуктов корпорации IBM, и опубликованы за несколько лет до этого. Основное внимание в них было сконцентрировано на необходимости вопло­щения независимого уровня для изоляции программ от особенностей представления дан­ных на более низком уровне (Guide/Share, 1970). Хотя модель ANSI/SPARC не стала стан­дартом, тем не менее она все еще представляет собой основу для понимания некоторых функциональных особенностей СУБД.

В данном случае для нас наиболее фундаментальным моментом в этих и последующих отчетах исследовательских групп является идентификация трех уровней абстракции, т.е. трех различных уровней описания элементов данных. Эти уровни формируют трехуров­невую архитектуру, которая охватывает внешний, концептуальный и внутренний уров­ни, как показано на рис. 2.1. Цель трехуровневой архитектуры заключается в отделении пользовательского представления базы данных от ее физического представления. Ниже перечислено несколько причин, по которым желательно выполнять такое разделение.

•      Каждый пользователь должен иметь возможность обращаться к одним и
тем же данным, используя свое собственное представление о них. Каж­
дый пользователь должен иметь возможность изменять свое представле­
ние о данных, причем это изменение не должно оказывать влияния на
других пользователей.

•      Пользователи не должны непосредственно иметь дело с такими подробно­
стями физического хранения данных в базе, как индексирование и хеши­
рование (приложение А, "Учебный проект Wellmeadows Hospital"). Иначе
говоря, взаимодействие пользователя с базой не должно зависеть от осо­
бенностей хранения в ней данных.

•      Администратор базы данных (АБД) должен иметь возможность изменять
структуру хранения данных в базе, не оказывая влияния на пользователь­
ские представления.

•      Внутренняя структура базы данных не должна зависеть от таких измене­
ний физических аспектов хранения информации, как переключение на но­
вое устройство хранения.

•      АБД должен иметь возможность изменять концептуальную или гло­
бальную структуру базы данных без какого-либо влияния на всех поль­
зователей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.1. Трехуровневая архитектура ANSI-SPARC

 

Уровень, на котором воспринимают данные пользователи,, называется внешним уровнем (external level), тогда как СУБД и операционная система воспринимают данные на внутрен­нем уровне (internal level). Именно на внутреннем уровне данные реально сохраняются с использованием всех тех структур и файловой организации, которые описаны в приложе­нии Б, "Структура данных в файлах с различной организацией". Концептуальный уровень (conceptual level) представления данных предназначен для отображения внешнего уровня на внутренний и обеспечения необходимой независимости друг от друга.

2.1.1.   Внешний уровень

Внешний     Представление базы данных с точки зрения пользователей. Этот уро-уровень      вень описывает ту часть базы данных, которая относится к каждому пользователю.

Внешний уровень состоит из нескольких различных внешних представлений ба­зы данных. Каждый пользователь имеет дело с представлением "реального мира", выраженным в наиболее удобной для него форме. Внешнее представление содер­жит только те сущности, атрибуты и связи "реального мира", которые интересны пользователю. Другие сущности, атрибуты или связи, которые ему неинтересны, также могут быть представлены в базе данных, но пользователь может даже не по­дозревать об их существовании.

Помимо этого, различные представления могут по-разному отображать одни и те же данные. Например, один пользователь может просматривать даты в формате (день, месяц, год), а другой — в формате (год, месяц, день). Некоторые представления могут включать производные или вычисляемые данные, которые не хранятся в базе данных как таковые, а создаются по мере надобности. Например, в проекте DreamHome можно было бы орга­низовать просмотр данных о возрасте сотрудников. Однако вряд ли стоит хранить эти сведения в базе данных, поскольку в таком случае их пришлось бы ежедневно обновлять. Вместо этого в базе данных хранятся даты рождения сотрудников, а возраст вычисляется средствами СУБД по обнаружении соответствующей ссылки. Представления могут также включать комбинированные или производные данные из нескольких объектов. Более подробно представления рассматриваются в разделах 3.5 и 14.1.

2.1.2.   Концептуальный уровень

Концептуальный     Обобщающее представление базы данных. Этот уровень опи-
уровень                  сывает то, какие данные хранятся в базе данных, а также

связи, существующие между ними.

Промежуточным уровнем в трехуровневой архитектуре является концептуальный уровень. Этот уровень содержит логическую структуру всей базы данных (с точки зрения АБД). Фактически, это полное представление требований к данным со сторо­ны организации, которое не зависит от любых соображений относительно способа их хранения. На концептуальном уровне представлены следующие компоненты:

•      все сущности, их атрибуты и связи;

•      накладываемые на данные ограничения;

•      семантическая информация о данных;

•      информация о мерах обеспечения безопасности и поддержки целостности
данных.

Концептуальный уровень поддерживает каждое внешнее представление, в том смысле, что любые доступные пользователю данные должны содержаться (или могут быть вычисле­ны) на этом уровне. Однако этот уровень не содержит никаких сведений о методах хранения данных. Например, описание сущности должно содержать сведения о типах данных атри­бутов (целочисленный, действительный или символьный) и их длине (количестве значащих цифр или максимальном количестве символов), но не должно включать сведений об органи­зации хранения данных, например об объеме занятого пространства в байтах.

2.1.3.   Внутренний уровень

Внутренний   Физическое представление базы данных в компьютере. Этот уровень уровень        описывает, как информация хранится в базе данных.

Внутренний уровень описывает физическую реализацию базы данных и предна­значен для достижения оптимальной производительности и обеспечения экономно­го использования дискового пространства. Он содержит описание структур данных и организации отдельных файлов, используемых для хранения данных в запоми­нающих устройствах. На этом уровне осуществляется взаимодействие СУБД с ме­тодами доступа операционной системы (вспомогательными функциями хранения и извлечения записей данных) с целью размещения данных на запоминающих уст­ройствах, создания индексов, извлечения данных и т.д. На внутреннем уровне хранится следующая информация:

•      распределение дискового пространства для хранения данных и индексов;

•      описание подробностей сохранения записей (с указанием реальных разме­
ров сохраняемых элементов данных);

•      сведения о размещении записей;

•      сведения о сжатии данных и выбранных методах их шифрования.

Ниже внутреннего уровня находится физический уровень (physical level), кото­рый контролируется операционной системой, но под руководством СУБД. Однако функции СУБД и операционной системы на физическом уровне не вполне четко раз­делены и могут варьироваться от системы к системе. В одних СУБД используются многие предусмотренные в данной операционной системе методы доступа, тогда как в других применяются только самые основные и реализована собственная файловая организация. Физический уровень доступа к данным ниже СУБД состоит только из известных операционной системе элементов (например, указателей, как реализовано последовательное распределение и хранятся ли поля внутренних записей на диске в виде непрерывной последовательности байтов).

2.1.4.   Схемы, отображения и экземпляры

Общее описание базы данных называется схемой базы данных. Существует три различных типа схем базы данных, которые определяются в соответствии с уровня­ми абстракции трехуровневой архитектуры, как показано на рис. 2.1. На самом вы­соком уровне имеется несколько внешних схем или подсхем, которые соответствуют разным представлениям данных. На концептуальном уровне описание базы данных называют концептуальной схемой, а на самом низком уровне абстракции — внут­ренней схемой.

Концептуальная схема описывает все элементы данных и связи между ними, с указанием необходимых ограничений поддержки целостности данных. Для ка­ждой базы данных имеется только одна концептуальная схема. На нижнем уров­не находится внутренняя схема, которая является полным описанием внутрен­ней модели данных.

Она содержит определения хранимых записей, методы представления, описания по­лей данных, сведения об индексах и выбранных схемах хеширования. Для каждой базы данных существует только одна внутренняя схема.

СУБД отвечает за установление соответствия между этими тремя типами схем, а также за проверку их непротиворечивости. Иначе говоря, СУБД должна убедить­ся в том, что каждую внешнюю схему можно вывести на основе концептуальной схемы. Для установления соответствия между любыми внешней и внутренней схе­мами СУБД должна использовать информацию из концептуальной схемы. Концеп­туальная схема связана с внутренней схемой посредством концептуально внутрен­него отображения. Оно позволяет СУБД найти фактическую запись или набор записей на физическом устройстве хранения, которые образуют логическую запись в

концептуальной схеме, с учетом любых ограничений, установленных для выпол­няемых над данной логической записью операций. Оно также позволяет обнару­жить любые различия в именах объектов, именах атрибутов, порядке следования атрибутов, их типах данных и т.д. Наконец, каждая внешняя схема связана с концептуальной схемой с помощью, внешне концептуального отображения. С его помощью СУБД может отображать имена пользовательского представления на со­ответствующую часть концептуальной схемы.

Примеры различных уровней приведены на рис. 2.2. На нем показаны два раз­личных внешних представления информации о персонале: одно состоит из личного номера сотрудника (Sno), его имени (FName) и фамилии (LName), возраста (Age), сум­мы зарплаты за год (Salary) и номера отделения компании, в котором этот сотруд­ник работает (Впо). Другое представление включает личный номер сотрудника (Staff_No), фамилию (LName) и номер отделения компании, в котором он работает (Впо). Эти внешние представления сливаются воедино в одном концептуальном представлении. Особенностью данного процесса слияния является то, что поле воз­раста сотрудника (Age) преобразуется в поле даты его рождения (DOB). СУБД под­держивает внешне концептуальное отображение. Например, поле Sno из первого внешнего представления отображается на поле Staff No в записи концептуального представления. Затем концептуальный уровень отображается на внутренний уро­вень, который содержит физическое описание структуры записи концептуального представления. На этом уровне определение структуры формулируется на языке высокого уровня. Эта структура содержит указатель (Next), который позволяет фи­зически связать все записи о сотрудниках в единую цепочку. Обратите внимание, что порядок полей на внутреннем уровне отличается от порядка атрибутов, приня­того на концептуальном уровне. Таков механизм, с помощью которого СУБД осу­ществляет концептуально внутреннее отображение.

Рис. 2.2. Различия между тремя уровнями представления данных

Важно различать описание базы данных и саму базу данных. Описанием базы данных является схема базы данных. Схема создается в процессе проектирования базы данных, причем предполагается, что она изменяется достаточно редко. Одна­ко содержащаяся в базе данных информация может меняться часто — например, всякий раз при вставке сведений о новом сотруднике или новом объекте сдаваемой в аренду недвижимости. Совокупность информации, хранящейся в базе данных в любой определенный момент времени, называется состоянием базы данных. Сле­довательно, одной и той же схеме базы данных может соответствовать множество ее различных состояний. Схема базы данных иногда называется содержанием базы данных, а ее состояние — детализацией.

2.1.5.   Независимость отданных

Основным назначением трехуровневой архитектуры является обеспечение незави­симости от данных, которая означает, что изменения на нижних уровнях никак не влияют на верхние уровни. Различают два типа независимости от данных: логиче­скую и физическую.

Логическая Логическая независимость от данных означает полную защищен-независимость ность внешних схем от изменений, вносимых в концептуальную отданных схему.

Такие изменения концептуальной схемы, как добавление или удаление новых сущностей, атрибутов или связей, должны осуществляться без необходимости внесе­ния изменений в уже существующие внешние схемы или переписывания приклад­ных программ. Ясно, что пользователи, для которых эти изменения предназнача­лись, должны знать о них, но очень важно, чтобы другие пользователи даже не по­дозревали об этом.

Физическая Физическая независимость от данных означает защищенность независимость концептуальной схемы от изменений, вносимых во внутреннюю от данных схему.

Такие изменения внутренней схемы, как использование различных файловых систем или структур хранения, разных устройств хранения, модификация индек­сов или хеширование, должны осуществляться без необходимости внесения изме­нений в концептуальную или внешнюю схемы. Пользователем могут быть замече­ны изменения только в общей производительности системы. На самом деле наибо­лее распространенной причиной внесения изменений во внутреннюю схему является именно недостаточная производительность выполнения операций. На рис. 2.3 показано место перечисленных выше типов независимости от данных в трехуровневой архитектуре СУБД.

Принятое в архитектуре ANSI-SPARC двухэтапное отображение может сказы­ваться на эффективности работы, но при этом оно обеспечивает более высокую не­зависимость от данных. Для повышения эффективности в модели ANSI-SPARC до­пускается использование прямого отображения внешних схем на внутренние, без обращения к концептуальной схеме. Однако это снижает уровень независимости от данных, поскольку при каждом изменении внутренней схемы потребуется внесе­ние определенных изменений во внешнюю схему и все зависящие от нее приклад­ные программы.

 

 

Рис. 2.3. Реализация независимости от данных в трехуровневой ар­хитектуре ANSI-SPARC

2.2. Языки баз данных

Внутренний язык СУБД для работы с данными состоит из двух частей: языка опре­деления данных (Data Definition Language — DDL) и языка управления данными (Data Manipulation Language — DML). Язык DDL используется для определения схемы базы данных, а язык DML — для чтения и обновления данных, хранимых в базе. Эти языки называются подъязыками данных, поскольку в них отсутствуют конструкции для вы­полнения всех вычислительных операций, обычно используемых в языках программи­рования высокого уровня. Во многих СУБД предусмотрена возможность внедрения операторов подъязыка данных в программы, написанные на таких языках программи­рования высокого уровня, как COBOL, Fortran, Pascal, Ada или С. В этом случае язык высокого уровня принято называть базовым языком (host language). Перед компиля­цией файла программы на базовом языке, содержащей внедренные операторы подъя­зыка данных, потребуется предварительно удалить эти операторы, заменив их вызова­ми соответствующих функций СУБД. Затем этот предварительно обработанный файл обычным образом компилируется с помещением результатов в объектный модуль, ко­торый компонуется с библиотекой, содержащей вызываемые в программе функции СУБД. После этого полученный программный текст будет готов к выполнению. Поми­мо механизма внедрения, для большинства подъязыков данных также предоставляют­ся средства интерактивного выполнения их операторов, вводимых пользователем непо­средственно со своего терминала.

2.2.1.   Язык определения данных - DDL

Язык DDL Описательный язык, который позволяет АБД или пользователю опи­сать и поименовать сущности, необходимые для работы некоторого приложения, а также связи, имеющиеся между различными сущно­стями.

Схема базы данных состоит из набора определений, выраженных на специальном языке определения данных — DDL. Язык DDL используется как для определения новой схемы, так и для модификации уже существующей. Этот язык нельзя исполь­зовать для управления данными.

Результатом компиляции DDL-операторов является набор таблиц, хранимый в особых файлах, называемых системным каталогом. В системном каталоге интег­рированы метаданные — т.е. данные, которые описывают объекты базы данных, а также позволяют упростить способ доступа к ним и управления ими. Метаданные включают определения записей, элементов данных, а также другие объекты, пред­ставляющие интерес для пользователей или необходимые для работы СУБД. Перед доступом к реальным данным СУБД обычно обращается к системному каталогу. Для обозначения системного каталога также используются термины словарь дан­ных и каталог данных, хотя первый из них (словарь данных) обычно относится к программному обеспечению более общего типа, чем просто каталог СУБД. Систем­ные каталоги более подробно обсуждаются дальше, в разделе 2.7.

Теоретически для каждой схемы в трехуровневой архитектуре можно было бы выделить несколько различных языков DDL, а именно язык DDL внешних схем, язык DDL концептуальной схемы и язык DDL внутренней схемы. Однако на практи­ке существует один общий язык DDL, который позволяет задавать спецификации, как минимум, для внешней и концептуальной схем.

2.2.2.   Язык управления данными - DML

Язык DML   Язык, содержащий набор операторов для поддержки основных опера­ций манипулирования содержащимися в базе данными.

К операциям управления данными относятся:

•      вставка ъ базу данных новых сведений;

•      модификация сведений, хранимых в базе данных;

•      извлечение сведений, содержащихся в базе данных;

•      удаление сведений из базы данных.

Таким образом, одна из основных функций СУБД заключается в поддержке язы­ка манипулирования данными, с помощью которого пользователь может создавать выражения для выполнения перечисленных выше операций с данными. Понятие ма­нипулирования данными применимо как к внешнему и концептуальному уровням, так и к внутреннему уровню. Однако на внутреннем уровне для этого необходимо оп­ределить очень сложные процедуры низкого уровня, позволяющие выполнять доступ к данным весьма эффективно. На более высоких уровнях, наоборот, акцент перено­сится в сторону большей простоты использования и основные усилия направляются на обеспечение эффективного взаимодействия пользователя с системой.

Языки DML отличаются базовыми конструкциями извлечения данных. Следует раз­личать два типа языков DML: процедурный и непроцедурный. Основное отличие между ними заключается в том, что процедурные языки указывают то, как можно получить ре­зультат оператора языка DML, тогда как непроцедурные языки описывают то, какой ре­зультат будет получен. Как правило, в процедурных языках записи рассматриваются по отдельности, тогда как непроцедурные языки оперируют с целыми наборами записей.

Процедурные языки DML

Процедурный       Язык, который позволяет сообщить системе о том, какие дан-
язык DML             ные необходимы, и точно указать, как их можно извлечь.

С помощью процедурного языка DML пользователь, а точнее — программист, указывает на то, какие данные ему необходимы и как их можно получить. Это зна­чит, что пользователь должен определить все операции доступа к данным (осуществляемые посредством вызова соответствующих процедур), которые должны быть выполнены для получения требуемой информации. Обычно такой процедурный язык DML позволяет извлечь запись, обработать ее и, в зависимости от полученных результатов, извлечь другую запись, которая должна быть подвергнута аналогичной обработке, и т.д. Подобный процесс извлечения данных продолжается до тех пор, пока не будут извлечены все запрашиваемые данные. Языки DML сетевых и иерар­хических СУБД обычно являются процедурными (раздел 2.3).

 

Непроцедурные языки DML

Непроцедурный   Язык, который позволяет указать лишь то, какие данные тре-
язык DML             буются, но не то, как их следует извлекать.

Непроцедурные языки DML позволяют определить весь набор требуемых дан­ных с помощью одного оператора извлечения или обновления. С помощью не­процедурных языков DML пользователь указывает, какие данные ему нужны, без определения способа их получения. СУБД транслирует выражение на языке DML в процедуру (или набор процедур), которая обеспечивает манипулирование затребованным набором записей. Данный подход освобождает пользователя от необходимости знать детали внутренней реализации структур данных и особен­ности алгоритмов, используемых для извлечения и возможного преобразования данных. В результате работа пользователя получает определенную степень неза­висимости от данных. Непроцедурные языки часто также называют деклара­тивными языками. Реляционные СУБД в той или иной форме обычно включают поддержку непроцедурных языков манипулирования данными — чаще всего это бывает язык структурированных запросов SQL (Structured Query Language) или язык запросов по образцу QBE (Query-by-Example). Непроцедурные языки обыч­но проще понять и использовать, чем процедурные языки DML, поскольку поль­зователем выполняется меньшая часть работы, а СУБД — большая. Более под­робно язык SQL рассматривается в главах 13, "Язык SQL", и 14, "Дополнительные средства языка SQL", а язык QBE — в главе 15, "Язык QBE".

Часть непроцедурного языка DML, которая отвечает за извлечение данных, называется языком запросов. Язык запросов можно определить как высокоуров­невый узкоспециализированный язык, предназначенный для удовлетворения различных требований по выборке информации из базы данных. В этом смысле термин "запрос" зарезервирован для обозначения оператора извлечения данных, выраженного с помощью языка запросов. Термины "язык запросов" и "язык управления данными" часто используются как синонимы, хотя, с технической точки зрения, это некорректно.

2.2.3.   Языки 4GL

Аббревиатура "4GL" представляет собой сокращенный английский вариант напи­сания термина язык четвертого поколения (Fourth-Generation Language). He сущест­вует четкого определения этого понятия, хотя, по сути, речь идет о некотором стено­графическом варианте языка программирования. Если для организации некоторой операции с данными на языке третьего поколения (3GL) типа COBOL потребуется написать сотни строк кода, то для реализации этой же операции на языке четвертого поколения будет достаточно 10-20 строк.

В то время как языки третьего поколения являются процедурными, языки 4GL выступают как непроцедурные, поскольку пользователь определяет, что должно быть сделано, но не говорит, как именно желаемый результат должен быть достиг­нут. Предполагается, что реализация языков четвертого поколения будет в значи­тельной мере основана на использовании компонентов высокого уровня, которые час­то называют "инструментами четвертого поколения". Пользователю не потребуется определять все этапы выполнения программы, необходимые для решения поставлен­ной задачи, а достаточно будет лишь определить нужные параметры, на основании которых упомянутые выше инструменты автоматически осуществят генерацию при­кладного приложения. Ожидается, что языки четвертого поколения позволят повы­сить производительность работы на порядок, но за счет ограничения типов задач, ко­торые можно будет решать с их помощью. Выделяют следующие типы языков чет­вертого поколения:

•      языки представления информации, например языки запросов или генера­
торы отчетов;

•      специализированные языки, например языки электронных таблиц и
баз данных;

•      генераторы приложений, которые при создании приложений обеспечи­
вают определение, вставку, обновление или извлечение сведений из ба­
зы данных;

•      языки очень высокого уровня, предназначенные для генерации кода
приложений.

В качестве примеров языков четвертого поколения можно указать упоминавшиеся выше языки SQL и QBE. Рассмотрим вкратце некоторые другие типы 4ОЬ-языков.

Генераторы форм

Генератор форм представляет собой интерактивный инструмент, предназначенный для быстрого создания шаблонов ввода и отображения данных в экранных формах. Генератор форм позволяет пользователю определить внешний вид экранной формы, ее содержимое и место расположения на экране. С его помощью можно задавать цве­та элементов экрана, а также другие характеристики, например полужирное, под­черкнутое, мерцающее или реверсивное начертание и т.д. Более совершенные генера­торы форм позволяют создавать вычисляемые атрибуты с использованием арифмети­ческих операторов или обобщающих функций, а также задавать правила проверки вводимых данных.

Генераторы отчетов

Генератор отчетов является инструментом создания отчетов на основе хранимой в базе данных информации. Он подобен языку запросов в том смысле, что пользовате­лю предоставляются средства создания запросов к базе данных и извлечения из нее информации, используемой для представления в отчете. Однако генераторы отчетов, как правило, предусматривают гораздо большие возможности управления внешним видом отчета. Генератор отчета позволяет либо автоматически определять вид полу­чаемых результатов, либо с помощью специальных команд создавать свой собствен­ный вариант внешнего вида печатаемого документа.

Существует два основных типа генераторов отчетов: языковой и визуальный. В пер­вом случае для определения нужных для отчета данных и внешнего вида документа следует ввести соответствующую команду на некотором подъязыке. Во втором случае для этих целей используется визуальный инструмент, подобный генератору форм.

Генераторы графического представления данных

Этот генератор представляет собой инструмент, предназначенный для извлечения информации из базы данных и отображения ее в виде диаграмм с графическим пред­ставлением существующих тенденций и связей. Обычно с помощью подобного гене­ратора создаются гистограммы, круговые, линейчатые, точечные диаграммы и т.д.

Генераторы приложений

Генератор приложений представляет собой инструмент для создания программ, взаимодействующих с базой данных. Применяя генератор приложений, можно со­кратить время, необходимое для проектирования полного объема требуемого при­кладного программного обеспечения. Генераторы приложений обычно состоят из предварительно созданных модулей, содержащих фундаментальные функции, кото­рые требуются для работы большинства программ. Эти модули, обычно создаваемые на языках высокого уровня, образуют "библиотеку" доступных функций. Пользова­тель указывает, какие задачи программа должна выполнить, а генератор приложе­ний определяет, как их следует выполнить.

2.3. Модели данных и концептуальное моделирование

Выше уже упоминалось, что схема создается с помощью некоторого языка опре­деления данных. На самом деле она создается на основе языка определения данных конкретной целевой СУБД. К сожалению, это язык относительно низкого уровня; с его помощью трудно описать требования к данным в масштабе всей организации так, чтобы созданная схема была доступна пониманию пользователей самых разных кате­горий. В чем мы действительно нуждаемся, так это в описании схемы на некотором, более высоком уровне, которое будем называть моделью данных.

Модель      Интегрированный набор понятий для описания данных, связей между данных       ними и ограничений, накладываемых на данные в некоторой организа­ции.

Модель является представлением "реального мира" объектов и событий, а также существующих между ними связей. Это некоторая абстракция, в которой акцент де­лается на самых важных и неотъемлемых аспектах деятельности организации, а все второстепенные свойства игнорируются. Таким образом, можно сказать, что модель данных представляет саму организацию. Модель должна отражать основные концеп­ции, представленные в таком виде, который позволит проектировщикам и пользова­телям базы данных обмениваться конкретными и недвусмысленными мнениями об их понимании роли тех или иных данных в этой организации. Модель данных мож­но рассматривать как сочетание трех указанных ниже компонентов.

•      Структурная часть, т.е. набор правил, по которым может быть построена
база данных.

•      Управляющая часть, определяющая типы допустимых операций с данны­
ми (сюда относятся операции обновления и извлечения данных, а также
операции изменения структуры базы данных).

•      Набор ограничений поддержки целостности данных (необязательно), га­
рантирующих корректность используемых данных.

Цель построения модели данных заключается в представлении данных в понят­ном виде. Если такое представление возможно, то модель данных можно будет легко применить при проектировании базы данных. Для отображения обсуждавшейся в разделе 2.1 архитектуры ANSI-SPARC можно идентифицировать следующие три свя­занные модели данных:

•      внешнюю модель данных, отображающую представления каждого сущест­
вующего в организации типа пользователей, которую иногда называют
предметной областью (Universe of Discourse — UoD);

•      концептуальную модель данных, отображающую логическое (или обоб­
щенное) представление о данных, не зависимое от типа выбранной СУБД;

•      внутреннюю модель данных, отображающую концептуальную схему опре­
деленным образом, понятным выбранной целевой СУБД.

В литературе предложено и опубликовано достаточно много моделей данных. Они подразделяются на три категории: объектные (object-based) модели данных, модели данных на основе записей (record-based) и физические модели данных. Первые две используются для описания данных на концептуальном и внешнем уровнях, а послед­няя — на внутреннем уровне.

2.3.1.   Объектные модели данных

При построении объектных моделей данных используются такие понятия как сущности, атрибуты и связи. Сущность — это отдельный элемент (сотрудник, ме­сто или вещь, понятие или событие) организации, который должен быть представ­лен в базе данных. Атрибут — это свойство, которое описывает некоторый аспект объекта и значение которого следует зафиксировать, а связь является ассоциатив­ным отношением между сущностями. Ниже перечислены некоторые наиболее об­щие типы объектных моделей данных.

•       Модель типа "сущность-связь", или ER-модель (Entity-Relationship model).

•       Семантическая модель.

•       Функциональная модель.

•       Объектно-ориентированная модель.

В настоящее время ER-модель стала одним из основных методов концептуаль­ного проектирования баз данных, и именно она положена в основу предлагаемой в этой книге методологии проектирования баз данных. Объектно-ориентированная модель расширяет определение сущности с целью включения в него не только ат­рибутов, которые описывают состояние объекта, но и действий, которые с ним связаны, т.е. его поведение. В таком случае говорят, что объект инкапсулирует со­стояние и поведение. Более подробно модель типа "сущность-связь" рассматрива­ется в главе 5, "Модель "сущность-связь"", а объектно-ориентированная модель — в главах 21-23.

2.3.2.   Модели данных на основе записей

В модели на основе записей база данных состоит из нескольких записей фикси­рованного формата, которые могут иметь разные типы. Каждый тип записи опре­деляет фиксированное количество полей, каждое из которых имеет фиксированную длину. Существует три основных типа логических моделей данных на основе запи­сей: реляционная модель данных (relational data model), сетевая модель данных (network data model) и иерархическая модель данных (hierarchical data model). Ие­рархическая и сетевая модели данных были созданы почти на десять лет раньше реляционной модели данных, а потому их связь с концепциями традиционной об­работки файлов более очевидна.