Проектирование реляционных баз данных

Учебные вопросы.
1. Проектирование реляционных БД с использованием нормализации отношений
2. Проектирование реляционных БД на основе концептуальной модели

Выделяют два подхода к проектированию реляционной базы данных.
Первый подход был предложен Коддом и заключается в создании на этапе концептуального проектирования не концептуальной модели данных, а непосредственно реляционной схемы базы данных.
Второй подход основан на концептуальной модели данных, создаваемой на этапе концептуального проектирования.

1. Проектирование реляционных БД с использованием нормализации отношений
Исходной информацией является представление предметной области в виде одного или нескольких отношений.
Одни и те же данные могут группироваться в таблицы-отношения различными способами.

Фундаментальные свойства отношений
1. Отсутствие кортежей-дубликатов. Исходя из этого свойства, у каждого отношения должен быть первичный ключ.
2. Отсутствие упорядоченности кортежей. Дает дополнительную гибкость СУБД при хранении баз данных во внешней памяти и при выполнении запросов к базе данных.
3. Отсутствие упорядоченности атрибутов. Для ссылки на значение атрибута в кортеже отношения всегда используется имя атрибута.
4. Атомарность значений атрибутов. Это следует из определения домена как множества значений простого типа данных.

Реляционная модель данных. Общие понятия
Составной ключ —
это ключ, содержащий более чем один атрибут.
Простой ключ —
это ключ, состоящий из одного атрибута.
Ключи обеспечивают основной механизм адресации на уровне кортежей в реляционной системе.
Внешним ключом —
атрибут или группа атрибутов одного отношения, которым назначена ссылка на первичный ключ другого отношения, для однозначного его определения.

Типы отношений между сущностями
1. Связь «один к одному» (1:1) — такой тип связи между типами сущностей А и В, когда каждому экземпляру сущности А соответствует один и только один экземпляр сущности В и наоборот.
2. Связь «один ко многим» (1:М) — одному экземпляру сущности А может соответствовать 0, 1 или несколько экземпляров сущности В, однако каждому экземпляру сущности В соответствует только один экземпляр сущности А.
3. Связь «многие к одному» (М:1) — является обратной связи 1:М.
4. Связь «многие ко многим» (М:М) — каждому экземпляру сущности А может соответствовать 0, 1 или несколько экземпляров сущности В и наоборот.

Проектирование реляционных БД
В базе данных отражается информация об определенной предметной области.
Предметной областью называется часть реального мира, представляющая интерес для данного исследования (использования).
Вся предметная область может быть представлена в виде одного универсального отношения.
Недостатки такого способа хранения устраняются нормализацией.
Для реляционной базы данных проектирование логической структуры заключается в том, чтобы разбить всю информацию по таблицам (отношениям), а также определить состав полей (атрибутов) для каждой из этих таблиц.

Универсальное отношение

Недостатки универсального отношения
Дублирование информации (избыточность). У студентов, обучающихся на одном факультете, будет повторяться название факультета. Для разных факультетов будут повторяться специальности.
Потенциальная противоречивость (аномалии обновления). Если, например, изменится название специальности, то изменяя её в одном кортеже (у одного студента), необходимо изменять и во всех других кортежах, где она присутствует.
Потенциальная возможность потери сведений (аномалии удаления). При удалении информации о всех студентах, поступающих на определенную специальность, мы теряем все сведения об этой специальности.
Потенциальная возможность невключения информации в базу данных (аномалии включения). В базу данных сложно внести сведения о специальности, если на ней нет обучающихся студентов.

Определенный набор отношений обладает лучшими свойствами при включении, модификации и удалении данных, если он отвечает определенным требованиям нормализации отношений.
Нормализация отношений - это формальный аппарат ограничений на их формирование, который позволяет устранить дублирование данных, обеспечить их непротиворечивость и уменьшить затраты на поддержание БД.

Группировка атрибутов в отношении должна отвечать следующим требованиям:
выбранные для отношений первичные ключи должны быть минимальными;
выбранный состав отношений базы должен быть минимальным (отличаться минимальной избыточностью атрибутов);
при выполнении операций включения, удаления и модификации данных в базе не должно быть трудностей (аномалий);
перестройка набора отношений при введении новых типов данных должна быть минимальной;

Процесс проектирования представляет собой процесс нормализации схем отношений, причем каждая следующая нормальная форма обладает лучшими свойствами, чем предыдущая.
Каждой нормальной форме соответствует некоторый определенный набор ограничений, и отношение находится в некоторой нормальной форме, если удовлетворяет соответствующему набору ограничений.

Методы нормализации базируются на использовании понятий функциональной и транзитивной зависимости.
Функциональная зависимость. В отношении R атрибут Y функционально зависит от атрибута X (X и Y могут быть составными) в том и только в том случае, если каждому значению X соответствует в точности одно значение Y, т.е. R.X→R.Y.

Функциональные зависимости
(зависимости между атрибутами отношения)
Пусть R(A1, A2, ..., An) – схема отношения,
а X и Y – подмножества {A1, A2, ..., An}.
Функциональная зависимость на отношении R – это утверждение вида:
"Если два кортежа R совпадают по атрибутам множества X (т.е. эти кортежи имеют в соответствующих друг другу компонентах одни и те же значения для каждого атрибута множества X ), то они должны совпадать и по атрибутам множества Y .
Формально эта зависимость записывается выражением X → Y, причем говорится, что X функционально определяет Y.

Часто используется другое утверждение: X функционально определяет Y или Y функционально зависит от X тогда и только тогда, когда каждое значение множества X отношения R связано с одним значением множества Y отношения R. Иначе говоря, если два кортежа R совпадают по значению X, они совпадают и по значению Y.

Полной функциональной зависимостью называется зависимость неключевого атрибута от всего составного ключа.
Частичной функциональной зависимостью будем называть зависимость неключевого атрибута от части составного ключа.

Транзитивная функциональная зависимость. Функциональная зависимость R.X→R.Y называется транзитивной, если существует такой атрибут Z, что имеются функциональные зависимости R.X→R.Z и R.Z→R.Y и отсутствует функциональная зависимость R.Z→R.X.

Для решения перечисленных задач выполняется нормализация исходных схем отношений проекта БД.

Последовательность нормальных форм реляционных баз данных:
первая нормальная форма (1NF);
вторая нормальная форма (2NF);
третья нормальная форма (3NF);
нормальная форма Бойса—Кодда (BCNF);
четвертая нормальная форма (4NF);
пятая нормальная форма или нормальная форма проекции-соединения (5NF или PJ/NF).

ОДИН ФАКТ ХРАНИТСЯ ОДИН РАЗ!!!

Свойства нормальных форм:
каждая следующая нормальная форма, в некотором смысле, лучше предыдущей нормальной формы;
при переходе к следующей нормальной форме свойства предыдущих нормальных форм сохраняются;
Нормализация отношений заключается в декомпозиции отношения, находящегося в предыдущей нормальной форме, в два или более отношения, удовлетворяющих требованиям следующей нормальной формы.

Для реляционных БД необходимо, чтобы все отношения базы данных находились обязательно в 1NF.
Нормальные формы более высокого уровня могут использоваться разработчиками по своему усмотрению.

Отношение называется нормализованным или приведенным к первой нормальной форме (1NF), если все его атрибуты простые или атомарные(неделимые).
Отношение, находящееся в первой нормальной форме, имеет следующие свойства:
в отношении нет одинаковых кортежей;
кортежи не упорядочены;
атрибуты не упорядочены и различаются по наименованиям;
все значения атрибутов атомарные.

Пример. Информационная система «Преступные группировки».
Информация о членах преступных группировок:
фамилия, имя, отчество;
роль в группировке (лидер, исполнитель, скупщик краденного и т.п.);
предыдущие судимости: статьи УК, сроки лишения свободы, даты освобождения;
адрес проживания;
особые приметы.

Информация о группировках:
условный номер группировки;
район деятельности;
условный номер района (для связи с другими БД);
сфера деятельности;
активность деятельности в данной сфере;
зафиксированная дата начала деятельности.

В описании информационной системы неатомарными являются атрибуты «Фамилия, имя, отчество» и «Предыдущие судимости».
Они могут быть разделены на атомарные таким образом, чтобы не появились повторяющиеся группы полей.

База данных, приведенная к 1NF

Для приведения отношения к 2NF необходимо:
определить ключевые атрибуты;
определить функциональные зависимости неключевых атрибутов от ключевых;
разделить атрибуты на группы по функциональным зависимостям так, чтобы каждый неключевой атрибут определялся полным набором ключевых атрибутов;

определить связанные между собой группы атрибутов и типы отношений между ними;
для реализации связей между группами атрибутов дополнить их атрибутами, организующих связь.

При построении 2NF следует помнить следующие правила:
если ключ является простым, то требование 2NF для отношения автоматически выполняется;
если между отношениями А и В существует связь типа 1:M, то при организации связи отношение В дополняется ключевыми атрибутами отношения А;
если в отношении возможен альтернативный выбор атрибутов для организации связи, то следует выбирать атрибуты меньшей длины.

В примере могут быть выделены четыре группы функциональных зависимостей:
(1, 2, 3, 7) ← (5, 6) (A)
(1, 2, 3) ← (4, 8, 9) (В)
(10, 13) ← (14) (С)
(10) ← (11, 12, 15) (D)
Стрелка направлена от неключевых элементов группы к ключевым.

Между данными группами можно выделить следующие отношения:
В → A типа 1:M,
D → В типа 1:M,
D → C типа 1:M.
В этом случае для организации связи между атрибутами необходимо:
включить ключевые поля группы B в группу А;
включить ключевое поле группы D в группы B и C.

База данных, приведенная к 2NF

Для приведения к 3NF необходимо в каждом отношении
определить транзитивные зависимости между атрибутами;
разделить атрибуты на группы по транзитивным зависимостям так, чтобы ни один неключевой атрибут в этих группах не определялся другим неключевым атрибутом;

определить связанные между собой группы атрибутов и типы отношений между ними;
для реализации связей между группами атрибутов дополнить их атрибутами, организующими связь.

Организация связей осуществляется таким же образом, как и при построении 2NF.
Транзитивные зависимости имеются только в отношении D:
(10) ← (11) ← (12)
(10) ← (12) ← (11)
Устранение этих зависимостей может быть осуществлено разбиением на следующие группы атрибутов:
(10) ← (12,15) (E)
(12) ← (11) (F)
Для связи между группами элементов E и F использован элемент 12, как имеющий меньшую длину.

База данных, приведенная к 3NF

Нормальная форма Бойса-Кодда BCNF требует, чтобы в таблице был только один потенциальный первичный ключ.
Если обнаружился второй столбец, позволяющий однозначно идентифицировать строку, то для приведения к нормальной форме Бойса-Кодда такие данные надо вынести в отдельную таблицу.

Для приведения отношения к четвертой нормальной форме необходимо устранить имеющиеся в нем многозначные зависимости.
Нужно, чтобы вставка или удаление любой строки таблицы не требовали бы вставки, удаления или модификации других строк этой же таблицы.

Отношение, находящееся в четвертой нормальной форме, в некоторых случаях еще можно разбить на три или более таблицы, при соединении которых получается исходная таблица.
В результате такой, как правило, искусственной декомпозиции образуется таблица, находящаяся в пятой нормальная форме.

Итого:
Рассмотренный декомпозиционный подход к проектированию схемы реляционной БД путем последовательной нормализации первоначальных отношений используется при условии небольшого числа атрибутов.
В случаях когда число атрибутов превышает 20, этот метод становится излишне громоздким.

2. Проектирование реляционных БД на основе концептуальной модели
1. Инфологическое моделирование
Проектирование БД начинается с предварительной структуризации предметной области: объекты реального мира подвергаются классификации, фиксируется совокупность подлежащих отображению в БД типов объектов.

Для каждого типа объектов фиксируется совокупность свойств, посредством которых будут описываться конкретные объекты этого типа в БД, виды отношений (взаимосвязей) между этими объектами.
Затем решаются вопросы о том, какая информация об этих объектах должна быть представлена в БД, как ее представить с помощью данных.

Инфологическая модель предметной области (ИЛМ) — это описание предметной области, выполненное без ориентации на используемые в дальнейшем программные и технические средства.
Описание инфологической модели называется схемой (концептуальной схемой).

Основные требования к ИЛМ:
адекватное отображение предметной области;
непротиворечивость;
отсутствие неоднозначности трактовки;
возможность легкой расширяемости, обеспечивающая ввод данных без изменения ранее определенных;
обеспечение возможности композиции и декомпозиции модели.

На этом этапе используется модель «сущность-связь».
Основное ее назначение — семантическое описание предметной области и представление информации для обоснования выбора видов моделей и структур данных, которые в дальнейшем будут использованы в системе.

При моделировании предметной области проектировщик разбивает ее на ряд локальных областей, моделирует каждое локальное представление, а затем их объединяет.
Чаще всего локальная модель отражает представление отдельного пользователя. Иногда такая модель может описывать и некоторую независимую область данных нескольких функциональных задач.

Для удобства проектирования в отдельном локальном представлении желательно использовать шесть-семь типов сущностей.
Для каждого локального представления необходимо сформулировать сущности, требуемые для его описания, т.е. указать типы объектов предметной области, о которых в системе должна накапливаться информация.

Пример. Пусть в некотором локальном представлении выполняется описание преступных группировок. Предполагается, что член группировки может состоять только в одной группировке. При этом он может не иметь судимостей или иметь несколько. Преступная группировка может находиться в одном районе и иметь несколько сфер деятельности.

С помощью данной графической диаграммы локального представления нельзя представить информации о членах группировки, не имеющих судимостей.
Для решения этой задачи необходимо ввести в модель сущность ЧЛЕН ГРУППИРОВКИ, назначить ей соответствующие атрибуты, связать с сущностью ПРЕСТУПНАЯ ГРУППИРОВКА, если это необходимо, и удалить избыточные элементы.

Полученный вариант не представляет информацию о группировках, если их активность в какой либо сфере деятельности не определена по разным причинам.
Чтобы такую информацию можно было представлять, необходимо ввести в модель сущность ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ и выполнить аналогичные процедуры построения, как и для сущности ЧЛЕН ГРУППИРОВКИ.

База данных, реализующая это представление, окажется более гибкой в обработке данных, будет обладать большими возможностями по обработке произвольных запросов.
Следовательно, для данного локального представления целесообразно ввести такие сущности, как ЧЛЕН ГРУППИРОВКИ, ПРЕСТУПНАЯ ГРУППИРОВКА, ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ.