Проектирование логической структуры базы данных

 

 

Цель работы– ознакомление с основными понятиями и моделями баз данных, используемых в различных информационных системах, и приобретение навыков информационного проектирования реляционных баз данных с использованием стандартов на терминологию и графические элементы диаграмм.

 

В широком смысле слова база данных – совокупность сведений о конкретных объектах какой-либо предметной области, представляющей часть реального мира, в которой возникают

проблемы организации управления и автоматизации обработки информации. Создавая базу данных, пользователь стремится упорядочить информацию по различным признакам и быстро извлекать нужные сведения с произвольным сочетанием признаков. Для этих целей нужна структуризация исходных данных.

Объект предметной области – это нечто существующее и различаемое. Объектами могут быть материальные предметы, а также и абстрактные понятия.

Данные – это определенные показатели, которые характеризуют объект и принимают, для конкретного экземпляра этого объекта некоторый набор значений. Например, объектом является продукция предприятия, а данными, или атрибутами этого объекта являются код, название, цвет, вес и т.д.

В современном понимании база данных – это поименованная совокупность взаимосвязанных данных, находящихся под управлением системы управления базами данных, представляющей комплекс программных и языковых средств, необходимых для создания баз данных, поддерживая их в актуальном состоянии и организуя поиск в них нужной информации. База данных – это основа любой информационной системы.

Используя базу данных, информационная система обеспечивает хранение информации по предметной области, ее ввод и редактирование, просмотр и поиск нужных сведений, выборку данных по тем или иным критериям, получение итоговых отчетов и контроль целостности информации. Различают информационно-поисковые системы, в которых поисковые операции являются основными, и системы обработки данных, в которых обработка данных занимает основную часть машинного времени. При этом некоторые из них работают с конкретными наборами структурированных данных (фактами) и относятся к классу фактографических систем, другие работают с неструктурированными или слабоструктурированными текстовыми документами и осуществляют поиск необходимых документов или объектов. Они получили название документальных систем. Существуют и смешанные, документально-фактографические системы.

Информационные системы создаются либо на одном компьютере (локальная система), либо с использованием нескольких компьютеров, объединенных в сеть (сетевые системы). Сетевые информационные системы могут иметь распределенную архитектуру, когда части базы данных располагаются на различных компьютерах сети, и централизованную архитектуру, когда база данных находится на одном мощном компьютере, а менее мощные клиентские компьютеры обмениваются с центральным либо файлами (архитектура файл-сервер), либо небольшими порциями данных, формируемых по запросу пользователей сети (архитектура клиент-сервер). Центральный компьютер, где хранится общая база данных и программа обработки запросов, составляет серверную часть системы (back-end), а машины пользователей, где формируются запросы и отображаются данные, составляют клиентскую часть системы (front-end).

С самых первых версий Microsoft SQL Server проектировалась как система управления централизованными базами данных с использованием архитектуры клиент-сервер. SQL Server

2000 вместе с тем позволяет строить и распределенные базы данных.

При разработке базы данных необходимо выбрать подходящую модель данных. Модель данных – это совокупность структур данных и операций по их обработке. С помощью модели данных можно наглядно представить структуру объектов и установленные между ними связи. В настоящее время используются следующие три модели данных:

1. иерархическая модель данных, в которой структура объектов представляется в виде дерева, например, дерево папок и файлов файловой системы MS-DOS, или дерево ключей и параметров операционной системы Windows. В этой модели каждый потомок может иметь только одного предка.

2. сетевая модель данных, в которой структура объектов представляется в виде сети, когда каждый объект – узел может быть связан с любым другим объектом, в том числе и с самим собой, например, сеть Word Wide Web (www) или гипертекстовые файлы. В этой модели каждый объект может иметь несколько входных связей с другими объектами.

3. реляционная модель данных, в которой данные представлены в виде прямоугольных таблиц (отношений) и вес операции над базой данных сводятся к манипуляциям с таблицами. Эта модель данных получила самое широкое распространение в

современных базах данных. SQL Server 2000 также использует реляционную модель данных.

Таблица состоит из столбцов (полей) и строк (записей). Она имеет имя, уникальное в пределах базы данных. Таблица определяет тип объекта реального мира (сущность), а каждая строка – конкретный объект. Столбец при этом представляет совокупность значений конкретного атрибута рассматриваемых объектов. Эти значения выбираются из множества допустимых значений, или домена. Каждый столбец имеет имя, уникальное в пределах таблицы. При графическом изображении таблицы он записывается в ее верхней части. В отличие от полей, строки не имеют имен; порядок их следования в таблице не определен, а количество строк в таблице логически не ограничено.

Так как строки в таблице не упорядочены, невозможно выбрать строку по ее позиции. Любая таблица должна иметь один или несколько столбцов, значения в которых однозначно идентифицируют каждую ее строку. Столбец или комбинация столбцов, обладающая таким свойствам называется первичным ключом. Таким образом, он должен обладать свойством уникальности. Другим свойством первичного ключа должно быть свойство минимальности, когда ни одна из входящих в ключ столбцов не может быть исключен из ключа без нарушения свойства минимальности.

В таблице могут быть и другие группы столбцов, обладающие данными свойствами. Они называются альтернативными ключами, или кандидатами на первичный ключ. Выбор первичного ключа из возможных кандидатов на первичный ключ является в известной мере произвольным.

Для поддержания связей между таблицами используются внешние ключи, когда в данной таблице используются поля, являющиеся первичными ключами других таблиц.

Итак, реляционная база данных – это совокупность таблиц (отношений), содержащих всю информацию, которая храниться в базе данных. Основные требования, которые надо соблюдать при проектировании реляционных баз данных, таковы:

1. каждая таблица должна иметь уникальное в базе данных имя и состоять из однотипных строк.

2. каждая таблица должна состоять из фиксированного числа столбцов и простых (не составных) значений в каждом столбце.

3. ни в какой момент времени в таблице не должно быть двух строк, дублирующих друг друга. Строки должны отличаться хотя бы одним значением, чтобы была

возможность однозначно идентифицировать любую строку таблицы.

4. каждому столбцу должно быть присвоено уникальное в пределах таблицы уникальное имя и задан конкретный тип данных.

5. полное информационное содержание базы данных должно быть представлено в виде явных значений самих данных и только таким образом, а не с использованием, например, указателей или ссылок.

6. при обработке данных должно быть обеспечено свободное обращение к любой строке и к любому столбцу.

При проектировании базы данных на основании описания бумажных форм и бланков необходимо разработать простую структуру таблиц, которая позволяет устранить дублирование данных и обеспечивает непротиворечивость хранимых в базе данных. Для этих целей используется формальный аппарат ограничений на формирование таблиц, описывающий разбиение таблиц на две или более частей и обеспечивающий применение лучших методов добавления, изменения и удаления данных. Этот аппарат называется нормализацией таблиц. Его конечной целью является получение такой структуры таблиц, для которой любая часть информации хранится лишь в одном месте, т.е. исключается избыточность информации. Это делается не для экономии места, а для исключения возможности противоречий в хранимых данных. В итоге нормализации иерархическая или сетевая структура данных превращается в реляционную. Существует шесть форм нормализации. На практике бывает необходимо и достаточно привести базу данных к третьей нормальной форме.

Таблица считается нормализованной на определенном уровне, когда она удовлетворяет условиям, накладываемым соответствующей формой нормализации. Рассмотрим первые три уровня нормализации:

1. таблица находится в первой нормальной форме, когда она не содержит повторяющихся полей и составных значений полей.

2. таблица находится во второй нормальной форме, если она удовлетворяет требованиям первой нормальной формы и все ее поля, не входящие в первичный ключ, связаны полной функциональной зависимостью с первичным ключом.

3. таблица находится в третьей нормальной форме, если она удовлетворяет требованиям второй нормальной формы и ни одно из ее неключевых полей функционально не зависит от любого другого неключевого поля. Таким образом, это дополнительное требование сводится к тому, чтобы все неключевые поля зависили только от первичного ключа и не зависили друг от друга. Это обеспечивает независимое изменение любого неключевого поля.

Задание 1.построить инфологическую модель предметной области. Включающей несколько объектов с тремя – пятью атрибутами и необходимыми связями, выполнив все шаги построения модели в виде IDEF1X – диаграммы:

1. Определение сущностей. Первый шаг при построении модели – извлечение информации из интервью и выделение объектов, или сущностей.

Каждая сущность должна обладать уникальным идентификатором. Каждый экземпляр сущности должен однозначно идентифицироваться и отличаться от всех других экземпляров данного типа сущности. Каждая сущность должна обладать следующими свойствами:

а) иметь уникальное имя с одной и той же интерпретацией, причем одна и та же интерпретация не может применяться к различным именам, если только они не являются псевдонимами;

б) обладать одним или несколькими атрибутами, которые либо принадлежат сущности,

либо наследуются через связь;

в) обладать одним или несколькими атрибутами, которые однозначно идентифицируют каждый экземпляр сущности;

г) каждая сущность может обладать любым количеством связей с другими сущностями предметной области.

На диаграмме сущность изображается прямоугольником с указанием ее имени и номера слева над прямоугольником, например, «Группа/1».

2. Идентификация атрибутов. Атрибуты сущности должны иметь уникальные в пределах сущности имена, а также принадлежать к одному из типов данных, допустимых для модели. Имена и типы записываются, в прямоугольник и отделяются горизонтальной линией, при этом в верхней части записываются и выделяются жирным шрифтом атрибуты, составляющие первичный ключ. Альтернативные ключи сущности особо не выделяются на прямоугольнике. Ни одна из частей ключа не может быть NULL, не заполненной или отсутствующей.

Если несколько наборов атрибутов могут уникально идентифицировать сущность, то выбор одного из них осуществляется разработчиком базы данных на основании анализа предметной области.

Правила выбора первичного ключа из списка предполагаемых ключей таковы: а) он должен уникальным образом идентифицировать экземпляр сущности; б) он не может принимать значение NULL;

в) он не должен изменяться со временем, ибо при изменении ключа меняется и экземпляр сущности;

г) он должен быть как можно более коротким для индексирования данных.

Сущность является независимой, если каждый экземпляр сущности может быть однозначно идентифицирован без определения его отношений с другими сущностями.

Сущность называется зависимой, если однозначная идентификация экземпляра сущности зависит от его отношения к другой сущности. На диаграмме она изображается прямоугольником с закругленными углами.

Экземпляры независимой сущности могут быть уникально идентифицированы без определения ее связей с другими сущностями. Экземпляры зависимой сущности, наоборот, не могут быть идентифицированы без определения ее связей с другими сущностями.

3. Определение зависимостей (связей) между сущностями. Связь – это ассоциация между сущностями, при которой, как правило, каждый экземпляр одной сущности, называемой родительской сущностью, ассоциирован с произвольным (в том числе нулевым) количеством экземпляров второй сущности, называемой сущностью – потомком, а каждый экземпляр сущности – потомка ассоциирован в точности с одним экземпляром сущности – родителя. Таким образом, экземпляр сущности

– потомка может существовать только при существовании сущности – родителя.

Связь изображается линией между сущностями, и ей дается уникальное для данной пары сущностей имя в виде оборота глагола, например, «состоит», «является» и т.д. Имя связи всегда формируется с точки зрения родителя.

Связь – это понятие логического уровня, которому соответствует внешний ключ на физическом уровне.

Связь называется идентифицирующей, если экземпляр дочерней сущности идентифицируется через ее связь с родительской сущностью. Атрибуты, составляющие первичный ключ родительской сущности, при этом входят в первичный ключ дочерней сущности. Дочерняя сущность при этом является всегда зависимой. Идентифицирующая связь изображается сплошной линией и заканчивается точкой со стороны дочерней сущности.

Связь называется неидентифицирующей, если экземпляр дочерней сущности идентифицируется иначе, чем через связь с родительской сущностью. Атрибуты, составляющие первичный ключ родительской сущности, при этом входят в состав неключевых атрибутов дочерней сущности. Такая связь изображается пунктирной линией с точкой у дочерней сущности.

 

 

Служащий /1 Группа/1

 

 

Номер служащего

 

 

Имя

Дата рождения

 

N_группы

 

ФИО_старосты ФИО_куратора Количество студентов

 

Де

 

Номер_служащего(FК)

Имя ребенка

 

Дата_рождения/2

 

Номер_зач_книжки

 

 

Номер_группы

ФИО Адрес Год_рождения

 

 

а) идентифицирующая связь б) неидентифицирующая связь

 

Рис. 1 Пример связей

Связи дополняются указанием мощности, определяющей, какое количество экземпляров сущности – потомка может существовать для каждого экземпляра сущности – родителя:

Z – нуль или один; P – один или более; N – в точности N.

Если мощность не задана, то предполагается нуль, один и более экземпляров.

 

 

Задание 1.Создать базу данных «Отдел» с таблицами «Служащие» и «Дети» в соответствии с рисунком 1а, учитывая связи между этими таблицами, и заполнить таблицы данными.

 

Задание 2.Создать базу данных «Деканат», взяв за основу инфологическую диаграмму рисунка

1б, и заполнить данными. Написать и исполнить несколько запросов.

 

Задание 3.Создать базу данных «Учет товаров на складе», включив в нее три таблицы:

а) таблицу «Товар» с реквизитами Название товара, Единица измерения,

Цена единицы измерения;

б) таблицу «Расход товара» с реквизитами

Номер расхода, Дата расхода, Количество расхода, Название товара, Название покупателя;

в) таблицу «Покупатели» с реквизитами

Название покупателя, Город покупателя, Адрес покупателя.

Задать первичные и внешние ключи, а также необходимые ограничения целостности.

Построить диаграмму. Таблицы заполнить данными.

 

Задание 4.Построить диаграмму базы данных Northwind, включив в нее все таблицы и не допуская пересечений линий связи. Определить порядок создания аналогичных руссифицированных таблиц новой базы данных Нордост. Создать базу данных Нордост с указанными таблицами, сохранив типы колонок таблиц и связи между таблицами. Построить диаграмму базы данных Нордост. Используя команды Select и Insert, скопировать данные из таблиц Northwind в таблицы Нордост. Сравнить таблицы этих баз данных.