15. Логическое проектирование БД. ER-диаграммы

Процесс проектирования данных можно условно разделить на два этапа: логическое моделирование и физическое проектирование. Результатом первого из них является так называемая логическая (или концептуальная) модель данных, выражаемая обычно диаграммой «сущность-связь» или ER (Entity-Relationship) диаграммой, которая представлена в одной из стандартных нотаций, принятых для отображения подобных диаграмм. Результатом второго этапа является готовая база данных либо DDL-скрипт для ее создания.
Логическая модель данных описывает факты и объекты, подлежащие регистрации в будущей базе данных. Основными компонентами такой модели являются сущности, их атрибуты и связи между ними. Как правило, физическим аналогом сущности в будущей базе данных является таблица, а физическим аналогом атрибута — поле этой таблицы. С логической точки зрения сущность представляет собой совокупность однотипных объектов или фактов, называемых экземплярами этой сущности. Физическим аналогом экземпляра обычно является запись в таблице базы данных. Как и записи в таблице реляционной СУБД, экземпляры сущности должны быть уникальными, то есть полный набор значений их атрибутов не должен дублироваться. И так же, как и поля в таблице, атрибуты могут быть ключевыми и неключевыми. На этапе логического проектирования для каждого атрибута обычно определяется примерный тип данных (строковый, числовой, BLOB и др.). Конкретизация происходит на этапе физического проектирования, так как различные СУБД поддерживают разные типы данных и ограничения на их длину или точность.

Моделирование данных
Одной из основных частей информационного обеспечения является информационная база, которая представляет собой совокупность данных, с помощью которых удовлетворяются информационные потребности управленческих процессов и решаемых задач. Разработка БД выполняется с помощью моделирования данных. Цель моделирования данных состоит в обеспечении разработчика ИС концептуальной схемой базы данных в форме одной модели или нескольких локальных моделей, которые относительно легко могут быть отображены в любую систему баз данных. Наиболее распространенным средством моделирования данных являются диаграммы "сущность-связь" (ERD). С помощью ERD осуществляется детализация накопителей данных DFD – диаграммы, а также документируются информационные аспекты бизнес-системы, включая идентификацию объектов, важных для предметной области (сущностей), свойств этих объектов (атрибутов) и их связей с другими объектами (отношений).

Базовые понятия ERD
Сущность (Entity) — множество экземпляров реальных или абстрактных объектов (людей, событий, состояний, идей, предметов и др.), обладающих общими атрибутами или характеристиками. Любой объект системы может быть представлен только одной сущностью, которая должна быть уникально идентифицирована. При этом имя сущности должно отражать тип или класс объекта, а не его конкретный экземпляр (например, АЭРОПОРТ, а не ВНУКОВО).
Сущность можно определить как объект, событие или концепцию, информация о которых должна сохраняться. сущности должны иметь наименование с четким смысловым значением, именоваться существительным в единственном числе, не носить "технических" наименований и быть достаточно важными для того, чтобы их моделировать. Именование сущности в единственном числе облегчает в дальнейшем чтение модели. Фактически имя сущности дается по имени ее экземпляра. Примером может быть сущности Заказчик (но не Заказчики!) с атрибутами Номер заказчика, Фамилия заказчика и Адрес заказчика. На уровне физической модели ей может соответствовать таблица Customer с колонками Customer_number, Customer_name и Customer_address. Каждая сущность должна быть полностью определена с помощью текстового описания.
Каждая сущность может обладать любым количеством связей с другими сущностями модели.

Связь (Relationship) — поименованная ассоциация между двумя сущностями, значимая для рассматриваемой предметной области. Связь — это ассоциация между сущностями, при которой каждый экземпляр одной сущности ассоциирован с произвольным (в том числе нулевым) количеством экземпляров второй сущности, и наоборот.

Связь может дополнительно определяться с помощью указания степени или мощности (количества экземпляров сущности-потомка, которое может порождать каждый экземпляр сущности-родителя). В IDEFIX могут быть выражены следующие мощности связей:

• каждый экземпляр сущности-родителя может иметь ноль, один или более одного связанного с ним экземпляра сущности-потомка;
• каждый экземпляр сущности-родителя должен иметь не менее одного связанного с ним экземпляра сущности-потомка;
• каждый экземпляр сущности-родителя должен иметь не более одного связанного с ним экземпляра сущности-потомка;
• каждый экземпляр сущности-родителя связан с некоторым фиксированным числом экземпляров сущности-потомка.

Атрибут (Attribute) — любая характеристика сущности, значимая для рассматриваемой предметной области и предназначенная для квалификации, идентификации, классификации, количественной характеристики или выражения состояния сущности. Атрибут представляет тип характеристик или свойств, ассоциированных с множеством реальных или абстрактных объектов (людей, мест, событий, состояний, идей, предметов и т.д.). Экземпляр атрибута — это определенная характеристика отдельного элемента множества. Экземпляр атрибута определяется типом характеристики и ее значением, называемым значением атрибута. На диаграмме "сущность-связь" атрибуты ассоциируются с конкретными сущностями. Таким образом, экземпляр сущности должен обладать единственным определенным значением для ассоциированного атрибута.

Связь с логической точки зрения представляет собой соотношение между сущностями, которое нередко может быть выражено обычными фразами, например: «Клиент размещает заказ» («A customer places an order» — этой фразой вполне можно описать связь, изображенную на рис. 1), где существительными являются названия связанных между собой сущностей. Подавляющее большинство средств проектирования данных позволяют создавать ER-диаграммы визуально, изображая сущности и соединяя их связями с помощью мыши. Интерфейс таких средств нередко настолько прост, что позволяет освоить логическое проектирование данных не только разработчику, но и пользователю-непрограммисту, если таковой участвует в проектировании данных как эксперт в предметной области. Отметим, что на этапе логического проектирования можно описать поведение СУБД при нарушении правил ссылочной целостности, определяемых данной связью (например, при удалении сведений о заказчике, разместившем хотя бы один заказ, для связи, изображенной на рис. 1).

 
Рис. 1. Пример связи между сущностями логической модели

Для этого многие (но не все!) средства проектирования данных обладают языком шаблонов, не зависящим от СУБД, на котором можно описать алгоритм обработки подобной ситуации, например с помощью соответствующих триггеров или иных объектов базы данных, а также набором стандартных шаблонов, реализующих некоторые типовые алгоритмы подобной обработки (например, отказ от удаления с последующей генерацией диагностического сообщения, каскадное удаление дочерних записей и др.). В процессе создания физической модели (о ней будет рассказано чуть ниже) эти шаблоны преобразуются в код на процедурном расширении языка SQL, применяемом в конкретной СУБД.
Ряд публикаций проводит градацию категорий логических моделей по степени детализации описания сущностей, атрибутов и связей. Модель, обсуждаемая с заказчиком, являющимся обычно экспертом в подлежащей автоматизации предметной области, а не программистом или аналитиком, должна содержать, например, основные сущности и связи, но не обязана иметь их детальную техническую проработку (в частности, описания алгоритмов обработки нарушений ссылочной целостности). Такие модели называют концептуальными. В то же время модель, служащая основой технического задания на разработку клиентских приложений, обязана содержать детальное представление структуры данных, ключевых атрибутов, их текстовое описание, а также представлять сущности в нормализованном виде. Обычно говоря о логической модели имеют в виду именно такую модель (иногда ее такая называют полной атрибутивной моделью). Иными словами, нормализация модели данных обычно происходит на этапе логического проектирования.
Отметим, что логическая модель данных, как правило, не связана с конкретной СУБД и не учитывает технические особенности конкретных платформ, применяемых при ее последующей физической реализации.

Некоторые средства проектирования данных позволяют хранить их модели в специальных репозитариях, а также осуществлять коллективное проектирование. Нередко средства проектирования данных дают возможность также присваивать таблицам и полям так называемые расширенные атрибуты, то есть свойства, связанные с отображением их в клиентских приложениях, созданных с помощью какого-либо средства разработки, а также генерировать код приложений для ввода и отображения данных.