Описание er диаграммы. Привет студент. Концептуальная модель базы данных это

Цель работы

Ознакомление с методами и алгоритмом создания модели «Сущность-связь».

Основные понятия модели «Сущность-связь». ER-модели.

Инфологическая модель применяется на втором этапе проектирования БД, после словесного описания предметной области. Она должна включать такое формализованное описание предметной области, которое легко будет «читаться» как специалистами по базам данных, так и всеми пользователями. Это описание должно быть настолько емким, чтобы можно было оценить глубину и корректность проработки проекта БД, и конечно, оно не должно быть привязано к конкретной СУБД. Выбор СУБД - это отдельная задача, для корректного ее решения необходимо иметь проект, который не привязан ни к какой конкретной СУБД.

Инфологическое проектирование, прежде всего, связано с попыткой представления семантики предметной области в модели БД, которая слабо отражается в сетевых, иерархических моделях данных.

Было предложено несколько моделей данных, названных семантическими моделями. У всех этих моделей были свои положительные и отрицательные стороны, но фактическим стандартом при инфологическом моделировании баз данных стала только модель «сущность-связь», или Entity Relationships. Общепринятым стало сокращенное название ER-модель, а большинство современных CASE-средств содержат инструментальные средства для описания данных в формализме этой модели. Кроме того, разработаны методы автоматического преобразования проекта БД из ER-модели в реляционную БД, при этом одновременно выполняется преобразование в модель конкретной СУБД. Все CASE-системы имеют развитые средства документирования процесса разработки, автоматические генераторы отчетов позволяют подготовить отчет о текущем состоянии проекта с подробным описанием объектов БД и их отношений, что существенно облегчает ведение проекта.

Как любая модель, модель «сущность-связь» имеет несколько базовых понятий, из которых строятся более сложные объекты по заранее определенным правилам. Эта модель в наибольшей степени согласуется с концепцией объектно-ориентированного проектирования, которая является базовой для разработки сложных программных систем.

Рассмотрим базовые понятия, лежащие в основе ER-модели.

1. Сущность, с помощью которой моделируется класс однотипных объектов. Сущность имеет имя, уникальное в пределах моделируемой системы. Так как сущность соответствует некоторому классу однотипных объектов, то предполагается, что в системе существует множество экземпляров данной сущности. Объект, которому соответствует понятие сущности, имеет свой набор атрибутов - характеристик, определяющих свойства данного представителя класса. При этом набор атрибутов должен быть таким, чтобы можно было различать конкретные экземпляры сущности. Например, у сущности Сотрудник может быть следующий набор атрибутов: Табельный номер, Фамилия, Имя, Отчество, Дата рождения, Количество детей, Наличие родственников за границей. Набор атрибутов, однозначно идентифицирующий конкретный экземпляр сущности, называют ключевым. Для сущности Сотрудник ключевым будет атрибут Табельный номер, поскольку для всех сотрудников данного предприятия табельные номера различны. Экземпляром сущности Сотрудник будет описание конкретного сотрудника предприятия. Одно из общепринятых графических обозначений сущности - прямоугольник, в верхней части которого записано имя сущности, а ниже перечисляются атрибуты, причем ключевые атрибуты помечаются,например, подчеркиванием или специальным шрифтом, как показано ниже:

2. Между сущностями могут быть установлены связи - бинарные ассоциации, показывающие, каким образом сущности соотносятся или взаимодействуют между собой. Связь может существовать между двумя разными сущностями или между сущностью и ей же самой (рекурсивная связь). Она показывает, как связаны экземпляры сущностей между собой. Еслисвязь устанавливается между двумя сущностями, то она определяет взаимосвязь между экземплярами одной и другой сущности. Например, если есть связь между сущностью «Студент» и сущностью «Преподаватель» и эта связь - руководстводипломными проектами, то каждый студент имеет только одного руководителя, но один и тот же преподаватель может руководить множеством студентов-дипломников. Поэтому это будет связь «один-ко-многим» (1:М), один со стороны «Преподаватель» и многие со стороны «Студент» (рис. 10.1.).

3. В разных нотациях мощность связи изображается по-разному. В рассмотренном примере множественность изображается путем разделения линии связи на 3. Связь имеет общее имя «Дипломное проектирование» и имеет имена ролей со стороны обеих сущностей. Со стороны студента эта роль называется «Делает проект под руководством», со стороны преподавателя эта связь называется «Руководит». Графическая интерпретация связи позволяет сразу прочитать смысл взаимосвязи между сущностями, она наглядна и легко интерпретируема. Связи делятся на три типа по множественности: один-к-одному (1:1), один-ко-многим (1:М), многие-ко-многим (М:М). Связь один-к-одному означает, что экземпляр одной сущности связан только с одним экземпляром другой сущности. Связь 1: М означает, что один экземпляр сущности, расположенный слева по связи, может быть связан с несколькими экземплярами сущности, расположенными справа по связи. Связь «многие-ко-многим» (М:М) означает, что один экземпляр первой сущности может быть связан с несколькими экземплярами второй сущности, и наоборот, один экземпляр второй сущности может быть связан с несколькими экземплярами первой сущности. Например, связь типа «Изучает» между сущностями «Студент» и «Дисциплина» есть связь типа «многие-ко-многим» (М:М), т. к. каждый студент может изучать несколько дисциплин, а каждая дисциплина изучается множеством студентов. Такая связь изображена на рис. 10.2.

4. Между двумя сущностями может быть задано сколько угодно связей с разными смысловыми нагрузками. Например, между двумя сущностями «Студент» и «Преподаватель» можно установить две смысловые связи, одна - рассмотренная уже ранее «Дипломное проектирование», а вторая может быть условно названа «Лекции», и она определяет, лекции каких преподавателей слушает данный студент и каким студентам данный преподаватель читает лекции. Ясно, что это связь типа многие-ко-многим .

5. Связь любого из этих типов может быть обязательной, если в данной связи должен участвовать каждый экземпляр сущности, и необязательной - если не каждый экземпляр сущности должен участвовать в данной связи. При этом связь может быть обязательной с одной стороны и необязательной с другой стороны. Обязательность связи тоже по-разному обозначается в разных нотациях. Необязательность связи может обозначаться пустым кружочком на конце связи, а обязательность перпендикулярной линией, перечеркивающей связь. И эта нотация имеет простую интерпретацию. Кружочек означает, что ни один экземпляр не может участвовать в этой связи. А перпендикуляр интерпретируется как то, что по крайней мере один экземпляр сущности участвует в этой связи.

В ранее приведенном примере связи «Дипломное проектирование» эта связь интерпретируется как необязательная с двух сторон. На самом деле каждый студент, который делает диплом, должен иметь своего руководителя дипломного проектирования, но, с другой стороны, не каждый преподаватель ведет дипломное проектирование. Поэтому в данной смысловой постановке изображение этой связи изменится, и будет выглядеть таким, как представлено на рис. 10.3.

В результате построения модели предметной области в виде набора сущностей и связей получаем связный граф. В полученном графе необходимо избегать циклических связей - они выявляют некорректность модели.

Пример создания ER-модели

Спроектируем инфологическую модель системы, предназначенной для хранения информации о книгах и областях знаний, представленных в библиотеке. Разработку модели начнем с выделения основных сущностей.

Прежде всего, существует сущность «Книги»; каждая книга имеет уникальный шифр, который является ее ключом, и ряд атрибутов, которые взяты из описания предметной области. Множество экземпляров сущности определяет множество книг, которые хранятся в библиотеке. Каждый экземпляр сущности «Книги» соответствует не конкретной книге, стоящей на полке, а описанию некоторой книги, которое дается обычно в предметном каталоге библиотеке. Каждая книга может присутствовать в нескольких экземплярах, и это как раз те конкретные книги, которые стоят на полках библиотеки. Чтобы отразить это, следует ввести сущность «Экземпляры», которая должна содержать описания всех экземпляров книг, которые хранятся в библиотеке. Каждый экземпляр сущности «Экземпляры» соответствует конкретной книге на полке. Каждый экземпляр имеет уникальный инвентарный номер, однозначно определяющий конкретную книгу. Кроме того, каждый экземпляр книги может находиться либо в библиотеке, либо на руках у некоторого читателя, и в последнем случае для данного экземпляра указываются дополнительно дата взятия книги читателем и дата предполагаемого возврата книги.

Между сущностями «Книги» и «Экземпляры» существует связь (1:М), обязательная с двух сторон. Чем определяется данный тип связи? Каждая книга может присутствовать в библиотеке в нескольких экземплярах, поэтому - связь 1:М. При этом если в библиотеке нет ни одного экземпляра данной книги, то мы не будем хранить ее описание, поэтому если книга описана в сущности«Книги», то по крайней мере один экземпляр этой книги присутствует в библиотеке.Это означает, что со стороны книги связь обязательная. Что касается сущности «Экземпляры», то не может существовать в библиотеке ни одного экземпляра, который бы не относился к конкретной книге, поэтому и со стороны «Экземпляры» связь тоже обязательная.

Теперьнеобходимо определить, как в системе будет представлен читатель. Естественно предложитьввести для этого сущность «Читатели», каждый экземпляр которой будет соответствовать конкретному читателю. В библиотеке каждому читателю присваивается уникальный номер читательского билета, который однозначно идентифицирует читателя. Номер читательского билета будет ключевым атрибутом сущности «Читатели». Кроме того, в сущности «Читатели» должны присутствовать дополнительные атрибуты, которые требуются для решения поставленных задач; этими атрибутами будут: «Фамилия Имя Отчество», «Адрес читателя», «Телефон домашний» и «Телефон рабочий». Кроме того, в сущности «Читатели» следует ввести атрибут «Дата рождения», который позволитконтролировать возраст читателей.

Каждый читательможет держать на руках несколько экземпляров книг. Для отражения этой ситуации следует провести связь между сущностями «Читатели» и «Экземпляры», т. к. читатель берет из библиотеки конкретный экземпляр конкретной книги, а не просто книгу. А узнать, какая книга у данного читателя можно по дополнительной связи между сущностями «Экземпляры» и«Книги», и эта связь каждому экземпляру ставит в соответствие одну книгу, поэтому всегда можно однозначно определить, какие книги находятся на руках у читателя, хотя связываем с читателем только инвентарные номера взятых книг. Между сущностями «Читатели» и «Экземпляры» установлена связь 1:М, и при этом она не обязательная с двух сторон. Читатель в данный момент может не держать ни одной книги на руках, а с другой стороны, данный экземпляр книги может не находиться ни у одного читателя, а просто стоять на полке в библиотеке.

Теперь следует отразить последнюю сущность, связанную с системным каталогом, который содержит перечень всех областей знаний, сведения по которым содержатся в библиотечных книгах. Название области знаний может быть длинным и состоять из нескольких слов, поэтому для моделирования системного каталога введем сущность «Системный каталог» с двумя атрибутами: «Код области знаний» и «Название области знаний». Атрибут «Код области знаний» будет ключевым атрибутом сущности.

Из описания предметной областиизвестно, что каждая книга может содержать сведения из нескольких областей знаний, а с другой стороны, в библиотеке может присутствовать множество книг, относящихся к одной и той же области знаний, поэтому необходимо установить между сущностями «Системный каталог» и «Книги» связь М:М, обязательную с двух сторон. Действительно, в системном каталоге не должно присутствовать такой области знаний, сведения по которой не представлены ни в одной книге библиотеки. И обратно, каждая книга должна быть отнесена к одной или нескольким областям знаний для того, чтобы читатель мог ее быстрее найти.

ER-модель предметной области «Библиотека» представлена на рис. 10.4.

Инфологическая модель «Библиотека» разработана под задачи, перечисленные ранее. В них нет условия хранения истории чтения книги, например, с целью поиска того, кто раньше держал книгу и мог нанести ей вред. Если бы была поставлена задача хранения и этой информации, то инфологическая модель была бы другой.

Нормализация ER-диаграмм

Инфологическая модель используется на ранних стадиях разработки проекта. Если понимать язык условных обозначений, которые соответствуют категориям ER-модели, то ее можно легко «читать», следовательно, она доступна для анализа программистам-разработчикам, которые будут разрабатывать отдельные приложения. Она имеет однозначную интерпретацию, в отличие от некоторых предложений естественного языка, и поэтому здесь не может быть никакого недопонимания со стороны разработчиков.

Специалисты всегда предпочитают выражать свои мысли на некотором формальном языке, который обеспечивает однозначную их трактовку. Таким языком для программистов является язык алгоритмов. Любой алгоритм имеет однозначную интерпретацию. Он реализуется на разных языках программирования, но сам алгоритм остается неизменным. Для описания алгоритмов используются разные формализмы.

Условным общепринятымязыком описания базы данных стал язык ER-модели. Для ER-модели существует алгоритм однозначного преобразования ее в реляционную модель данных, что позволило в дальнейшем разработать множество инструментальных систем, поддерживающих процесс разработки информационных систем, базирующихся на технологии баз данных. И во всехэтихсистемах существуют средства описания инфологической модели разрабатываемой БД с возможностью автоматической генерации той даталогической модели, на которой будет реализовываться проект в дальнейшем.

Правила преобразования ER-модели в реляционную БД

Рассмотрим правила преобразования ER-модели в реляционную БД.

1. Каждой сущности ставится в соответствие отношение реляционной модели данных. При этом имена сущности и отношения могут быть различными, т. к. на имена сущностей могут не накладываться дополнительные синтаксические ограничения, кроме уникальности имени в рамках модели. Имена отношений могут быть ограничены требованиями конкретной СУБД, чаще всего эти имена являются идентификаторами в некотором базовом языке, они ограничены по длине и не должны содержать пробелов и некоторых специальных символов. Например, сущность может быть названа « Книжный каталог», а соответствующее ей отношение желательно назвать, например, BOOKS (без пробелов и латинскими буквами).

2. Каждый атрибут сущности становится атрибутом соответствующего отношения. Переименование атрибутов должно происходить в соответствии с теми же правилами, что и переименование отношений в п. 1. Для каждого атрибута задается конкретный допустимый в СУБД тип данных и обязательность или необязательность данного атрибута.

3. Первичный ключ сущности становится PRIMARY KEY соответствующего отношения. Атрибуты, входящие в первичный ключ отношения, автоматически получают свойство обязательности.

4. В каждое отношение, соответствующее подчиненной сущности, добавляется набор атрибутов основной сущности, являющейся первичным ключом основной сущности. В отношении, соответствующем подчиненной сущности, этот набор атрибутов становится внешним ключом.

5. Для моделирования необязательного типа связи нафизическом уровне у атрибутов, соответствующих внешнему ключу, устанавливается свойство допустимости неопределенных значений. При обязательном типе связи атрибуты получают свойство отсутствия неопределенных значений.

Возможно, создать только одно отношение для всех подтипов одного супертипа. В него включают все атрибуты всех подтипов.Однако тогда для ряда экземпляров ряд атрибутов не будет иметь смысла. И даже если они будут иметь неопределенные значения, потребуются дополнительные правила различения одних подтипов от других. Достоинством такого представления является то, что создается всего одно отношение.

При втором способе для каждого подтипа и для супертипа создаются свои отдельные отношения. Недостатком такого способа представления является то, что создается много отношений, однако достоинств у такого способа больше, так как вы работаете только со значимыми атрибутами подтипа. Кроме того, для возможности переходов к подтипам от супертипа необходимо в супертип включить идентификатор связи.

7. Дополнительно при описании отношения между типом и подтипами необходимо указать тип дискриминатора. Дискриминатор может быть взаимоисключающим или нет. Если установлен данный тип дискриминатора, то это значит, что один экземпляр сущности супертипа связан только с одним экземпляром сущности подтипа и для каждого экземпляра сущности супертипа существует потомок. Кроме того, необходимо указать для второго способа, наследуется ли только идентификатор супертипа в подтипы, или наследуются все атрибуты супертипа.

8. Если в ER-схеме имеется связь (связи) М:М, которые реляционная модель не поддерживает, вводится специальное связующее отношение, которое связано с каждым исходным отношением связью 1:М. Атрибутами этого отношения являются первичные ключи связываемых отношений.

Алгоритм приведения семантической модели к 3НФ

Алгоритм приведения семантической модели к 3-й нормальной форме может быть следующим:

1. Проанализировать схему на присутствие сущностей, которые скрыто моделируют несколько разных взаимосвязанных классов объектов реального мира (именно это соответствует ненормализованным отношениям). Если такое выявлено, разделить каждую из этих сущностей на несколько новых сущностей и установить между ними соответствующие связи; полученная схема будет находиться в первой нормальной форме.

2. Проанализировать все сущности, имеющие составные первичные ключи, на наличие неполных функциональных зависимостей непервичных атрибутов от атрибутов возможного ключа. Если такие зависимости обнаружены, разделить данные сущности на 2, определить для каждой сущности первичные ключи и установить между ними соответствующие связи. Полученная схема будет находиться во второй нормальной форме.

3. Проанализировать неключевые атрибуты всех сущностей на наличие транзитивных функциональных зависимостей. При обнаружении таковых расщепить каждую сущность на несколько таким образом, чтобы ликвидировать транзитивные зависимости. Схема находится в третьей нормальной форме.

Используя рассмотренные положения, нормализуем ER-схему. Результат нормализации приведен на рис. 5. При нормализации схемы в нее введено отношение «Связи Книги-каталог», содержащее атрибуты «ISBN» и «Код области знаний», служащие для реализации связи М:М «Книги – систематический каталог», а в отношение «Экземпляры» для его связи с отношениями «Книги» и «Читатели» введены атрибуты «№ читательского билета» и «ISBN». Стрелки указывают направление связей.

Можно показать, что схема рис. 10.5 удовлетворяет требованиям 3-й нормальной формы.

Порядок выполнения работы

1. Проведитесемантическийанализ предметной области для приведенного ниже примера.

Пример. Предметная область ИС: Отдел кадров.

Минимальный список характеристик:

Фамилия, имя, отчество, домашний адрес, телефон, дата рождения, должность, дата зачисления, стаж работы, образование;

фамилия, имя, отчество, и даты рождения членов семьи каждого сотрудника;

наименование подразделения, количество штатных единиц, оклад, фонд заработной платы за месяц и за год.

2. Используя приведенную выше методику, представьте предметную область в виде ER-модели.

3. Используя рассмотренную выше методику нормализации ER-модели, приведите разработанную ER-модель к 3НФ.

4. Результаты работы по всем этапам отобразите в отчете.

ER-диаграмма

Как отмечалось ранее, одна из основных целей семантического моделирования состоит в том, чтобы результаты анализа предметной области были отражены в достаточно простом, наглядном, но в то же время формализованном и достаточно информативном виде.

В этом смысле ER-диаграммаявляется очень удачным решением. В ней сочетаются функциональный и информационный подходы, что позволяет представлять как совокупность выполняемых функций, так и отношения между элементами системы, задаваемые структурами данных. При этом графическая форма позволяет отобразить в компактном виде (за счет наглядных условных обозначений) типологию и свойства сущностей и связей, а формализмы, положенные в основу ER-диаграмм,позволяют использовать на следующем шаге проектирования логической структуры базы данных строгий аппарат нормализации.

Сущности. Каждый тип сущности в ER-диаграммах представляется в виде прямоугольника, содержащего имя сущности. В качестве имени обычно используются существительные (или обороты существительного) в единственном числе. Для отражения сущностей слабых типов используются прямоугольники, стороны которых рисуются двойными линиями. Например, в рассматриваемой далее ER-диаграмме, приведенной на рис. 5.4, ПОДЧИНЕННЫЙ - сущность слабого типа.

Свойства. Свойства служат для уточнения, идентификации, характеристики или выражения состояния сущности или связи. Свойства отображаются в виде эллипсов, содержащих имя свойства. Эллипс соединяется с соответствующей сущностью или связью линией.

Имена ключевых свойств подчеркиваются, например, свойство «Табельный номер» сущности СОТРУДНИК.

Контур эллипса рисуется двойной линией, если свойство многозначное, например, свойство «Специальность» сущности СОТРУДНИК.

Контур эллипса рисуется штриховой линией, если свойство производное, например, свойство «Кол-во» сущности ПОСТАВЩИК.

Эллипс соединяется пунктирной линией, если свойство условное, например, свойство «Иностранный язык» сущности СОТРУДНИК.

Если свойство составное, то составляющие его свойства отображаются другими эллипсами, соединенными с эллипсом составного, например, свойство «Адрес» сущности СОТРУДНИК состоит из простых свойств «Город», «Улица», «Дом».

Связи. Связь - это графически изображаемая ассоциация, устанавливаемая между сущностями. Каждый тип связи на ER-диаграмме отображается в виде ромба с именем связи внутри. В качестве имени обычно используются отглагольные существительные.

Стороны ромба рисуют двойными линиями, если это связь сущности слабого типа с сущностью, от которой она зависит. Например, связь «Подчинение», связывающая сущность слабого типа ПОДЧИНЕННЫЙ с сущностью СОТРУДНИК, от которой она зависит.

Участники связи соединены со связью линиями. Двойная линия обозначает полное участие сущности в связи с данной стороны. Например, связь «Подчинение» со стороны сущности ПОДЧИНЕННЫЙ.

Связь может быть модифицирована указанием роли. Например, для рекурсивной связи «Состав» указаны роли: «Деталь состоит из ...» и «Деталь входит в состав ...».

Цель лекции : показать, как описывается предметная область при концептуальном моделировании (с помощью каких понятий, средств представления и приемов построения) и как обеспечивается достоверность информации в базе данных за счет ограничений целостности концептуальной модели.

5.1. Описание информационного представления предметной области. ER-диаграмма

Иллюстрацию вводимых понятий и этапов проектирования базы данных будем проводить на примере близкой для читателя конкретной предметной области : представление данных о студентах вуза. Дадим краткое описание рассматриваемой предметной области . В вузе имеется несколько факультетов, на каждом из которых ведется подготовка по нескольким специальностям или направлениям. Для каждой специальности на факультете есть свой учебный план, в котором приводится перечень изучаемых учебных курсов с указанием количества часов занятий. Студенты изучают соответствующие дисциплины, сдают экзамены и зачеты, получают оценки.

Чаще всего концептуальная модель представляется в виде диаграммы сущностей – связей ( entity – relationship ) или ER-диаграммы . Процесс построения ER-диаграммы называется ER-моделированием .

Введем основные понятия, с помощью которых описывается предметная область.

Сущность (Entity) или объект – то, о чем будет накапливаться информация в информационной системе (нечто такое, за чем пользователь хотел бы наблюдать).

Если в системе обрабатывается информация о факультетах, сущностью будет являться факультет, если о студентах, сущность – студент и т.п.

Имя сущности при ER-моделировании, как правило, записывается заглавными буквами. Каждая сущность обладает определенным набором свойств (рассматриваем только свойства, представляющие интерес для пользователей в рамках проводимого исследования), которые запоминаются в информационной системе. Так, например, в качестве свойств сущности ФАКУЛЬТЕТ можно указать номер факультета, название факультета, в качестве свойств сущности СТУДЕНТ можно указать фамилию, дату рождения, место рождения, в качестве свойств сущности ЭКЗАМЕН – предмет, дату проведения экзамена, экзаменаторов.

Для информационного описания сущности вводится понятие атрибута.

Атрибут – поименованное свойство (характеристика) сущности. Атрибут представляет собой информационное отображение свойства сущности и принимает конкретное значение из множества допустимых значений. Так, например, для сущности ФАКУЛЬТЕТ атрибут "название" у конкретного экземпляра сущности принимает конкретное значение "вычислительной математики и кибернетики". Таким образом, атрибут представляет информационное описание количественных или качественных свойств сущности, описывает состояние сущности, позволяет идентифицировать сущность . Информация о сущности представляется совокупностью атрибутов. Такую совокупность атрибутов часто называют записью об объекте .

Совокупность сущностей, характеризующихся в информационной системе одним и тем же перечнем свойств, называется классом сущностей (набором объектов). Так, например, совокупность всех сущностей СТУДЕНТ составляет класс сущностей СТУДЕНТ, совокупность всех сущностей ФАКУЛЬТЕТ составляет класс сущностей ФАКУЛЬТЕТ. Класс сущностей описывается перечнем свойств сущностей, составляющих этот класс .

Экземпляром сущности будем называть конкретную сущность (сущность с конкретными значениями соответствующих свойств) . Выше мы определили сущность как то, о чем будет накапливаться информация в информационной системе. Это только одна сторона. Информация должна не просто храниться сама по себе, а использоваться для удовлетворения информационных потребностей пользователя. Для реализации подавляющего числа запросов пользователю прежде всего необходимо найти интересующий его экземпляр сущности (с целью обработки, корректировки, удаления). Поэтому важнейшим свойством сущности является однозначная идентификация ее экземпляров по одному или группе атрибутов (уникальному идентификатору) . У сущности ФАКУЛЬТЕТ это, например, номер факультета, у сущности СТУДЕНТ это может быть атрибут "фамилия", если у всех студентов разные фамилии, группа атрибутов "фамилия", "имя", "отчество", или специально введенный уникальный идентификатор , например дополнительно введенный атрибут "код студента".

Наиболее распространенным способом представления концептуальной модели является так называемая ER-диаграмма . В разных источниках используются разные системы обозначений в ER-диаграммах . На практике использование различных способов записи ER-диаграмм не представляет особой сложности – беглое ознакомление с соответствующим разделом документации позволяет быстро освоить используемую систему обозначений. В данном пособии в ER-диаграмме класс сущностей будем представлять в виде четырехугольника. В четырехугольнике записано уникальное имя класса сущности (прописными буквами) и имена атрибутов строчными буквами.

Пример класса сущностей СТУДЕНТ и конкретного экземпляра сущности показан на рис. 5.1

Рис. 5.1.

Для реализации информационных потребностей пользователя недостаточно найти интересующий его экземпляр сущности . Информационные потребности тесно связаны с функциональными взаимоотношениями, существующими в организации (например, необходимо определить, на каком факультете учится конкретный студент). Для реализации таких запросов (информационных потребностей пользователя) используются существующие в предметной области взаимоотношения между сущностями. Соответствующие взаимоотношения сущностей выражаются связями (Relationships) . Различают классы связей и экземпляры связей. Классы связей – это взаимоотношения между классами сущностей, а экземпляры связи – взаимоотношения между экземплярами сущностей .

Класс связей может затрагивать несколько классов сущностей . Число классов сущностей , участвующих в связи, называется степенью связи n = 2, 3, ... Так, например, класс сущностей СТУДЕНТ связан с классом сущностей ФАКУЛЬТЕТ связью "учится на факультете". Степень этой связи равна двум. При n =2 связь называется бинарной. Заметим, что связь нужно рассматривать как двустороннюю: "студент учится на факультете" и "на факультете учатся студенты". Рассмотрим классификацию бинарных связей . В зависимости от того, сколько экземпляров сущности одного класса связаны со сколькими экземплярами сущности другого класса, различают следующие типы связей :

Связь 1:1 . Одиночный экземпляр сущности одного класса связан с одиночным экземпляром сущности другого класса. Примером является связь между классами сущностей ФАКУЛЬТЕТ и УЧЕБНЫЙ ПЛАН ПО СПЕЦИАЛЬНОСТИ ДЛЯ ФАКУЛЬТЕТА (каждому факультету соответствует свой учебный план по специальности или направлению).
Связь 1:M . Единый экземпляр сущности одного класса связан со многими экземплярами сущности другого класса. Примером является связь между классами сущностей ФАКУЛЬТЕТ и СТУДЕНТ (на одном факультете учатся много студентов).
Связь M:N . Несколько экземпляров сущности одного класса связаны с несколькими экземплярами сущности другого класса. Примером является связь между классами сущностей ФАКУЛЬТЕТ и СПЕЦИАЛЬНОСТЬ (на факультете может быть несколько специальностей и одна и та же специальность может быть на нескольких факультетах).

Числа, описывающие типы

ER-модель базы данных

Модель сущность-связь (англ. entity-relationship model, ERM, ER-модель) позволяет описывать концептуальные схемы предметной области.

ER-модель используется при высокоуровневом проектировании баз данных. С её помощью можно выделить ключевые сущности и обозначить связи, которые могут устанавливаться между этими сущностями. ER-модель это формальная конструкция, не определяющая графических средств её представления. В качестве стандартного графического представления ER-модели, была разработана диаграмма сущность-связь ER-диаграмма (Entity Relationship Diagram - ER - диаграмма). При проектирования баз данных происходит преобразование ER-модели в конкретную схему базы данных.

Как известно, базовым понятием реляционных БД является таблица (отношение). Таблица используется для структуризации и хранения информации. В реляционных БД каждая ячейка таблицы содержит одно значение. Кроме того, внутри одной БД существуют взаимосвязи между таблицами, каждая из которых задает совместное пользование данными таблицы.

ER-диаграмма графически представляет структуру данных проектируемой БД. Сущности отображаются при помощи прямоугольников, таблиц, содержащих имя сущности - таблицы БД. Взаимосвязи сущностей отображаются в виде линий, соединяющих отдельные сущности.

Взаимосвязь показывает, что данные одной сущности ссылаются или связаны с данными другой.

Степень конца связи указывается графически, множественность связи изображается в виде "вилки" на конце связи. Модальность связи так же изображается графически - необязательность связи помечается кружком на конце связи. Именование связи выражается одним глаголом (рис.13).

Рис.13.

Атрибуты сущности записываются внутри прямоугольника, изображающего сущность, и выражаются существительным в единственном числе.

Среди атрибутов выделяется ключ сущности. При создании сущности необходимо выделить группу атрибутов, которые могут быть первичным ключом, затем произвести отбор атрибутов для включения в состав первичного ключа:

· Первичный ключ должен быть подобран таким образом, чтобы по значениям атрибутов, в него включенных, можно было точно идентифицировать экземпляр сущности.

· Никакой из атрибутов первичного ключа не должен иметь нулевое значение.

· Значения атрибутов первичного ключа не должны меняться. Если значение изменилось, значит, это уже другой экземпляр сущности.

При выборе первичного ключа, как правило, в сущность вводится дополнительный атрибут, который становиться ключом.

Так, для определения первичного ключа часто используют уникальные номера, которые могут автоматически генерироваться системой при добавлении экземпляра сущности в БД. Применение уникальных номеров облегчает процесс индексации и поиска в БД.

Первым шагом при создании логической модели БД является построение ER-диаграммы, состоящей из трех частей: сущностей, атрибутов и взаимосвязей.

Разработано множество инструментов визуального создания ER - диаграмм для различны платформ. В настоящем проекте использовалась разработка MySQL Workbench .

Этот инструмент упрощает проектирование баз данных и обслуживание, автоматизирует, отнимающие много времени и подверженные ошибкам задачи и улучшает связь среди команд разработчиков и архитекторами БД. Он позволяет архитекторам данных визуализировать требования, общаться с заинтересованными лицами по вопросам проектирования прежде, чем будут сделаны инвестиции в проект. Это обеспечивает управляемое моделью проектирование баз данных, которое является самой эффективной методологией для того, чтобы создать реальные и хорошо продуманные базы данных. ER - диаграмма базы данных системы дистанционного тестирования (control_tests ) изображена на рисунке (рис.14). Две вертикальные черточки с одной стороны и "трезубец" с другой обозначают соответственно "связь один ко многим".

Рис. 14. ER - диаграмма базы данных control_test системы дистанционного тестирования

Нормализация базы данных

В реляционной теории БД нет универсальных предписаний, законов для проектирования надежной, спроектированной раз и навсегда базы данных. Разработчики выбирают свои решения по проекту базы данных, полагаясь во многом на опыт, интуицию, различные инструменты и методы проектирования.

Тем не менее, некоторые каноны, правила все-таки существуют. К таким правилам относятся правила нормализации, т.е. приведения отношений к нормальной форме.

К статьям Разработка → Отношения таблиц базы данных и Разработка → Проектирование баз данных хабравчанина ueasley хотелось бы сделать небольшое дополнение.

Хочу описать правила, по которым можно построить реляционную схему базы данных. Правила эти, наверное, мало кому нужны, поскольку они используются разработчиками на интуитивном уровне, но интересны даже тем, что формализуют процесс построения схемы БД.

Правила эти применяются к ER-модели, то есть модели «сущность-связь».

ER-модель

ER -модель представляет собой схему, составными элементами которой являются:

Сущность - это реальный, либо воображаемый объект, информацию о котором необходимо хранить в базе данных. На диаграмме ER-модели сущность изображается в виде прямоугольника, содержащего имя сущности.
Связь - отображаемая графически на диаграмме ассоциация между двумя (чаще всего) сущностями, или между одной и той же сущностью (рекурсивная связь). Связь изображается ромбом, на котором выделяются два конца, по одному на каждую сущность. Для каждой стороны этой связи устанавливаются:
1. Степень связи - сколько экземпляров данной сущности связывается
2. Обязательность связи - обязательно ли данная сущность должна участвовать в связи.

Приведу пример:
Пусть необходимо хранить информацию о клиентах и их заказах. Построим диаграмму

Заметим, что со стороны сущности «ЗАКАЗ» связь обозначена дополнительным прямоугольником - это обозначение того, что каждому экземпляру сущности «ЗАКАЗ» соответствует экземпляр сущности «КЛИЕНТ» (для клиента же наличие заказа не обязательно). Степень «M» означает, что для каждого экземпляра сущности «КЛИЕНТ» могут существовать несколько экземпляров сущности «ЗАКАЗ» (но не наоборот, поскольку для каждого заказа всегда только один заказчик - ставим степень «1»)

Отношение (обычно оно соответствует таблице в базе данных) не следует путать с сущностью. Сущность переходит в отношение путем выделения её из ER-диаграммы.

Этапы проектирования

Концептуальное проектирование
Строится ER-диаграмма, включающая в себя все сущности и связи. Мы получаем концептуальную (инфологическую) модель. Следует понимать, что такая модель может далеко не соответствовать реляционной структуре проектируемой базы данных.
Допустим, нужно построить базу данных, в которой будет необходимо хранить полную информацию о заказах, клиентах, сотрудниках. Для каждого заказа есть список элементов этого заказа (несколько изделий), каждому из которых сопоставлен список израсходованных материалов, и произведенных операций.
У меня получилась следующая диаграмма.

Рис. 2

Логическое проектирование

Строится набор предварительных отношений с указанием первичного ключа для каждого отношения. Составляется список атрибутов, затем эти атрибуты распределяются по отношениям. Необходимо, чтобы все отношения оставались в НФБК.

Переход к реляционной структуре (построение набора отношений) производится по следующим правилам:

Если степень бинарной связи равна 1:1 и класс принадлежности обеих сущностей обязательный, то требуется только одно отношение. Первичным ключом этого отношения может быть ключ любой из этих двух сущностей. В этом случае гарантируется однократное появление каждого значения ключа в любом экземпляре отношения.
Если степень бинарной связи равна 1:1 и класс одной из сущностей необязательный, то необходимо построение двух отношений, под каждую сущность необходимо выделение одного отношения. Ключ сущности, для которого класс принадлежности является необязательным, добавляется в качестве атрибута в отношение, выделенное для сущности с обязательным классом принадлежности.
Если степень бинарной связи равна 1:1 и класс принадлежности ни одной из сущностей не является необязательным, то используется три отношения - по одному для каждой сущности - ключи которых служат в качестве первичных в соответствующих отношениях и одного для связи. Отношение, выделенное для связи, будет иметь по одному ключу сущности от каждой сущности.
Если степень бинарной связи равна 1: М и класс принадлежности М-связной сущности обязательный, то достаточно использовать два отношения: по одному на каждую сущность, при условии, что ключ сущности служит в качестве первичного ключа для соответствующего отношения. Ключ же односвязной сущности должен быть добавлен как атрибут в отношение, отводимое М-связной сущности.
Если степень бинарной связи равна 1: М и класс принадлежности М-связной сущности необязателен, то необходимо использовать три отношения: по одному на сущность и одно для связи. Связь должна иметь среди своих атрибутов ключ сущности от каждой сущности.
Если степень бинарной связи равна М: М, то для хранения данных необходимо три отношения: по одному на сущность и одно для связи. Ключи сущности входят в связь. Если одна из сущностей вырождена, то - два отношения (т.е. достаточно будет двух таблиц).
В случае трехсторонней связи необходимо использовать четыре отношения: по одному на сущность и одно для связи. Отношение, порождаемое связью, имеет в себе среди атрибутов ключи сущности от каждой сущности.

Воспользуемся правилами, сведем данные в таблицу.

Сущности	Номер правила	Отношения
Клиент Заказ	4	Клиент(#Клиента Заказ(#Заказа, #Клиента
Сотрудник Заказ	4	Сотрудник(#Сотрудника Заказ(#Заказа, #Сотрудника
Заказ Элемент заказа	4	Заказ(#Заказа Элемент заказа(#Элемента заказа, #Заказа
Бригада Элемент заказа	4	Бригада(#Бригады Элемент заказа(#Элемента, #Бригады
Изделие Элемент заказа	4	Изделие(#Изделия Элемент заказа(#Элемента, #Изделия
Клиент Заказ	6	Клиент(#Клиента Заказ(#Заказа Платеж(#Платежа, #Клиента, #Заказа
Бригада Сотрудник	5	Бригада(#Бригады Сотрудник(#Сотрудника Сотрудник бригады(#Сотрудника бригады, #Сотрудника, #Бригады
Элемент заказа Операция	5	Элемент заказа(#Элемента Операция(#Операции Запись операции(#Записи, #Элемента, #Операции
Элемент заказа Материал	5	Элемент заказа(#Элемента Материал(#Материала Расход(#Записи, #Элемента, #Материала

Табл. 1

Распределив атрибуты по полученным отношениям, получим (в списке полей на первом месте - первичный ключ, остальные, помеченные «#», являются внешними ключами):

БРИГАДА	(#Бригады, #Бригадира, Расположение)
ДОЛЖНОСТЬ	(#Должности, Должность, Оклад)
ЗАКАЗ	(#Заказа, #Клиента, #Сотрудника, ДатаРазмещения, ТребуемаяДата, ДатаИсполнения, Описание)
КЛИЕНТ	(#Клиента, Название, Имя, Фамилия, ОрганизацияИлиОтдел, Адрес, НомерТелефона, АдресЭлектроннойПочты)
ЗАПИСЬОПЕРАЦИИ	(#Записи, #Элемента,#Операции, #Сотрудника, Количество)
ОПЛАТА	(#Оплаты, #Клиента, #Заказа, СуммаОплаты, ДатаОплаты, Заметки)
РАСХОД	(#Записи, #РасхМат, #Елемента, Количество)
СОСТАВ	(#Элемента, #Заказа, #Товара, #Бригады, Количество)
СОТРБРИГАДЫ	(#СотрБригады, #Бригады,#Сотрудника)
СОТРУДНИК	(#Сотрудника, НомерПаспорта, Фамилия, Имя, Отчество, #Должности, Адрес, ДомашнийТелефон, РабочийТелефон, ДатаРождения, ДатаНайма, ДатаОкончДоговора, Фотография, Заметки)
ОПЕРАЦИЯ	(#Операции, Описание, Стоимость, Время, Оборудование, Выполнение)
МАТЕРИАЛ	(#РасхМат, НаимРасхМат, Цена, Плотность, Тип, Состав)
ТОВАР	(#Товара, Марка, Название, ОписаниеТовара, Тип, СерийныйНомер, НаСкладе, Цена)

Табл. 2