Концептуальное проектирование БД

Жизненный цикл БД и концептуальное проектирование
1

Процесс проектирования базы данных – последовательность переходов от неформального словесного описания информационной структуры предметной области к формализованному описанию объектов предметной области в терминах некоторой модели.
Предметная область – часть реального мира, подлежащая изучению с целью организации управления и, в конечном счете, автоматизации.

Проектирование базы данных
Концептуальное проектирование
Выбор программного обеспечения СУБД
Логическое проектирование
Физическое проектирование

Концептуальное проектирование
базы данных
На этапе концептуального проектирования для создания абстрактной структуры базы данных применяются методы семантического моделирования (другие, не вполне корректные названия: моделирование данных, ER-моделирование, моделирование сущностей, объектное моделирование).

Семантическое моделирование
2

ОБЩАЯ МОДЕЛЬ
не усложнена техническими подробностями
не допускает различных толкований

Семантическое моделирование = концептуальное моделирование, используется для проектирования БД
Результат концептуального проектирования – концептуальная модель.
Концептуальная модель должна выражать ясное понимание сферы деятельности предприятия и выполняемых им функций.
На данном уровне абстракции тип оборудования или используемая модель базы данных (реляционная, сетевая и др.) не определяются, поэтому концептуальный проект базы данных не должен зависеть от оборудования и программного обеспечения.

Основные семантические концепции

Определения в предыдущей таблице носят неформальный характер, так как являются концепциями «реального мира», а не формальными терминами
⇒
гибкость интерпретации семантического моделирования
⇒
один и тот же объект реального мира может быть представлен одними пользователями в качестве сущности, другими – в качестве свойства, а третьими – в качестве связи

ER-модель
Один из наиболее известных и получивших широкое распространение методов семантического моделирования является метод построения модели «сущность—связь»
Модель «сущность-связь»
Entity-Relationship model
ER-модель
E – Entity – сущность
R – Relationship – связь
Технология построения диаграмм под названием «ER-диаграммы»
Предложена Ченом в 1976 году

Нотации
Нотация Чена
Нотация UML
Нотация Мартина
Нотация IDEF1X
Нотация Баркера
нотация Rain85;
Нотация «птичья лапка» (Crow’s Foot, «воронья лапка») и т. д.

Сущность
Элемент реального мира, который может существовать независимо [2].
Класс однотипных объектов, информация о которых должна быть учтена в модели [3]
Примеры: СТУДЕНТ, ДИСЦИПЛИНА, ОЦЕНКА.
СТУДЕНТ
Нотация Чена
Изображается в виде прямоугольника, в котором прописными буквами указывается имя сущности в единственном числе.
Нотация IDEF1X
Изображается в виде прямоугольника, над которым помещается название сущности (уникальное)
Студент

Сущности:
обычные (сильные, независимые);
слабые (зависимые).
Слабая сущность – сущность, существование которой зависит от другой (обычной) сущности, т.е. слабая сущность не может существовать, если обычной сущности не существует.
Примеры: СТУДЕНТ, ДИСЦИПЛИНА – обычные (сильные) сущности, УСПЕВАЕМОСТЬ – слабая сущность.
СТУДЕНТ
Нотация Чена
Слабая сущность изображается в виде прямоугольника с двойным контуром
Нотация IDEF1X
Слабая сущность изображается в виде прямоугольника со скругленными краями
Студент
Успеваемость

Экземпляр сущности (entity occurrence)
Однозначно идентифицируемый объект, который относится к сущности определенного типа [4]
Конкретный представитель данной сущности [3]
Примеры: «Иванов Иван Иванович 12.06.2002 Хабаровск Ленина 16-44».
Экземпляры сущностей должны быть различимы, т.е. сущности должны иметь некоторые свойства, уникальные для каждого экземпляра этой сущности.
На ER-диаграмме экземпляры сущностей не отображаются.

Атрибут (свойство) сущности
Именованная характеристика, являющаяся некоторым свойством сущности [3]
Атрибуты содержат значения, которые описывают каждый экземпляр сущности и составляют основную часть информации, сохраняемой в базе данных
Наименование атрибута должно быть выражено существительным в единственном числе (возможно, с характеризующими прилагательными).
Примеры: «Год рождения», «Фамилия», «Имя», «Отчество» – атрибуты сущности «СТУДЕНТ»

ФИО
Нотация Чена
Изображается в виде овала с указанием наименования атрибута, соединяется с элементом «сущность» прямой линией
Нотация IDEF1X
Имена атрибутов указываются внутри прямоугольника, изображающего сущность
ФИО
Дата рождения
Адрес
Группа
…
СТУДЕНТ
Адрес
Группа
Дата рождения
Студент

Атрибуты

Простые / составные атрибуты
Простой атрибут – это
1 атрибут, состоящий из одного компонента с независимым существованием [4]
2 атрибут, который не может быть разделен на атрибуты без потери смысла значения.
Пример: атрибут «Название города» (значения атрибута: «Хабаровск», «Владивосток», «Москва» и т.д.).
Составной атрибут – это
1 атрибут, состоящий из нескольких компонентов, каждый из которых характеризуется независимым существованием [4]
2 атрибут, значение которого составлено из значений простых атрибутов.
Пример: атрибут «Адрес» (значения атрибута: «Хабаровск, Ленина, 14, 44»).

Ключевые атрибуты
Ключевой атрибут – часть сущности, которая однозначно ее идентифицирует.
IDСтудент
IDСтудент
Нотация IDEF1X
Прямоугольник, представляющий сущность, делится на две части. В верхней части записывается имя ключевого атрибута (или нескольких), в нижней – список остальных имен атрибутов.
IDСтудент
…
ФИО
Дата рождения
Адрес
…
Студент
Нотация Чена
Имя ключевого атрибута подчеркивается одной чертой. Имя атрибута, являющегося внешним ключом – двойной чертой.

Однозначные / многозначные атрибуты
Однозначный атрибут – атрибут, который может содержать единственное значение для каждого экземпляра сущности.
Пример: атрибут «Год рождения».
Многозначный атрибут – атрибут, который может содержать множество значений для каждого экземпляра сущености.
Пример: атрибут «Телефон» (если студент указал несколько номеров телефона, то данный атрибут будет многозначным).
Телефон
Год рождения

Базовые / производные атрибуты
Базовый атрибут – атрибут, который хранится в базе данных.
Пример: атрибут «Дата рождения».
Производный атрибут – атрибут, значение которого можно получить с помощью некоторого алгоритма.
Пример: атрибут «Возраст» (вычисляется с использованием значения атрибута «Дата рождения» и текущей даты).
Дата рождения
Возраст

Связь

Тип связи
Тип связи (relationship type) – набор ассоциаций между одним (или несколькими) типами сущностей, участвующими в этой связи [5].
Каждому типу связи присваивается имя, которое должно описывать его назначение.
Примеры:

Экземпляр связи
Экземпляр связи (relationship occurrence) – однозначно идентифицируемая ассоциация, которая включает по одному экземпляру сущности из каждого участвующего в связи типа сущности [5].
Экземпляр связи обозначает все конкретные экземпляры сущности, участвующие в этой связи.
Пример (тип связи «Изучает»):

Обычно вместо терминов «тип связи» и «экземпляр связи» применяется более общий термин «связь» (если это не приводит к неоднозначности).
Связь:
Набор ассоциаций между одной или несколькими сущностями, участвующими в этой связи.
Некоторая ассоциация между двумя сущностями. Одна сущность может быть связана с другой сущностью или сама с собой [3].
Связь представляет собой взаимодействие между сущностями [2].
Связи позволяют по одной сущности находить другие сущности, связанные с нею.

Схематическое изображение типов связей
Каждая связь изображается в виде линии, соединяющей соответствующие сущности
В качестве имени связи принято использовать глагол (Арендует) или короткую фразу с глаголом (Взят В Аренду), первая буква каждого слова в имени связи является прописной
По возможности в ER-модели все имена связей должны быть уникальными

Название аптеки
Нотация Чена
Изображается линией, которая соединяет сущности, участвующие в связи. Название связи – в ромбе.
АПТЕКА
IDАптеки
Год основания
ПРЕПАРАТ
Изучает
Название препарата
IDПрепарата

Классическая нотация IDEF1X

Степень связи
Степень связи – количество сущностей, которые охвачены данной связью.

Структурные ограничения
Ограничения являются отражением определенных требований реального мира:
каждый студент должен иметь паспортные данные и адрес;
для каждого препарата должен быть указан тип упаковки;
в каждой аптеке должен продаваться хотя бы один препарат;
в каждой группе должен учиться хотя бы один студент и др.
Накладываются на элементы концептуальной модели (сущности, связи).

Основной тип ограничений

Кратность
Кратность – количество (заданное как одно значение или как диапазон значений) возможных экземпляров сущности некоторого типа, которые могут быть связаны с одним экземпляром сущности другого типа с помощью определенной связи [5].
Кратность является одним из основных ограничений, накладываемых на связь с целью отражения в ER-модели определенных требований реального мира.
Ограничения кратности отражают требования (или бизнес-правила), установленные пользователем или предприятием.

Примеры ограничений предметной области «Аптека»
Отдельная аптека может иметь только один юридический адрес (1 : 1)
Отдельный препарат может поставляться в различных упаковках (1 : * или 1 : М или 1 : ∞)
В различных аптеках продаются различные препараты (* : * или М : М или ∞ : ∞)

Типы двусторонних связей

Связь «один-к-одному»
Связь типа один-к-одному означает, что один экземпляр первой сущности связан с одним экземпляром второй сущности. Связь один-к-одному чаще всего свидетельствует о том, что на самом деле имеется всего одну сущность, неправильно разделенная на две.
СТУДЕНТ
СВЕДЕНИЯ
Характе-ризуется
1
1

Связь «один-ко-многим»
Связь типа один-ко-многим означает, что один экземпляр первой сущности связан с несколькими экземплярами второй сущности. Это наиболее часто используемый тип связи. Левая сущность (со стороны "один") называется родительской, правая (со стороны "много") – дочерней.
ГРУППА
СТУДЕНТ
Обучается
1
М

Связь «многие-ко-многим»
Связь типа много-ко-многим означает, что каждый экземпляр первой сущности может быть связан с несколькими экземплярами второй сущности, и каждый экземпляр второй сущности может быть связан с несколькими экземплярами первой сущности.
Тип связи много-ко-многим является временным типом связи, допустимым на ранних этапах разработки модели. В дальнейшем этот тип связи должен быть заменен двумя связями типа один-ко-многим путем создания промежуточной сущности.
СТУДЕНТ
ДИСЦИПЛИНА
Изучает
М
М

Пример ER-диаграммы

Этапы концептуального проектирования
Анализ требований к базе данных
ER-моделирование и нормализация
Проверка модели данных
Проектирование распределенной базы данных

Шаги этапа «ER-моделирование и нормализация»
Определение, анализ и уточнение бизнес-правил
Выявление основных сущностей
Определение связей сущностей
Определение атрибутов, первичных и внешних ключей для каждой сущности
Нормализация сущностей
Завершение первоначальной ER-диаграммы
Проверка конечным пользователем полученной модели на основе имеющихся данных и технических требований
Модификация ER-диаграммы (при необходимости)