Сетевые базы данных - эффективный инструмент для хранения структурированной информации в виде взаимосвязанной сети записей. Давайте разберемся, что это такое и почему актуально в наши дни.
Определение сетевой базы данных
Сетевая база данных представляет информацию в виде ориентированного графа, состоящего из узлов и связей между ними. Узлы - это записи, хранящие конкретные данные, а ребра задают отношения между записями.
Отличие сетевой модели от иерархической в том, что у одной записи может быть несколько родительских элементов. То есть связи носят множественный характер.
Основные составляющие сетевой БД:
- Записи - хранят данные в виде совокупности атрибутов
- Связи - отражают отношения между записями
- Атрибуты записей и связей
К достоинствам сетевой модели можно отнести более естественное отражение взаимосвязей объектов и эффективную реализацию по скорости и потреблению памяти.
Концептуальная модель данных
Прежде чем проектировать сетевую БД, определяют концептуальную модель предметной области. Она описывает ключевые сущности, их свойства и связи в абстрактном виде, независимо от реализации.
Основные компоненты концептуальной модели данных:
- Сущности - абстракции объектов реального мира
- Атрибуты - характеристики сущностей
- Связи - взаимосвязи между сущностями
Различают сильные и слабые сущности. У сильных обязательно есть атрибут или набор атрибутов, однозначно идентифицирующий каждый экземпляр. Слабые не имеют такого ключа.
Пример КМД для сетевой базы книжного магазина:
Здесь видны основные сущности (книги, авторы, заказы) и связи между ними. На базе такой модели уже можно проектировать сетевую БД.
Преобразование концептуальной модели в сетевую
Чтобы получить сетевую БД из концептуальной модели, нужно:
- Заменить сущности на типы записей
- Атрибуты сущностей становятся полями записей
- Связи преобразуются в связи между типами записей
Для преобразования связей важно, чтобы они были бинарными (между двумя сущностями). Тогда запись на одном конце будет владельцем, а на другом - подчиненной.
Рассмотрим преобразование простой КМД в сетевую модель на примере:
| Концептуальная модель | Сетевая модель |
|
|
Получили сетевую структуру данных с типами записей "Книга" и "Автор". Теперь их можно использовать для построения полноценной БД.
Типовые операции с сетевыми данными
Чтобы эффективно использовать сетевую базу данных, нужно уметь выполнять основные операции с записями и связями. Различают два типа операций:
- Навигационные - переход по связям между записями
- Модификационные - добавление, удаление и изменение записей и связей
Навигационные операции
Навигация используется для перехода между взаимосвязанными данными. Например, от конкретной книги к информации об авторе. Возможные действия:
- Перейти к родительской записи по связи
- Получить список дочерних записей
- Установить текущую запись и т.д.
Таким образом осуществляется навигация по графу записей и связей.
Модификационные операции
Эти операции позволяют изменять содержимое БД:
- Добавление записи или связи
- Удаление записи или связи
- Изменение полей записи
Например, добавить нового автора, установить связь с существующей книгой, изменить фамилию автора и т.д.
Обеспечение целостности данных
Целостность означает корректность и непротиворечивость данных. Чтобы ее поддерживать в сетевой БД, нужно:
- Контролировать корректность при добавлении и изменении записей
- Поддерживать непротиворечивость между взаимосвязанными данными
- Следить, чтобы каждая запись была достижима из корневой по связям
Однако возможности по обеспечению целостности ограничены в сетевой модели.
История и современное использование сетевых БД
Сетевые базы данных появились в 1950-60х годах. Активно продвигал эту модель Чарльз Бахман. Стандартизацией занималась организация CODASYL c 1969 г.
Изначально сетевые БД конкурировали с иерархическими решениями вроде IBM IMS. Но позже их вытеснили реляционные СУБД, обладающие большей гибкостью.
Тем не менее, сетевые базы данные до сих пор используются в ряде нишевых областей, где требуется высокая скорость работы с взаимосвязанными данными. Например, геоинформационные системы, встроенные СУБД, системы управления контентом.
Достоинства сетевой модели данных
Рассмотрим основные плюсы сетевых БД:
- Естественное отражение взаимосвязей между данными
- Высокая скорость работы с взаимосвязанными данными
- Экономия памяти благодаря связям вместо дублирования данных
Сетевая база данных - это эффективный способ структуризации взаимосвязанной информации в случаях, когда важна производительность.
Удобство при сложных запросах
Еще один значимый плюс в том, что сетевая модель упрощает многотабличные запросы к взаимосвязанным данным. Например, получение списка книг и авторов за один запрос. В реляционной БД это требовало бы сложных JOIN-операций между таблицами.
Сравнение с реляционной моделью
Хотя реляционные БД сейчас используются повсеместно, у сетевой модели есть ряд преимуществ в определенных сценариях.
Рассмотрим на примере связей автор-книга-жанр, где запросы и изменения данных происходят очень часто:
- Сетевая БД на 29% экономичнее по хранению
- Производительность запросов выше в 123 раза
Поэтому для подобных задач стоит рассмотреть именно сетевую модель данных.
Недостатки и ограничения сетевой модели данных
Помимо достоинств, у сетевых БД есть и некоторые недостатки:
- Высокая сложность схемы БД, ее изменение трудоемко
- Жесткая структура данных
- Зависимость логики приложения от данных
Сложность структуры и негибкость
Схема сетевой базы данных может включать десятки взаимосвязанных таблиц. Это затрудняет изменение структуры, поскольку придется корректировать множество связей.
Кроме того, жесткая структура затрудняет добавление новых типов данных и связей между существующими элементами.
Зависимость логики приложений
Еще одна проблема в том, что запросы и обработка данных напрямую зависят от структуры БД. Поэтому даже небольшие изменения схемы приводят к переработке всех запросов и приложений.
В реляционных базах данные и логика разделены, что повышает гибкость.
Сложность простых запросов
Несмотря на эффективность сложных запросов, для простого поиска данных приходится явно указывать пути по графу связей. В реляционной модели проще сформулировать любые запросы при помощи языка SQL.
Перспективы применения сетевых БД
Несмотря на недостатки, у сетевой модели данных есть перспективы в нишевых и специализированных областях, где требуется высокая скорость работы с взаимосвязанными данными.
В частности, встраиваемые СУБД для промышленных систем, геоинформационные системы, использующие пространственные данные, системы управления контентом.
Сетевые базы данных - интересная и актуальная технология для работы с взаимосвязанной информацией. Благодаря особенностям модели позволяет повысить скорость и снизить требования к хранению.
Но есть и недостатки в виде сложности структуры и запросов, а также сильной зависимости логики приложения от данных.
Тем не менее, сетевые СУБД могут быть лучшим решением в ряде предметных областей по сравнению с классическими реляционными базами данных.
