Глава 3. Проектирование баз данных

Этапы проектирования баз данных

Создание и внедрение в практику современных информационных систем автоматизированных баз данных выдвигает новые задачи проектирования, которые невозможно решать традиционными приемами и методами. Большое внимание необходимо уделять вопросам проектирования баз данных. От того, насколько успешно будет спроектирована база данных, зависит эффективность функционирования системы в целом, ее жизнеспособность и возможность расширения и дальнейшего развития. Поэтому вопрос проектирования баз данных выделяют как отдельное, самостоятельное направление работ при разработке информационных систем.

Проектирование баз данных — это итерационный, многоэтапный процесс принятия обоснованных решений в процессе анализа информационной модели предметной области, требований к данным со стороны прикладных программистов и пользователей, синтеза логических и физических структур данных, анализа и обоснования выбора программных и аппаратных средств. Этапы проектирования баз данных связаны с многоуровневой организацией данных. Рассматривая вопрос проектирования баз данных, будем придерживаться такого многоуровневого представления данных: внешнего, инфологического, логического (даталогического) и внутреннего.

Такое представление уровней данных не единственное. Существуют и другие варианты многоуровневого представления данных. Так, в соответствии с предложениями исследовательской группы по системам управления данными Американского национального института стандартов ANSI/X3/SPARC, а также CODASYL (Conference on Data Systems Languages), как правило, выделяется три уровня представления данных:

внешний уровень (с точки зрения конечного пользователя и прикладного программиста),

концептуальный уровень (с точки зрения СУБД),

внутренний уровень (с точки зрения системного программиста).

В соответствии с этой концепцией внешний уровень это часть (подмножество) концептуальной модели, необходимая для реализации какого-либо запроса или прикладной программы. То есть, если концептуальная модель выступает как схема, поддерживаемая конкретной СУБД, то внешний уровень — это некоторая совокупность подсхем, необходимых для реализации конкретной прикладной программы или запроса пользователя.

Существует также другая точка зрения, в соответствии с которой под внешним уровнем понимают более общие понятия, связанные с изучением и анализом информационных потоков предметной области и их структуризацией. Некоторые авторы вводят вспомогательный уровень (промежуточный между внешним и даталогическим уровнями), который называется инфологическим. Он может выступать как самостоятельный или быть составной частью внешнего уровня. Такая концепция более целесообразна с точки зрения понимания процесса проектирования БД.

Поэтому будем рассматривать инфологический уровень как самостоятельный уровень представления данных. Внешний уровень в этом случае выступает как отдельный этап проектирования, на котором изучается все внемашинное информационное обеспечение, то есть формы документирования и представления данных, а также внешняя среда, в которой будет функционировать банк данных с точки зрения методов фиксации, сбора и передачи информации в базу данных.

При проектировании БД на внешнем уровне необходимо изучить функционирование объекта управления, для которого проектируется БД, всю первичную и выходную документацию с точки зрения определения того, какие именно данные необходимо сохранять в базе данных. Внешний уровень это, как правило, словесное описание входных и выходных сообщений, а также данных, которые целесообразно сохранять в БД. Описание внешнего уровня не исключает наличия элементов дублирования, избыточности и несогласованности данных. Поэтому для устранения этих аномалий и противоречий внешнего описания данных выполняется инфологическое проектирование. Инфологическая модель является средством структуризации предметной области и понимания концепции семантики данных. Инфологическую модель можно рассматривать в основном как средство документирования и структурирования формы представления информационных потребностей, которая обеспечивает непротиворечивое общение пользователей и разработчиков системы.

Все внешние представления интегрируются на инфологическом уровне, где формируется инфологическая (каноническая) модель данных, которая не является простой суммой внешних представлений данных.

Инфологический уровень представляет собой информационно-логическую модель (ИЛМ) предметной области, из которой исключена избыточность данных и отображены информационные особенности объекта управление без учета особенностей и специфики конкретной СУБД. То есть инфологическое представление данных ориентированно преимущественно на человека, который проектирует или использует базу данных.

Логический (концептуальный) уровень построен с учетом специфики и особенностей конкретной СУБД. Этот уровень представления данных ориентирован больше на компьютерную обработку и на программистов, которые занимаются ее разработкой. На этом уровне формируется концептуальная модель данных, то есть специальным способом структурированная модель предметной области, которая отвечает особенностям и ограничениям выбранной СУБД. Модель логического уровня, поддерживаемую средствами конкретной СУБД, называют еще даталогической.

Инфологическая и даталогическая модели, которые отображают модель одной предметной области, зависимы между собой. Инфологическая модель может легко трансформироваться в даталогическую модель.

Внутренний уровень связан с физическим размещением данных в памяти ЭВМ. На этом уровне формируется физическая модель БД, которая включает структуры сохранения данных в памяти ЭВМ, в т.ч. описание форматов записей, порядок их логического или физического приведения в порядок, размещение по типам устройств, а также характеристики и пути доступа к данным.

От параметров физической модели зависят такие характеристики функционирования БД: объем памяти и время реакции системы. Физические параметры БД можно изменять в процессе ее эксплуатации с целью повышения эффективности функционирование системы. Изменение физических параметров не предопределяет необходимости изменения инфологической и даталогической моделей.

Схема взаимосвязи уровней представления данных в БД изображена на рис. 4.1. В соответствии с этими уровнями проектируется БД. Проектирование БД— это сложный и трудоемкий процесс, который требует привлечения многих высококвалифицированных специалистов. От того, насколько квалифицированно спроектирована БД, зависят производительность информационной системы и полнота обеспечения функциональных потребностей пользователей и прикладных программ. Неудачно спроектированная БД может усложнить процесс разработки прикладного программного обеспечения, обусловить необходимость использования более сложной логики, которая, в свою очередь, увеличит время реакции системы, а в дальнейшем может привести к необходимости перепроектирования логической модели БД. Реструктуризация или внесение изменений в логическую модель БД это очень нежелательный процесс, поскольку он является причиной необходимости модификации или даже перепрограммирование отдельных задач.