Различают три основные модели базы данных - это иерархическая, сетевая и реляционная. Эти модели отличаются между собой по способу установления связей между данными.

Иерархическая модель базы данных

Иерархические базы данных - самая ранняя модель представления сложной структуры данных. Информация в иерархической базе организована по принципу древовидной структуры, в виде отношений "предок-потомок".

Каждая запись может иметь не более одной родительской записи и несколько подчиненных.

Связи записей реализуются в виде физических указателей с одной записи на другую.

Основной недостаток иерархической структуры базы данных - невозможность реализовать отношения "многие-ко-многим", а также ситуации, когда запись имеет несколько предков.

Иерархические базы данных графически могут быть представлены как перевернутое дерево, состоящее из объектов различных уровней. Верхний уровень (корень дерева) занимает один объект, второй - объекты второго уровня и так далее.

Организация данных в СУБД иерархического типа определяется в терминах: элемент, агрегат, запись (группа), групповое отношение, база данных.

• Атрибут (элемент данных) - наименьшая единица структуры данных. Обычно каждому элементу при описании базы данных присваивается уникальное имя. По этому имени к нему обращаются при обработке. Элемент данных также часто называют полем.

• Запись - именованная совокупность атрибутов. Использование записей позволяет за одно обращение к базе получить некоторую логически связанную совокупность данных. Именно записи изменяются, добавляются и удаляются. Тип записи определяется составом ее атрибутов. Экземпляр записи - конкретная запись с конкретным значением элементов.

• Групповое отношение - иерархическое отношение между записями двух типов. Родительская запись (владелец группового отношения) называется исходной записью, а дочерние записи (члены группового отношения) - подчиненными. Иерархическая база данных может хранить только такие древовидные структуры.

Корневая запись каждого дерева обязательно должна содержать ключ с уникальным значением. Ключи некорневых записей должны иметь уникальное значение только в рамках группового отношения. Каждая запись идентифицируется полным сцепленным ключом, под которым понимается совокупность ключей всех записей от корневой, по иерархическому пути.

Для групповых отношений в иерархической модели обеспечивается автоматический режим включения и фиксированное членство. Это означает, что для запоминания любой некорневой записи в БД должна существовать ее родительская запись.

Операции над данными, определенные в иерархической модели:

• Добавить в базу данных новую запись. Для корневой записи обязательно формирование значения ключа.

• Изменить значение данных предварительно извлеченной записи. Ключевые данные не должны подвергаться изменениям.

• Удалить некоторую запись и все подчиненные ей записи.

• Извлечь корневую запись по ключевому значению, допускается также последовательный просмотр корневых записей.

• Извлечь следующую запись (следующая запись извлекается в порядке левостороннего обхода дерева).

В операции ИЗВЛЕЧЬ допускается задание условий выборки.

Все операции изменения применяются только к одной "текущей" записи (которая предварительно извлечена из базы данных). Такой подход к манипулированию данных получил название "навигационного".

В иерархической БД поддерживается только целостность связей между владельцами и членами группового отношения (никакой потомок не может существовать без предка).

Сетевая модель базы данных

Сетевая модель данных определяется в тех же терминах, что и иерархическая. Она состоит из множества записей, которые могут быть владельцами или членами групповых отношений. Связь между записью-владельцем и записью-членом также имеет вид 1:N.

Основное различие этих моделей состоит в том, что в сетевой модели запись может быть членом более чем одного группового отношения.

Операции над данными в сетевой модели БД

• Добавить - внести запись в БД и, в зависимости от режима включения, либо включить ее в групповое отношение, где она объявлена подчиненной, либо не включать ни в какое групповое отношение.

• Включить в групповое отношение - связать существующую подчиненную запись с записью-владельцем.

• Переключить - связать существующую подчиненную запись с другой записью-владельцем в том же групповом отношении.

• Обновить - изменить значение элементов предварительно извлеченной записи.

• Извлечь - извлечь записи последовательно по значению ключа, а также используя групповые отношения - от владельца можно перейти к записям - членам, а от подчиненной записи к владельцу набора.

• Удалить - убрать из БД запись. Если эта запись является владельцем группового отношения, то анализируется класс членства подчиненных записей. Обязательные члены должны быть предварительно исключены из группового отношения, фиксированные удалены вместе с владельцем, необязательные останутся в БД.

• Исключить из группового отношения - разорвать связь между записью-владельцем и записью-членом.

В сетевой модели обеспечивается только поддержание целостности по ссылкам (владелец отношения - член отношения).

Реляционная модель базы данных

Реляционная модель была предложена в 1969 году сотрудником фирмы IBM Е. Ф. Коддом (Or. Е. Р. Соdd), известным исследователем в области баз данных. Впервые основные концепции этой модели были опубликованы в 1970 году.

Набор средств для управления реляционными базами данных называется реляци­онной системой управления базами данных (РСУБД). Реляционная система управле­ния базами данных может содержать утилиты, приложения, сервисы, библиотеки, средства создания приложений и другие компоненты.

Реляционная база данных представляет собой совокупность двумерных таблиц. Любая таблица реляционной базы данных состоит из строк, называе­мых записями, и столбцов, называемых полями. Строки таблицы содержат сведения об объектах. Каждый столбец в таблице должен содержать только определенный тип информа­ции. Каждая строка таблицы содержит разнообразную (разного типа) информацию. Все данные, помещенные в одной строке, называют записью, каждый эле­мент записи - это поле. Таким образом, каждое поле содержит часть информации, находящейся на пересечении соответствующей строки и столбца. В таблице всевоз­можные значения одного типа в одном столбце называют доменом.

Поле является элементом записи и представляет собой ячейку таблицы. У каждого столбца есть свое неповторимое имя, описывающее тот вид информации, который содержится в нем. Это имя называют «именем поля базы данных»

Каждое поле имеет фиксированную длину, следовательно, и любая запись в таб­лице имеет фиксированную длину. Каждая запись характеризуется своим уникаль­ным порядковым номером.

Данные в реляционной таблице должны удовлетворять следующим принципам:

1. Каждое значение поля должно быть атомарным, т.е. не расчленяемым на не­сколько значений;

2. Значения данных домена (в одном и том же столбце) должны принадлежать к одному и тому же типу данных, доступному для использования в данной СУБД;

3. Каждая запись в таблице уникальна, т.е. в таблице не существует двух записей с полностью совпадающим набором значений ее полей;

4. Каждое поле имеет уникальное имя;

5. Последовательность полей в таблице несущественна;

6. Последовательность записей в таблице несущественна.

Существенное отличие реляционной модели от обыкновенного последовательного файла заключается в том, что все столбцы в таблице с точки зрения входа предпола­гаются эквивалентными. Именно это свойство делает эту модель весьма мощной и делает невозможным отображение ее на память в виде последовательного массива данных.

Поскольку записи в таблице неупорядочены, то необходимо указать поле (или на­бор нескольких полей) для уникальной идентификации каждой записи.

Первичный ключ (рrimагу кеу) - это поле или набор полей, которые однозначно идентифицируют (определяют) запись таблицы

Обычно ключом является поле или совокупность полей фиксированной длины. Каждому значению первичного ключа соответствует одна и только од­на запись. Первичный ключ любой таблицы обязан содержать уникальные непустые значения для каждой записи. Если первичный ключ состоит из нескольких полей, он называется составным первичным ключом.

Поле, указывающее на запись в другой таблице, связанную с данной записью, называется внешним ключом (foreign кеу).

Подобное взаимоотношение между таблицами называется связью. Связь между двумя таблицами устанавливается путем присвоения значений внешнего ключа одной таблицы значениям первичного ключа другой. Таблица, содержащая внешний ключ, называется второстепенной, а таблица, содержа­щая первичный ключ, определяющий возможные значения внешнего ключа второстепенной таблицы, называется главной.

Типичная реляционная база данных состоит из нескольких связанных таблиц.

Типы связей между объектами

Все информационные объекты предметной области связаны между собой. Соот­ветствия, отношения, возникающие между объектами предметной области, называ­ются связями. Связанные отношениями таблицы взаимодействуют по принципу глав­ная, подчиненная. Возможны следующие отношения между таблица­ми:

1. Отношение «один – ко – многим» (обозначают 1:М): одной записи из главной таблицы может соответствовать ноль, одна или несколько записей подчинённой таблицы.

2. Отношение «один – к - одному» (обозначают 1:1): одной записи из главной таблицы соответствует только одна запись из подчинённой таблицы.

3. Отношение «многие – ко – многим» (обозначают М:М): одной записи из главной таблицы может соответствовать ноль, одна или несколько записей подчинённой таблицы и наоборот.

Одним из правил ссылочной целостности (referential integrity) является то, что первичный ключ любой таблицы должен содержать уникальные непустые значения для данной таблицы. Некоторые СУБД могут контролировать уникальность первичных ключей. Если СУБД контролирует уникальность первичных ключей, то при попытке присвоить первичному ключу значение, уже имеющееся в другой записи, СУБД сгенерирует диагностическое сообщение, обычно содержащее словосочетания primary key violation. Это сообщение в дальнейшем может быть передано в приложение, с помощью которого конечный пользователь манипулирует данными.

Если две таблицы связаны соотношением главная-подчиненная, внешний ключ подчинённой таблицы должен содержать только те значения, которые имеются среди значений первичного ключа главной таблицы. Если корректность значений внешних ключей не контролируется СУБД, можно говорить о нарушении ссылочной целостности. Если же СУБД контролирует корректность значений внешних ключей, то при попытке присвоить внешнему ключу значение, отсутствующее среди значений первичных ключей главной таблицы, либо при удалении или модификации записей главной таблицы, приводящих к нарушению ссылочной целостности, СУБД сгенерирует сообщение, о котором говорилось выше.