Диаграммы «сущность-связь»: нотация Чена; нотация Баркера; построение модели

Диаграммы «сущность-связь» (ERD) предназначены для разработки моделей данных и обеспечивают стандартный способ определения данных и отношений между ними. С помощью ERD-диаграмм осуществляется детализация хранилищ данных моделируемой и проектируемой системы путем идентификации и документирования объектов (сущностей), важных для предметной области, свойств этих объектов (атрибутов) и их отношений с другими объектами (связей).

 

Нотация Чена

Нотация ERD-диаграмм была предложена Ченом. Нотация Чена предоставляет богатый набор средств моделирования данных, включая собственно ERD-диаграммы, а также диаграммы атрибутов и диаграммы категоризации. Эти диаграммные техники используются для моделирования и проектирования как реляционных, так и иерархических и сетевых баз данных.

Сущность представляет собой множество экземпляров реальных или абстрактных объектов (людей, событий, предметов, состояний, идей и т.п.), обладающих общими характеристиками (атрибутами). Любой объект системы может быть представлен только одной сущностью, которая должна быть уникально идентифицирована. При этом имя сущности должно отражать тип или класс объекта, а не его конкретный экземпляр (например, Город, а не Москва).

Отношение представляет собой связь между двумя и более сущностями. Именование отношения осуществляется с помощью грамматического оборота глагола (Имеет, Определяет, Можетвладеть и т.п.).

Другими словами, сущности представляют собой базовые типы информации, хранимой в базе данных, а отношения показывают, как эти типы данных взаимоувязаны друг с другом. Введение подобных отношений преследует две основополагающие цели:

- обеспечение хранения информации в единственном месте (даже если она используется в различных комбинациях);

- использование этой информации различными приложениями. Символы ERD-диаграмм, соответствующие сущностям и отношениям, приведены на рис. 3.11.

 

 

 

Независимая сущность представляет независимые данные, которые всегда присутствуют в системе. При этом отношения с другими сущностями могут как существовать, так и отсутствовать. В свою очередь,зависимая сущность представляет данные, зависящие от других сущностей в системе. Поэтому она должна всегда иметь отношения с другими сущностями.Ассоциированная сущность представляет данные, которые ассоциируются с отношениями между двумя и более сущностями.

Неограниченное (обязательное) отношение представляет собой безусловное отношение, т.е. отношение, которое всегда существует до тех пор, пока существуют относящиеся к делу сущности. Ограниченное (необязательное) отношение представляет собой условное отношение между сущностями. Существенно-ограниченное отношение используется, когда соответствующие сущности в системе взаимозависимы.

Для идентификации отношений, в которые вовлекаются сущности, используютсясвязи. Каждая связь соединяет сущность и отношение и может быть направлена только от отношения к сущности. Значение связи характеризует ее тип и, как правило, выбирается из следующего множества:

{«0 или 1». «0 или более», «1», «1 или более», “p : q” ( диапазон )}.

Пара значений связей, принадлежащих одному и тому же отношению, определяет тип этого отношения. Практика показала, что для большинства приложений достаточно использовать следующие типы отношений:

- 1*1 (один-к-одному). Отношения данного типа используются, как правило, на верхних уровнях иерархии модели данных, а на нижних уровнях встречаются сравнительно редко.

- 1*n (один-к-многим). Отношения данного типа являются наиболее часто используемыми.

- n*m (многие-к-многим). Отношения данного типа обычно используются на ранних этапах проектирования с целью прояснения ситуации. В дальнейшем каждое из таких отношений должно быть преобразовано в комбинацию отношений типов 1 и 2 (возможно, с добавлением вспомогательных сущностей и с введением новых отношений).

На рисунке 3.12 приведен пример диаграммы «сущность–связь», моделирующей отношения между сущностями, содержащимися в хранилищах системы управления лифтом, в нотации Чена.

 

 

 

Каждая сущность обладает одним или несколькимиатрибутами,которые однозначно идентифицируют каждый экземпляр сущности. При этом любой атрибут может быть определен как ключевой.

Детализация сущности осуществляется с использованием диаграммы атрибутов, которая раскрывает характеристики (атрибуты) сущности. Диаграмма атрибутов состоит из детализируемой сущности, соответствующих атрибутов идоменов,описывающих области значений атрибутов.

Пример диаграммы атрибутов, приведен на рис. 3.13. На диаграмме каждый атрибут представляется в виде связи между сущностью и соответствующим доменом, являющимся графическим представлением множества возможных значений атрибута. Все атрибутные связи имеют значения на своем окончании. Для идентификации ключевого атрибута используется подчеркивание имени атрибута.

 

 

 

Сущность может быть разделена и представлена в виде двух или болеесущностей-категорий, имеющих общие атрибуты и/или отношения. Эти атрибуты определяются однажды на верхнем уровне для разделяемой сущности (общей сущности) и наследуются на нижнем. Сущности-категории должны иметь и свои собственные атрибуты и/или отношения, а также, в свою очередь, могут быть декомпозированы своими сущностями-категориями на следующем уровне. На промежуточных уровнях декомпозиции одна и та же сущность может быть как общей сущностью, так и сущностью-категорией.

Для демонстрации декомпозиции сущности на категории используетсядиаграмма категоризации. Такая диаграмма содержит общую сущность, две и более сущности-категории и специальный узел-дискриминатор, который описывает способы декомпозиции сущностей (см. рис. 3.14).

 

 

Существуют 4 возможных типа дискриминатора:

- Е/М (exclusive/mandatory) – полное и обязательное вхождение – сущность должна быть одной и только одной из категорий декомпозиции.

- Е/0 (exclusive/optional) – полное и необязательное вхождение – сущность может быть одной и только одной из категорий декомпозиции.

- VM (inclusive/mandatory) – неполное и обязательное вхождение –сущность должна быть по крайней мере одной из категорий декомпозиции.

- I/O (inclusive/optional) – неполное и необязательное вхождение – сущность может быть, по крайней мере, одной из категорий декомпозиции.

 

Нотация Баркера

Дальнейшее развитие диаграммы «сущность-связь» получили в работах Баркера, предложившего оригинальную нотацию (см. рис. 3.15), которая позволила интегрировать средства описания моделей Чена.

 

 

 

В нотации Баркера используется только один тип диаграмм: собственно ERD-диаграммы. Сущность на ERD-диаграмме представляется прямоугольником любого размера, содержащим внутри себя имя сущности, список имен атрибутов (возможно, неполный) и указатели ключевых атрибутов (знак «#» перед именем атрибута). Понятия категории и общей сущности Чена заменяются Баркером на эквивалентные понятияподтипаи супертипасоответственно. Атрибуты сущностей могут быть обязательными и необязательными. Кроме того, атрибуты могут быть описательными (дескрипторами сущности) или входить в состав первичного ключа (уникального идентификатора сущности). Сущность, как правило, может быть полностью идентифицирована своим первичным ключом. Однако, могут быть случаи, когда в идентификации данной сущности участвуют также атрибуты другой сущности-родителя. Кроме первичных ключей могут использоваться альтернативные (возможные) ключи.

Все связи являются бинарными и представляются линиями, соединяющими родительскую сущность с одной или несколькими сущностями-потомками. Для связей должно быть определено имя (выражаемое грамматическим оборотом глагола), степень множественности (один или много объектов участвуют в связи) и степень обязательности (т.е. обязательная или необязательная связь между сущностями). Для множественной связи линия присоединяется к прямоугольнику сущности в трех точках, а для одиночной связи – в одной точке. При обязательной связи рисуется непрерывная линия до середины связи, при необязательной – пунктирная линия. Могут иметь место ситуации, при которых связи данной сущности рассматриваются как взаимоисключающие. Кроме того, связь может быть рекурсивной, а также неперемещаемой, если экземпляр сущности не может быть перенесен из одной связи в другую.

На рис. 3.16 приведен пример ERD-диаграммы, моделирующей отношения между сущностями, содержащимися в хранилищах системы управления лифтом (см. рис. 3.12), в нотации Баркера.

 

 

Построение модели

Разработка ERD-диаграммы включает следующие основные этапы [20]:

- Идентификация сущностей, их атрибутов, а также первичных и альтернативных ключей.

- Идентификация отношений между сущностями и указание типов отношений.

- Разрешение неспецифических отношений (отношений n*m).

Рассмотрим эти этапы в соответствии с работой [20] более подробно.

1-й этаппостроения ERD-диаграммы (или модели данных) является определяющим. Исходной информацией для данного этапа служит содержимое хранилищ данных, зависящее от входящих и выходящих потоков данных, представленных на DFD-диаграмме.

Таким образом, для построения ERD-диаграммы необходимо иметь предварительно построенную DFD-диаграмму. На рисунке 3.17 приведен фрагмент DFD-диаграммы, моделирующей деятельность бухгалтерии предприятия по ведению данных о персонале и начислению зарплаты.

 

 

 

ERD-диаграмма является результатом анализа DFD-диаграммы. При этом первоначально осуществляется анализ хранилища, включающий сравнение содержимого входных и выходных потоков и создание на основе этого сравнения варианта схемы хранилища. Из диаграммы на рис. 3.17 следует, что хранилище должно содержать информацию о всех сотрудниках: имена, адреса, должности, оклады и т.д. Рассмотрим данные и их структуры, содержащиеся во входных и выходных потоках:

Таблица 3.4. Структуры данных для работы бухгалтерии.

ВХОДНЫЕ СТРУКТУРЫ ДАННЫХ Нанятые Дата_найма Фамилия таб_номер адрес должность начальная_зарплата   Уволенные Фамилия таб_номер   Изменение_адреса Фамилия таб_номер старый_адрес новый_адрес   Изменение_зарплаты Фамилия таб_номер старая_зарплата новая_зарплата дата_изменения

ВЫХОДНЫЕ СТРУКТУРЫ ДАННЫХ Адрес_служащего фамилия адрес   Подробности_з/пл фамилия таб_номер текущая_зарплата   История_занятости фамилия таб_номер дата_наима история_карьеры * должность дата_изменения история_зарплаты * зарплата

 

Сравнивая входные и выходные структуры данных, отметим следующее:

- Поле «адрес» (элемент структуры входного потока «Нанятые») хранит текущий адрес сотрудника, а структура входного потока «Изменение адреса» хранит еще и старый адрес, что не является необходимым, с точки зрения выходных потоков.

- Для формирования структуры «История зарплаты» (составной части выходного потока «История занятости»), наоборот, требуется перечислить все оклады сотрудника, поэтому необходимо иметь набор, состоящий из пар («зарплата, дата»), а не просто «старая_зарплата» и «новая_зарплата» (как в структуре входного потока «Изменение зарплаты»).

- Аналогичная ситуация и со структурой «Историей карьеры» (другой составной части структуры выходного потока «История занятости»). Отметим, что на диаграмме вообще отсутствует входной поток со структурой данных, определяющей изменения в должности, что является серьезным упущением функциональной модели.

- Отметим, что изменение в должности обычно (но не всегда) соответствует изменению в зарплате.

С учётом этих моментов первый вариант схемы хранилища (базы данных) может выглядеть следующим образом: