Реляционная модель данных

База данных
организованная в соответствии с определёнными правилами и поддерживаемая в памяти компьютера совокупность данных, характеризующая актуальное состояние некоторой предметной области и используемая для удовлетворения информационных потребностей пользователей.

Признаки БД
1. БД хранится и обрабатывается в вычислительной системе.
Таким образом, любые внекомпьютерные хранилища информации (архивы, библиотеки, картотеки и т. п.) базами данных не являются.
2. Данные в БД логически структурированы (систематизированы) с целью обеспечения возможности их эффективного поиска и обработки в вычислительной системе.
3. Структурированность подразумевает явное выделение составных частей (элементов), связей между ними, а также типизацию элементов и связей, при которой с типом элемента (связи) соотносится определённая семантика и допустимые операции.
4. БД включает схему, или метаданные, описывающие логическую структуру БД в формальном виде (в соответствии с некоторой метамоделью).

Система управления базами данных
совокупность языковых и программных средств, которая осуществляет доступ к данным, позволяет их создавать, менять и удалять, обеспечивает безопасность данных и т.д. В общем СУБД - это система, позволяющая создавать базы данных и манипулировать сведениями из них. А осуществляет этот доступ к данным СУБД посредством специального языка - SQL.
SQL - язык структурированных запросов, основной задачей которого является предоставление простого способа считывания и записи информации в базу данных.

Основные задачи проектирования баз данных
Обеспечение хранения в БД всей необходимой информации.
Обеспечение возможности получения данных по всем необходимым запросам.
Сокращение избыточности и дублирования данных.
Обеспечение целостности базы данных.

Цель любой информационной системы
обработка данных об объектах реального мира. Основой информационной системы является база данных. В широком смысле слова база данных - это совокупность сведений о конкретных объектах реального мира в какой-либо предметной области.
Под предметной областью принято понимать часть реального мира, подлежащего изучению для организации управления и в конечном счете автоматизации, например, предприятие, вуз и т.д.
Объектом называется элемент предметной области, информацию о котором мы сохраняем.
Объект может быть реальным (например, человек, изделие; или населенный пункт) и абстрактным (например, событие, счет покупателя или изучаемый студентами курс).

В теории проектирования информационных систем предметную область (или, если угодно, весь реальный мир в целом) принято рассматривать в виде трех представлений:
представление предметной области в том виде, как она реально существует
как ее воспринимает человек (имеется в виду проектировщик базы данных)
как она может быть описана с помощью символов.
Т.е. говорят, что мы имеем дело с реальностью, описанием (представлением) реальности и с данными, которые отражают это представление.
Данные, используемые для описания предметной области, представляются в виде трехуровневой схемы (так называемая модель ANSI/SPARC):
Внешнее представление (внешняя схема) данных является совокупностью требований к данным со стороны некоторой конкретной функции, выполняемой пользователем. Концептуальная схема является полной совокупностью всех требований к данным, полученной из пользовательских представлений о реальном мире. Внутренняя схема - это сама база данных.
Отсюда вытекают основные этапы, на которые разбивается процесс проектирования базы данных информационной системы:

Основные этапы проектирования баз данных
Концептуальное (инфологическое) проектирование- сбор, анализ и редактирование требований к данным. Для этого осуществляются следующие мероприятия:
обследование предметной области, изучение ее информационной структуры
выявление всех фрагментов, каждый из которых харакетризуется пользовательским представлением, информационными объектами и связями между ними, процессами над информационными объектами
моделирование и интеграция всех представлений
По окончании данного этапа получаем концептуальную модель, инвариантную к структуре базы данных. Часто она представляется в виде модели "сущность-связь".
Логическое (даталогическое) проектирование- преобразование требований к данным в структуры данных. На выходе получаем СУБД-ориентированную структуру базы данных и спецификации прикладных программ. На этом этапе часто моделируют базы данных применительно к различным СУБД и проводят сравнительный анализ моделей.
Физическое проектированиеопределение особенностей хранения данных, методов доступа и т.д.

Концептуальное (инфологическое) проектирование
Концептуальное (инфологическое) проектирование — построение семантической модели предметной области, то есть информационной модели наиболее высокого уровня абстракции. Такая модель создаётся без ориентации на какую-либо конкретную СУБД и модель данных. Термины «семантическая модель», «концептуальная модель» и «инфологическая модель» являются синонимами. Кроме того, в этом контексте равноправно могут использоваться слова «модель базы данных» и «модель предметной области» (например, «концептуальная модель базы данных» и «концептуальная модель предметной области»), поскольку такая модель является как образом реальности, так и образом проектируемой базы данных для этой реальности.
Конкретный вид и содержание концептуальной модели базы данных определяется выбранным для этого формальным аппаратом. Обычно используются графические нотации, подобные ER-диаграммам.
Чаще всего концептуальная модель базы данных включает в себя:
описание информационных объектов или понятий предметной области и связей между ними.
описание ограничений целостности, то есть требований к допустимым значениям данных и к связям между ними.

Логическое (даталогическое) проектирование
Логическое (даталогическое) проектирование — создание схемы базы данных на основе конкретной модели данных, например, реляционной модели данных. Для реляционной модели данных даталогическая модель — набор схем отношений, обычно с указанием первичных ключей, а также «связей» между отношениями, представляющих собой внешние ключи.
Преобразование концептуальной модели в логическую модель, как правило, осуществляется по формальным правилам. Этот этап может быть в значительной степени автоматизирован.
На этапе логического проектирования учитывается специфика конкретной модели данных, но может не учитываться специфика конкретной СУБД.

Физическое проектирование
Физическое проектирование — создание схемы базы данных для конкретной СУБД. Специфика конкретной СУБД может включать в себя ограничения на именование объектов базы данных, ограничения на поддерживаемые типы данных и т. п. Кроме того, специфика конкретной СУБД при физическом проектировании включает выбор решений, связанных с физической средой хранения данных (выбор методов управления дисковой памятью, разделение БД по файлам и устройствам, методов доступа к данным), создание индексов и т. д.
Результатом физического проектирования логической схемы выше на языке SQL может являться следующий скрипт:

CREATE TABLE IF NOT EXISTS Department ( -- Факультет
id INT NOT NULL,
name VARCHAR(45),
PRIMARY KEY (id)
);
CREATE TABLE IF NOT EXISTS Group (
id INT NOT NULL,
name VARCHAR(45) ,
depart_id INT NOT NULL,
UNIQUE INDEX depart_id_UNIQUE (depart_id ASC),
PRIMARY KEY (id, depart_id),
CONSTRAINT depart_fk
FOREIGN KEY (depart_id)
REFERENCES Department (id)
);
CREATE TABLE IF NOT EXISTS Student (
first_name VARCHAR(16) NOT NULL,
last_name VARCHAR(45) NOT NULL,
email VARCHAR(255),
group_id INT NOT NULL,
PRIMARY KEY (last_name, first_name, group_id),
INDEX group_fk_idx (group_id ASC),
CONSTRAINT group_fk
FOREIGN KEY (group_id) REFERENCES Group (id)
);