Modelarea bazei de date

Obiectivele datelor în baze de date

Baza de date este un ansamblu structurat de date legate între ele, un depozit de date unic definit o singură dată şi utilizat simultan de mai mulţi utilizatori. Baza de date este o resursă comună şi partajată. Baza de date conţine nu numai date ci şi descrierea acestora. Descrierea datelor este cunoscută sub denumirea de dicţionar de date (catalog de sistem, sau meta-date) şi reprezintă date despre date. Prin faptul ca baza de date conţine şi descrierea datelor se realizează independenţa program - date. Baza de date realizează separarea definiţiei datelor de programele de aplicaţie. Prin această abstractizare a datelor devine posibilă modificarea definiţiei unei date fără a afecta utilizatorii acesteia cu condiţia ca semnificaţia datei respective, adică definiţia externă a acesteia, să rămână aceeaşi.

Ceea ce este important de reţinut referitor la conceptul de bază de date este aceea că el nu poate fi definit complet decât dacă se au în vedere două unghiuri de vedere diferite şi legătura dintre acestea:

-          caracteristicile bazei de date din punctul de vedere al utilităţii în cadrul sistemului real în care se implementează, respectiv locul şi rolul bazei de date în cadrul sistemului informaţional-decizional, schema externă, nivelul extern (viziunea externă);

-          caracteristicile tehnice ale bazei de date, respectiv locul şi rolul bazei de date în cadrul sistemului de prelucrarea datelor, schema internă, nivelul intern (viziunea internă);

-          legătura dintre cele două viziuni, cea externă şi cea internă este realizată de schema conceptuală (nivelul conceptual), care are rolul de a constitui schema logică a întregii baze de date, adică reprezintă o imagine completă a cerinţelor organizaţiei privind datele, fiind independentă de orice consideraţii privind stocarea.

-          Standardizarea în domeniul bazelor de date s-a impus de la începutul anilor 70 impunându-se pentru baza de date trei niveluri de abstractizare, adică trei niveluri distincte la care pot fi descrise datele. Aceasta formează o arhitectură cu trei niveluri, cuprinzând un nivel extern, unul conceptual şi unul intern. Pentru fiecare nivel se defineşte o schemă corespunzătoarea a bazei de date. Obiectivul arhitecturii cu trei niveluri este separarea vederii fiecărui utilizator asupra bazei de date de modul în care ea este reprezentată fizic.

-          Viziunea utilizatorului individual se numeşte vedere externă sau model extern, la nivel extern existând o mulţime de vederi externe, de sub-scheme externe, corespunzătoare fiecărui utilizator individual. O vedere externă poate fi considerată ca fiind din punctul de vedere al utilizatorului individual conţinutul bazei de date, adică ceea ce „vede” el din baza de date. Acest nivel descrie acea parte a bazei de date care este relevantă pentru fiecare utilizator schema externă fiind formată din mulţimea de sub-schemelor externe. Schema conceptuală este o reprezentare a tuturor informaţiilor conţinute de baza de date într-o formă abstractă. Ea reprezintă o viziune, o vedere a datelor aşa cum sunt ele în realitate, fără a ţine cont de modul în care vede datele fiecare utilizator. Nivelul conceptual reprezintă o vedere generală a bazei de date. Acest nivel descrie ce date sunt stocate în baza de date şi relaţiile dintre acestea. Pentru o bază de date există o singură schemă conceptuală. Vederea internă precizează modul în care se memorează efectiv datele ce formează baza de date şi este descrisă de schema internă a bazei de date. Nivelul intern este reprezentarea fizică a bazei de date pe calculator. Acest nivel descrie cum sunt stocate datele în baza de date precum şi metodele de acces, criteriile de ordonare şi regăsire pe baza unor criterii de performanţă şi flexibilitate care asigură performanţe optime. Pentru baza de date există o singură schemă externă.

-                Pentru a stabili corespondenţa între fiecare schemă externă şi schema internă, în cadrul bazei de date există mecanisme care folosesc informaţiile din schema conceptuală. Fiecare sub-schemă externă este o imagine a schemei conceptuale.

-                Trebuie să se facă distincţie între descrierea bazei de date, care constituie schema bazei de date şi baza de date însăşi. Schema bazei de date este definită în cursul procesului de proiectare a bazei de date, modificările ulterioare fiind nesemnificative. Datele reale din baza de date pot fi modificate frecvent. Mulţimea de valori concrete stocate, la un moment dat, se numeşte instanţă a bazei de date.

-          Descrierea generală a bazei de date se numeşte schema bazei de date şi vizează structurile de date, legăturile dintre date şi regulile care asigură coerenţa datelor. Pentru o bază de date există trei tipuri diferite de scheme care sunt în concordanţă cu nivelurile de abstractizare ale arhitecturii bazei de date.

 

Numim model de date o colecţie integrată de concepte, necesare descrierii datelor, a relaţiilor dintre date şi a constrângerilor asupra datelor dintr-o organizaţie. Modelul de date este o reprezentare abstractă a obiectelor şi a evenimentelor lumii reale şi a asocierilor dintre acestea, cu ajutorul căruia se reprezintă o organizaţie. Un model de date este definit sub trei aspecte, şi anume o componentă structurală, care cuprinde regulile de definire a datelor, o componentă de manipulare datelor, care defineşte tipurile de operaţii permise asupra datelor şi o mulţime de reguli care garantează integritatea şi coerenţa datelor. Pentru modelarea datelor la nivel conceptual şi extern se folosesc modele de date bazate pe obiecte şi modele de date bazate pe înregistrări, iar la nivel fizic modele de date fizice. Modelele de date bazate pe obiecte utilizează conceptele: entitate, atribut şi relaţie. Cele mai cunoscute tipuri de modele de date bazate pe obiecte sunt modelul Entitate - Relaţie, modelul semantic, modelul funcţional şi modelul orientat spre obiecte. Modelul Entitate – Relaţie reprezintă un model de date conceptual de nivel înalt, neformalizat, care descrie structura bazei de date, precum şi tranzacţiile de regăsire, respectiv de reactualizare asociate. Acest model, permite o reprezentare a unui sistem real, grupând elementele sistemului real în entităţi şi asocieri (legături) între entităţi. Modelul de date orientat spre obiecte extinde definiţia conceptului entitate în sensul că se descrie atât starea prin atribute, cât şi comportamentul prin acţiunile asociate. Obiectul încapsulează starea şi comportamentul. Modelarea conceptuală presupune realizarea unui model de date pentru informaţiile care există în cadrul unei organizaţii independent de detaliile de implementare.

Analiza necesităţilor informaţionale ale unei organizaţii presupune identificarea entităţilor, a atributelor acestora şi a relaţiilor dintre entităţi. O Entitate (entity) este un obiect care poate fi identificat în mod distinctiv (persoană, loc, concept, activitate, eveniment), care este semnificativ pentru sistemul real, un obiect despre care dorim să înregistrăm informaţii. Un atribut (attribute) este o proprietate care descrie un aspect oarecare al obiectului pe care dorim să îl definim. Entităţile similare care pot fi descrise prin aceleaşi atribute formează un tip de entitate (entity type), iar colecţia formată din toate entităţile de acelaşi tip formează o mulţime de entităţi (entity set). Entitatea este descrisă de atributele sale relevante. Fiecare atribut reprezintă o caracteristică semnificativă, atributele având rolul de a defini conţinutul unei identităţi. Pentru fiecare atribut există o mulţime de valori posibile, potenţiale, care formează un domeniu de valori. Atributele pot fi simple sau compuse. Atributul simplu are o singură componentă cu existenţă independentă. Atributul compus este format din mai multe componente, fiecare având o existenţă independentă. Prin valori concrete date atributelor ce definesc o entitate se obţine o realizare, o apariţie, o instanţă a respectivei entităţi. Un atribut poate avea o singură valoare, sau mai multe valori pentru o anumită entitate. Este posibil ca valoarea unui atribut să fie derivabilă din valoarea unui alt atribut sau din valorile mai multor atribute ale respectivei entităţi sau ale altor entităţi. Numim cheie candidat atributul sau mulţimea de atribute ale unei entităţi care identifică în mod unic apariţiile individuale ale unui tip de entitate. Un tip de entitate poate avea mai multe chei candidat. Pe baza unor consideraţii privind pricind caracterul unic, precum şi de structura cheilor candidat din mulţimea de chei candidat se alege o cheie candidat care va fi numită cheie primară, iar celelalte vor fi numire chei alternative. O cheie candidat formată din mai multe atribute va fi numită cheie compusă.

Numim tip de relaţie o asociere semnificativă între tipuri de entităţi. Un tip de relaţie are asociată o anumită funcţie. Fiecare prezenţă unic identificabilă a unui tip de relaţie se numeşte relaţie. Numim relaţie (relationship) o asociere, o comunicare, o corespondenţă între două sau mai entităţi. Relaţia exprimă raportul existent între respectivele entităţi şi există doar dacă entităţile există. O valoare a unei relaţii este o comunicare între valorile entităţilor pe care le leagă. Entităţile implicate într-o anumită relaţie se numesc participanţi în relaţie. O relaţie în care o anumită entitate participă mai mult decât o dată având roluri diferite se numeşte relaţie recursivă. O relaţie este caracterizată prin gradul relaţiei, care exprimă numărul de entităţi participante. Din punctul de vedere al numărului de mulţimi de entităţi participante entităţile pot fi binare, respectiv multiple. Asocierile binare sunt de trei tipuri după numărul elementelor din fiecare dintre cele două mulţimi puse în corespondenţă:

-          asocierea unul - la - unul (one-to-one);

-          asocierea unul – la - mai multe (one-to-many) şi mai multe – la - unul (many-to-one);

   

-          asocierea mai multe – la - mai multe (many-to-many)

.

Constrângerile care pot fi impuse entităţilor participante într-o relaţie trebuie să reflecte restricţiile asupra relaţiilor, aşa cum sunt ele în sistemul real. Există două tipuri de constrângeri asupra relaţiilor, numire constrângeri de cardinalitate şi constrângeri de participare. Regulile care definesc cardinalitatea sunt numite reguli de afaceri. Toate regulile de afaceri din sistemul real trebuie identificate şi reprezentate în modelul de date. Prin constrângerile de participare se stabileşte Atunci când existenţa unei entităţi depinde de o altă entitate de care este legată printr-o relaţie spunem că există o constrângere de participare. Constrângerea de participare poate fi totală (obligatorie) atunci când existenţa unei entităţi necesită existenţa unei entităţi asociate printr-o relaţie, respectiv constrângere de participare este parţială (opţională) atunci când constrângerea nu condiţionează când existenţa entităţii.

Baza de date este o transpunere fizică, în calculator, a modelului de date, care conţine entităţile, atributele ce definesc entităţile şi relaţiile dintre entităţi.