Реляционные системы далеко не сразу получили широкое распространение. В то время как основные теоретические результаты в этой области были получены еще в 70-хгодах, и тогда же появились первые прототипы реляционных СУБД, долгое время считалось невозможным добиться эффективной реализации таких систем. Однако постепенное накопление методов и алгоритмов организации реляционных баз данных и управления ими привели к тому, что уже в середине80-хгодов реляционные системы практически вытеснили с мирового рынка ранние СУБД.

Реляционная модель данных основывается на математических принципах, вытекающих непосредственно из теории множеств и логики предикатов. Эти принципы впервые были применены в области моделирования данных в конце60-хгг. доктором Е.Ф. Коддом, в то время работавшим в IBM, а впервые опубликованы - в 1970 г.

Техническая статья "Реляционная модель данных для больших разделяемых банков данных" доктора Е.Ф. Кодда, представленная в 1970г. является родоначальницей современной теории реляционных БД. Доктор Кодд определил 13 правил реляционной модели (которые называют 12 правилами Кодда).

12 правил Кодда

0 Реляционная СУБД должна быть способна полностью управлять базой данных, используя связи между данными.

1 Информационное правило - вся информация в реляционной БД (включая имена таблиц и столбцов) должна определяться строго как значения таблиц.

2 Гарантированный доступ - любое значение БД должно быть гарантированно доступным через комбинацию имени таблицы, первичного ключа и имени столбца.

3 Поддержка пустых значений - СУБД должна уметь работать с пустыми значениями. Пустое значение - это неизвестное, независимое, неприменимое значение, в отличие от значений по умолчанию и обычных значений.

база реляционная клиент сервер

4 Активный, оперативный реляционный каталог - описание БД и его содержимое должны быть определены на логическом уровне через таблицы, к которым можно применять запросы, используя DML (язык манипулирования данными).

5 Исчерпывающее подмножество языка данных - по крайней мере, один из поддерживаемых языков должен иметь четко определенный синтаксис и быть самодостаточным. Он должен поддерживать определение данных и манипулирование ими, правила целостности, авторизацию и транзакции.

6 Правило обновления представлений - все представления, теоретически обновляемые, могут быть обновлены через систему.

7 Вставка, обновление и удаление - СУБД поддерживает не только запрос на отбор данных, но и вставку, обновление и удаление.

8 Физическая независимость данных - логика программ-приложений остается прежней при изменении физических методов доступа к данным и структур хранения.

9 Логическая независимость данных - логика программ-приложений остается прежней, в пределах разумного, при изменении структур таблиц.

10 Независимость целостности - язык БД должен быть способен определять ограничения целостности. Они должны быть доступны из оперативного каталога, и не должно быть способа их обойти.

11 Независимость распределения - запросы программ-приложений логически не затрагиваются при первом и последующих распределениях данных.

12 Несмешиваемость (Nonsubversion) - невозможность обойти ограничения целостности, используя языки низкого уровня.

Кодд предложил использование реляционной алгебры в СУРБД, для расчленения данных в связанные наборы. Он организовал свою систему БД вокруг концепции, основанной на наборах данных. В реляционной модели данные разбиваются на наборы, которые составляют табличную структуру. Эта структура таблиц состоит из индивидуальных элементов данных, называемых полями. Одиночный набор или группа полей известна как запись.

Модель данных, то есть концептуальное описание предметной области - самый абстрактный уровень проектирования баз данных.

С точки зрения теории реляционных БД основные принципы реляционной модели на концептуальном уровне можно сформулировать следующим образом:

все данные представляются в виде упорядоченной структуры, определенной в виде строк и столбцов и называемой отношением;

все значения являются скалярами. Это означает, что для любой строки и столбца любого отношения существует одно и только одно значение;

все операции выполняются над целым отношением, и результатом выполнения этих операций также является целое отношение. Этот принцип называется замыканием.

Формулируя принципы реляционной модели, доктор Кодд выбрал термин "отношение" (relation), потому что, по его мнению, он однозначен (в то время как, например, термин "таблица" имеет множество различных видов - таблица в тексте, электронная таблица и пр.). Весьма распространено следующее заблуждение: реляционная модель названа так потому, что она определяет отношения между таблицами. На самом деле название этой модели происходит от отношений (таблиц базы данных), лежащих в ее основе.

Каждая строка, содержащая данные, называется кортежем, каждый столбец отношения называется атрибутом (для современных реляционных БД используется термины "запись" и "поле").

Элементами описания реляционной модели данных на концептуальном уровне являются сущности, атрибуты, домены и связи.

Сущность - некоторый обособленный объект или событие, имеющие определенный набор свойств - атрибутов. Сущности бывают как физически существующие (например, СТУДЕНТ илиСТИПЕНДИЯ), так и абстрактные (например, ЭКЗАМЕН или СВИДАНИЕ). Для сущностей различают тип сущности и экземпляр. Тип характеризуется именем и списком свойств, а экземпляр - конкретными значениями свойств.

Домен - это набор всех допустимых значений, которые может содержать атрибут. Понятие "домен" часто путают с понятием "тип данных". Необходимо различать эти два понятия. Тип данных - это физическая концепция, а домен - логическая. Например, "целое число" - это тип данных, а "возраст" - это домен.

Связи - на концептуальном уровне представляют собой простые ассоциации между сущностями. Например, утверждение "Покупатели покупают продукты" указывает, что между сущностями "Покупатели" и "Продукты" существует связь, и такие сущности называютсяучастниками этой связи. Существует несколько типов связей между двумя сущностями: это связи "один к одному", "один ко многим" и"многие ко многим".

Диаграмма "сущности - связи" (Entity Relationship diagrams, или E/R diagram) служит для описания схемы базы на концептуальном уровне проектирования. Метод был предложен в 1976 г. Питером Пин Шань Ченон (Peter Pin Shan Chen). На диаграммах "сущности - связи" сущности изображаются в виде прямоугольников, атрибуты - эллипсов, а отношения - ромбов (см. рис. 6).

Рис. 6. Диаграмма "сущности - связи"

Проектирование схемы БД должно решать задачи минимизации дублирования данных, упрощения и ускорения процедур их обработки и обновления. При неправильно спроектированной схеме БД могут возникнуть аномалии модификации данных. Для решения подобных проблем проводится нормализация отношений.

В рамках реляционной модели данных Э.Ф. Коддом были разработаны принципы нормализации отношений и предложен механизм, позволяющий любое отношение преобразовать к третьей нормальной форме. Нормализация

это формальный метод анализа отношений на основе их первичного ключа и существующих функциональных зависимостей. При работе с реляционной моделью для создания отношений приемлемого качества достаточно выполнения требований первой нормальной формы.

1. Первая нормальная форма (1НФ) связана с понятиями простого и сложного атрибутов. Простой атрибут - это атрибут, значения которого атомарны (т.е. неделимы). Сложный атрибут может иметь значение, представляющее собой объединение нескольких значений одного или разных доменов.

Отношение приведено к 1НФ, если все его атрибуты простые.