2.7. Основы проектирования реляционных баз данных
2.7.1. Основные требования при проектировании бд
Процесс разработки структуры (схемы) базы данных (БД) в соответствии с требованиями пользователей называется проектированием базы данных.
Большинство известных методов проектирования баз данных появилось в процессе разработки все более сложных информационных систем (ИС), которые должны были реализовывать потребности не одного пользователя, но больших групп и коллективов. Одна такая интегрированная БД создавалась для решения многих задач, каждая из которых использовала только "свою" часть данных, обычно пересекающуюся с частями, используемыми в других задачах. Поэтому главными методами проектирования стали методы исключения избыточности в данных и формирования эффективной структуры БД.
Было сформулировано принципиальное требование отделения прикладных программ от интегрированных данных. Этот принцип направлен на отчуждение данных в качестве ресурса предприятия, важен тем, что консервативные по характеру данные отделялись от прикладных программ, которые могли часто подвергаться изменениям.
Другой важной проблемой проектирования БД явилось обеспечение нужных эксплуатационных параметров, таких как объем внешней памяти или время выполнения различных операций. Известны и другие требования. Например, информация не должна потеряться не только из-за отказов оборудования, но и вследствие ошибки пользователя. Это отличается от того положения, при котором тот, кто решает некую задачу, сам и отвечает за сохранность данных для этой задачи.
Сформировалось понимание интегрированной БД как общего информационного ресурса предприятия. Хранимые данные стали аналогичны большому компьютеру, который одновременно используется многими пользователями с различными целями и должен быть все время работоспособен.
2.7.2. Основы классической методологии проектирования бд
П
роцесс
проектирования БД начинается с
установления концептуальных
требований ряда пользователей
(рис. 2.15). Концептуальные требования
могут определяться и для некоторых
приложений, которые в ближайшее время
реализовываться не будут. Эти требования
отдельных пользователей интегрируются
в едином "обобщенном представлении".
Последнее называют концептуальной
моделью (схемой). Концептуальная
модель представляет объекты и их
взаимосвязи без указания способов их
физического хранения, типа используемого
компьютера и версии конкретной СУБД.
Таким образом, концептуальная модель
является, по существу, моделью предметной
области.
Концептуальная модель транслируется затем в модель данных, совместимую с выбранной СУБД. Возможно, что отраженные в концептуальной модели взаимосвязи между объектами окажутся впоследствии нереализуемыми средствами выбранной СУБД. Это потребует изменения концептуальной модели. Вариант концептуальной модели, которая может быть обеспечена СУБД, называется логической моделью. Важно помнить, что логическая модель данных обусловлена требованиями и характеристиками СУБД, поэтому при замене СУБД она также изменится. Пользователям выделяются подмножества этой логической модели, называемые внешними моделями (подсхемами), отражающие их требования и представления.
Логическая модель отображается в физическую память (например, диски). Физическая модель, специфицирующая размещение данных и методы доступа к ним, называется внутренней моделью.
Двумя основными результатами процесса проектирования баз данных являются полная структура базы данных (т.е. концептуальная, логическая и внутренняя модели) и руководство для прикладных программистов, основанные на внешних моделях и требованиях к обработке данных. В целом эти результаты могут рассматриваться как спецификации для реализации баз данных.
Одним из базовых понятий методологии проектирования является понятие жизненного цикла (ЖЦ) системы баз данных. Жизненный цикл системы баз данных делится на две отдельные фазы: фазу анализа и проектирования и фазу эксплуатации. В течение первой фазы происходит сбор требований пользователей и проектирование базы данных, в течение второй – компьютерная ее реализация, внедрение и использование. С точки зрения проектировщика и пользователя, можно детализировать содержание работ, выполняемых в течение этих фаз ЖЦ системы баз данных. В этом смысле указанные фазы включают следующие этапы:
Фаза анализа и проектирования
Формулирование и анализ требований.
Концептуальное проектирование.
Проектирование реализации.
Физическое проектирование.
Фаза реализации и функционирования базы данных
Реализация базы данных.
Анализ функционирования и поддержка.
Модификация.
Фаза анализа и проектирования
Формулирование и анализ требований являются наиболее трудным и длительным по времени этапом проектирования. Однако он является наиболее важным, т.к. на нем основано большинство последующих проектных решений. Основной задачей является сбор требований, предъявляемых к содержанию и процессу обработки данных всеми известными и потенциальными пользователями базы данных. Анализ требований обеспечивает согласованность целей пользователей, а также согласованность их представлений об информационном потоке организации.
Концептуальное проектирование имеет целью построение независимой от СУБД информационной структуры путем объединения информационных требований пользователей. Результатом концептуального проектирования является концептуальная модель.
Проектирование реализации (проектирование логической схемы БД) состоит из двух компонентов: проектирование базы данных и проектирование программ. Структурой базы данных (логической моделью), полученной в результате проектирования реализации, является СУБД-ориентированное описание данных, обычно выраженное в терминах языка описания данных. Проектирование программного обеспечения имеет целью создание структурированных программ, использующих базовый язык программирования и язык манипулирования данными СУБД. Результатом являются функциональные спецификации программных модулей и набор возможных запросов к базе данных.
Физическое проектирование, так же как и проектирование реализации, состоит из двух компонентов: выбор физической структуры базы данных и уточнение спецификаций программных модулей, определенных на предыдущем этапе. Результатом физического проектирования являются полностью готовая к внедрению структура базы данных и набор реализуемых алгоритмов по ее использованию.
Фаза реализации и функционирования базы данных
Реализация базы данных подразумевает создание базы данных и прикладных программ на основе результатов трех главных этапов проектирования базы данных, а также загрузку базы данных. Имеющиеся данные необходимо преобразовывать из существующей формы представления логической и физической структуры в новую форму, соответствующую результатам проектирования базы данных. Разработка прикладных программ связана с выбором базового языка программирования и логической структурой БД. Целью этого этапа является создание надежных и эффективных программ доступа к базе данных, удовлетворяющих требованиям пользователей к обработке данных.
Анализ функционирования и поддержка используются для сбора и статистической обработки данных о функционировании системы. Эта информация позволяет выявить степень обоснованности требований пользователей, а также «узкие места» в процессе эксплуатации с целью пересмотра системы в будущем. Поддержка базы данных должна обеспечивать ее целостность и эффективное восстановление после сбоев.
Модификация предусматривает внесение в реализованный проект изменений, возникающих вследствие появления новых требований, анализа функционирования системы или анализа мнений пользователей о работе системы. Целью этого этапа является оптимизация функционирования существующей системы путем реорганизации (корректировки логической или физической структуры БД) базы данных и/или внесения изменений в программное обеспечение.
Рассмотрим подробнее основные этапы проектирования базы данных.