数据库数据模型的发展及方向

[XXXX大学XXX学院XXX班]

数据库数据模型的

发展及方向

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[学号： ]

[摘要：近年来，随着计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助软件工程 (CASE)、全球信息系统(GIS)、图像处理、超文本应用等领域的飞速发展及其在传统领域中应用的深化，要求数据库管理系统(database management system，DBMS)能够有效地管理复杂对象。比如在工程应用领域，一个客观复杂实体往往由数十个，甚至成百上千个简单实体组成，为了减小数据库应用系统的设计复杂度、提高其执行效率，要求DBMS不但能根据实体丰富的语义进行建模、提供有效的存储与操纵手段，以及模拟复杂实体的复杂行为，而且在逻辑上还要将一个复杂实体的表示和操纵作为一个整体看待，在操纵数据的同时考虑实体间的复合语义，即各简单实体的存在方式（独立或依赖）以及实体间的引用方式（共享或排他）。然而，传统RDBMS由于采用满足第一范式(first normal form，1NF)的平关系模型，在面对各种新的应用领域时存在以下不足。]

关键词：数据库，数据模型，扩展关系数据库，语义数据模型，面向对象的数据模型，XML数据模型

正文：

数据模型概述

数据（data）是描述事物的符号记录。模型（Model)是现实世界的抽象。数据模型（Data Model）是数据特征的抽象，是数据库管理的教学形式框架。数据库系统中用以提供信息表示和操作手段的形式构架。数据模型包括数据库数据的结构部分、数据库数据的操作部分和数据库数据的约束条件。

数据模型所描述的内容包括三个部分：数据结构、数据操作、数据约束。

1. 概念数据模型（Conceptual Model）：这是面向数据库用户的实现世界的数据模型，主要用来描述世界的概念化结构，它使数据库的设计人员在设计的初始阶段，摆脱计算机系统及DBMS的具体技术问题，集中精力分析数据以及数据之间的联系等，与具体的DBMS无关。概念数据模型必须换成逻辑数据模型，才能在DBMS中实现。

2. 逻辑数据模型（Logical Data Model）：这是用户从数据库看到的数据模型，是具体的DBMS所支持的数据模型，如网状数据模型、层次数据模型等等。此模型既要面向用户，又要面向系统。

3. 物理数据模型（Physical Data Model）：这是描述数据在存储介质上的组织结构的数据模型它不但与具体的DBMS有关，而且还和操作系统以及硬件有关。每一种逻辑数据模型在实现时都有其对应的物理数据模型。DBMS为了保证其独立性与可移植性，大部分物理数据模型的实现工作由系统自动完成，而设计者只设计索引、聚集等特殊结构。

数据模型的三要素：

一般而言，数据模型是一组严格定义的概念的集合。这些概念精确地描述了系统的静态特征（数据结构）、动态特征（数据操作）和完整性约束条件，这就是数据模型的三要素。

1. 数据结构

数据结构是所研究的对象类型的集合。这些对象是数据库的组成部分，数据结构指对象和对象间联系的表达和实现，是系统静态特征的描述，包括两个方面：（1）数据本身：类型、内容、性质。例如关系模型中的域、属性、关系等。

（2）数据之间的联系：数据之间是如何相互联系的，例如关系模型中的主码、外码等联系。

2. 数据操作

对数据库中对象的实例允许执行的操作集合，主要指检索和更新（插入、删除、修改）两类操作。数据模型必须定义这些操作的确切含义、操作符号、操作规则

（如优先级）以及实现操作的语言。数据操作是对系统动态特征的描述。

3. 完整性约束条件

数据完整性约束是一组完整性规则的集合，规定数据库状态及状态变化所应满足的条件，以保证数据的正确性、有效性和相容性。

数据库技术发展概述：

数据库技术是计算机科学技术中发展最快的领域之一，也是应用最广的技术之一

一、第一代的网状、层次数据库系统

1、层次数据库（Hierarchiacl Database）

层次模型是出现较早的一种公认的数据库管理系统数据模型。它是将数据组织成有向有序的树结构，并用“一对多”的关系联结不同层次的数据库。早在1968年IBM公司就推出了IMS的最初版本，之后，层次数据库管理系统得到了迅速发展，同时它也影响了其它类型的数据库管理系统，特别是网状系统的出现和发展。

2、网状数据库

处理以记录类型为结点的网状数据模型的数据库。处理方法是将网状结构分解成若干棵二级树结构，称为系。系类型是二个或二个以上的记录类型之间联系的一种描述。在一个系类型中，有一个记录类型处于主导地位，称为系主记录类型，其它称为成员记录类型。系主和成员之间的联系是一对多的联系。网状数据库的代表是DBTG系统。1969年美国的CODASYL组织提出了一份“DBTG报告”，以后，根据DBTG报告实现的系统一般称为DBTG系统。现有的网状数据库系统大都是采用DBTG方案的。DBTG系统是典型的三级结构体系：子模式、模式、存储模式。相应的数据定义语言分别称为子模式定义语言SSDDL，模式定义语言SDDL，设备介质控制语言DMCL。另外还有数据操纵语言DML。

3、层次数据库系统与网状数据库系统的共同特点：

（1）. 支持三级模式的体系结构

（2）. 用存取路径来表示数据之间的联系

（3）. 独立的数据定义语言

（4）. 导航的数据操纵语言

二、第二代的关系数据库系统

1970年，IBM的研究员，有“关系数据库之父”之称的埃德加·弗兰克·科德（Edgar Frank Codd或E. F. Codd）博士在刊物《Communication of the ACM》上发表了题为“A Relational Model of Data for Large Shared Data banks（大型共享数据库的关系模型）”的论文，文中首次提出了数据库的关系模型的概念，奠定了关系模型的理论基础。后来Codd又陆续发表多篇文章，论述了范式理论和衡量关系系统的12条标准，用数学理论奠定了关系数据库的基础。IBM的Ray Boyce和Don Chamberlin将Codd关系数据库的12条准则的数学定义以简单的关键字语法表现出来，里程碑式地提出了SQL语言。由于关系模型相关书籍简单明了、具有坚实的数学理论基础，所以一经推出就受到了学术界和产业界的高度重视和广泛响应，并很快成为数据库市场的主流。20世纪80年代以来，计算机厂商推出的数据库管理系统几乎都支持关系模型，数据库领域当前的研究工作大都以关系模型为基础。

这一时期的主要成果

奠定了关系模型的理论基础，给出了人们一致接受的关系模型的规范说明，研究了关系数据语言，包括关系代数、关系演算、SQL及QBE等

研制了大量的RDBMS的原型，攻克了系统实现中查询优化、并发控制、故障恢复等一系列关键技术

三、第三代数据库系统——数据库大家族

1990年，高级DBMS功能委员会发表了《第三代数据库系统宣言》的文章，提出第三代DBMS应具有的3个基本特征：

1、第三代数据库系统应支持数据管理、对象管理和知识管理。

2、第三代数据库系统必须保持或继承第二代数据库系统的技术。

3、.第三代数据库系统必须对其他系统开放。

数据库模型的发展

应用的需求始终是推动技术进步的动力。自20世纪70年代初E．F．Code 提出关系数据库理论，定义关系数据模型以来，关系数据库管理系统（relational