Основные понятия ER-моделей данных. Построение диаграмм ER-типа

ER-диаграммы (рис. 2) используются для разработки данных и представляют собой стандартный способ определения данных и отношений между ними. Таким образом, осуществляется детализация хранилищ данных. ER-диаграмма содержит информацию о сущностях системы и способах их взаимодействия, включает идентификацию объектов, важных для предметной области (сущностей), свойств этих объектов (атрибутов) и их отношений с другими объектами (связей). Во многих случаях информационная модель очень сложна и содержит множество объектов.

Рис. 2. Пример ER-диаграммы

Сущность изображается в виде прямоугольника, вверху которого располагается имя сущности (например, TITLES). В прямоугольнике могут быть перечислены атрибуты сущности; атрибуты ER-диаграмм, набранные полужирным шрифтом1, являются ключевыми (так Title Identity - ключевой атрибут сущности TITLES, остальные атрибуты ключевыми не являются).

Отношение изображается линией между двумя сущностями (синие линии на рисунке).

Одиночная линия справа (рис. 3) означает «один», «птичья лапка» слева - «многие», а отношение читается вдоль линии, например «один ко многим». Вертикальная черта означает «обязательно», кружок - «не обязательно», например для каждого издания в TITLE обязательно должен быть указан издатель в PUBLISHERS, а один издатель в PUBLISHERS может выпускать несколько наименований изданий в TITLES. Следует отметить, что связи всегда комментируются (надпись на линии, изображающей связь).

Рис. 3. Элемент ER-диаграммы

Приведем также пример (рис. 4) изображения рефлексивного отношения «сотрудник», где один сотрудник может руководить несколькими подчиненными и так далее вниз по иерархии должностей.

Следует обратить внимание на то, что такое отношение всегда является необязательным, в противном случае это будет бесконечная иерархия.

Рис. 4. ER-диаграмма рефлексивного отношения

Атрибуты сущностей могут быть ключевыми - они выделяются полужирным шрифтом; обязательными - перед ними ставится знак «*», то есть их значение всегда известно, необязательными (optional) - перед ними ставится О, то есть значения этого атрибута в какие-то моменты могут отсутствовать или быть неопределенными.

Если сущность имеет набор взаимоисключающих отношений с другими сущностями, то говорят, что такие отношения находятся в дуге. Например, банковский счет может быть оформлен или для юридического лица, или для физического лица. Фрагмент ER-диаграммы для такого типа отношений приведен на рис. 5.

Рис. 5. Дуга

В этом случае атрибут ВЛАДЕЛЕЦ сущности СЧЕТ имеет особое значение для данной сущности - сущность делится на типы по категориям: «для физического лица» и «для юридического лица». Полученные в результате сущности называют подтипами, а исходная сущность становится супертипом. Чтобы понять, нужен супертип или нет, надо установить, сколько одинаковых свойств имеют различные подтипы. Следует отметить, что злоупотребление подтипами и супертипами является довольно распространенной ошибкой. Изображают их так, как показано на рис. 6.

Рис. 6. Подтипы (справа) и супертип (слева)

В начале 1980-х гг. были предложены новые подходы к мифологическому проектированию БД, в большей степени ориентированные на БД реляционного типа. Среди работавших в этом направлении исследователей можно назвать Р. Баркера (Richard Barker) и авторов нотации Information Engineering (сокр. IE) Дж. Мартина (James Martin) и К. Финкелыитейна (Clive Finkelstein).

В предложенных нотациях сущности изображаются сходным образом – в виде прямоугольника, содержащего в заголовке имя сущности, и далее идет перечень атрибутов. Ключевые атрибуты выделяются на диаграмме шрифтом, специальными символами или отделяются чертой от остальных.

Все связи являются бинарными (т.е. только с двумя участниками) и изображаются линией, соединяющей сущности. На рис. 6.2 представлены правила изображения связей в нотациях Баркера и Мартина .

Рис. 6.2.

а – нотация Баркера; 6 – нотация Мартина (IE)

Нужно отмстить, что из-за особенностей изображения связей нотации Баркера и Мартина в литературе иногда называют "crow"s foot notation" (дословно – "нотация вороньей лапки").

На рис. 6.3 приведен фрагмент диаграммы в нотации Мартина, изображающей две сущности ("Клиент" и "Заказ") и связь между ними. Первичные ключи на рисунке выделяются символом "#". Предполагается, что:

• клиент может разместить один, несколько или ни одного заказа;
• заказ может быть размещен одним и только одним клиентом.

Рис. 6.3.

В настоящее время также широкое распространение получила нотация, определенная стандартом IDEF1X (полное название на англ. – Integration Definition for Information Modeling), речь о которой пойдет в следующем параграфе.

Задача проектирования БД для современной информационной системы корпоративного уровня может быть достаточно трудоемкой и требовать совместной работы большой группы специалистов – аналитиков, разработчиков БД, разработчиков прикладного ПО, специалистов в предметной области, для которой разрабатывается БД. Для автоматизации этого процесса широко используются CASE-средства – программные средства, поддерживающие одну или несколько технологий проектирования БД (также есть средства проектирования ПО и т.д.). В качестве примера можно назвать программные продукты ERwin Data Modeler (разработчик – компания СА Technologies), ER/Studio (разработчик – Embarcadero Technologies), PowerDesigner (разработчик – компания Sybase, в настоящее время приобретенная SAP). Отчасти подобная функциональность реализована и в популярном офисном программном продукте Microsoft Visio.

ERwin и подобные ему CASE-средства позволяют решать как задачи прямого проектирования (англ. forward-engineering), т.е. получения структуры БД на основе построенной ER-диаграммы, так и обратного проектирования (англ. reverse-engineering), когда ER-диаграмма создается на основе анализа структуры существующей БД.

Далее рассмотрена методология проектирования и нотация (правила изображения) диаграмм IDEF1X, а приводимые примеры будут иллюстрироваться с использованием программного продукта ERwin Data Modeler v. 9 в версии Community Edition. Данная версия продукта свободно распространяется, ее можно получить через веб-сайт erwin.com. Наиболее существенным ограничением версии ERwin Community Edition является небольшое количество объектов в модели – не более 25, но для учебных целей это не является критичным. Для разработки БД со сложной структурой рекомендуется использовать другие версии продукта.

Наряду с нотацией IDEF1X, ERwin поддерживает нотацию 1Е, особенности современной версии которой описаны далее.

Цель лекции : показать, как описывается предметная область при концептуальном моделировании (с помощью каких понятий, средств представления и приемов построения) и как обеспечивается достоверность информации в базе данных за счет ограничений целостности концептуальной модели.

5.1. Описание информационного представления предметной области. ER-диаграмма

Иллюстрацию вводимых понятий и этапов проектирования базы данных будем проводить на примере близкой для читателя конкретной предметной области : представление данных о студентах вуза. Дадим краткое описание рассматриваемой предметной области . В вузе имеется несколько факультетов, на каждом из которых ведется подготовка по нескольким специальностям или направлениям. Для каждой специальности на факультете есть свой учебный план, в котором приводится перечень изучаемых учебных курсов с указанием количества часов занятий. Студенты изучают соответствующие дисциплины, сдают экзамены и зачеты, получают оценки.

Чаще всего концептуальная модель представляется в виде диаграммы сущностей – связей ( entity – relationship ) или ER-диаграммы . Процесс построения ER-диаграммы называется ER-моделированием .

Введем основные понятия, с помощью которых описывается предметная область.

Сущность (Entity) или объект – то, о чем будет накапливаться информация в информационной системе (нечто такое, за чем пользователь хотел бы наблюдать).

Если в системе обрабатывается информация о факультетах, сущностью будет являться факультет, если о студентах, сущность – студент и т.п.

Имя сущности при ER-моделировании, как правило, записывается заглавными буквами. Каждая сущность обладает определенным набором свойств (рассматриваем только свойства, представляющие интерес для пользователей в рамках проводимого исследования), которые запоминаются в информационной системе. Так, например, в качестве свойств сущности ФАКУЛЬТЕТ можно указать номер факультета, название факультета, в качестве свойств сущности СТУДЕНТ можно указать фамилию, дату рождения, место рождения, в качестве свойств сущности ЭКЗАМЕН – предмет, дату проведения экзамена, экзаменаторов.

Для информационного описания сущности вводится понятие атрибута.

Атрибут – поименованное свойство (характеристика) сущности. Атрибут представляет собой информационное отображение свойства сущности и принимает конкретное значение из множества допустимых значений. Так, например, для сущности ФАКУЛЬТЕТ атрибут "название" у конкретного экземпляра сущности принимает конкретное значение "вычислительной математики и кибернетики". Таким образом, атрибут представляет информационное описание количественных или качественных свойств сущности, описывает состояние сущности, позволяет идентифицировать сущность . Информация о сущности представляется совокупностью атрибутов. Такую совокупность атрибутов часто называют записью об объекте .

Совокупность сущностей, характеризующихся в информационной системе одним и тем же перечнем свойств, называется классом сущностей (набором объектов). Так, например, совокупность всех сущностей СТУДЕНТ составляет класс сущностей СТУДЕНТ, совокупность всех сущностей ФАКУЛЬТЕТ составляет класс сущностей ФАКУЛЬТЕТ. Класс сущностей описывается перечнем свойств сущностей, составляющих этот класс .

Экземпляром сущности будем называть конкретную сущность (сущность с конкретными значениями соответствующих свойств) . Выше мы определили сущность как то, о чем будет накапливаться информация в информационной системе. Это только одна сторона. Информация должна не просто храниться сама по себе, а использоваться для удовлетворения информационных потребностей пользователя. Для реализации подавляющего числа запросов пользователю прежде всего необходимо найти интересующий его экземпляр сущности (с целью обработки, корректировки, удаления). Поэтому важнейшим свойством сущности является однозначная идентификация ее экземпляров по одному или группе атрибутов (уникальному идентификатору) . У сущности ФАКУЛЬТЕТ это, например, номер факультета, у сущности СТУДЕНТ это может быть атрибут "фамилия", если у всех студентов разные фамилии, группа атрибутов "фамилия", "имя", "отчество", или специально введенный уникальный идентификатор , например дополнительно введенный атрибут "код студента".

Наиболее распространенным способом представления концептуальной модели является так называемая ER-диаграмма . В разных источниках используются разные системы обозначений в ER-диаграммах . На практике использование различных способов записи ER-диаграмм не представляет особой сложности – беглое ознакомление с соответствующим разделом документации позволяет быстро освоить используемую систему обозначений. В данном пособии в ER-диаграмме класс сущностей будем представлять в виде четырехугольника. В четырехугольнике записано уникальное имя класса сущности (прописными буквами) и имена атрибутов строчными буквами.

Пример класса сущностей СТУДЕНТ и конкретного экземпляра сущности показан на рис. 5.1

Рис. 5.1.

Для реализации информационных потребностей пользователя недостаточно найти интересующий его экземпляр сущности . Информационные потребности тесно связаны с функциональными взаимоотношениями, существующими в организации (например, необходимо определить, на каком факультете учится конкретный студент). Для реализации таких запросов (информационных потребностей пользователя) используются существующие в предметной области взаимоотношения между сущностями. Соответствующие взаимоотношения сущностей выражаются связями (Relationships) . Различают классы связей и экземпляры связей. Классы связей – это взаимоотношения между классами сущностей, а экземпляры связи – взаимоотношения между экземплярами сущностей .

Класс связей может затрагивать несколько классов сущностей . Число классов сущностей , участвующих в связи, называется степенью связи n = 2, 3, ... Так, например, класс сущностей СТУДЕНТ связан с классом сущностей ФАКУЛЬТЕТ связью "учится на факультете". Степень этой связи равна двум. При n =2 связь называется бинарной. Заметим, что связь нужно рассматривать как двустороннюю: "студент учится на факультете" и "на факультете учатся студенты". Рассмотрим классификацию бинарных связей . В зависимости от того, сколько экземпляров сущности одного класса связаны со сколькими экземплярами сущности другого класса, различают следующие типы связей :

• Связь 1:1 . Одиночный экземпляр сущности одного класса связан с одиночным экземпляром сущности другого класса. Примером является связь между классами сущностей ФАКУЛЬТЕТ и УЧЕБНЫЙ ПЛАН ПО СПЕЦИАЛЬНОСТИ ДЛЯ ФАКУЛЬТЕТА (каждому факультету соответствует свой учебный план по специальности или направлению).
• Связь 1:M . Единый экземпляр сущности одного класса связан со многими экземплярами сущности другого класса. Примером является связь между классами сущностей ФАКУЛЬТЕТ и СТУДЕНТ (на одном факультете учатся много студентов).
• Связь M:N . Несколько экземпляров сущности одного класса связаны с несколькими экземплярами сущности другого класса. Примером является связь между классами сущностей ФАКУЛЬТЕТ и СПЕЦИАЛЬНОСТЬ (на факультете может быть несколько специальностей и одна и та же специальность может быть на нескольких факультетах).

Числа, описывающие типы

Концептуальная модель базы данных это

Концептуальная модель это некая наглядная диаграмма, нарисованная в принятых обозначениях и подробно показывающая связь между объектами и их характеристиками. Создается концептуальная модель для дальнейшего проектирования базы данных и перевод ее, например, в реляционную базу данных. На концептуальной модели в визуально удобном виде прописываются связи между объектами данных и их характеристиками.

Принятые определения в концептуальной базе данных

Для единообразия программирования баз данных введены следующие понятия для концептуальных баз данных:

1. Объект или сущность . Это фактическая вещь или объект (для людей) за которой пользователь (заказчик) хочет наблюдать. Например, Иванов Иван Иванович;
2. Атрибут это характеристика объекта, соответствующая его сущности. Например. Задаем себе вопрос: Какую информацию нужно хранить об Иванове Иване Ивановиче? Ответы на этот вопрос и будут атрибуты объекта Иванов Иван Иванович;
3. Третье понятие в проектировании концептуальной базы данных это связь или отношения между объектами.

Лексически более правильно говорить связь между объектами КБД и отношения между сущностями КБД (концептуальная база данных), но встретить можно самые различные сочетания сущности, объекта, связи и отношения (огрехи переводов).

Концептуальная модель базы данных: принятые графические обозначения

Диаграмма сущность/отношения (объект/связь) называют ER-диаграммой или EDR (entity-relationship diagram). Сама модель сущность-связь была предложена профессором Peter Pin-Shen Chen (Питер Чен) в 1976 году. Правила написания и условные обозначения ER-диаграммы называют нотацией. Распространены две основные нотации ER-диаграмм:

• Нотация Питера Чена;
• Нотация Gordon Everest (Гордона Эверста). Под назаванием Crow’s Foot или Fork (вилка).

Обозначения ER-диаграммы по Питеру Чену

Чен предложил и это приняли следующие условные обозначения для ER-диаграмм:

• Сущность или объект обозначать прямоугольником;
• Отношения обозначать ромбом;
• Атрибуты объектов, обозначаются овалом;
• Если сущность связана с отношением, то их связь обозначается прямой линией со стрелкой. Необязательная связь обозначается пунктирной линией. Мощная связь обозначается двойной линией.

Каждый атрибут может быть связан с одним объектом (сущностью).

Нотация Gordon Everest

Gordon Everest ввел новое обозначение связей, которые получили название вилка или воронья лапа. Также он ввел, что объект должен обозначаться прямоугольником с названием типа объекта в виде имени существительного внутри прямоугольника. Причем, это имя должно быть уникальным в пределах создаваемой базы данных.

Атрибуты не выделяются в отдельную фигуру, а вписываются в прямоугольник объекта именем существительным с уточняющим словом.

Связь между объектами обозначается прямой линией. Множественные связи обозначаются вилкой на конце. Сама связь подписывается глаголом, типа «Включает» или «Принадлежит».

Дополнения

Атрибуты в ER диаграмме, могут иметь свои собственные атрибуты (композитный) атрибут.

Простую ER диаграмму нарисовать достаточно просто. Другое дело насыщенная, объемная ER диаграмма. Ниже приведены некоторые советы, которые помогут вам построить эффективные ER схемы:

• Определите все объекты в данной системе и определите отношения между этими объектами;
• Объект должен появиться только один раз в определенном месте схемы;
• Определите точное и подходящее имя для каждого объекта, атрибута и отношений в диаграмме. Выберите простые и понятные слова. Условия, которые просты и знакомы всегда побеждает смутные, технические звучащие слова. Для объектов имена существительные, для связей глаголы (можно с пояснениями). Не забываем про уникальность имен объектов;
• Удалите неявные, избыточные или ненужные отношения между объектами;
• Никогда не подключайте отношения к другим отношениям;
• Используйте цвета, чтобы классифицировать однотипные объекты или выделить ключевые области в диаграмме.

При построении моделей информационных систем важнейшей методикой является ER-моделирование или построение диаграмм сущность-связь. Сущность представляет собой класс одинаковых по смыслу элементов, используемых в информационной системе. Сущность всегда должна иметь имя.

Сущности представлены на модели информационной системы при помощи экземпляров. Экземпляр - конкретный объект представляющий заданную сущность. Приведем пример: экземпляром сущности «Ученик» будет являться «Ученик Сидоров».

В рамках построения информационной системы объекты имеют различные атрибуты. Обычно их бывает один или несколько. Атрибут - свойство, присущее данной сущности. Приведем пример для нашей сущности «Ученик»: «Фамилия», «Имя», «Отчество», «Класс».

Набор различных атрибутов, имеющих значения, определенные особенными для всех экземпляров объекта, называют ключом сущности. В нашей ситуации если удалить атрибут - нарушится его уникальность, именно этим достигается неизбыточность. Объекты взаимодействуют друг с другом посредством связей. Связи объектов - метод взаимодействия двух элементов информационной системы. Объекты обычно связаны как с другими объектами ИС. Связи объектов обеспечивают возможность нахождения требуемых элементов при помощи установления их отношений с изначальными. Выглядит связь обычно в виде стрелки или линии, соединяющей различные сущности или соединяющая саму себя.

Различают три типа связей:

• 1) 1-к-1. В данном виде связи экземпляр первого объекта связан с одним экземпляром второго объекта. Как правило, от таких связей следует отказаться;
• 2) 1-к-n. При такой связи один экземпляр первого объекта связан с некоторыми экземплярами второго объекта. В информационных системах это наиболее часто встречаемый вид связи. При такой структуре первый объект называется родительской сущностью, а второй - дочерней.
• 3) n-к-n. При такой связи несколько экземпляров первого объекта связано с несколькими экземплярами второго объекта. На практике это означает, что система находится в промежуточном этапе разработки и при дальнейшем анализе данный вид связи будет заменен на 1-к-n с созданием промежуточных сущностей и переназначением связей.

Принципиально отличие создает модальность при использование связей. В случае если объект «Может» быть связан с другим, то это представляет ему возможность иметь взять с различными экземплярами другого объекта, но при этом он не обязан иметь связь. В другой ситуации, если объект «Должен» иметь связь с экземпляром другого объекта, то он обязан иметь не меньше одной связи. При проведении моделирования информационной системы при помощи ER-нотации необходимо провести анализ предметной области с целью построения следующих графических данных:

• 1) Списка объектов;
• 2) Списка связанных атрибутов объектов;
• 3) Построения корректных взаимосвязей между различными объектами.

При построении диаграмм в нотации ER, процесс моделирования носит итерационный характер. После использования функции обратной разработки или выделения приблизительной модели ее процесс преобразования и улучшения может занимать продолжительное время, а сама модель может дополняться и уточняться в соответствии с полученными новыми данными. Существует два принципиально различающихся вида ER диаграмм:

• 1) Концептуальные;
• 2) Физические.

На примере, описанном на рис. 11 мы можем видеть модель концептуальную модель торгового предприятия описанную в нотации ER. Такая модель описывает связи между различными сущностями данной информационной системы, однако не учитывает особенностей базы данных, а следовательно не может быть использована для дальнейшего компьютерного проектирования. Концептуальные модели используются для дальнейшей постройки физических диаграмм, которая уже включает в себя наименования таблиц, поля, типы различных переменных. Изображенная на рисунке концептуальная модель отображает все объекты данной информационной системы и устанавливает их связи.

После преобразования мы видим, что данная физическая диаграмма теперь передает информацию о ключах, помимо того, что определят связь между ее объектами. Каждая таблица хранит в себе представление о типе передаваемых и хранимых данных. Данная нотация ER диаграмм наиболее близка к стандартному отображению баз данных. В данном представлении таблицы содержат в себе список связанных с объектом атрибутов. Такое представление позволяет быстро переходить от разработки модели к программному коду SQL и обратно при помощи функций обратного разработчика. В данной ситуации мы имеет дело с семантическим моделированием посредством использования диаграмм сущность-связь. Подобные диаграммы дают нам широкое представление о разрабатываемой информационной системе, а визуализация позволяет упростить процесс группировки элементов и приведение базы данных к требуемому каноническому виду. Преимущество физических диаграмм над концептуальными моделями очевидно, поэтому многие современные инструментальные средства моделирования позволяют переходить от одной формы представления к другой моментально. Концептуальные модели требуются тогда, когда глубинный анализ базы данных не требуется, а для модернизации системы достаточно понять и изменить логику связи ее элементов .