4.6. Основы проектирования баз данных

Перед началом детального обсуждения способов проектирования баз данных необходимо отметить, что любая база данных является составной частью некой информационной системы (ИС), которая подразумевает не только хранение данных, но и их обработку. Поэтому, проектированию данных всегда сопутствует (а чаще предшествует) проектирование алгоритмов их использования. Здесь мы рассмотрим все этапы проектирования информационной системы: от функционального моделирования предметной области, до построения структуры реляционной базы данных. 

Этапы проектирования баз данных. Предметная область – часть реального мира, подлежащая изучению с целью организации управления и, в конечном счете, автоматизации. Предметная область представляется множеством фрагментов, например, предприятие - цехами, дирекцией, бухгалтерией и т.д. Каждый фрагмент предметной области характеризуется множеством объектов и процессов, использующих объекты, а также множеством пользователей, характеризуемых различными взглядами на предметную область. 

В теории проектирования информационных систем предметную область (или, если угодно, весь реальный мир в целом) принято рассматривать в виде трех представлений: 

1. представление предметной области в том виде, как она реально существует; 
2. как ее воспринимает человек (имеется в виду проектировщик базы данных); 
3. 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) (рис.4.8).

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.  

Рис. 4.8. Трехуровневая схема представления данных.

Отсюда вытекают основные этапы, на которые разбивается процесс проектирования базы данных информационной системы: 

1. Концептуальное 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 характеризуется 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". 

2. Логическое 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. 
3. Физическое проектирование - определение особенностей хранения данных, методов доступа и т.д. 

Различие уровней представления данных на каждом этапе проектирования представлено в следующей табл.4.2. 

Инструментальные средства проектирования баз данных.  Во многих случаях эффективную базу данных не удается построить вручную. Это объясняется следующими причинами: 

• не обеспечивается достаточно глубокий анализ требований к данным; 
• большая длительность процесса структурирования;
• трудность учета и согласования изменений, сделанных в системе несколькими разработчиками;
• ограничения сроков на разработку системы и т.д.  

При разработке крупных баз данных происходит концентрация сложности на начальных этапах (анализ требований и проектирование спецификаций системы), в то время как сложность и трудоемкость последующих этапов остается относительно невысокой. Для преодоления сложностей начальных этапов разработки предназначен структурный анализ - метод исследования, которое начинается с общего обзора системы и затем детализуется, приобретая иерархическую структуру со все большим числом уровней. На каждом уровне рассматривается ограниченное число элементов (обычно от 3 до 6 - 8), каждый из которых в свою очередь может быть декомпозирован на составляющие детали на следующем уровне. При этом соблюдаются строгие формальные правила записи информации (обычно используются диаграммы различных типов). 

Таблица 4.2

Различие уровней представления данных 

на каждом этапе проектирования

Такая технология получила название CASE (Computer Aided Software Engeneering - создание программного обеспечения с помощью компьютера). Основные черты CASE - технологии: 

• использование методологии структурного проектирования "сверху-вниз";
• разработка прикладной системы представляется в виде последовательных четко определенных этапов (рис.4.9);  
• поддержка всех этапов жизненного цикла информационной системы, начиная с самых общих описаний предметной области до получения и сопровождения готового программного продукта;
• поддержка репозитария, хранящего спецификации проекта информационной системы на всех этапах ее разработки;
• возможность одновременной работы с репозитарием многих разработчиков;

• автоматизация различных стандартных действий по проектированию и реализации приложения. 

Как правило, CASE-системы поддерживают следующие этапы процесса разработки: 

• Моделирование и анализ деятельности пользователей в рамках предметной области. Здесь осуществляется функциональная декомпозиция, определение иерархий (вложенности) функций, построение диаграмм потоков данных. Перечень информационных объектов, которыми манипулируют функции, передается на следующий этап проектирования. 

Рис. 4.9. Этапы разработки прикладной системы.

• Концептуальное моделирование - создание модели "сущность-связь" на основе перечня объектов, полученного на предыдущем этапе. Здесь уточняются характеристики каждого объекта (атрибуты), устанавливаются связи между объектами. 
• Реляционное моделирование - преобразование модели "сущность-связь" в соответствии с требованиями реляционной модели (реляционная модель допускает только бинарные связи, не разрешает существование атрибутов у связей, не поддерживает связи типа n : m). 
• Генерация схемы базы данных. Результатом выполнения данного этапа является набор SQL-операторов, описывающих создание схемы базы данных (CREATE TABLE, CREATE INDEX,...), с учетом особенностей целевой СУБД. 
• Генерация прототипов программных модулей по иерархии функций и потокам данных. Для каждого модуля автоматически подготавливается описание используемых им фрагментов данных (таблицы, атрибуты, индексы), а также создаются заготовки экранных форм или отчетов.