Материал: Базы данных Учебное пособие

16 

кое  представление  данных  дает  ориентированное  на  пользователя  описание 
элементов  данных,  из  которых  состоит  представление  данных,  и  отношений 
между  ними.  Совокупность  таких  пользовательских  представлений  данных  и 
дает внешний уровень.  

Концептуальный уровень (уровень проектировщика) – структурный уро-

вень, определяющий логическую схему базы данных, поэтому данный уровень 
также  часто  называют  логическим.  На  данном  уровне  выполняется  концепту-
альное  проектирование  базы  данных,  которое  включает  анализ  информацион-
ных потребностей пользователей и определение нужных им элементов данных. 
Результатом концептуального проектирования является концептуальная схема, 
логическое описание всех элементов данных и отношений между ними. 

Внутренний  уровень  (уровень  физических  устройств)  –  это  уровень, 

определяющий физический вид базы данных, ориентированный на физическое 
хранение  и  связанный  со  способами  сохранения  информации  на  физических 
устройствах.  С данным  уровнем  связаны  внешние  запоминающие  устройства, 
физические адреса, индексы, указатели и т. д. На этом уровне решается, какие 
физические устройства будут хранить данные, какие методы доступа будут ис-
пользоваться для извлечения и обновления данных и какие меры следует при-
нять для поддержания или повышения быстродействия системы управления ба-
зами данных. 

Другими словами, можно сказать, что трехуровневая архитектура позво-

ляет  взглянуть  на  каждую  конкретную  базу  данных  с  трёх  различных  сторон. 
Пользователь видит готовые таблицы и формы, осуществляя операции с базой 
данных через свой персональный интерфейс, который может отличаться от ин-
терфейса  других  пользователей.  Разработчик  или  проектировщик  работает  со 
схемой баз данных и решает, каким образом организовать рациональное хране-
ние данных и обеспечить выдачу необходимых данных пользователю по запро-
су.  Третий  уровень,  по  сути,  связывает  работу  СУБД  с  файловой  системой  и 
аппаратными устройствами. 

Независимость от данных. Основным назначением трехуровневой архи-

тектуры является обеспечение независимости от данных, которая означает, что 
изменения на одном из уровней не должны оказывать влияние на другие уров-
ни. Различают два типа независимости от данных: логическую и физическую.  

Логическая  независимость  от  данных  означает  полную  защищенность 

внешних представлений от изменений, вносимых в концептуальную схему. Та-
кие  изменения  концептуальной  схемы,  как  добавление  или  удаление  новых 

17 

сущностей, атрибутов  или  связей, должны  осуществляться  без  внесения изме-
нений  в  уже  существующие  внешние представления  (схемы) или  переписыва-
ния прикладных программ.  

Физическая независимость от данных означает защищенность концепту-

альной схемы от изменений, вносимых во внутреннюю схему. Такие изменения 
внутренней схемы, как использование различных файловых систем или струк-
тур  хранения,  разных  устройств  хранения,  модификация  индексов,  должны 
осуществляться без необходимости внесения изменений в концептуальную или 
внешнюю  схемы.  Пользователь  может  заметить  изменения  только  в  общей 
производительности системы [8]. 

1.5 Модели данных  

Хранимые  в  базе  данные  имеют  определенную  логическую  структуру, 

т. е. представляют собой набор объектов, определенным образом организован-
ных и связанных друг с другом, а также правила управления этими объектами. 

 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·   

Модель данных (МД) – это совокупность структур данных и 

операций  над  этими  структурами,  поддерживаемых  конкретной 
СУБД.  
 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·   

В качестве основных компонентов моделей данных выделяют: структуры 

данных, операции над данными, ограничения модели. 

Как  уже  отмечалось,  все  СУБД  по  модели  данных  можно  разделить  на 

иерархические,  сетевые,  реляционные,  постреляционные,  многомерные  и  объ-
ектно-ориентированные. 

1.5.1 Иерархическая модель 

Иерархическая модель данных является наиболее простой среди всех мо-

делей.  Исторически  она  появилась  первой  и  была  реализована  в  СУБД  IMS 
компании IBM – одной из первых зарегистрированных промышленных СУБД. 
Появление этой модели связано с тем, что в реальном мире очень многие отно-
шения выстроены иерархическим способом, когда один объект является роди-
тельским, а с ним может быть связано некоторое количество подчиненных объ-
ектов, каждый из которых в свою очередь может выступать родительским для 
объектов следующего уровня. 

18 

Иерархическая  древовидная  структура  данных  строится  из  узлов  и  вет-

вей.  Узел  представляет  собой  совокупность  атрибутов  данных,  описывающих 
некоторый  объект.  Наивысший  узел  в  иерархической  древовидной  структуре 
называется  корнем.  Зависимые  узлы  располагаются  на  более  низких  уровнях 
дерева (рис. 1.2). 

Рис. 1.2 – Пример структуры иерархического дерева 

Иерархическая  МД  организует  данные  в  виде  иерархической  древовид-

ной структуры: каждый экземпляр корневого узла образует начало записи БД, 
т. е. иерархическая БД состоит из нескольких деревьев. 

Иерархическая древовидная  структура  всегда  удовлетворяет  следующим 

условиям: 

1)  иерархия всегда начинается с корневого узла; 
2)  каждый  узел  состоит  из  одного  или  нескольких  атрибутов,  которые 

описывают объект в данном узле; 

3)  узел,  находящийся  на  предшествующем  уровне,  является  исходным 

для новых зависимых узлов. Зависимые узлы могут добавляться как в 
вертикальном,  так  и  в  горизонтальном  направлении  без  всяких  огра-
ничений  (исключение:  на  первом  уровне  может  находиться  только 
один узел, называемый корневым); 

4)  каждый  узел,  находящийся  на  нижнем  уровне,  соединен  с  одним  и 

только одним узлом на уровне выше; 

5)  доступ к каждому узлу, за исключением корневого, происходит через 

исходный узел;  

6)  возможно  существование  любого  числа  экземпляров  узлов  каждого 

уровня. Каждый экземпляр некоторого узла В (за исключением корне-
вого)  соединен  с  экземпляром  исходного  узла,  т. е.  может  существо-
вать много экземпляров узла В. Для каждого экземпляра узла А может 
существовать  нуль,  один  или  несколько  экземпляров  порожденного 
им узла В и т. д. [8]. 

A

B

C

D

E

19 

Иерархическая  модель  базы  данных,  описывающая  структуру  организа-

ции, представлена на рисунке 1.3. 

Рис. 1.3 – Пример иерархической модели БД 

Достоинства модели: 
1.  Наличие  хорошо  зарекомендовавших  себя  СУБД,  поддерживающих 

иерархические модели данных. 

2.  Простота понимания  и  удобство работы  с иерархически  упорядочен-

ной информацией. 

Недостатки модели: 
1.  Из-за  строгой  иерархической  упорядоченности  объектов  модели  зна-

чительно усложняются операции включения и удаления данных. 

2.  Доступ к любому узлу возможен только через исходный, что снижает 

скорость системы при ответах на запросы. 

3.  Сложность реализации неиерархических структур. 
В настоящее время иерархическая модель данных практически не приме-

няется и представляет интерес как одна из первых появившихся на свет моде-
лей. 

1.5.2 Сетевая модель 

Стандарт сетевой модели данных впервые был разработан в 1975 г. орга-

низацией CODASYL (Conference of Data System Languages), которая определи-
ла базовые понятия модели и формальный язык описания [8]. 

Сетевая  модель  данных  является  развитием  иерархической  модели,  поз-

воляя отображать разнообразные взаимосвязи элементов данных в виде произ-
вольного графа (рис. 1.4). 

Организация

Филиалы

Отделы

Сотрудники

Начальник

20 

Рис. 1.4 – Вид связей в сетевой модели 

В вершинах графа при интерпретации размещаются типы объектов (сущ-

ностей), а ребра графа являются типами связей между типами сущностей. От-
личием сетевой модели от иерархической является то, что любая запись может 
входить в любое число именованных связей и фактически здесь нет корневого 
узла, т. к. любая запись может быть определена как точка входа. 

Основные типы структур данных сетевой модели: элемент данных, агре-

гат, запись, набор, база данных.  

Элемент  данных  –  наименьшая  поименованная  единица  данных  (аналог 

поля в файловых системах).  

Элементы  данных  обычно  используются  для  представления  отдельных 

элементарных  свойств  объектов,  например  <идентификационный_номер>, 
<код_студента> и т. п. Имя элемента данных используется для его идентифика-
ции в схеме структуры данного более высокого уровня. 

Агрегат данных – поименованная совокупность элементов данных внутри 

записи, которую можно рассматривать как единое целое. 

Запись – поименованная совокупность элементов данных или элементов 

данных и агрегатов. 

Набор – поименованная совокупность записей, образующих двухуровне-

вую иерархическую структуру. Этот термин не является аналогом набора фай-
лов.  Каждый  тип  набора  представляет  собой  отношение  (связь)  между  двумя 
или несколькими типами записей. 

Достоинства модели 
Главным  достоинством  сетевой  модели  является  возможность  простой 

реализации  часто  встречающихся  в  реальном  мире  взаимосвязей  «многие-ко-
многим».