Проектирование баз данных

Проектирование БД заключается в ее многоступенчатом описании с различной степенью детализации и формализации, в ходе которого производится уточнение и оптимизация структуры БД. Проектирование начинается с описания предметной области и задач ИС, идет к более абстрактному уровню логического описания данных и далее – к схеме физической (внутренней) модели БД. Трем основным уровням моделирования системы – концептуальному, логическому и физическому соответствуют три последовательных этапа детализации описания объектов БД и их взаимосвязей.

На концептуальном уровне проектирования производится смысловое описание информации предметной области, определяются ее границы, производится абстрагирование от несущественных деталей. В результате определяются моделируемые объекты, их свойства и связи. Выполняется структуризация знаний о предметной области, стандартизируется терминология. Затем строится концептуальная модель, описываемая на естественном языке. Для описания свойств и связей объектов применяют различные диаграммы.

На следующем шаге принимается решение о том, в какой конкретно СУБД будет реализована БД. Выбор СУБД является сложной задачей и должен основываться на потребностях с точки зрения ИС и пользователей. Определяющими здесь являются вид программного продукта и категория пользователей (или профессиональные программисты, или конечные пользователи, или и то и другое). Другими показателями, влияющими на выбор СУБД, являются:

удобство и простота использования;

качество средств разработки, защиты и контроля БД;

уровень коммуникационных средств (в случае применения ее в сетях);

фирма-разработчик;

стоимость.

Каждая конкретная СУБД работает с определенной моделью данных.

Модель данных – совокупность структур данных и операций их обработки. Выделяют три основных типа моделей данных: иерархическую, сетевую и реляционную.

СУБД основывается на использовании одной из этих моделей или их комбинации на некотором их подмножестве.

Иерархическая структура представляет собой совокупность элементов, связанных между собой по определенным правилам. Объекты, связанные иерархическими отношениями, образуют ориентированный граф (перевернутое дерево).

Уровень 1				А
Уровень 2		В1	В2	В3		В4		В5
Уровень 3	С1	С2	С3	С4	С5	С6	С7	С8

К основным понятиям иерархической структуры относятся: уровень, элемент (узел), связь. Узел – это совокупность атрибутов данных, описывающих некоторый объект. На схеме иерархического дерева узлы представляются вершинами графа. Каждый узел на более низком уровне связан только с одним узлом, находящимся на более высоком уровне. Иерархическое дерево может иметь только одну вершину (корень дерева), не подчиненную никакой другой вершине и находящуюся на самом верхнем (первом уровне). Зависимые (подчиненные узлы) находятся на втором, третьем и т. д. уровнях. Количество деревьев в базе данных определяется числом корневых записей. К каждой записи базы данных существует только один (иерархический) путь от корневой записи. Например, как видно из рисунка, для записи С4 путь проходит через записи А и В3.

В сетевой структуре при тех же основных понятиях (уровень, узел, связь) каждый элемент может быть связан с любым другим элементом.

В настоящее время большинство СУБД использует табличную модель данных, называемую реляционной. Понятие реляционный (англ. relation – отношение) связано с разработками известного американского специалиста в области систем баз данных Е. Кодда. Эти модели характеризуются простотой структуры данных, удобным для пользователя табличным представлением и возможностью использования формального аппарата алгебры отношений и реляционного исчисления для обработки данных.

Реляционная модель ориентирована на организацию данных в виде двумерных таблиц. Каждая реляционная таблица представляет собой двумерный массив и обладает следующими свойствами:

Каждый элемент таблицы – один элемент данных.

Все столбцы в таблице однородные, т.е. все элементы в столбце имеют одинаковый тип (числовой, символьный и т.д.) и длину.

Каждый столбец имеет уникальное имя.

Одинаковые строки в таблице отсутствуют.

Порядок следования строк и столбцов может быть произвольным.

Отношения представлены в виде таблиц, строки которых соответствуют кортежам или записям, а столбцы – атрибутам отношений, доменам, полям.

Достоинства реляционной модели:

Простота и доступность для понимания конечным пользователем. Единственной информационной конструкцией является таблица.

При проектировании реляционных БД применяются строгие правила, базирующиеся на математическом аппарате.

Полная независимость данных. При изменении структуры реляционной БД изменения, которые требуется произвести в прикладных программах, минимальны.

Для построения запросов и написания прикладных программ нет необходимости знания конкретной организации БД во внешней памяти.

Недостатки реляционной модели:

По сравнению с другими моделями реляционная модель имеет более низкую скорость доступа и требует большего объема внешней памяти.

Появление большого количества таблиц в результате логического проектирования затрудняет понимание структуры данных.

Далеко не всегда предметную область можно представить в виде совокупности таблиц.

Для преодоления недостатков, присущих реляционной модели, в настоящее время развиваются постреляционная, многомерная и объектно-ориентированная модели. Эти модели в той или иной степени опираются на реляционную модель. Но реляционная модель и коммерческие продукты, основанные на этой модели, доминируют при построении экономических ИС.