Основы проектирования и реализации баз данных. Методические указания к проведению лабораторных работ по курсу «Базы данных»

Теоретические сведения

Одна из наиболее сложных проблем проектирования баз данных связана с тем, что проектировщики, программисты и конечные пользователи, как правило, рассматривают данные и их назначение по-разному. Разработанный проект удовлетворит все требования пользователей только при том условии,

что и проектировщики, и пользователи придут к единому пониманию того, как работает конкретная организация и какие именно задачи автоматизируются в информационной системе. Чтобы добиться общего понимания характера данных и способов их использования в организации, необходимо применять в процессе согласования требований к автоматизированной информационной системе (АИС) общую модель, которая, с одной стороны, не усложнена техническими подробностями, а с другой – не допускает неоднозначностей.

В проектировании баз данных роль связующего звена между пониманием предметной области, которым обладают пользователи, и представлением о предметной области, формируемом у проектировщиков, играет концептуальная модель. Применение концептуальной модели направлено именно на формирование общего понимания предметной области и способов обработки данных в будущей АИС.

Таким образом, концептуальная модель предметной области предназначена для представления семантики предметной области на самом высоком уровне. Это означает, что в данной модели устранена или минимизирована необходимость использовать понятия «низкого уровня»,

связанная со спецификой физического представления и хранения данных.

Следует отметить, что концептуальная модель полезна не только при проектировании БД, но вообще при разработке информационных и программных систем как средство описания данных, с которыми эти системы работают.

Некоторые авторы называют концептуальную модель инфологической.

3

Локальные ERКонцептуальное диаграммы проектирование

Концептуальная (инфологическая)

Общая ER-

модель

диаграмма

Логическое

проектирование

Физическое

проектирование

Физическая модель

Внутренняя

схема

Реализация базы данных

База данных

Рис. Этапы проектирования баз данных

Конкретный вид и содержание концептуальной модели базы данных определяется выбранным для этого формальным аппаратом. Обычно используются графические нотации, подобные ER-диаграммам, которые отображают сущности, их атрибуты и связи. Однако может быть использован и другой аппарат, позволяющий разработать достаточно формальное описание данных.

4

Общий подход к проектированию баз данных и вообще автоматизированных информационных систем, использующих базы данных,

предлагает трехэтапную методологию проектирования:

Концептуальное проектирование – создание концептуального представления базы данных, включающее определение типов важнейших сущностей и существующих между ними связей и атрибутов. На этом этапе конструируется информационная модель организации (или отдельного автоматизируемого бизнес-процесса, т.е. предметной области), не зависящая от любых деталей реализации, например, типа и производителя СУБД,

аппаратных и программных платформ и т.д.

Логическое проектирование – преобразование концептуального представления в логическую структуру базы данных, соответствующую выбранной модели данных (для реляционной модели данных на этом этапе проектируются реляционные отношения). На этом этапе не рассматривают особенности используемой СУБД (только ее тип – реляционная или другая),

вопросы физического размещения данных, производительности.

Физическое проектирование – принятие решения о том, как логическая модель будет физически реализована в базе данных с использованием выбранной СУБД (в реляционных СУБД модель данных реализуется в виде таблиц БД). Определяются, в частности, вопросы физического размещения БД во внешней памяти, состав индексов, реализации ограничений целостности и т.п.

Лабораторная работа № 1

Анализ и моделирование предметной области

Цель работы

Научиться выполнять анализ предметной области при разработке автоматизированной информационной системы (АИС) с целью выявления основных бизнес-процессов, категорий пользователей, их задач и видов

5

обрабатываемых в информационной системе данных. Освоить на практике применение ER-диаграмм для концептуального моделирования предметной области.

Задание

Выбрать и описать предметную область для разработки АИС, разработать концептуальную модель предметной области и представить ее в виде ERдиаграммы в нотации Чена.

Порядок выполнения работы

1.Выбрать предметную область для разработки АИС. В качестве предметной области может быть выбрана небольшая организация или определенная задача (бизнес-процесс), решаемая в крупной организации. Предметная область должна отвечать следующим требованиям:

а. Предусматривать не менее 3-х категорий пользователей.

б. Содержать не менее 5 объектов, информация о которых должна храниться в базе данных.

2.Сформулировать описание предметной области, назначение АИС, перечень решаемых задач.

3.Выделить основные бизнес-процессы, автоматизацию которых должна обеспечить информационная система. Описать каждый бизнес-процесс последовательностью этапов (шагов) с указанием участвующих в выполнении этих этапов категорий людей (клиентов организации, отделов, должностей и т.п.).

4.По описанию предметной области и бизнес-процессов выделить основные категории пользователей разрабатываемой АИС (3-5 категорий), охарактеризовать решаемые ими задачи.

5.По описанию предметной области и бизнес-процессов выделить основные виды информации (объектов/процессов и т.п), которая будет обрабатываться в АИС (7-10 видов) с указанием атрибутов, которыми характеризуется каждый из видов. Классифицировать информацию на постоянно хранимую и временную.

6

6. Сформулировать на естественном языке требования к получению сводной информации в АИС («отчетам»), предполагающие объединение,

обобщение информации нескольких видов (не менее 3 отчетов).

7. Для каждой категории пользователей разработать концептуальную модель локального представления в виде ER-диаграммы в нотации Чена.

Модель должна содержать сущности, связи и атрибуты.

8. Выполнить объединение моделей локальных представлений и построить общую концептуальную модель предметной области в виде ER-

диаграммы в нотации Чена.

Содержание отчета

1.Титульный лист.

2.Цель работы, задание.

3.Анализ предметной области.

3.1.Описание предметной области.

3.2.Основные бизнес-процессы.

3.3.Категории пользователей.

3.4.Обрабатываемая информация.

3.5.Требования к отчетам.

4. Разработка концептуальной модели.

4.1.Модели локальных представлений (ER-диаграммы в нотации Чена).

4.2.Общая концептуальная модель (ER-диаграммы в нотации Чена).

Контрольные вопросы

1.Задачи концептуального моделирования.

2.Интеграция локальных представлений.

3.Элементы ER-модели. ER-диаграммы в нотации Чена.

4.Виды сущностей в ER-модели.

5.Виды атрибутов в ER-модели.

6.Виды связей в ER-модели. Атрибуты связей.

7

7.Многосторонние и рекурсивные связи в ER-модели.

8.Уточнение и обобщение сущностей в ER-модели.

9.Параллельные связи и циклы в ER-модели.

Лабораторная работа № 2 Концептуальное и логическое проектирование базы данных

Цель работы

Научиться проектировать базы данных с использованием трехэтапной методологии: концептуальное – логическое – физическое проектирование. Освоить на практике разработку концептуальной и логической моделей данных в среде Sybase PowerDesigner.

Задание

Разработать в среде Sybase PowerDesigner концептуальную и логическую модели данных для концептуальной модели предметной области, сформированной в лабораторной работе №1.

Порядок выполнения работы

1. Проанализировать концептуальную модель и устранить особенности, которые не могут быть отражены при разработке концептуальной модели данных в PowerDesigner (при наличии):

а. Многосторонние связи – связи, в которых участвуют три или более сущностей. Такие связи должны быть заменены промежуточной сущностью и необходимым количеством двухсторонних связей с этой сущностью.

б. Атрибуты связей. Такие связи должны быть заменены промежуточной сущностью и связями с этой сущностью.

в. Многозначные атрибуты – атрибуты, которые хранят несколько значений для одного экземпляра сущности (например, атрибут «Номера телефонов», хранящий до 3-х телефонных номеров компании). Такие атрибуты могут быть заменены либо новой сущностью, связанной с данной, либо соответствующим количеством простых атрибутов (если количество возможных значений не превышает 3-х).

8

2. Разработать в среде PowerDesigner концептуальную модель данных с представлением E/R диаграммы в нотации Craw’s Foot (в PowerDesigner

выбрать для модели нотацию «Entity/Relationship»). При разработке концептуальной модели:

а. Указать сущности, атрибуты, связи между сущностями.

б. Назначить наименования (name) элементов модели на русском языке,

коды (code) элементов – на английском.

в. Для атрибутов указать типы данных, признаки обязательности.

г. Для связей указать кратность (арность) связи и обязательность для каждой сущности.

д. Назначить идентифицирующие атрибуты для сущностей.

е. Выделить зависимые (слабые) сущности и указать признак зависимости для соответствующих связей с базовыми (сильными) сущностями.

3. На основе концептуальной модели данных сформировать в среде

PowerDesigner логическую модель данных. Уточнить в логической модели следующие элементы:

а. Имена атрибутов реляционных отношений, сгенерированных

PowerDesigner для поддержки внешних ключей (при наличии параллельных связей между сущностями, рекурсивных связей и в некоторых других случаях).

б. Добавить альтернативные ключи отношений (при наличии).

Содержание отчета

1. Титульный лист.

2. Цель работы, задание.

3. Концептуальная модель.

3.1. Диаграмма концептуальной модели (в нотации Craw’s Foot –

«Entity/Relationship»).

3.2. Спецификация сущностей.

3.3. Спецификация доменов.

4. Логическая модель.

9

4.1.Диаграмма логической модели (в нотации Craw’s Foot –

«Entity/Relationship»).

4.2.Спецификация реляционных отношений.

Контрольные вопросы

1.Понятие первичного, альтернативного и внешнего ключа.

2.Генерация реляционных отношений для связи между сущностями 1:N.

3.Генерация реляционных отношений для связи между сущностями 1:1.

4.Генерация реляционных отношений для связи между сущностями M:N.

5.Генерация реляционных отношений для зависимых (слабых) сущностей.

6.Генерация реляционных отношений для рекурсивных связей.

7.Генерация реляционных отношений для связи наследования.

8.Генерация реляционных отношений для связей с атрибутами.

9.Генерация реляционных отношений для многосторонних связей.

Лабораторная работа № 3 Разработка физической модели данных и создание БД

Цель работы

Изучить задачи физического проектирования базы данных. Освоить на практике разработку физической модели данных в среде Sybase PowerDesigner и модификацию схемы данных с использованием SQL-запросов.

Задание

Сформировать в среде PowerDesigner физическую модель данных на основе логической модели, разработанной в лабораторной работе №2. Создать базу данных средствами выбранной СУБД и отработать сценарий модификации схемы данных.

Порядок выполнения работы

1. На основе логической модели данных сформировать в среде

PowerDesigner физическую модель данных для выбранной СУБД.

10