Тема 1.2. Этапы разработки базы данных

1. Системный анализ, построение инфологической модели, создание структуры БД, разработка приложения

2. Информационная модель данных, ее состав (концептуальная, логическая и физическая модели). Переход от одной модели к другой. Три типа логических моделей: иерархическая, сетевая и реляционная.

3. Модель «сущность-связь». Диаграммы «сущность-связь». Создание ER-моделей. Расширенная ER-модель.

 

Системный подход к созданию информационной системы - это комплексное изучение объекта как единого целого с представлением частей его как целенаправленных систем и изучения этих систем и взаимоотношений между ними.

При системном подходе объект рассматривается как совокупность взаимосвязанных элементов одной сложной динамической системы, которая находится в состоянии постоянных изменений под воздействием многих внутренних и внешних факторов, связанных процессами преобразования входного набора ресурсов в другие исходные ресурсы.

Системный подход имеет следующие принципы:

1) конечной цели - абсолютный приоритет конечной (глобальной) цели;

2) единства - рассмотрение системы как целого, так и совокупности частей (элементов);

3) связности - рассмотрение любой части совместно с ее связями с окружением;

4) модульного построения – полезно выделять модули в системе и рассматривать ее как совокупность модулей;

5) иерархии - полезно вводить иерархию частей (элементов);

6) функциональности - рассмотрение структуры и функций с приоритетом функций над структурой;

7) развития - учет изменений системы, ее способность к развитию, расширению, замене частей, накопления информации;

8) децентрализации - сочетание решений, которые принимаются, и управления централизации и децентрализации;

9) неопределенность - учет неопределенностей и случайностей в системе.

10)  наличие обратной связи.

 

Последовательность этапов создания БД следующая:.

Работа начинается с системного анализа предметной области с точки зрения информационных потребностей будущих пользователей,для которых создается БД. Результатом этой работы является информационно-логическая (инфологическая) модель.

   Инфологическая модель предметной области -  это системное описание предметной области, объединяющее представления пользователей о составе и структуре предметной области и связей.

На следующем шаге производится выбор СУБД, которая будет использована для создания БД и реализации приложений.

Затем происходит разработка модели данных, отражающей инфологическую модель, построенную на первом этапе. Структура модели ориентирована на способ представления данных, который применяется в используемой СУБД. Такая модель называется даталогической моделью данных.

Эти этапы носят теоретический (проектный) харак­тер. Далее начинается работа в среде СУБД. Создается структура БД и осуществляется ввод данных.

Следующий этап — разработка приложений. Пишутся программы на языке манипулирования данными (это набор операторов, позволяющих заносить данные в БД, удалять, модифицировать или выбирать существующие данные), которые обеспечивают информационные потребности пользователей. Поскольку система создается для длительного использования,то она требует постоянного сопровождения со стороны разработчика. В частности, неизбежные изменения в предметной области требуют определенной гибкости системы, позволяющей вносить соответствующие изменения в структуры данных, в приложения и пр. Выполнять всю эту работу «вручную» практически невозможно.

Начиная с 1990 х гг. в области технологий программирования сформировалось направление, получившее название Case-технологии.

Case-технология - это совокупность методов и средств авто­матизации для анализа, проектирования, разработки и сопрово­ждения сложных систем.

В Case-технологиях большую роль играют методы визуального представления информации, графические средства моделирования предметной области, в том числе построения инфологической модели, даталогической (схемы БД) модели организации данных. Всякая Case-система использует стандартный графический язык, понятный как разработчикам, так и заказчику, что позволяет им взаимодействовать на любых этапах разработки и эксплуатации информационной системы. Case-системы обеспечивают связь между построенной моделью данных (структурной или объектной) и соответствующей СУБД. Все эти возможности ускоряют процесс разработки системы, уменьшают вероятность ошибок и облегча­ют ее сопровождение.

Итак, CASE-технологии - это средство для системных аналитиков, разработчиков, программистов, обеспечивающих проектирование ИС различного класса и уровня.

 

 

  

Процесс создания информационной модели начинается с определения концептуальных требований будущих пользователей БД. Для оценки вариантов проектируемых баз данных разрабатывают информационные модели.

 

Информационная модель данных предусматривает три типа информационных моделей: концептуальный, логический, физический.

 

Требования отдельных пользователей интегрируются в едином обобщённом представлении, которое называют концептуальной моделью данной предметной области. Основной акцент при проектировании БД переносится на создание модели концептуального типа

 

 Концептуальный тип описания базы данных представляет собой информационные объекты и их взаимосвязи без указания способов описания и хранения данных. Версия концептуальной модели, которая может реализована конкретной СУБД, называется логической моделью.

 

Логическая модель отображает логические связи между информационными данными в данной концептуальной модели.

 

Физическая модель (внутренняя модель) предметной области определяет размещение данных, методы доступа к ним.Физический уровень – данные расположенные в файлах на внешних носителях.

Рис. Многоуровневое представление БД

Обычно различают три типа организации баз данных по способу установления связей между данными: иерархические, сетевые и реляционные.

Иерархическая модель данных. Иерархическая модель данных, имеет иерархическую структуру, т.е. каждый из элементов связан только с одним стоящим выше элементом, но в то же время на него могут ссылаться один или несколько стоящих ниже элементов.

Модель позволяет строить БД с древовидной структурой, где каждый узел содержит свой тип данных(сущность).На верхнем уровне один узел – корень, на следующем – располагаются узлы, связанные с этим корнем, затем узлы, связанные с узлами предыдущего уровня и т.д.

При том каждый узел может иметь только одного предка.

Поиск данных всегда начинается с корня. Затем производится спуск с одного уровня дерева на другой, пока не будет достигнут искомый уровень.

Основное достоинство иерархической модели – простота описания иерархических структур  реального мира и быстрота выполнения запросов. Но не всегда удобно каждый раз начинать поиск с корня, а другого способа нет.

Указанный недостаток снят в сетевой модели, где возможны связи всех объектов со всеми.

Сетевая модель данных. Эта модель использует ту же терминологию, что и иерархическая модель: «узел», «уровень» и «связь». В ней каждый элемент данных (узел) может быть связан с любым другим элементом (узлом). Что является расширением иерархической модели данных.

 

Недостатки сетевой модели данных – высокая сложность и жесткость схемы БД, построенной на ее основе.

 

Реляционная модель данных единственная из всех обеспечивает представление данных в виде таблиц. В простейшем случае реляционная модель описывает единственную двумерную таблицу. 

При практической разработке БД таблицы называются отношениями, строки- - записями, столбцы-атрибутами - полями. Отношением может быть и часть таблицы и отношение может быть составным, состоящим из нескольких таблиц.

 

 Построим инфологическую модель процесса обучения в школе. Учитель преподает в классе определенный учебный предмет.

Учебный предмет можно рассматривать в нашей системе как от­дельный тип объекта, через который учителя связываются с классами. Еще одним связующим объектом можно считать табель успеваемости, который связывает учеников с изучаемыми предметами.

Нарисуем схематическое изображение системы, отражающее существующие в ней объекты и связи между ними. Такая схема носит название «граф». Граф – это совокупность объектов (прямоугольников) и связей между ними (линий).

 

Каждая линия связи на этой схеме имеет определенный смысл.
Например, линия между классами и учениками имеет смысл «вхо­дят в состав» а связь между учителями и учебными предметами обозначает «преподает» и пр.  

Атрибуты — это свойства входящих в систему объектов. Учитываются лишь те свойства. которые необходимы с точки зрения целей использования системы.

Сущность – примитивный объект данных, отображающий элемент предметной области;

Связь (отношение) между сущностями изображается ромбом с указанием имени связи. На практике часто используются связи, устанавливающие различные виды соответствия между объектами «связанных» типов,- это один к одному, один ко многим, многие ко многим.

Такой граф называют информационно-логической моделью или короче — инфологической моделью предметной области. Для отображения инфологической модели используются диаграммы типа «сущность — связь» (ER диаграммы). Для того чтобы придать нашей схеме вид ER-диаграммы, к ней надо добавить ромбики с указанием имени связи и овалы с указанием атрибутов объектов.

Имя, данное связи,  (в ромбике), определяет ее смысл.  Есть еще одна характеристика связи — тип связи. Типы связей бывают: «один-к-одному» (1-1), «один-ко-многим» (1-М) и «многие-к-многим» (М-М).

Связь один к одному означает, что каждому экземпляру первого объекта соответствует только один экземпляр второго объекта и, наоборот, каждому экземпляру второго объекта соответствует только один экземпляр первого объекта.

Связь один ко многим    означает, что каждому экземпляру первого объекта соответствует несколько экземпляров второго объекта, а каждому экземпляру второго объекта соответствует только один экземпляр первого объект.

Связь многие ко многим    означает, что каждому экземпляру первого объекта соответствует несколько экземпляров второго объекта, а каждому экземпляру второго объекта соответствует тоже несколько экземпляров первого объекта

Например, связь между объектами класс, ученик — «один-ко-многим» потому, что в одном классе множество учеников, а один ученикотносится только к одному классу. Связь между объектами класс и учебный предмет - «многие ко многим» поскольку в одном классе изучается множество учебных предме­тов, и один учебный предмет преподается во множестве классов. Связь между объектами учителя и предметы также имеет тип «многие-ко-многим»:  один учитель может преподавать несколько предметов, и один и тот же предмет преподают несколько учите­лей. Связь «Классное руководство» имеет тип «один-к-одному», потому что один учитель может быть классным руководителем только в одном классе и в одном классе есть только один классный руководитель.