Модели многоуровневой архитектуры систем баз данных

В области проектирования и разработки систем баз данных используются различные средства моделирования, причем даже в рамках одной конкретной системы необходим целый комплекс моделей разного назначения.

Опубликованный в 1975 году отчет ANSI/ХЗ/SPARCзафиксировал не только широкое признание концепций многоуровневой архитектуры систем баз данных, но и необходимость явного выделения специального концептуального уровня представления базы данных, единого для всех ее приложений и независимого от них. Кроме этого уровня предусматривались еще два уровня: внутренний уровень, который должен обеспечивать поддержку представления хранимой базы данных, и внешний, поддерживающий представления базы данных «с точки зрения» приложений. На каждом архитектурном уровне предполагалось использование той или иной модели данных. Кроме того, на внешнем (прикладном, пользовательском) уровне таких моделей может быть несколько. Модели, а также схемы, специфицируемые на их основе, называются соответственно внешней, концептуальной и внутренней.

Как очевидно, конечной целью проектирования является построение конкретной базы данных, в той или иной степени воплощающей представление проектировщика о предметной области и задачах, решаемых пользователями с помощью созданной базы. Рассматривая базу данных как конкретную реализациюмодели, мы по существу устанавливаем порядок процесса, отделяя этап определения принципов (то, какой база должна быть) от этапа воплощения этих принципов при реализации базы данных в конкретной среде СУБД, ОСи языках программирования. И как показывает практика, между реализациями баз данных и принципами их построения всегда есть расхождения. Различия являются следствием разных причин, но чаще всего это явный или неявный отказ от некоторых принципиальных ограничений, налагаемых, например, моделью данных или базовыми (встроенными) алгоритмами обработки в пользу частного решения, которое, по мнению проектировщика, будет более эффективно, например, для понимания или обработки данных.

Важность отделения проектирования на абстрактном уровне от физической реализации состоит в том, что, объявляя принципы, мы конструктивно ограничиваем область применения. Во-первых, размерность и сложность задачи должна быть сокращена до такого уровня, чтобы реализация стала возможной в данных конкретных условиях — ресурсах среды, профессионализме проектировщика, подготовленности пользователя и т. д. Во-вторых, поскольку база данных по определению предназначена для многофункциональногоиспользования различными пользователями, и в то же время — для обслуживания запросов, не предвиденных при проектировании, такое явное объявление принципов позволит не вводить в заблуждение пользователя и не создавать приложения для решения задач, которые, в силу своего принципиального отличия от тех, которые рассматривались при проектировании, обусловят неэффективную обработку данных.

Проектирование базы данных — это упорядоченный формализованный процесс создания системы взаимосвязанных описаний, т. е. таких моделей предметной области, которые связывают (фиксируют) хранимые в базе данные с объектами предметной области, описываемыми этими данными. Прикладное назначение таких описаний состоит в том, чтобы пользователь, практически не имеющий представления об организации данных в БД (физическом размещении в памяти данных и механизмах их поиска), обращая запрос к базе, имел бы практическую возможность получить адекватную информацию о состоянии объекта предметной области.

Проектирование начинается с анализа предметной области и выявления функциональных и других требований к проектируемой системе. Подробнее этот процесс мы рассмотрим ниже, а здесь отметим, что проектирование обычно выполняется человеком (группой людей) — системным аналитиком (а на практике чаще администратором базы данных), которым может быть как специально выделенный сотрудник, так и будущий пользователь базы данных, достаточно хорошо знакомый с машинной обработкой данных. Объединяя отдельные представления о содержимом базы данных, полученные в результате опроса пользователей, и свои представления о данных, которые могут потребоваться для решения практических задач, системный аналитик сначала создает обобщенное неформальное описание создаваемой базы данных. Это описание, выполненное с использованием естественного языка, математических выражений, таблиц, графов и других средств, понятных всем людям, работающим над проектированием базы данных, называют инфологической моделью.

Такая человеко-ориентированная модель практически полностью независима от физических параметров среды хранения данных, которой может быть как память человека, так и ЭВМ. Поэтому инфологическая модель не изменяется до тех пор, пока какие-то изменения в реальном мире (той его части, которая отнесена к предметной области) не потребуют изменения в модели соответствующего фрагмента описания, чтобы эта модель продолжала адекватно отражать предметную область.

Остальные модели являются машинно-ориентированными. С их помощью СУБД дает возможность программам и пользователям осуществлять доступ к хранимым данным лишь по их именам, не заботясь о физическом расположении этих данных.

Так как доступ к данным осуществляется с помощью конкретной СУБД, то модели должны быть представлены на языке описания данных этой СУБД. Такое описание, создаваемое по инфологической модели данных, называют даталогическое моделью данных.

Для размещения и поиска данных на внешних запоминающих, устройствах СУБД использует физическую модель данных.

Представленная трехуровневая архитектура (инфологический, даталогических и физический уровни) позволяет обеспечить независимость хранимых данных от использующих их программ. Хранимые данные могут быть переписаны на другие носители или их физическая структура может быть реорганизована, в том числе дополнена полями для новых приложений, но это повлечет лишь изменение физической и, возможно, даталогической модели данных. Главное, такие изменения физической и даталогической моделей не будут замечены существующими пользователями системы (окажутся «прозрачными» для них) так же, как не будут замечены и вновь подключаемые пользователи. Кроме того, независимость данных обеспечивает возможность создания новых приложений для решения новых задач без разрушения существующих.

В процессе развития теории систем баз данных термин «модель данных» имел разное содержание. Для более глубокого понимания существа отдельных понятий рассмотрим некоторые особенности использования этого понятия в контексте эволюции баз данных, представленные в [11].

О понятии «модель данных».Первоначально понятие модели данных употреблялось как синоним структуры данных в конкретной базе данных. Структурная трактовка полностью согласовывалась с математическим определением понятия модели как множества с заданными на нем отношениями. Но, следует отметить, что объектом моделирования в данном случае являются не данные вообще, а конкретная база данных. Разработки новых архитектурных подходов, основанных на идеях многоуровневой архитектуры СУБД, показали, что уже недостаточно рассматривать отображение представлений конкретной базы данных. Требовалось решение на метауровне, позволяющее оперировать множествами всевозможных допустимых представлений баз данных в рамках заданной СУБД, или, что эквивалентно, инструментальными средствами, используемыми для их спецификации. В этой связи возникла потребность в термине, который обозначал бы инструмент, а не результат моделирования, и соответствовал бы, таким образом, множеству всевозможных баз данных некоторого класса. Т. е. инструмент моделирования баз данных должен включать не только средства структурирования данных, но и средства манипулирования данными. Поэтому модель данных в инструментальном смысле стала пониматься как алгебраическая система — множество всевозможных допустимых типов данных, а также определенных на них отношений и операций. Позднее в это понятие стали включать еще и ограничения целостности, которые могут налагаться на данные. В результате проблема отображения данных в многоуровневых СУБД и системах распределенных баз данных стала рассматриваться как проблема отображения моделей данных.

Важно подчеркнуть, что для разработчиков и пользователей СУБД точным определением реализованной в ней модели данных фактически являются языковые средства определения данных и манипулирования данными. Поэтому отождествлять такой язык со схемой базы данных (результатом моделирования)— конкретной спецификацией в этом языке — неправомерно.

Начиная с середины 70-х гг. под влиянием предложенной в тот период концепции абстрактных типов само понятие типа данных в языках программирования стало трансформироваться таким образом, что в него стали вкладывать не только структурные свойства, но и элементы поведения (изменения данных).

В дальнейшем это послужило основой для формирования концепции объекта, на которой базируются современные объектные модели.

В связи с этим был предложен новый подход, при котором модель данных рассматривается как система типов. Такой подход обеспечивал естественные возможности интеграции баз данных и языков программирования, способствовал формированию направления, связанного с созданием так называемых систем программирования баз данных. Трактовке модели данных как системы типов соответствуют не только уже существующие широко используемые модели, но также объектные модели, завоевывающие все большее влияние.

О развитии и конкурировании моделей. Поаналогии с ситуацией 70-х гг., когда велись споры о преимуществах сетевой, иерархической и реляционной модели данных (как известно, завершившиеся «ничейным» исходом открытой дискуссии Ч. Бахмана и Э. Кодла на Конференции АСМ SIGMOD в1975 г.), в настоящее время сформировалась новая тройка конкурентов — реляционная, объектная и многомерная модели.

Хотя, строго говоря, здесь речь идет лишь о двух моделях. Действительно, многомерные модели, коммерческие реализации которых появились в начале 90-х гг. для поддержки технологий ОЕАР,не основаны на каких-либо радикально новых идеях. Они представляют собой некоторое расширение активно исследовавшейся в 70 — 80-х гг. модели универсальных отношений новыми операционными возможностями, обеспечивающими, в частности, необходимые для OLAPфункции агрегирования данных. Таким образом, многомерные модели представляют собой особую разновидность реляционной модели.

Многомерные модели — это «полноправные» модели данных. Так же, как и другие модели, они используются для описания базы данных, определяя тем самым соответствующее ее природе представление данных, и предоставляют средства манипулирования данными. И в этом смысле они ничем не отличаются по своей функциональности от прочих моделей данных. В сегодняшних массовых реляционных технологиях многомерные модели ассоциируются с внешним уровнем архитектуры систем баз данных. Именно этим определяется их направленность на конечного пользователя. Нужно заметить, что обеспечение комфортных условий для работы конечного пользователя было также основной целью разработки модели универсального отношения.

Однако главная проблема в области массовых технологий заключается не столько в том, чтобы найти достойного преемника реляционной модели, сколько в том, что огромный балласт унаследованных систем (сегодня — уже реляционных) не дает возможности для резких технологических сдвигов и радикального обновления существующих технологий. Стремление избежать огромных кратко временных капиталовложений в случае перехода к принципиально новым технологиям приводит к необходимости лишь эволюционного пути развития. Отсюда рождение таких гибридов, как объектно-реляционные базы данных «нового поколения».

Документальные системы и интеграция моделей. Приведенные выше положения разрабатывались и действительно широко используются для баз данных хорошо структурированной информации. Однако уже сегодня одной из важнейших проблем становится обеспечение интеграции неоднородных информационных ресурсов, и в частности слабоструктурированных данных. Необходимость ее решения связывается со стремлением к полноценной интеграции систем баз данных в среду Web-технологий. При этом уже не достаточно простого обеспечения доступа к базе данных традиционным способом «из-под» HTML-форм. Нужна интеграция на модельном уровне. И не просто синтаксическая интеграция. В этом случае проблема семантической интероперабельности информационных ресурсов сводитсяк задаче разработки средств и технологий, предусматривающих явную спецификацию метаданных для ресурсов слабоструктурированных данных на основе традиционных технологий моделирования из области баз данных. (Напомним, что в области систем баз данных аналогичная ситуация была преодолена благодаря предложениям CODASYLо необходимости явной спецификации схемы базы данных, независимой от приложений.)

Именно на достижение этой цели направлены интенсивные разработки WWW-консорциумом языка XMLи его инфраструктуры (фактически новой модели данных для этой среды), объектной модели документов и других средств, которые, как можно ожидать, скоро станут основой технологий управления информационными ресурсами. Это направление связано с другой глобальной проблемой — организацией распределенных неоднородных информационных систем на основе построения депозитариев метаданных, обеспечивающих возможность семантического отождествления ресурсов и, таким образом, возможность их целенаправленного повторного использования.