Ниже перечислены основные требования к организации базы данных.

1. Установление многосторонних связей

Различным программистам требуются различные логические файлы. Эти файлы получаются из одной и той же совокупности данных. Между элементами запоминаемых данных могут суще­ствовать различные связи. Некоторые базы данных будут содер­жать сложные переплетения взаимосвязей. Метод организации данных должен быть таким, чтобы обеспечивалась возможность удобного представления этих взаимосвязей и быстрого согласова­ния вносимых в них изменений. Система управления базами дан­ных должна обеспечивать возможность получения требуемых логи­ческих файлов из имеющихся данных и существующих между ними связей. Необходимо, чтобы существовало хотя бы небольшое сходство между представлением логического файла в прикладной программе и способом физического хранения данных.[7, 10, 11].

1. Производительность

Базы данных, специально разработанные для использования их оператором терминала, обеспечивают время ответа, удовлет­ворительное для диалога человека — терминал. Кроме того, система баз данных должна обеспечивать соответствующую пропуск­ную способность. В системах, рассчитанных на небольшой поток запросов, пропускная способность накладывает незначительные ограничения на структуру базы данных. В системах с большим потоком запросов, например в системах резервирования авиа­билетов, пропускная способность оказывает решающее влияние на выбор организации физического хранения данных.

В системах, предназначенных только для пакетной обработки, время ответа не так важно и метод физической организации мо­жет выбираться из условий обеспечения эффективной пакетной обработки.[7, 10, 11].

1. Минимальные затраты

Для уменьшения затрат на создание и эксплуатацию базы данных выбираются такие методы организации, которые миними­зируют требования к внешней памяти. При использовании этих методов физическое представление данных в памяти может сильно отличаться от того представления, которое использует прикладной программист. Преобразование одного представления в другое осу­ществляют программное обеспечение либо, если возможно, аппа­ратные или микропрограммные средства. В таких случаях прихо­дится выбирать между затратами на алгоритм преобразования и экономией памяти.[7, 10, 11].

1. Минимальная избыточность

В системах обработки, существовавших до использования си­стем управления базами данных, информационные фонды облада­ли очень высоким уровнем избыточности. Большинство ленточных библиотек содержало большое количество избыточных данных. Даже при использовании баз данных по мере возрастания инфор­мации, объединяемой в интегрированные базы данных, потен­циальная возможность появления избыточных данных постепенно увеличивается. Избыточные данные дороги в том смысле, что они занимают больше памяти, чем это необходи­мо, и требуют более одной операции обновления. Целью организации базы данных должно быть уничтожение избыточных данных там, где это выгодно, и контроль за теми про­тиворечиями, которые вызываются наличием избыточных данных.[7, 10, 11].

1. Возможности поиска

Пользователь базы данных может обращаться к ней с самыми различными вопросами по поводу хранимых данных. В большин­стве современных коммерческих приложений типы запросов предо­пределены, и физическая организация данных разрабатывается для их обработки с требуемой скоростью. Возросшие требования к системам заключаются в обеспечении обработки таких запро­сов или формирования таких ответов, которые заранее не запла­нированы. [7, 10, 11].

1. Целостность

Если база данных содержит данные, используемые многими пользователями, очень важно, чтобы элементы данных и связи между ними не разрушались. Необходимо учитывать возможность возникновения ошибок и различного рода случайных сбоев. Хра­нение данных, их обновление, процедуры включения данных должны быть такими, чтобы система в случае возникновения сбоев могла восстанавливать данные без потерь. Необходимо, чтобы вы­числительная система гарантировала целостность хранимых в ней данных.[7, 10, 11].

1. Безопасность и секретность

Данные в системах баз данных должны храниться в тайне и сохранности. Запоминаемая информация иногда очень важна для использующего ее учреждения. Она не должна быть утеряна или похищена. Для увеличения жизнестойкости информации в базе данных важно защищать ее от аппаратных или программных сбоев, от катастрофических и криминальных ситуаций, от неком­петентного или злонамеренного использования лицами, которые могут ее неправильно употребить.

Под безопасностью данных понимают защиту данных от слу­чайного или преднамеренного доступа к ним лиц, не имеющих на это право, от неавторизованной модификации данных или их унич­тожения.

Секретность определяют как право отдельных лиц или орга­низаций определять, когда, как и какое количество соответствую­щей информации может быть передано другим лицам или орга­низациям.[7, 10, 11].

1. Связь с прошлым

Организации, которые в течение какого-то времени эксплуати­руют системы обработки данных, затрачивают значительные сред­ства на написание программ, процедур и организацию хранения данных. В том случае, когда фирма начинает использовать на вычислительной установке новое программное обеспечение управ­ления базами данных, очень важно, чтобы при этом она могла работать с уже существующими на этой установке программами, обрабатываемые данные можно было бы соответствующим образом преобразовывать. Такое условие требует наличия програм­мной и информационной совместимости, и ее отсутствие может стать основным сдерживающим фактором при переходе к новым системам управления базами данных. Важно, однако, чтобы про­блема связи с прошлым не сдерживала развитие средств управ­ления базами данных. [7, 10, 11].

1. Связь с будущим

Особенно важной представляется связь с будущим. В будущем данные и среда их хранения изменятся по многим направлениям. Любая коммерческая организация со временем претерпевает из­менения. Особенно дорогими эти изменения оказываются для пользователей системами обработки данных. Огромные затраты, которые требуются для реализации самых простых изменений, сильно тормозят развитие этих систем. Эти затраты расходуются на преобразование данных, перезапись и отладку прикладных программ, явившихся результатом внесения изменений. Со време­нем число прикладных программ в организации растет, и поэтому перспектива перезаписи всех этих программ кажется нереальной. Одна из самых важных задач при разработке баз данных—запла­нировать базу данных таким образом, чтобы изменения ее можно было выполнять без модификации прикладных программ.[7, 10, 11].

1. Простота использования

Средства, которые используются для представления общего логического описания данных, должны быть простыми и изящны­ми.

Интерфейс программного обеспечения должен быть ориентирован на конечного пользователя и учитывать возможность того, что пользователь не имеет необходимой базы знаний по теории баз данных. [7, 10, 11].

1. Модели представления данных

С ростом популярности СУБД в 70-80-х годах появилось множество различных моделей данных. У каждой из них имелись свои достоинства и недостатки, которые сыграли ключевую роль в развитии реляционной модели данных, появившейся во многом благодаря стремлению упростить и упорядочить первые модели данных.

Современные БД основываются на  использовании моделей данных (МД), позволяющих описывать объекты предметных областей и взаимосвязи между ними существуют три основные МД и их комбинации, на которых основываются БД: реляционная модель данных (РМД), сетевая модель данных (СМД), иерархическая модель данных (ИМД).

Основное различие между этими моделями данных состоит в способах описания взаимодействий между объектами и  атрибутами. Взаимосвязь выражает отношение между множествами данных.

Используют взаимосвязи "один к одному", "один ко многим" и "многие ко многим". "Один к одному" - это взаимно однозначное соответствие, которое устанавливается между одним объектом и одним  атрибутом. "Один ко многим" - это соответствие между одним объектом и многими атрибутами. "Многие ко многим" - это соответствие между многими объектами и многими атрибутами. [10, 11, 12].

Рассмотрим эти модели данных более подробно.

1. Иерархическая модель данных

ИМД основана  на  понятии деревьев, состоящих из вершин и ребер. Вершине  дерева  ставится в соответствие совокупности атрибутов данных, характеризующих некоторый объект. Вершины и ребра  дерева  как бы образуют иерархическую древовидную структуру, состоящую из n уровней.

Первую вершину называют корневой вершиной. Он  удовлетворяет условиям:

1. Иерархия начинается с корневой вершины.

2. Каждая вершина  соответствует одному или нескольким атрибутам.

3. Hа уровнях с большим номером находятся зависимые вершины. Вершин  предшествующего уровня является начальной для новых зависимых вершин.

4. Каждая вершина, находящаяся на  уровне i, соединена  с одной и только одной вершиной уровня i-1, за  исключением корневой вершины.

5. Корневая вершина  может быть связана  с одной или несколькими зависимыми вершинами.

6. Доступ к каждой вершине происходит через корневую по единственному пути

7. Существует произвольное количество вершин каждого уровня.

Иерархическая модель данных состоит из нескольких деревьев, т.е. является лесом. Каждая корневая вершин  образует начало записи логической базы данных. В ИМД вершины, находящиеся на  уровне i, называют порожденными вершин ми н  уровне i-1.

Операции в ИМД имеют  нелогичный позаписный характер. Аппарат перемещения по структуре в графовых моделях служит для установки тех объектов данных, к которым будет применяться очередная операция манипулирования данными. Такие объекты называются текущими. Механизмы доступа  к данным и перемещения по структуре данных в таких моделях достаточно сложны и существенным образом опираются на концепцию текущего состояния механизма  доступа.[7, 10, 11, 12].

Основные достоинства  ИМД: простота  построения и использования, обеспечение определенного уровня независимости данных, простота  оценки операционных характеристик. Основные недостатки: отношение "многие ко многим" реализуется очень сложно, дает громоздкую структуру и требует хранения избыточных данных, что особенно нежелательно на  физическом уровне, иерархическая упорядоченность усложняет операции удаления и включения, доступ к любой вершине возможен только через корневую, что увеличивает время доступа.

К числу СУБД иерархического типа  можно отнести PC/Focus, Team-Up, Data Edge,   также разработанную в нашей стране систему HИКА, преемницу широко распространенной советской системы ИHЕС для ЕС ЭВМ.

Одной из наиболее важных сфер применения первых иерархических СУБД было планирование производства для компаний, занимающихся выпуском продукции. Например, если автомобильная компания хотела выпустить 10000 машин одной модели и 5000 машин другой модели, ей необходимо было знать, сколько деталей следует заказать у своих поставщиков. Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо определить, из каких деталей состоят эти части и т.д. Например, машина состоит из двигателя, корпуса и ходовой части; двигатель состоит из клапанов, цилиндров, свеч и т.д. Работа со списками составных частей была как будто специально предназначена для компьютеров.

Список составных частей изделия по своей природе является иерархической структурой. Для хранения данных, имеющих такую структуру, была разработана иерархическая модель данных, которую иллюстрирует рис. 1.

В этой модели каждая запись базы данных представляла конкретную деталь. Между записями существовали отношения предок/потомок, связывающие каждую часть с деталями, входящими в неё.Ч
тобы получить доступ к данным, содержащимся в базе данных, программа могла:

• найти конкретную деталь (правую дверь) по её номеру;

• перейти "вниз" к первому потомку (ручка двери);

• перейти "вверх" к предку (корпус);

• перейти "в сторону" к другому потомку (правая дверь).

Таким образом, для чтения данных из иерархической базы данных требовалось перемещаться по записям, за один раз переходя на одну запись вверх, вниз или в сторону.

Ограничения целостности.

Автоматически поддерживается целостность ссылок между предками и потомками. Основное правило: никакой потомок не может существовать без своего родителя. Заметим, что аналогичное поддержание целостности по ссылкам между записями, не входящими в одну иерархию, не поддерживается. [7, 9].

В иерархических системах поддерживалась некоторая форма представлений БД на основе ограничения иерархии.

1. Сетевая модель данных

Сетевая модель данных замышлялась как инструмент для пользователей баз данных - программистов. В связи с этим в СМД больше внимания уделяется структуризации данных, чем развитию ее операционных возможностей.

В СМД элементарные данные и отношения между ними представляются в виде ориентированной сети (вершины - данные, дуги - отношения).[7].

Е
сли структура данных оказывалась сложнее, чем обычная иерархия, простота структуры иерархической базы данных становилась её недостатком. Например, в базе данных для хранения заказов один заказ мог участвовать в трёх различных отношениях предок/потомок, связывающих заказ с клиентом, разместившим его, со служащим, принявшим его, и с заказанным товаром, что иллюстрирует рис. 2. Такие структуры данных не соответствовали строгой иерархии IMS.

В связи с этим для таких приложений, как обработка заказов, была разработана новая сетевая модель данных. Она являлась улучшенной иерархической моделью, в которой одна запись могла участвовать в нескольких отношениях предок/потомок. В сетевой модели такие отношения назывались множествами. В 1971 году на конференции по языкам систем данных был опубликован официальный стандарт сетевых баз данных, который известен как модель CODASYL. Компания IBM не стала разрабатывать собственную сетевую СУБД и вместо этого продолжала наращивать возможность IMS. Но в 70-х годах независимые производители программного обеспечения реализовали сетевую модель в таких продуктах, как IDMS компании Cullinet, Total компании Cincom и СУБД Adabas, которые приобрели большую популярность.