Модель базы данных - Database model

Коллаж из пяти типов моделей баз данных

А модель базы данных это тип модель данных что определяет логическую структуру база данных и фундаментально определяет, каким образом данные можно хранить, организовывать и манипулировать. Самый популярный пример модели базы данных - это реляционная модель, в котором используется табличный формат.

Примеры

Общие логические модели данных для баз данных включают:

Это самая старая форма модели базы данных. Он был разработан IBM для IMS (система управления информацией). Это набор организованных данных в древовидной структуре. Запись БД - это дерево, состоящее из множества групп, называемых сегментами. Он использует отношения "один ко многим". Доступ к данным также предсказуем.

An объектно-реляционная база данных объединяет две связанные структуры.

Физические модели данных включают:

Другие модели включают:

Отношения и функции

Данная система управления базой данных может предоставлять одну или несколько моделей. Оптимальная структура зависит от естественной организации данных приложения и требований приложения, которые включают скорость транзакций (скорость), надежность, ремонтопригодность, масштабируемость и стоимость. Наиболее системы управления базами данных построены на основе одной конкретной модели данных, хотя продукты могут предлагать поддержку более чем одной модели.

Различный физические модели данных может реализовать любую заданную логическую модель. Большинство программ баз данных предлагают пользователю некоторый уровень контроля при настройке физической реализации, поскольку сделанный выбор оказывает значительное влияние на производительность.

Модель - это не просто способ структурирования данных: она также определяет набор операций, которые могут выполняться с данными.[1] Например, реляционная модель определяет такие операции, как Выбрать (проект ) и присоединиться. Хотя эти операции могут быть неявными в определенных язык запросов, они обеспечивают основу, на которой построен язык запросов.

Плоская модель

Модель плоского файла
Основные статьи: База данных плоских файлов и Таблица

В плоская (или настольная) модель состоит из одного двумерного массива данные элементы, где предполагается, что все элементы данного столбца имеют одинаковые значения, а все элементы строки считаются связанными друг с другом. Например, столбцы для имени и пароля, которые могут использоваться как часть базы данных безопасности системы. Каждая строка будет иметь конкретный пароль, связанный с отдельным пользователем. Столбцы таблицы часто имеют связанный с ними тип, определяющий их как символьные данные, информацию о дате или времени, целые числа или числа с плавающей запятой. Этот табличный формат является предшественником реляционной модели.

Ранние модели данных

Эти модели были популярны в 1960-х, 1970-х годах, но сегодня их можно найти в основном в старых устаревшие системы. Для них характерно прежде всего то, что они навигационный с сильными связями между их логическими и физическими представлениями и недостатками в независимость данных.

Иерархическая модель

Иерархическая модель
Основная статья: Иерархическая модель

В иерархическая модель, данные организованы в древовидная структура, подразумевая единственного родителя для каждой записи. Поле сортировки хранит одноуровневые записи в определенном порядке. Иерархические структуры широко использовались в ранних системах управления базами данных мэйнфреймов, таких как Система управления информацией (IMS) пользователем IBM, а теперь опишем структуру XML документы. Эта структура допускает связь «один ко многим» между двумя типами данных. Эта структура очень эффективна для описания многих отношений в реальном мире; рецепты, оглавление, порядок абзацев / стихов, любая вложенная и отсортированная информация.

Эта иерархия используется как физический порядок записей в хранилище. Доступ к записи осуществляется путем перехода вниз по структуре данных с помощью указатели в сочетании с последовательным доступом. Из-за этого иерархическая структура неэффективна для определенных операций с базой данных, когда полный путь (в отличие от восходящей ссылки и поля сортировки) также не включается для каждой записи. Такие ограничения были компенсированы в более поздних версиях IMS дополнительными логическими иерархиями, наложенными на базовую физическую иерархию.

Сетевая модель

Сетевая модель
Основная статья: Сетевая модель

В сетевая модель расширяет иерархическую структуру, разрешая отношения «многие ко многим» в древовидной структуре, которая допускает наличие нескольких родителей. Он был наиболее популярен до того, как был заменен реляционной моделью, и определяется КОДАСИЛ Технические характеристики.

Сетевая модель организует данные с использованием двух фундаментальных концепций, называемых записи и наборы. Записи содержат поля (которые могут быть организованы иерархически, как в языке программирования КОБОЛ ). Наборы (не путать с математическими наборами) определяют один ко многим отношения между записями: один владелец, много участников. Запись может быть владельцем в любом количестве наборов и членом в любом количестве наборов.

Набор состоит из круглых связанные списки где один тип записи, установленный владелец или родитель, появляется один раз в каждом кружке, а второй тип записи, подчиненный или дочерний, может появляться несколько раз в каждом кружке. Таким образом, между любыми двумя типами записей может быть установлена ​​иерархия, например, тип A является владельцем B. В то же время может быть определен другой набор, где B является владельцем A. Таким образом, все наборы составляют общий ориентированный граф (владение определяет направление) или сеть построить. Доступ к записям осуществляется либо последовательно (обычно для каждого типа записей), либо путем навигации в круговых связанных списках.

Сетевая модель может представлять избыточность данных более эффективно, чем в иерархической модели, и может быть несколько путей от узла-предка к потомку. Операции сетевой модели являются навигационными по стилю: программа поддерживает текущее положение и переходит от одной записи к другой, следуя отношениям, в которых эта запись участвует. Записи также можно найти, указав ключевые значения.

Хотя это не является существенной особенностью модели, сетевые базы данных обычно реализуют установленные отношения с помощью указатели которые напрямую обращаются к местоположению записи на диске. Это обеспечивает отличную производительность поиска за счет таких операций, как загрузка и реорганизация базы данных.

Популярные СУБД, в которых она использовалась: Cincom Systems Итого и Cullinet с IDMS. IDMS приобрела значительную клиентскую базу; в 1980-х годах он принял реляционную модель и SQL в дополнение к своим исходным инструментам и языкам.

Наиболее объектные базы данных (изобретенные в 1990-х годах) используют концепцию навигации для обеспечения быстрой навигации по сетям объектов, обычно используя идентификаторы объектов в качестве «умных» указателей на связанные объекты. Объективность / БД, например, реализует именованные отношения «один к одному», «один ко многим», «многие к одному» и «многие ко многим», которые могут пересекать базы данных. Многие объектные базы данных также поддерживают SQL, объединив в себе сильные стороны обеих моделей.

Модель инвертированного файла

Основная статья: Инвертированный индекс

В инвертированный файл или инвертированный индекс, содержимое данных используется в качестве ключей в таблице поиска, а значения в таблице являются указателями на расположение каждого экземпляра данного элемента содержимого. Это тоже логическая структура современного индексы базы данных, который может использовать только содержимое определенных столбцов в таблице поиска. В инвертированная файловая модель данных может размещать индексы в наборе файлов рядом с существующими файлами плоских баз данных, чтобы обеспечить эффективный прямой доступ к необходимым записям в этих файлах.

Отличительной чертой использования этой модели данных является АДАБАС СУБД Software AG, представленный в 1970 году. ADABAS приобрел значительную клиентскую базу и существует и поддерживается до сих пор. В 1980-х годах он принял реляционную модель и SQL в дополнение к своим оригинальным инструментам и языкам.

Документно-ориентированная база данных Clusterpoint использует инвертированную модель индексации для быстрого полнотекстовый поиск для XML или JSON например, объекты данных.

Реляционная модель

Две таблицы с отношениями
Основная статья: Реляционная модель

В реляционная модель был представлен Э. Ф. Кодд в 1970 году[2] как способ сделать системы управления базами данных более независимыми от какого-либо конкретного приложения. Это математическая модель, определяемая с точки зрения логика предикатов и теория множеств, и его реализации использовались мэйнфреймами, средними и микрокомпьютерными системами.

Продукты, которые обычно называют реляционные базы данных фактически реализовать модель, которая является лишь приближением к математической модели, определенной Коддом. В моделях реляционных баз данных широко используются три ключевых термина: связи, атрибуты, и домены. Отношение - это таблица со столбцами и строками. Именованные столбцы отношения называются атрибутами, а домен - это набор значений, которые атрибуты могут принимать.

Основной структурой данных реляционной модели является таблица, в которой информация о конкретном объекте (например, сотруднике) представлена ​​в строках (также называемых кортежи ) и столбцы. Таким образом "связь «в» реляционной базе данных »относится к различным таблицам в базе данных; отношение - это набор кортежей. Столбцы перечисляют различные атрибуты объекта (например, имя, адрес или номер телефона сотрудника), а строка - фактический экземпляр сущности (конкретного сотрудника), который представлен отношением.В результате каждый кортеж таблицы сотрудников представляет различные атрибуты одного сотрудника.

Все отношения (и, следовательно, таблицы) в реляционной базе данных должны соответствовать некоторым основным правилам, чтобы считаться отношениями. Во-первых, порядок столбцов в таблице не имеет значения. Во-вторых, в таблице не может быть одинаковых кортежей или строк. И в-третьих, каждый кортеж будет содержать одно значение для каждого из своих атрибутов.

Реляционная база данных содержит несколько таблиц, каждая из которых похожа на таблицу в «плоской» модели базы данных. Одна из сильных сторон реляционной модели заключается в том, что, в принципе, любое значение, встречающееся в двух разных записях (принадлежащих одной или разным таблицам), подразумевает связь между этими двумя записями. Тем не менее, чтобы обеспечить явное ограничения целостности, отношения между записями в таблицах также могут быть определены явно, путем идентификации или неидентификации родительско-дочерних отношений, характеризуемых присвоением мощности (1: 1, (0) 1: M, M: M). Таблицы также могут иметь назначенный одиночный атрибут или набор атрибутов, которые могут действовать как «ключ», который можно использовать для уникальной идентификации каждого кортежа в таблице.

Ключ, который можно использовать для однозначной идентификации строки в таблице, называется первичным ключом. Ключи обычно используются для соединения или объединения данных из двух или более таблиц. Например, Наемный рабочий таблица может содержать столбец с именем Расположение который содержит значение, соответствующее ключу Расположение Таблица. Ключи также важны при создании индексов, которые способствуют быстрому извлечению данных из больших таблиц. Любой столбец может быть ключом, или несколько столбцов могут быть сгруппированы в составной ключ. Нет необходимости заранее определять все ключи; столбец можно использовать в качестве ключа, даже если он изначально не задумывался как ключ.

Ключ, имеющий внешнее, реальное значение (например, имя человека, название книги ISBN, или серийный номер автомобиля) иногда называют «натуральным» ключом. Если естественный ключ не подходит (подумайте о многих людях, названных Коричневый) может быть назначен произвольный или суррогатный ключ (например, путем присвоения идентификационных номеров сотрудников). На практике в большинстве баз данных есть как сгенерированные, так и естественные ключи, потому что сгенерированные ключи могут использоваться внутри для создания связей между строками, которые не могут быть разорваны, в то время как естественные ключи могут использоваться, менее надежно, для поиска и для интеграции с другими базами данных. (Например, записи в двух независимо разработанных базах данных могут быть сопоставлены номер социального страхования, кроме случаев, когда номера социального страхования неверны, отсутствуют или изменились.)

Наиболее распространенным языком запросов, используемым в реляционной модели, является язык структурированных запросов (SQL ).

Размерная модель

В размерная модель это специализированная адаптация реляционной модели, используемой для представления данных в хранилища данных таким образом, чтобы данные можно было легко обобщить с помощью онлайн-аналитической обработки, или OLAP запросы. В размерной модели схема базы данных состоит из одной большой таблицы фактов, которые описываются с помощью измерений и мер. Измерение предоставляет контекст факта (например, кто участвовал, когда и где это произошло, а также его тип) и используется в запросах для группировки связанных фактов вместе. Измерения обычно дискретны и часто имеют иерархический характер; например, местоположение может включать здание, штат и страну. Мера - это величина, описывающая факт, например доход. Важно, чтобы показатели можно было осмысленно агрегировать - например, выручку из разных мест можно складывать вместе.

В запросе OLAP выбираются измерения, а факты группируются и агрегируются для создания сводки.

Размерная модель часто реализуется поверх реляционной модели с использованием звездная схема, состоящий из одной строго нормализованной таблицы, содержащей факты, и окружающих денормализованных таблиц, содержащих каждое измерение. Альтернативная физическая реализация, называемая схема снежинки, нормализует многоуровневые иерархии в измерении в несколько таблиц.

Хранилище данных может содержать несколько схем измерений с общими таблицами измерений, что позволяет использовать их вместе. Выбор стандартного набора размеров - важная часть размерное моделирование.

Благодаря своей высокой производительности размерная модель стала самой популярной структурой базы данных для OLAP.

Постреляционные модели баз данных

Продукты, предлагающие более общую модель данных, чем реляционная модель, иногда классифицируются как пост-реляционный.[3] Альтернативные термины включают «гибридная база данных», «СУБД с улучшенными объектами» и другие. Модель данных в таких продуктах включает связи но не сдерживается Э. Ф. Кодд принцип информации, который требует, чтобы

вся информация в базе данных должна быть явно приведена в терминах значений в отношениях и никаким другим способом

— [4]

Некоторые из этих расширений реляционной модели объединяют концепции из технологий, предшествующих реляционной модели. Например, они позволяют представить ориентированный граф с деревья на узлах. Немецкая компания Соны реализует эту концепцию в своих GraphDB.

Некоторые постреляционные продукты расширяют реляционные системы нереляционными функциями. Другие пришли примерно к тому же месту, добавив реляционные функции в дореляционные системы. Как это ни парадоксально, но это позволяет продуктам, которые исторически относятся к реляционным, таким как ВЫБИРАТЬ и МАМПЫ, чтобы сделать правдоподобное заявление о постреляционном.

Модель пространства ресурсов (RSM) - это нереляционная модель данных, основанная на многомерной классификации.[5]

Графическая модель

Основная статья: База данных графиков

Графические базы данных допускают даже более общую структуру, чем сетевая база данных; любой узел может быть подключен к любому другому узлу.

Многозначная модель

Основная статья: MultiValue

Многозначные базы данных представляют собой «комковатые» данные в том смысле, что они могут храниться точно так же, как и реляционные базы данных, но они также допускают уровень глубины, который реляционная модель может только приблизительно оценить с помощью подтаблиц. Это почти идентично тому, как XML выражает данные, где данное поле / атрибут может иметь несколько правильных ответов одновременно. Многозначность можно рассматривать как сжатую форму XML.

Примером является счет-фактура, который в многозначных или реляционных данных может быть представлен как (A) таблица заголовка счета-фактуры - одна запись для каждого счета-фактуры и (B) подробная таблица счетов-фактур - одна запись для каждой отдельной позиции. В многозначной модели у нас есть возможность хранить данные как в таблице со встроенной таблицей для представления деталей: (A) Таблица счетов-фактур - одна запись для каждого счета-фактуры, никаких других таблиц не требуется.

Преимущество состоит в том, что атомарность счета-фактуры (концептуального) и счета-фактуры (представления данных) взаимно однозначна. Это также приводит к меньшему количеству чтений, меньшему количеству проблем ссылочной целостности и резкому сокращению аппаратного обеспечения, необходимого для поддержки данного объема транзакций.

Объектно-ориентированные модели баз данных

Объектно-ориентированная модель
Основные статьи: Объектно-реляционная модель и Объектная модель

В 1990-е гг. объектно-ориентированного программирования парадигма была применена к технологии баз данных, создав новую модель базы данных, известную как объектные базы данных. Это направлено на то, чтобы избежать объектно-относительное несоответствие импеданса - накладные расходы на преобразование информации между ее представлением в базе данных (например, в виде строк в таблицах) и ее представлением в прикладной программе (обычно в виде объектов). Более того, система типов используемый в конкретном приложении, может быть определен непосредственно в базе данных, что позволяет базе данных применять те же инварианты целостности данных. Объектные базы данных также знакомят с ключевыми идеями объектного программирования, такими как инкапсуляция и полиморфизм, в мир баз данных.

Было испробовано множество этих способов[кем? ]для хранения объектов в базе данных. Немного[который? ] продукты подошли к проблеме с конца прикладного программирования, сделав объекты, которыми управляет программа стойкий. Обычно для этого требуется добавление какого-либо языка запросов, поскольку традиционные языки программирования не имеют возможности находить объекты на основе их информационного содержания. Другие[который? ] атаковали проблему со стороны базы данных, определив объектно-ориентированную модель данных для базы данных и определив язык программирования базы данных, который обеспечивает полные возможности программирования, а также традиционные средства запросов.

Объектные базы данных пострадали из-за отсутствия стандартизации: хотя стандарты были определены ODMG, они никогда не были реализованы достаточно хорошо, чтобы обеспечить взаимодействие между продуктами. Тем не менее объектные базы данных успешно используются во многих приложениях: обычно в специализированных приложениях, таких как инженерные базы данных или базы данных молекулярной биологии, а не в основной коммерческой обработке данных. Однако идеи объектных баз данных были подхвачены поставщиками реляционных систем и повлияли на расширения этих продуктов, а также SQL язык.

Альтернативой трансляции между объектами и реляционными базами данных является использование объектно-реляционное отображение (ORM) библиотека.

использованная литература

  1. ^ Эльмасри, Рамез; Навате, Шамкант. Основы систем баз данных (Седьмое изд.). п. 33. ISBN  9780133970777.
  2. ^ Э. Ф. Кодд (1970). «Реляционная модель данных для больших общих банков данных». В: Сообщения архива ACM. Том 13. Выпуск 6 (июнь 1970 г.). С. 377-387.
  3. ^ Введение в базы данных Стивен Чу, в Conrick, M. (2006) Информатика здравоохранения: преобразование здравоохранения с помощью технологий, Томсон, ISBN  0-17-012731-1, п. 69.
  4. ^ Дата, К. Дж. (1 июня 1999 г.). "Когда расширение, а не расширение?". Интеллектуальное предприятие. 2 (8).
  5. ^ Чжугэ, Х. (2008). Модель пространства веб-ресурсов. Серия книг по веб-информационным системам и интернет-технологиям. 4. Springer. ISBN  978-0-387-72771-4.