Сетевые базы данных

Сетевая база данных представляет собой организацию данных, основанную на сетевой модели данных, где информация моделируется в виде ориентированного графа, состоящего из узлов и ребер. Узлы — это записи, отражающие объекты предметной области, а ребра — связи между ними с направлением и типом.

Связи в сетевой модели реализуются двумя типами отношений: «один-к-одному» и «один-ко-многим». Тип «много-ко-многим» не поддерживается напрямую. Ребро графа указывает направление связи от записи-владельца к подчиненной записи.

Сетевая модель данных

Структурные компоненты сетевой модели включают атрибуты, агрегаты данных, записи, типы записей и наборы записей. Атрибут представляет минимальную единицу данных, к которой возможен доступ по имени. Связанные данные можно группировать в агрегаты, например, объединяя связанные поля, такие как «серия паспорта» и «номер паспорта» в агрегат «паспортные данные».

Запись в сетевой модели — совокупность атрибутов и агрегатов, описывающая конкретный объект. Записи одного типа объединяются в типы записей, обладающие одинаковой структурой атрибутов. Связь между двумя типами записей реализуется через набор записей, который моделирует отношение «один-ко-многим»: одна запись-владелец связана с нулём или несколькими подчинёнными записями.

Механизм ссылок основан на указателях из записей на связанные записи в наборах. Таким образом, для связи типа «Специальность» и «Студент» запись «Специальность» выступает владельцем, а «Студент» — подчинённым. Это обеспечивает навигацию от владельца к подчинённым и обратно.

Тип записи может одновременно входить в несколько наборов, выступая владельцем в одном и подчинённым в другом. Возможна ситуация, когда тип записи не входит ни в один набор. Два объекта могут быть связаны через несколько наборов, но в каждом наборе имеется только одна запись-владелец.

Управление данными в сетевой базе данных

Работа с сетевой БД основывается на выборе текущей записи. Текущая запись выбирается посредством навигационных операций, которые обеспечивают перемещение по связанным записям.

Навигация включает следующие операции: выбор конкретной записи в совокупности однотипных записей, переход к подчинённой записи через набор, переход к следующей записи, переход от подчинённой записи к записи-владельцу. После выбора текущей записи пользователь может выполнять модификации данных.

Изменения данных реализуются через ряд операций: добавление новой записи с автоматическим включением в набор; включение уже существующей записи в набор, устанавливая связь с владельцем; переключение подчинённой записи с одного владельца на другого в пределах одного набора; обновление атрибутов записи; удаление записи при контроле целостности связей; исключение отдельной записи из набора, разрывая связь с владельцем.

Удаление записи требует анализа целостности: удаление записи-владельца требует предварительного исключения всех подчинённых записей из соответствующих наборов или их удаления. Попытка удалить владельца без корректного удаления подчиненных приведёт к нарушению структуры и данных.

Достоинства и недостатки сетевой модели данных

Сетевая модель данных стандартизирована с 1969 года, когда консорциум CODASYL описал формальный язык для её спецификаций. Модель обеспечивает высокую выразительную способность за счёт возможности устанавливать сложные связи между записями.

Высокое быстродействие достигается благодаря навигационной реализации, где операции с данными осуществляются посредством прямых ссылок без применения дорогостоящих операций поиска и соединений, характерных для реляционных БД. Это позволяет работать с большими объёмами данных с минимальной задержкой.

Универсальность сетевой модели состоит в возможности моделирования широкого набора отношений внутри данных, что затруднительно или невозможно для иерархической или реляционной моделей. Например, сетевая модель может эффективно представлять взаимосвязанные и циклические структуры.

Минусы связаны с ограниченной гибкостью моделей. Изменения структуры базы данных часто требуют редактирования всех зависимых записей для корректности ссылок, что повышает трудоёмкость и риск ошибок. Навигационная природа доступа осложняет формирование сложных запросов, сравнимых с SQL в реляционных системах.

Также необходимо учитывать сложность организации оперативной памяти: хранение обширной сетевой структуры требует продуманного управления указателями и размещением записей. Контроль целостности данных затруднён, так как зависит от сложных ссылочных связей.

Использование сетевой модели в современных информационных технологиях

Сетевая модель предшествовала реляционной модели, и некоторое время считалась устаревшей. Однако существует ситуация, когда она оказывается более подходящей. Для структурирования больших объёмов трудноформализуемых данных сетевая модель дает преимущество в скорости и выразительности по сравнению с реляционной.

Практический пример — организация данных в глобальной сети Интернет, где сетевые связи и маршрутизация имеют естественную графовую структуру. Реляционная модель не подходит для систем, требующих динамических многосвязных объектов.

Современные ИТ-продукты, такие как CronosPRO — инструментальная система управления сетевыми базами, Cerebrum — сетевая объектно-ориентированная база знаний, и GT.M — СУБД, поддерживающая смешанные модели, включая сетевую, демонстрируют актуальность сетевой модели.

Эти системы обеспечивают интерфейсы для навигационного доступа к сетевым структурам и реализуют механизмы управления целостностью и эффективного хранения больших данных.

Матрица выбора сетевой модели данных

Ниже приведены условия, при которых использование сетевой модели оправдано, а также основные ограничения, предопределяющие этот выбор.

Матрица помогает принять решение в зависимости от значений требований к скорости, типу данных, гибкости и интеграции.

Для заданий с низкой динамикой структуры, высокой сложностью связей и фокусом на производительности навигационных операций сетевая модель оправдана. Для гибких систем с частыми изменениями предпочтительнее реляционная или объектно-ориентированная модели.

Основные характеристики сетевой модели для выбора:

• Сложные отношения «один-ко-многим» реализованы с помощью ориентированного графа;
• Навигация по данным осуществляется через указатели на связанные записи для быстрого доступа;
• Изменения структуры базы требуют обновления указателей в каждой записи, что снижает гибкость;
• Поддержка связи «много-ко-многим» ограничена, требует дополнительных обходных решений;
• Модель применяется в системах, где важна высокая скорость и высокая выразительная мощность отношений.