الوحدة 4: نمذجة البيانات وأنواعها

4.1 أنواع نماذج البيانات (Types of Data Models)

نماذج البيانات هي أدوات مفاهيمية تُستخدم لوصف هيكل قاعدة البيانات على مستويات مختلفة من التجريد. تُصنَّف هذه النماذج عادةً حسب مستوى التجريد والغرض منها في عملية تصميم قاعدة البيانات:

• 1. النماذج المفاهيمية عالية المستوى (High-Level Conceptual Models):

  تركز هذه النماذج على وصف البيانات من منظور المستخدم النهائي أو متطلبات العمل، دون الخوض في التفاصيل التقنية لتخزين البيانات. تُستخدم في المراحل الأولى من التصميم لفهم متطلبات النظام والعلاقات بين الكيانات الرئيسية.

  أمثلة:

  • نموذج الكيان والعلاقة (Entity-Relationship Model - ER Model): من أشهر النماذج المفاهيمية، يُعرّف الكيانات (مثل الطالب، المقرر)، سمات كل كيان، والعلاقات بينها (الطالب يسجل في مقرر).
  • نموذج الكائن (Object Model): يعتمد على مفهوم الكائنات (Objects) وخصائصها وسلوكياتها (Methods)، ويُستخدم بشكل خاص في قواعد البيانات الكائنية أو عند نمذجة الأنظمة الموجهة للكائنات.
  الاستخدام: تُستخدم هذه النماذج في المراحل الأولى من التصميم لإنشاء مخطط مفاهيمي عالي المستوى يساعد في فهم متطلبات النظام قبل البدء في التنفيذ الفعلي.
• 2. النماذج المنطقية القائمة على السجلات (Logical Record-Based Models):

  تصف هذه النماذج كيفية تخزين البيانات في هياكل محددة تُستخدم عادةً بواسطة أنظمة إدارة قواعد البيانات (DBMS). تُقدم تفاصيل أكثر من النماذج المفاهيمية، ولكنها لا تزال مجردة من التفاصيل المادية للتخزين.

  أنواعها الرئيسية:

  • النموذج العلاقي (Relational Model): هو النموذج الأكثر استخدامًا وشيوعًا اليوم. يعتمد على تنظيم البيانات في جداول (Tables)، حيث تتكون الجداول من صفوف وأعمدة. تُربط الجداول ببعضها البعض باستخدام المفاتيح الأساسية والخارجية.
    أمثلة: MySQL, Oracle, SQL Server, PostgreSQL.
  • النموذج الهرمي (Hierarchical Model): يُنظّم البيانات على شكل شجرة، حيث كل سجل "ابن" (Child) يمكن أن يكون له سجل "أب" (Parent) واحد فقط. تُستخدم بشكل أساسي في أنظمة قواعد البيانات القديمة (Legacy Systems).
    مثال (نظام قديم): IBM IMS.
  • النموذج الشبكي (Network Model): تطور للنموذج الهرمي، يسمح للسجل الواحد بأن يكون له عدة آباء، مما يجعله أكثر مرونة في تمثيل العلاقات المعقدة. ومع ذلك، لا يزال أكثر تعقيدًا من النموذج العلائقي في إدارته.
    مثال (نظام قديم): CODASYL DBTG.
• 3. النماذج المادية (Physical Models):

  تركز هذه النماذج على كيفية تخزين البيانات فعليًا على وسائط التخزين (مثل القرص الصلب أو الذاكرة). تُقدم تفاصيل حول تنظيم الملفات، هياكل الفهارس، تقنيات التجزئة (Partitioning)، وكيفية الوصول إلى البيانات على أدنى مستوى. عادةً ما يتعامل معها مطورو نظام الـ DBMS أو مسؤولو قواعد البيانات لضبط الأداء.

  أمثلة:

  • نموذج الملفات المسطحة (Flat Files): أبسط أشكال التخزين، حيث تُخزن البيانات في ملف نصي بسيط (مثال: ملف CSV).
  • نموذج التخزين العمودي (Columnar Storage): يخزن البيانات عمودًا تلو الآخر بدلاً من صف تلو الآخر، مما يحسن أداء الاستعلامات التحليلية التي تتناول أعمدة محددة.

4.2 مدى تجريد البيانات (Data Abstraction Levels)

يشير تجريد البيانات (Data Abstraction) إلى إخفاء التفاصيل غير الضرورية عن المستخدم، وتقديم المعلومات في مستوى مناسب من التفصيل. في قواعد البيانات، يتم تنظيم عرض البيانات على عدة مستويات من التجريد لتلبية احتياجات المستخدمين المختلفة:

4.3 طبقات تجريد البيانات (Data Abstraction Layers)

بناءً على مستويات التجريد، يمكننا تصور قاعدة البيانات كأنها مبنية من عدة طبقات، كل طبقة تخفي تفاصيل الطبقة الأدنى وتوفر واجهة للطبقة الأعلى:

• الطبقة الخارجية (External Layer):

  هذه هي الطبقة التي يتفاعل معها المستخدمون النهائيون. توفر لهم واجهات مخصصة (مثل تقارير المبيعات، شاشات إدخال الطلبات، صفحات الويب) تعرض فقط جزءًا معينًا من البيانات ووفقًا لاحتياجاتهم وصلاحياتهم. يتم إخفاء تعقيدات هيكل قاعدة البيانات الأساسي عنهم تمامًا.

• الطبقة المفاهيمية (Conceptual Layer):

  تمثل نموذجًا موحدًا ومركزيًا لكل متطلبات البيانات في المؤسسة. تصف ما هي البيانات المخزنة والعلاقات بينها، دون التطرق لكيفية تخزينها. يمثلها عادةً مخطط الكيان والعلاقة (ER Diagram)، الذي يوفّر رؤية شاملة للمعلومات. هذه الطبقة هي أساس التصميم المنطقي لقاعدة البيانات.

• الطبقة الداخلية (Internal Layer):

  تصف كيفية تنفيذ النموذج المفاهيمي في نظام إدارة قواعد البيانات (DBMS). تحدد الهيكل المنطقي للبيانات (مثل الجداول والعلاقات في SQL)، وأنواع البيانات الفعلية، وكيفية تنظيم الملفات على مستوى النظام. هذه الطبقة هي أقرب إلى التنفيذ الفعلي داخل الـ DBMS.

• الطبقة المادية (Physical Layer):

  هي الطبقة الأقل تجريدًا، وتتعامل مع إدارة التخزين الفعلي للبيانات على القرص أو عبر الشبكة. تُحدد تفاصيل مثل كيفية تخزين البيانات في الكتل (Blocks)، استخدام الفهارس (Indexes)، تقنيات ضغط البيانات (Compression)، وكيفية الوصول المادي للبيانات. هذه الطبقة عادةً ما تكون مسؤولية نظام الـ DBMS نفسه.

4.4 تخطيطات قاعدة البيانات (Schemas)

في سياق قواعد البيانات، يُشير مصطلح التخطيط (Schema) إلى الوصف الهيكلي العام لقاعدة البيانات. إنه يُحدد المكونات التي تتكون منها قاعدة البيانات، مثل أسماء الجداول، الأعمدة في كل جدول، أنواع بيانات الأعمدة، العلاقات بين الجداول، والقيود المفروضة على البيانات. التخطيط هو بمثابة "مخطط" أو "بصمة" لقاعدة البيانات.

أنواع التخطيطات:

• التخطيط الخارجي (External Schema):

  يصف جزء قاعدة البيانات الذي يراه مستخدم معين أو تطبيق معين. يتم إنشاؤه عادةً باستخدام الـ Views (واجهات العرض). يوفر تخصيصًا وإخفاء للبيانات غير ذات الصلة أو الحساسة.

• التخطيط المفاهيمي (Conceptual Schema):

  يمثل الهيكل المنطقي الكامل لقاعدة البيانات لجميع المستخدمين، ويعكس جميع الكيانات، سماتها، وعلاقاتها. إنه تمثيل مستقل عن أي DBMS معين أو طريقة تخزين مادية. غالباً ما يُصمم باستخدام نموذج الكيان والعلاقة (ER Model).

• التخطيط الداخلي (Internal Schema):

  يصف كيفية تنفيذ الهيكل المفاهيمي فعليًا داخل نظام إدارة قواعد البيانات (DBMS). يُحدد الهيكل المنطقي للتخزين، مثل كيفية تنظيم الجداول في الملفات، وتفاصيل الفهارس، وأنواع البيانات المخزنة. يمثل مستوى أدنى من التجريد من التخطيط المفاهيمي.

• التخطيط المادي (Physical Schema):

  أدنى مستوى من التخطيط، ويصف التفاصيل الدقيقة لكيفية تخزين البيانات على القرص. يشمل تفاصيل مثل هياكل الملفات، طرق الوصول (Indexing methods)، وتقنيات التجزئة (Partitioning) لتعزيز الأداء. هذا التخطيط عادةً ما يكون مسؤولية مهندس قواعد البيانات المتقدم أو نظام الـ DBMS نفسه.

4.5 استقلالية البيانات المنطقية والمادية (Logical & Physical Data Independence)

استقلالية البيانات هي قدرة نظام قواعد البيانات على تغيير جزء من هيكله دون التأثير على الأجزاء الأخرى. تُقسم إلى نوعين رئيسيين:

• الاستقلالية المنطقية (Logical Data Independence):

  هي القدرة على تعديل التخطيط المفاهيمي (أي، الهيكل المنطقي العام لقاعدة البيانات) دون الحاجة إلى تغيير التطبيقات أو واجهات العرض (External Schemas) التي تستخدم هذه البيانات.

  مثال:

  • إذا قررت المؤسسة إضافة حقل جديد مثل "البريد الإلكتروني" لجدول "الطلاب"، أو دمج جدولين منفصلين في جدول واحد، فلن يتطلب ذلك تعديل برامج التسجيل أو نظام درجات الطلاب الحالي التي لا تستخدم هذا الحقل الجديد أو التغيير في الدمج.
  • نظام الـ DBMS يتولى "ترجمة" الطلبات من التطبيقات القديمة لتعمل مع الهيكل الجديد.
• الاستقلالية المادية (Physical Data Independence):

  هي القدرة على تعديل التخزين الفعلي للبيانات (أي، التخطيط المادي) دون الحاجيد إلى تغيير التخطيط المنطقي (Conceptual Schema) أو التطبيقات التي تستخدم قاعدة البيانات.

  مثال:

  • يمكن نقل قاعدة البيانات من قرص صلب تقليدي (HDD) إلى قرص الحالة الصلبة (SSD) لتحسين الأداء.
  • يمكن تغيير طريقة تنظيم البيانات على القرص، أو تغيير طريقة بناء الفهارس، أو حتى تقسيم الجدول الواحد إلى عدة أقسام (Partitioning) لتوزيع الحمل.
  • كل هذه التغييرات في البنية التحتية التخزينية لن تتطلب أي تعديل في كود تطبيقات المستخدمين أو كيفية رؤيتهم المنطقية للبيانات.

4.6 مصطلحات أساسية (Key Terms)

التمارين المقترحة (Suggested Exercises)

اختبر فهمك لمفاهيم هذه الوحدة بالإجابة على الأسئلة التالية:

1. صمم نموذج ER مبسط لقاعدة بيانات مكتبة تضم الكيانات: كتاب، عضو، إعارة، وحدد السمات الرئيسية والعلاقات بينها.
2. اشرح الفرق الجوهري بين النموذج المفاهيمي والنموذج المادي في نمذجة البيانات، مع تقديم مثال لكل منهما.
3. ما هو الفرق بين التخطيط المفاهيمي (Conceptual Schema) والتخطيط الداخلي (Internal Schema) لقاعدة البيانات؟
4. كيف تحقق أنظمة قواعد البيانات الاستقلالية المادية (Physical Data Independence)؟ اذكر مثالاً عملياً يوضح أهمية هذه الخاصية.
5. أعطِ مثالًا عمليًا على تجريد البيانات (Data Abstraction) في نظام إدارة شركة، موضحًا كيف يرى المستخدمون المختلفون مستويات مختلفة من التفاصيل.