Mô hình phân cấp biểu diễn dữ liệu trong cấu trúc dạng cây, trong đó mỗi bản ghi có một cha mẹ đơn lẻ. Để duy trì thứ tự, có trường sắp xếp (sort field) giữ các nút anh em theo thứ tự ghi nhận. Các loại mô hình này được thiết kế cơ bản cho các hệ thống quản trị cơ sở dữ liệu mainframe sớm, như Information Management System (IMS) của IBM.
Cấu trúc mô hình này cho phép quan hệ một-một và một-nhiều giữa hai/nhiều loại dữ liệu. Cấu trúc này rất hữu ích trong việc mô tả nhiều quan hệ trong thế giới thực; mục lục, bất kỳ thông tin lồng nhau và được sắp xếp nào.
Cấu trúc phân cấp được dùng như thứ tự vật lý của bản ghi trong bộ nhớ. Truy cập bản ghi bằng cách điều hướng xuống qua cấu trúc dữ liệu sử dụng con trỏ kết hợp với truy cập tuần tự. Do đó, cấu trúc phân cấp không phù hợp cho một số thao tác cơ sở dữ liệu khi đường dẫn đầy đủ không được bao gồm cho mỗi bản ghi.
Dữ liệu trong loại cơ sở dữ liệu này được cấu trúc phân cấp và thường phát triển như một cây ngược. "Gốc" (root) trong cấu trúc là một bảng đơn trong cơ sở dữ liệu và các bảng khác đóng vai trò nhánh phát ra từ gốc. Sơ đồ dưới đây cho thấy cấu trúc cơ sở dữ liệu phân cấp điển hình.
Cơ sở dữ liệu Đại lý (Agents Database)
Trong sơ đồ trên, một đại lý đặt lịch cho nhiều nghệ sĩ, và mỗi nghệ sĩ lại có lịch trình riêng. Nhiệm vụ của đại lý là duy trì nhiều khách hàng có nhu cầu giải trí cần được đáp ứng. Khách hàng đặt lịch biểu diễn qua đại lý và thanh toán cho đại lý cho dịch vụ của họ.
Một quan hệ trong mô hình cơ sở dữ liệu này được biểu diễn bằng thuật ngữ cha/con (parent/child). Một bảng cha có thể liên kết với một hoặc nhiều bảng con trong loại quan hệ này, nhưng một bảng con đơn lẻ chỉ có thể liên kết với một bảng cha. Các bảng được liên kết rõ ràng qua con trỏ/chỉ mục (pointer/index) hoặc bằng sự sắp xếp vật lý của các bản ghi trong bảng.
Người dùng có thể truy cập dữ liệu bằng cách bắt đầu từ bảng gốc và làm việc xuống qua cây đến dữ liệu mục tiêu. Người dùng phải am hiểu cấu trúc cơ sở dữ liệu để truy cập dữ liệu mà không gặp phức tạp.
Ưu điểm
- Người dùng truy xuất dữ liệu rất nhanh nhờ liên kết rõ ràng giữa cấu trúc bảng.
- Toàn vẹn tham chiếu được tích hợp sẵn và tự động thực thi, do đó bản ghi trong bảng con phải liên kết với bản ghi hiện có trong bảng cha, cùng với đó nếu bản ghi bị xóa trong bảng cha thì sẽ gây xóa tất cả bản ghi liên quan trong bảng con.
Nhược điểm
- Khi người dùng cần lưu bản ghi trong bảng con hiện không liên quan đến bản ghi nào trong bảng cha, gặp khó khăn trong ghi và phải ghi thêm mục trong bảng cha.
- Loại cơ sở dữ liệu này không hỗ trợ quan hệ phức tạp, và cũng có vấn đề dư thừa, có thể dẫn đến thông tin không chính xác do ghi dữ liệu không nhất quán tại nhiều nơi.
Xét ví dụ sử dụng sơ đồ cơ sở dữ liệu ở sơ đồ trước. Người dùng không thể nhập bản ghi mới cho nghệ sĩ trong bảng Entertainers cho đến khi nghệ sĩ được gán cho một đại lý cụ thể trong bảng Agents vì bản ghi trong bảng con (Entertainers) phải liên quan đến bản ghi trong bảng cha (Agents). Do đó, loại cơ sở dữ liệu này gặp vấn đề dữ liệu dư thừa. Ví dụ, nếu có quan hệ nhiều-nhiều giữa khách hàng và nghệ sĩ; một nghệ sĩ biểu diễn cho nhiều khách hàng, và một khách hàng thuê nhiều nghệ sĩ. Loại quan hệ này trong cơ sở dữ liệu phân cấp không dễ dàng mô hình hóa, nên nhà phát triển phải đưa dữ liệu dư thừa vào cả bảng Schedule và Engagements.
- Bảng Schedule sẽ có dữ liệu khách hàng gồm tên, địa chỉ, số điện thoại để cho biết ai và ở đâu mỗi nghệ sĩ biểu diễn. Dữ liệu này dư thừa vì đã lưu trong bảng Clients.
- Bảng Engagements sẽ chứa dữ liệu nghệ sĩ gồm tên, số điện thoại, loại nghệ sĩ để chỉ ra nghệ sĩ nào biểu diễn cho khách hàng nào. Dữ liệu này cũng dư thừa vì đã lưu trong bảng Entertainers.
Vấn đề với dư thừa này là nó có thể dẫn đến thông tin không chính xác vì mở ra khả năng cho phép người dùng nhập một phần dữ liệu không nhất quán.
Vấn đề này có thể giải quyết bằng cách tạo một cơ sở dữ liệu phân cấp riêng cho nghệ sĩ và một cái riêng cho đại lý. Cơ sở dữ liệu Entertainers sẽ chỉ chứa dữ liệu ghi trong bảng Entertainers, và cơ sở dữ liệu Agents sửa đổi sẽ chứa dữ liệu từ Agents, Clients, Payments, và Engagements. Không cần thiết vì bạn có thể định nghĩa quan hệ con logic giữa bảng Engagements trong cơ sở dữ liệu Agents và bảng Entertainers trong cơ sở dữ liệu Entertainers. Với quan hệ này, bạn có thể truy xuất nhiều thông tin, như danh sách nghệ sĩ đã đặt cho khách hàng cụ thể hoặc lịch trình biểu diễn cho nghệ sĩ cụ thể. Sơ đồ dưới mô tả toàn bộ hình ảnh.
Cơ sở dữ liệu phân cấp phù hợp với hệ thống lưu trữ băng磁带 dùng bởi mainframe những năm 1970 và rất phổ biến trong các tổ chức có cơ sở dữ liệu dựa trên những hệ thống đó. Nhưng, dù cơ sở dữ liệu phân cấp cung cấp truy cập dữ liệu nhanh và trực tiếp và hữu ích trong một số trường hợp, rõ ràng cần một mô hình cơ sở dữ liệu mới để giải quyết vấn đề ngày càng tăng của dư thừa dữ liệu và quan hệ phức tạp giữa dữ liệu.
Ý tưởng đằng sau mô hình cơ sở dữ liệu này hữu ích cho một loại lưu trữ dữ liệu nhất định, nhưng nó không quá linh hoạt và bị giới hạn trong một số trường hợp sử dụng cụ thể.
Ví dụ, nơi mỗi cá nhân trong công ty có thể báo cáo cho một phòng ban cho trước, phòng ban có thể dùng làm bản ghi cha và các nhân viên cá nhân sẽ đại diện cho bản ghi thứ cấp, mỗi cái liên kết ngược lại bản ghi cha đó trong cấu trúc phân cấp.