Проектирование базы данных

Проектирование БД связанно с разрешением проблем представления данных между конечными пользователями. Они продиктованы различными потребностями и задачами лиц, которые используют эти данные. Пользователи могут быть выделены в отдельные группы. Каждая из групп воздействует на результаты проектирования в разных направлениях. Необходимо собрать информацию о реальных и потенциальных приложениях, а также о пользователях базы данных, чтобы устранить все противоречия ещё на начальном этапе, так как многолетний мировой опыт использования информационных систем, построенных на основе баз данных, показывает, что недостатки проекта допущенные на этапе проектирования невозможно устранить любыми ухищрениями в программах приложений.

Проектирование обычно поручается человеку (группе лиц) – администратору базы данных (АБД). Им может быть как специально выделенный сотрудник, так и будущий пользователь базы данных, достаточно хорошо знакомый с машинной обработкой данных.

В основу проектирования БД должны быть положены представления конечных пользователейконкретной организации — концептуальные требования к систе­ме. Именно конечный пользователь в своей работе принимает решения с учетом получаемой в результате доступа к базе данных информации. От оперативности и качества этой информации будет зависеть эффективность работы организации. Данные, помещаемые в базу данных, также предоставляет конечный пользова­тель. Кроме того, БД должна предоставлять доступ к данным пользователям, которые практически не имеют или не хотят иметь представления о физическом размещении в памяти данных и их описаний, о механизмах поиска запрашиваемых данных или о поддержании баз данных в актуальном состоянии.[15].

Прикладные программисты хотели бы иметь в одном месте (например, в одной таблице) все данные, необходимые им для реализации запроса из прикладной программы или с терминала.

АБД же заботятся об исключении возможных искажений хранимых данных при вводе в базу данных новой информации и обновлении или удалении существующей. Для этого они удаляют из базы данных дубликаты и нежелательные функциональные связи между таблицами, разбивая базу данных на множество маленьких таблиц.

Чтобы различать представления данных конечными пользователями, программистами и АБД создаются разные уровни моделей данных. Их общая структура представлена на рис. 14.

Основное различие между указанными выше тремя типами моделей данных (концептуальной, логической и физической) состоит в способах представления взаимосвязей между объектами. При проектировании БД требуется различать взаимосвязи между объектами, между свойствами одного объекта и между свойствами различных объектов. Рассмотрим каждую из них более подробно.

9.1.

Инфологическая модель данных

Предметная область – часть реального мира отражённая в базу данных.

Объединяя частные представления о содержимом базы данных, полученные в результате опроса пользователей, и свои представления о данных, которые могут потребоваться в будущих приложениях, АБД сначала создает обобщенное неформальное описание создаваемой базы данных. Это описание, выполненное с использованием естественного языка, математических формул, таблиц, графиков и других средств, понятных всем людям, работающих над проектированием базы данных, называют инфологической моделью данных.

Цель инфологического моделирования – обеспечение наиболее естественных для человека способов сбора и представления той информации, которую предполагается хранить в создаваемой базе данных. Поэтому инфологическую модель данных пытаются строить по аналогии с естественным языком. Основными конструктивными элементами инфологических моделей являются сущности, связи между ними и их свойства (атрибуты).

Сущность – любой реальный или не реальный различимый объект (объект, который мы можем отличить от другого), информацию о котором необходимо хранить в базе данных. Сущностями могут быть люди, места, самолеты, рейсы, вкус, цвет и т.д. Необходимо различать такие понятия, как тип сущности и экземпляр сущности. Понятие тип сущности относится к набору однородных личностей, предметов, событий или идей, выступающих как целое. Экземпляр сущности относится к конкретной вещи в наборе. Например, типом сущности может быть ГОРОД, а экземпляром – Москва, Киев и т.д.

Атрибут – поименованная характеристика сущности. Атрибутом сущности является любая деталь, которая служит для уточнения, идентификации, классификации, числовой характеристики или выражения состояния сущности. Его наименование должно быть уникальным для конкретного типа сущности, но может быть одинаковым для различного типа сущностей (например, ЦВЕТ может быть определен для многих сущностей: СОБАКА, АВТОМОБИЛЬ, ДЫМ и т.д.). Атрибуты используются для определения того, какая информация должна быть собрана о сущности. Примерами атрибутов для сущности АВТОМОБИЛЬ являются ТИП, МАРКА, НОМЕРНОЙ ЗНАК, ЦВЕТ и т.д. Здесь также существует различие между типом и экземпляром. Тип атрибута ЦВЕТ имеет много экземпляров или значений: Красный, Синий, Банановый, Белая ночь и т.д., однако каждому экземпляру сущности присваивается только одно значение атрибута.

Абсолютное различие между типами сущностей и атрибутами отсутствует. Атрибут является таковым только в связи с типом сущности. В другом контексте атрибут может выступать как самостоятельная сущность. Например, для автомобильного завода цвет – это только атрибут продукта производства, а для лакокрасочной фабрики цвет – тип сущности.

Связь – ассоциирование двух или более сущностей. Эта ассоциация всегда является бинарной и может существовать между двумя разными сущностями или между сущностью и ей же самой (рекурсивная связь). В любой связи выделяются два конца (в соответствии с существующей парой связываемых сущностей), на каждом из которых указывается имя конца связи, степень конца связи (сколько экземпляров данной сущности связывается), обязательность связи (т.е. любой ли экземпляр данной сущности должен участвовать в данной связи).

Если бы назначением базы данных было только хранение отдельных, не связанных между собой данных, то ее структура могла бы быть очень простой. Однако одно из основных требований к организации базы данных – это обеспечение возможности отыскания одних сущностей по значениям других, для чего необходимо установить между ними определенные связи. А так как в реальных базах данных нередко содержатся сотни или даже тысячи сущностей, то теоретически между ними может быть установлено более миллиона связей. Наличие такого множества связей и определяет сложность инфологических моделей.

При определении инфологической модели необходимо принимать во внимание следующее:

· База данных должна удовлетворять актуальным информационным пот­ребностям организации. Получаемая информация должна по структуре и содержанию соответствовать решаемым задачам.

· База данных должна обеспечивать получение требуемых данных за приемлемое время, то есть отвечать заданным требованиям производи­тельности.

· База данных должна удовлетворять выявленным и вновь возникающим требованиям всех пользователей.

· База данных должна легко расширяться при реорганизации и расшире­нии предметной области.

· База данных должна легко изменяться при изменении программной и аппаратной среды.

9.2. Инфологическая модель данных "сущность-связь"

Инфологическая модель отображает реальный мир в некоторые понятные человеку концепции, полностью независимые от параметров среды хранения данных. Существует множество подходов к построению таких моделей: графовые модели, семантические сети, модель "сущность-связь" и т.д. Наиболее популярной из них оказалась модель "сущность-связь" или называемая ещё ER-моделью (от англ. Entity-Relationship, т.е. сущность-связь).

На использовании разновидностей ER-модели основано большинство современных подходов к проектированию баз данных (главным образом, реляционных). Модель была предложена Ченом (Chen) в 1976 г. Моделирование предметной области базируется на использовании графических диаграмм, включающих небольшое число разнородных компонентов. В связи с наглядностью представления концептуальных схем баз данных ER-модели получили широкое распространение в системах CASE, поддерживающих автоматизированное проектирование реляционных баз данных.

В них сущности изображаются помеченными прямоугольниками, ассоциации (связи)– помеченными ромбами или шестиугольниками, атрибуты – помеченными овалами, а связи между ними – ненаправленными ребрами, над которыми может проставляться степень связи (1 или буква, заменяющая слово "много") и необходимое пояснение.

Между двумя сущностям, например, А и В возможны четыре вида связей.

Первый тип – связь ОДИН-К-ОДНОМУ (1:1): в каждый момент времени каждому представителю (экземпляру) сущности А соответствует 1 или 0 представителей сущности В:

 

Студент может не "заработать" стипендию, получить обычную или одну из повышенных стипендий. Или, допус­тим, в определенный момент времени один клиент может сделать только один заказ. В этом случае между объектами КЛИЕНТ и ЗАКАЗ устанавливается взаимосвязь “один к одному”, обозначаемая одинарными стрелками.

Между данными, хранящимися в объектах КЛИЕНТ и ЗАКАЗ, будет сущест­вовать взаимосвязь, в которой каждая запись в одном объекте будет однозначно указывать на запись в другом объекте. Ни в одном, ни в другом объекте не может существовать записи, не связанной с какой-либо записью в другом объекте.

Второй тип – связь ОДИН-КО-МНОГИМ (1:М): одному представителю сущности А соответствуют 0, 1 или несколько представителей сущности В.

 

Квартира может пустовать, в ней может жить один или несколько жильцов. Или, например, в определенный момент времени один клиент может стать обладателем несколь­ких моделей автомобилей, при этом несколько клиентов не могут являться обладателями одного автомобиля. Взаимосвязь “один ко многим” можно обоз­начить с помощью одинарной стрелки в направлении к “одному” и двойной стрелки в направлении ко “многим” .В этом случае одной записи данных первого объекта (его часто называют родительским или основным) будет соответствовать несколько записей второго объекта (дочернего или подчиненного). Взаимосвязь “один ко многим” очень распространена при разработке реляционных баз данных.

Третий тип – связь МНОГИЕ-К-ОДНОМУ (М:1): одному представителю сущности B соответствуют 0, 1 или несколько представителей сущности А.

В принципе нет никакой разницы между связью ОДИН-КО-МНОГИМ и МНОГИЕ-К-ОДНОМ, т.к. между двумя сущностями возможны связи в обоих направлениях и всё зависит от того с какими сущностями связаны данные.

Четвёртый тип – связь МНОГИЕ-КО-МНОГИМ (N:М): одному представителю сущности B соответствуют 0, 1 или несколько представителей сущности А и одновременно одному представителю сущности А соответствуют 0, 1 или несколько представителей сущности В.

Это также обусловлено тем, что между двумя сущностями возможны связи в обоих направлениях.

 

Если связь между сущностями МУЖЧИНЫ и ЖЕНЩИНЫ называется БРАК, то существует четыре возможных представления такой связи:

        

 

Или например каждый продавец может обслуживать нескольких клиентов. С другой стороны, приобретая автомобили в различное время, каждый клиент вполне может быть обслужен различными продавцами. Между объектами КЛИЕНТ и ПРОДАВЕЦ существует взаимосвязь “многие ко многим”. Такая взаимосвязь обозначается двойными стрелками.

Характер связей между сущностями не ограничивается перечисленными. Существуют и более сложные связи:

 

· множество связей между одними и теми же сущностями

(пациент, имея одного лечащего врача, может иметь также несколько врачей-консультантов; врач может быть лечащим врачом нескольких пациентов и может одновременно консультировать несколько других пациентов);

· тренарные связи:

· связи более высоких порядков, семантика (смысл) которых иногда очень сложна.

В приведенных примерах связей не показаны атрибуты сущностей и ассоциаций во всех ER-диаграммах. Так, ввод лишь нескольких основных атрибутов в описание брачных связей значительно усложнит ER-диаграмму (рис. 2.1,а). В связи с этим язык ER-диаграмм используется для построении небольших моделей и иллюстрации отдельных фрагментов больших. Чаще же применяется менее наглядный, но более содержательный язык инфологического моделирования (ЯИМ), в котором сущности и ассоциации представляются предложениями вида:

СУЩНОСТЬ (атрибут 1, атрибут 2 , ..., атрибут n)

АССОЦИАЦИЯ [СУЩНОСТЬ S1, СУЩНОСТЬ S2, ...]

      (атрибут 1, атрибут 2, ..., атрибут n)

где S – степень связи, а атрибуты, входящие в ключ, должны быть отмечены с помощью подчеркивания.

Так, рассмотренный выше пример множества связей между сущностями, может быть описан на ЯИМ следующим образом:

Врач (Номер_врача, Фамилия, Имя, Отчество, Специальность)

Пациент (Регистрационный_номер, Номер койки, Фамилия,

    Имя, Отчество, Адрес, Дата рождения, Пол)

Лечащий_врач [Врач 1, Пациент M]

        (Номер_врача, Регистрационный_номер)

Консультант [Врач M,Пациент N]

       (Номер_врача, Регистрационный_номер).

 

Для примера ER-диаграмма базы данных "Питание"показана на рис.16, а модель на языке ЯИМ имеет следующий вид:

Блюда (БЛ, Блюдо, Вид)

Продукты (ПР, Продукт, Калорийность)

Поставщики (ПОС, Город, Поставщик) [Город]

Состав [Блюда M, Продукты N] (БЛ, ПР, Вес (г))

Поставки [Поставщики M, Продукты N] (ПОС, ПР, Дата_П, Цена, Вес (кг))

Города (Город, Страна)

Рецепты (БЛ, Рецепт) {Блюда}

Расход (БЛ, Дата_Р, Порций) {Блюда}

В этих моделях Блюдо, Продукт и Поставщик – наименования, а БЛ, ПР и ПОС – цифровые коды блюд, продуктов и организаций, поставляющих эти продукты.

Существует ещё наиболее распространенная модификация ER-диаграмм для представления инфологической модели баз данных - "Таблица-связь", пример использования которого приведен на рис. 16. В нем все сущности изображаются одностолбцовыми таблицами с заголовками, состоящими из имени и типа сущности. Строки таблицы – это перечень атрибутов сущности, а те из них, которые составляют первичный ключ, располагаются рядом и обводятся рамкой. Связи между сущностями указываются стрелками, направленными от первичных ключей или их составляющих. Именно этот тип диаграмм будет использоваться при построении инфологической модели базы данных, разрабатываемой в данной дипломной работе.