Проектирование БД

Жизненный цикл базы данных

Проектирование базы данных – это процесс создания проекта базы данных, предназначенной для поддержки функционирования экономического объекта и способствующего и способствующей достижению его целей. Оно представляет собой трудоемкий процесс, требующий совместных усилий аналитиков, проектировщиков и пользователей.

Жизненный цикл базы данных (ЖЦБД) – это процесс проектирования, реализации и поддержки базы данных. ЖЦБД состоит из семи этапов.

предварительное планирование;
проверка осуществимости;
определение требований;
концептуальное проектирование;
логическое проектирование;
физическое проектирование;
оценка работы и поддержка базы данных.

Опишем главные задачи каждого этапа.

В развитии любого экономического объекта наступает момент осознания того, что для достижения успехов в развитии необходимо данные, находящиеся в личном пользовании работников, интегрировать для совместного использования в базе данных и воспринимать их как корпоративный ресурс.

Предварительное планирование базы данных – важный этап в процессе перехода от разрозненных данных к интегрированным. На этом этапе собирается информация об используемых и находящихся в процессе разработки прикладных программ и файлах, связанных с ними. Она помогает установить связи между текущими приложениями и то, как используется их информация. Кроме того, позволяет определить будущие требования к базе данных. Информация документируется в виде обобщенной концептуальной модели данных.
Поверка осуществимости предполагает подготовку отчетов по трем вопросам:
1. Есть ли технологии – необходимое оборудование и программное обеспечение – для реализации запланированной базы данных (технологическая осуществимость);
2. Имеются ли персонал, средства и эксперты для успешного осуществления плана создания базы данных (операционная осуществимость);
3. Окупится ли запланированная база данных (экономическая эффективность).
Определение требований. На этом этапе определяются:

цели базы данных;
информационные потребности различных структурных подразделений и их руководителей;
требования к оборудованию;
требования к программному обеспечению.

4. Концептуальное проектирование. На этом этапе создаются подробные модели пользовательских представлений данных предметной области. Затем они интегрируются в концептуальную модель, которая фиксирует все элементы корпоративных данных, подлежащих загрузке в базу данных. Эту модель еще называют концептуальной схемой базы данных.

5. Логическое проектирование. На этом этапе осуществляется выбор типа модели данных. Концептуальная модель отображается в логическую модель, основанную уже на структурах, характерных для выбранной модели.

6. Физическое проектирование. На этом этапе логическая модель расширяется характеристиками, необходимыми для определения способов физического хранения базы данных, типа устройств для хранения, методов доступа к данным базы, требуемого объема памяти, правил сопровождения базы данных и др.

7. Оценка и поддержка базы данных. Оценка включает опрос пользователей на предмет выяснения, какие их информационные потребности остались неучтенными. При необходимости в спроектированную базу данных вносятся изменения. Пользователи обучаются работе с базой данных. По мере расширения и изменения потребностей бизнеса поддержка базы данных обеспечивается путем внесения изменений, добавления новых данных, разработки новых прикладных программ, работающих с базой данных.

Модель «сущность-связь»

Средством моделирования предметной области на этапе концептуального проектирования является «сущность-связь». Часто ее называют ER-моделью (Entity – сущность, Relation связь). В ней моделирование структуры данных предметной области базируется на использовании графических средств – ER – диаграмм (диаграмм «сущность – связь»). В наглядном виде они представляют связи между сущностями.

Основные понятия ER – диаграммы – сущность, атрибут, связь.

Сущность – это некоторый объект реального мира, который может существовать независимо. Сущность имеет экземпляры, отличающиеся друг от друга значениями атрибутов и допускающие однозначную идентификацию. Атрибут – это свойство сущности. Например, сущность КНИГА характеризуется такими атрибутами, как автор, наименование, цена, издательство, тираж, количество страниц. Конкретные книги являются экземплярами сущности КНИГА. Они отличаются значениями указанных атрибутов и однозначно идентифицируются атрибутом «наименование». Атрибут, который уникальным образом идентифицирует экземпляры сущности, называются ключом. Может быть составной ключ, представляющий комбинацию нескольких атрибутов.

Предположим, что проектируется база данных, предназначенная для хранения информации о деятельности некоторого банка. Этот банк имеет филиалы. Филиалы управляются менеджерами. Клиенты имеют в филиалах счета разных типов – текущие, срочные, до востребования, депозитные, карточные. Филиалы обрабатывают эти счета. Описываемую предметную область назовем БАНК. В ней могут быть выделены четыре сущности: филиал, счет, клиент.

В реальном мире существуют связи между сущностями. Связь представляет собой взаимодействие между сущностями. Она характеризуется мощностью, которая показывает, сколько сущностей участвует в связи. Связь между двумя сущностями называется бинарной, а связь между более чем с двумя сущностями – тернарной.

В рассматриваемой предметной области БАНК можно выделить три связи.

МЕНЕДЖЕР – УПРАВЛЯЕТ – ФИЛИАЛ
ФИЛИАЛ – ОБРАБАТЫВАЕТ – СЧЕТ
КЛИЕНТ – ИМЕЕТ – СЧЕТ

Рассмотрим понятие класс принадлежности сущности.

Если каждый экземпляр сущности А связан с экземпляром сущности В, то класс принадлежности сущности А является обязательным.

Если не каждый экземпляр сущности А связан с экземпляром сущности В, то класс принадлежности сущности А является необязательным.

Каждая из четырех сущностей приведенной ER – модели может быть описана своим набором атрибутов ( – модель в совокупности с наборами атрибутов сущностей может служить примером концептуальной модели предметной области или концептуальной схемы базы данных.

В связи с наглядностью представления концептуальных схем баз данных ER – модели получили широкое распространение в CASE – средствах. Эти средства предназначены для автоматизированного проектирования реляционных баз данных.

Рисунок – Пример ER – модели предметной области БАНК

МЕНЕДЖЕР		ФИЛИАЛ
Номер менеджера		Номер филиала
Стаж работы		Адрес филиала
Специальность

СЧЕТ		КЛИЕНТ
Номер счета		Номер клиента
Тип счета		ФИО клиента
Остаток на счете		Социальное положение
		Адрес клиента

Рисунок – Набор атрибутов сущностей предметной области БАНК

Примечание. Ключевые атрибуты выделены жирным шрифтом.

Широко распространены CASE-системы, позволяющие выполнять ER-диаграммы в соответствии со стандартом IDEF1X. К ним относятся, в частности, Erwin, Design/IDEF, Power Designer.

CASE-средства позволяют строить ER-диаграммы в реальном масштабе времени, что дает возможность наглядно изучать концептуальную модель данных и перестраивать ее соответственно поставленным целям и имеющимся ограничениям.

Этапы проектирования базы данных и их процедуры

Проектирование базы данных осуществляется в три этапа:

концептуальное проектирование;
логическое проектирование;
физическое проектирование.

Процедуры концептуального проектирования

Цель этапа концептуального проектирования – создание концептуальной модели данных исходя из представлений пользователей о предметной области. Для ее достижения выполняется ряд последовательных процедур.

Определение сущностей и их документирование. Для идентификации сущностей определяются объекты, которые существуют независимо от других. Такие объекты являются сущностями. Каждой сущности присваивается осмысленное имя, понятное пользователям. Имена и описания сущностей заносятся в словарь данных. Если возможно, устанавливается ожидаемое количество экземпляров каждой сущности.
Определение связей между сущностями и их документирование. Определяются только те связи между сущностями, которые необходимы для удовлетворения требований к проекту базы данных. Устанавливается тип каждой из них. Выявляется класс принадлежности сущностей. Связям присваиваются осмысленные имена, выраженные глаголами. Развернутое описание каждой связи с указанием ее типа и класса принадлежности сущностей, участвующих в связи, заносится в словарь данных.
Создание ER-модели предметной области. Для представления сущностей и связей между ними используются ER-диаграммы. На их основе создается единый наглядный образ моделируемой предметной области – ER-модель предметной области.
Определение атрибутов и их документирование. Выявляются все атрибуты, описывающие сущности созданной ER-модели. Каждому атрибуту присваивается осмысленное имя, понятное пользователям. О каждом атрибуте в словарь данных помещаются следующие сведения:

имя атрибута и его описание;
тип и размерность значений;
значение, принимаемое для атрибута по умолчанию (если такое имеется);
может ли атрибут иметь Null-значения;
является ли атрибут составным, и если это так, то из каких простых атрибутов он состоит. Например, атрибут «ФИО клиента» может состоять из простых атрибутов «Фамилия», «Имя», «Отчество», а может быть простым, содержащим единые значения, как-то «Петров Петр Петрович». Если пользователь не нуждается в доступе к отдельным элементам «ФИО», то атрибут представляется как простой;
является ли атрибут расчетным, и если это так, то как вычисляются его значения.

5. Определение значений атрибутов и их документирование. Для каждого атрибута сущности, участвующей в ER-модели, определяется набор допустимых значений и ему присваивается имя. Например, атрибут «Тип счета» может иметь только значения «депозитный», «текущий», «до востребования», «карт-счет». Обновляются записи словаря данных, относящиеся к атрибутам, - в них заносятся имена наборов значений атрибутов.

6. Определение первичных ключей для сущностей и их документирование. На этом шаге руководствуются определением первичного ключа – как атрибута или набора атрибутов сущности, позволяющего уникальным образом идентифицировать ее экземпляры. Сведения о первичных ключах помещаются в словарь данных.

7. Обсуждение концептуальной модели данных с конечными пользователями. Концептуальная модель данных представляется ER-моделью с сопроводительной документацией, содержащей описание разработанной модели данных. Если будут обнаружены несоответствия предметной области, то в модель вносятся изменения до тех пор, пока пользователи не подтвердят, что предложенная им модель адекватно отображает их личные представления.

Процедуры логического проектирования

Цель этапа логического проектирования – преобразование концептуальной модели на основе выбранной модели данных в логическую модель, не зависимую от особенностей используемой в дальнейшем СУБД для физической реализации базы данных. Для ее достижения выполняются следующие процедуры.

Выбор модели данных. Чаще всего выбирается реляционная модель данных в связи с наглядностью табличного представления данных и удобства работы с ними.
Определение набора таблиц исходя из ER-модели и их документирование. Для каждой сущности ER-модели создается таблица. Имя сущности – имя таблицы. Осуществляется формирование структуры таблиц на основании изложенных в параграфе 1.4 правил. Устанавливаются связи между таблицами посредством механизма первичных и внешних ключей. Структуры таблиц и установленные связи между нами документируются.
Нормализация таблиц. Для правильного выполнения нормализации проектировщик должен глубоко изучить семантику и особенности использования данных. На этом шаге он проверяет корректность структуры таблиц, созданных на предыдущем шаге, посредством применения к ним процедуры нормализации. Эта процедура была описана в параграфе 1.5. Она заключается в приведении каждой из таблиц, по крайней мере, к 3Нф. В результате нормализации получается очень гибкий проект базы данных, позволяющий легко вносить в нее нужные расширения.
Проверка логической модели данных на предмет возможности выполнения всех транзакций, предусмотренных пользователями. Транзакция - это набор действий, выполняемый отдельным пользователем или прикладной программой с целью изменения содержимого базы данных. Так, примером транзакция в проекте БАНК может быть передача права распоряжаться счетами некоторого клиента другому клиенту. В этом случае в базу данных потребуется внести сразу несколько изменений. Если во время выполнения транзакции произойдет сбой в работе компьютера, то база данных окажется в противоречивом состоянии, так как некоторые изменения уже будут внесены, а остальные еще нет. Поэтому все частные изменения должны быть отменены для возвращения базы данных в прежнее непротиворечивое состояние.

Перечень транзакций определяется действиями пользователей в предметной области. Используя ER-модель, словарь данных и установленные связи между первичным и внешним ключами, производится попытка выполнить все необходимые операции доступа к данным вручную. Если какую-либо операцию выполнить вручную не удается, то составленная логическая модель данных является неадекватной и содержит ошибки, которые надо устранить. Возможно, они связаны с пропуском в модели сущности, связи или атрибута.

5. Определение требований поддержки целостности данных и их документирование. Эти требования представляют собой ограничения, которые вводятся с целью предотвратить помещение в базу данных противоречивых данных. На этом шаге вопросы целостности данных освещаются безотносительно к конкретным аспектам ее реализации. Должны быть рассмотрены следующие типы ограничений:

обязательные данные. Выясняется, есть ли атрибуты, которые не могут иметь Null-значений;
ограничения для значений атрибутов. Определяются допустимые значения для атрибутов;
целостность сущностей. Она достигается, если первичный ключ сущности не содержит Null-значений;
ссылочная целостность. Она понимается так, что значение внешнего ключа должно обязательно присутствовать в первичном ключе одной из строк таблицы для родительской сущности;

ограничения, накладываемые бизнес – правилами. Например, в случае с проектом БАНК может быть принято правило, запрещающее клиенту распоряжаться, скажем, более чем тремя счетами.

6. Создание окончательного варианта логической модели данных и обсуждение его с пользователями. На этом шаге подготавливаются окончательный вариант ER-модели, представляющий логическую модель данных. Сама модель и обновленная документация, включая словарь данных и реляционную схему связи таблиц, представляется для просмотра и анализа пользователям, которые должны убедится, что она точно отображает предметную область.

Процедуры физического проектирования

Цель этапа физического проектирования – описание конкретной реализации базы данных, размещаемой во внешней памяти компьютера. Это описание структуры хранения данных и эффективных методов доступа к данным базы. При логическом проектировании отвечают на вопрос – что надо сделать, а при физическом – выбирается способ, как это сделать. Процедуры физического проектирования следующие.

1. Проектирование таблиц базы данных средствами выбранной СУБД. Осуществляется выбор реляционной СУБД, которая будет использоваться для создания базы данных, размещаемой на машинных носителях. Глубоко изучаются ее функциональные возможности по проектированию таблиц. Затем выполняется проектирование таблиц и схемы их связи в среде СУБД. Подготовленный проект базы данных описывается в сопровождении документации.

2. Реализация бизнес-правил в среде выбранной СУБД. Обновление информации в таблицах может быть ограничено бизнес-правилами. Способ их реализации зависит от выбранной СУБД. Одни системы для реализации требований предметной области предполагают больше возможностей, другие – меньше. В некоторых системах вообще отсутствует поддержка реализации бизнес – правил. В таком случае разрабатываются приложения для реализации их ограничений.

Все решения, принятые в связи с реализацией бизнес - правил предметной области, подробно описываются в сопроводительной документации.

3. Проектирование физической организации базы данных. На этом шаге выбирается наилучшая файловая организация для таблиц. Выявляются транзакции, которые будут выполняться в проектируемой базе данных, и выделяются наиболее важные из них. Анализируется пропускная способность транзакций – количество транзакций, которые могут быть обработаны за заданный интервал времени, и время ответа – промежуток времени, необходимый для выполнения одной транзакции. Стремятся к повышению пропускной способности транзакций и уменьшению времени ответа. На основании указанных показателей принимаются решения об оптимизации производительности базы данных путем определения индексов в таблицах, ускоряющих выработку данных из базы, или снижения требований к уровню нормализации таблиц. Проводится оценка дискового объема памяти, необходимого для размещения создаваемой базы данных. Стремятся к его минимизации.

Принятые решения по изложенным вопросам документируются.

4. Разработка стратегии защиты базы данных. База данных представляет собой ценный корпоративный ресурс, и организации ее защиты уделяется большое внимание. Для этого проектировщики должны иметь полное и ясное представление обо всех средствах защиты, предоставляемых выбранной СУБД.

5. Организация мониторинга функционирования базы данных и ее настройка. После создания физического проекта базы данных организуется непрерывное слежение за ее функционирование. Полученные сведения об уровне производительности базы данных используются для ее настройки. Для этого привлекаются и средства выбранной СУБД.

Решение о внесении любых изменений в функционирующую базу данных должны быть обдуманными и всесторонне взвешенными.