Проектирование баз данных

• сбор документации с результатами анализа предметной области базы данных в виде диаграмм, спецификаций и требований;
• контроль качества результатов анализа предметной области базы данных;
• систематизация требований и спецификаций заказчика к базе данных;
• подготовка плана проектирования базы данных.

 

В ходе контроля качества основными моментами деятельности являются контроль ER-диаграмм и контроль диаграмм функциональной модели предметной области. На основании ER-диаграмм создается логическая модель реляционной базы данных; на основании диаграмм функциональной модели разрабатывается серверный код и проектируются модули приложений базы данных.

 

Систематизация требований заказчика к базе данных проводится с целью их адекватного распределения по этапам проектирования базы данных. Важным результатом систематизации является вывод о достаточности требований и реализуемости базы данных. Заказчик должен точно знать, что он получит и чего не получит в результате создания базы данных! Особенно важно указать, чего он не получит. Анализ требований на реализуемость базы данных в рамках конкретного ИТ-проекта служит основой для принятия решения менеджером проекта о возможности реализации проекта в целом.

 

Создав бизнес-модель проектирования базы данных, вы, фактически, составили план проектирования базы данных. Позициями рабочего плана являются работы бизнес-модели процесса проектирования базы данных, которые дополняются сведениями об ответственных исполнителях и сроках исполнения. Каждый уровень декомпозиции процесса уточняет этот план.

 

Настоящая бизнес-модель процесса проектирования базы данных представляет собой достаточно простой  типичный пример бизнес-модели проектирования. В общем случае содержание бизнес-модели проектирования зависит от многих факторов: личности менеджера и состава команды проекта, объема проекта, проектных рисков и т.д.

 

4. Бизнес-модель  процесса проектирования реляционной  базы данных: создание логической  модели базы данных

 

Основной целью этапа  создания логической модели базы данных является преобразование информационной модели предметной области базы данных в логическую модель реляционной базы данных. Создание логической модели базы данных предполагает решение следующих основных задач и выполнения операций в рамках таких задач:

• нормализация сущностей предметной области:
• получить список атрибутов сущности;
• определить функциональные зависимости (ФЗ) в сущности;
• определить детерминанты сущности;
• определить возможные ключи отношения, в частности, рассмотрев уникальный идентификатор сущности.
• выполнить нормализацию сущности (преобразовать сущность в отношение);
• для полученного отношения назначить первичные ключи;
• сформировать список кандидатов на внешние ключи, если необходимо;
• сформировать бизнес-правила поддержки целостности сущности, если необходимо;
• нормализация отношений логической модели базы данных:
• определить степень связи сущностей;
• определить класс принадлежности сущности к связи;
• нормализовать отношение (разрешить связи);
• назначить первичные ключи связывающих отношений, исходя из уникального идентификатора связи и процедуры миграции ключей при нормализации;
• определить атрибуты связывающих отношений, если необходимо;
• сформировать бизнес-правила поддержки целостности связей;
• проверка правильности логической модели реляционной базы данных:
• проверка отношений на соответствие нормальной форме Бойса-Кодда;
• проверка отношений на свойства соединения без потерь и сохранения функциональных зависимостей;
• предотвращение потери данных путем миграции первичных ключей отношения и назначения внешних ключей;
• проверка на отсутствие незамкнутых связей;
• проверка на отсутствие одиночных отношений;
• формулировка части исходных данных для решения задачи управления ссылочной целостностью;
• документирование логической модели реляционной базы данных;
• принятие решения о реализуемости построенной логической модели реляционной базы данных;
• принятие решения о разработке физической модели реляционной базы данных.

Результатом проектирования логической модели базы данных является нормализованная схема отношений базы данных. Отметим, что в ходе выполнения этапа создания логической модели базы данных могут быть созданы новые объекты базы данных, не предусмотренные в информационной модели предметной области, например связывающая сущность при нормализации отношения со степенью связи "многие-ко-многим". Иногда на этом этапе принимается решение о выборочной денормализации отношений.

 

На рис. 3.4-рис. 3.6 представлены бизнес-модели процессов создания логической модели базы данных, нормализации сущности предметной области и нормализации отношений логической модели базы данных соответственно.

Рис. 3.4.  Бизнес-модель процесса создания логической модели базы данных

 

 

 

 

 

 

                                                

 

 

 

 

                                                                                                                                          Рис. 3.5.  Бизнес-модель процесса нормализации сущности

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3.6.  Бизнес-модель процесса нормализации отношения

 

Представленные задачи составляют минимально необходимый набор задач, позволяющих спроектировать логическую модель базы данных, и могут рассматриваться как один из возможных способов организации работ в этой области.

 

5. Бизнес-модель  этапа проектирования - создание физической модели реляционной базы данных

 

Организационная сторона  решения профессиональной задачи проектировщика баз данных - задача создания физической модели реляционной базы данных. Основная цель решения этой задачи: преобразовать  логическую модель реляционной базы данных в последовательность команд SQL для создания объектов реляционной базы данных. Таким образом, проектировщик базы данных отображает отношения логической модели реляционной базы данных (сущности предметной области, представленные в нормализованной форме на ER-диаграммах) в таблицы и индексы реляционной базы данных.

 

Эта задача включает выполнение ряда обязательных последовательных процедур.

Создание базовых таблиц. Они представляют основные блоки  хранения данных и выводятся из сущностей  логической модели данных. При создании каждой таблицы проектировщик должен рассмотреть и учесть ряд факторов:

• определить список колонок в таблице. Колонки выводятся из атрибутов сущности логической модели данных;
• определить типы данных для каждой колонки. Типы данных колонок либо заданы спецификацией домена атрибута логической модели, либо определяются проектировщиком самостоятельно;
• определить имя таблицы. Оно может быть выведено из имени сущности логической модели базы данных или задано проектировщиком самостоятельно. Желательно в этот момент определить собственника таблицы - пользователя, который будет иметь все права доступа на таблицу, а также потенциальных пользователей таблицы;
• определить ряд параметров, связанных с характером хранения таблицы в физической базе данных;
• определить ограничения на значения колонок, исходя из ряда бизнес-правил.

Создание связывающих  таблиц, необходимых для разрешения отношения "многие-ко-многим", если они имеют место в логической модели базы данных. В рамках ER-диаграмм это отношение может быть уже разрешено. Тогда речь пойдет только о его реализации в командах SQL.

Принять решение о  способе поддержки ссылочной  целостности в базе данных. Если будет решено поддерживать ссылочную  целостность на уровне команд SQL, то специфицировать ограничения ссылочной целостности. Эта задача решается в четыре этапа:

• идентифицировать первичные ключи каждой таблицы;
• построить индексы первичного ключа;
• определить внешние ключи в дочерних таблицах, если необходимо;
• построить команды SQL, которые идентифицируют внешние ключи в дочерних таблицах и правила поддержки ссылочной целостности;
• Если необходимо, построить представления внешней схемы базы данных.

 

В результате решения  данной задачи делается важный вывод  о правильности полученной первой итерации физической модели базы данных, осуществляется документирование физической модели данных в виде скрипта, принимается решение о характере дальнейшей разработки физической модели данных.

 

6. Бизнес-модель  этапа проектирования - создание  физической модели реляционной базы данных: учет влияния транзакций

 

Решая профессиональную задачу создания физической модели данных - учет влияния транзакций, - проектировщик  базы данных стремиться создать такую  физическую модель данных, которая, по его мнению, давала бы наибольшую производительность обработки запросов базы данных. На практике, особенно при создании и разработке новых баз данных, такая задача вряд ли может быть решена полностью. Ясно, что для ее решения необходимо иметь список всех запросов к базе данных, их частоте и объеме выборок по каждому, что в принципе невозможно. Поэтому проектировщики базы данных на основе анализа исходной документации и опросов потенциальных пользователей пытаются систематизировать транзакции к базе данных, оценить кардинальность таблиц в целом и отдельных колонок в частности. На основе таких оценок проектировщик базы данных пытается определить критические транзакции и настроить структуры таблиц, задействованных в таких транзакциях, на достижение, с его точки зрения, максимальной производительности. При этом он выдвигает гипотезы о применимости того или иного способа повышения производительности обработки запросов и умозрительно проверяет их. Далее он принимает решение о применении наиболее подходящего, с его точки зрения, способа увеличения производительности запросов.

 

Следует понимать, что  задача обеспечения высокой производительности базы данных - это задача, которую  постоянно решает администратор  базы данных в процессе ее эксплуатации. На этом этапе проектирования базы данных проектировщик, по мере возможности, готовит успешное решение этой задачи. Этот этап является очень ответственным в физическом проектировании базы данных, поэтому следует соблюдать при решении этой задачи разумный прагматизм и документировать свои решения. Должно действовать эмпирическое правило: если проектировщик базы данных не имеет достаточно данных для надежного решения задачи повышения производительности базы данных, то решение этой задачи должно быть передано администратору базы данных.

 

На этом этапе проектирования физической модели реляционной базы данных проектировщик базы данных:

• исходя из требований к характеру обработки данных, определяет тип приложения базы данных;
• по имеющимся требованиям и описаниям выполняет систематизацию и описание по возможности всех транзакций к базе данных;
• отталкиваясь от исходной документации, определяет возможные размеры таблиц, а если это невозможно, делает предположения об их возможном размере;
• исходя из фактических размеров таблиц и требований к производительности выполнения транзакций, определяет критические транзакции;
• для каждой критической транзакции необходимо оценить кардинальность каждой колонки, задействованной в транзакции и, по возможности, кардинальность выборки;
• далее, рассматривая в первую очередь критические транзакции и таблицы, которые в них участвуют, проектировщик базы данных принимает субъективные решения по изменению структуры таблиц внутренней схемы базы данных, исходя из тех механизмов, которые ему предоставляет конкретная СУБД;
• по завершении изменения структур таблиц проектировщик базы данных документирует эти изменения, приводя обоснование своих решений для администратора базы данных.

 

В результате проектировщик  базы данных создает физическую модель базы данных, которая учитывает характер обработки данных в базе данных, выраженный через учет влияния транзакций.

 

7. Краткое рассмотрение  задач создания серверного кода  и подготовки скрипта

Профессиональная задача проектирования баз данных - разработка серверного кода базы данных - возникает, как правило, в многопользовательской вычислительной среде.

 

В многопользовательских  системах пользователи совместно используют вычислительные ресурсы, в частности  ресурсы дисковой памяти и оперативной  памяти процессора. Вычислительные ресурсы  могут быть сконцентрированы в одном месте (централизованные вычисления) или быть рассредоточенными в различных узлах, объединенных в компьютерную сеть (распределенные вычисления). СУБД в любом случае призвана координировать и осуществлять доступ пользователей к базам данных и их объектам.

 

Большинство современных  СУБД поддерживают концепцию клиент-серверной  технологии для распределенных вычислений. Это означает, что существуют концентраторы  вычислений (называемые серверами), на которых выполняется наибольший объем вычислений с данными (серверы баз данных), и машины пользователей (клиенты), на которых выполняются приложения пользователей.

 

Приложения формируют  запросы в форме команд SQL к  базам данных, отправляют их серверам баз данных, получают запрашиваемые  данные и обрабатывают их.

 

В клиент-серверной вычислительной среде приложение может взаимодействовать  с сервером баз данных по другой схеме: когда приложение отправляет запрос, этот запрос обрабатывается на сервере, а приложению возвращается готовый результат.

 

Работа приложения по второй схеме основывается на использовании так называемого серверного кода (server-side code) - любого кода, выполняемого компьютером, на котором установлена СУБД. Ядро СУБД выполняет этот код в базе данных и возвращает приложению только результат. Например, это может быть несколько колонок строки или вычисленное значение.

 

Использование серверного кода может значительно сократить  объем сетевого трафика и тем  самым увеличить производительность базы данных в целом. Однако СУБД должна иметь встроенные средства для распознавания и обработки такого кода. Многие фирмы - производители промышленных СУБД, в том числе и Oracle, предлагают процедурные расширения SQL, с помощью которых можно выполнять построчную обработку данных, использовать циклы, сложные вычисления и операции управления данными.

 

PL/SQL является таким  расширением SQL в СУБД Oracle 9i. Он  позволяет создавать серверный  код в виде объектов реляционной  базы данных, таких, как хранимые  процедуры, функции, пакеты и  триггеры. Проектировщик реляционной базы данных, который использует для создания базы данных СУБД Oracle, имеет возможность рассмотреть создания таких объектов с целью сокращения сетевого трафика или принять решение о переносе определенного объема обработки на сервер, особенно в тех случаях, когда эта обработка выполняется очень интенсивно. Например, несколько строк разных таблиц проверяются перед вставкой новой строки.