Модель «Сущность-связь. Проектирование реляционных баз данных с использованием семантических моделей: ER-диаграммы

Типичной формой документирования логической модели предметной области при ER-моделировании являются диаграммы "сущность-связь" , или ER-диаграммы (Entity Relationship Diagram). ER-диаграмма позволяет графически представить все элементы логической модели согласно простым, интуитивно понятным, но строго определенным правилам - нотациям .

Для создания ER диаграмм обычно используют одну из двух наиболее распространенных нотаций.

• Integration DEFinition for Information Modeling ( IDEF1X ). Эта нотация была разработана для армии США и стала федеральным стандартом США. Кроме того, она является стандартом в ряде международных организаций (НАТО, Международный валютный фонд и др.).
• Information Engineering (IE). Нотация, разработанная Мартином (Martin), Финкельштейном (Finkelstein) и другими авторами, используется преимущественно в промышленности.

Построение ER-диаграмм , как правило, ведется с использованием CASE-средств. В данной лекции во всех примерах, если это не оговорено особо, будет использоваться нотация MS Office Visio 2007.

Сущность на ER-диаграмме представляется прямоугольником с именем в верхней части ( рис. 6.3).

Рис. 6.3. Представление сущности "Сотрудник" на ER-диаграмме

В прямоугольнике перечисляются атрибуты сущности , при этом атрибуты, составляющие уникальный идентификатор сущности , подчеркиваются ( рис. 6.4).

Каждый экземпляр сущности должен быть уникальным и отличаться от других атрибутов. Одним из основных компьютерных способов распознавания сущностей в ИС является присвоение сущностям идентификаторов (entity identifier). Поскольку сущность определяется набором своих атрибутов, для каждой сущности целесообразно выделить такое подмножество атрибутов, которое однозначно идентифицирует данную сущность. Часто идентификатор сущности называют первичным ключом (primary key).

Первичный ключ (primary key) – это атрибут или группа атрибутов, однозначно идентифицирующая экземпляр сущности . Атрибуты первичного ключа на диаграмме не требуют специального обозначения – это те атрибуты, которые находятся в списке атрибутов выше горизонтальной линии ( рис. 6.3).

Выбор первичного ключа может оказаться непростой задачей, решение которой в состоянии повлиять на эффективность будущей ИС. В одной сущности могут оказаться несколько атрибутов или наборов атрибутов, претендующих на роль первичного ключа. Такие претенденты называются потенциальными ключами (candidate key).

Ключи могут быть сложными , т.е. содержащими несколько атрибутов. Сложные первичные ключи не требуют специального обозначения – это список атрибутов выше горизонтальной линии.

Рассмотрим кандидатов на первичный ключ сущности "сотрудник" ( рис. 6.5).

Здесь можно выделить следующие потенциальные ключи.

1. Табельный номер.
2. Номер паспорта.
3. Фамилия + Имя + Отчество.

Для того чтобы стать первичным, потенциальный ключ должен удовлетворять ряду требований.

Уникальность . Два экземпляра не должны иметь одинаковых значений возможного ключа. Потенциальный ключ (Фамилия + Имя + Отчество ) является плохим кандидатом, поскольку в организации могут работать полные тезки.

Компактность . Сложный возможный ключ не должен содержать ни одного атрибута, удаление которого не приводило бы к утрате уникальности. Для обеспечения уникальности ключа (Фамилия + Имя + Отчество ) дополним его атрибутами Дата рождения и Цвет глаз . Если бизнес-правила говорят, что сочетания атрибутов Фамилия + Имя + Отчество + Дата рождения достаточно для однозначной идентификации сотрудника, то Цвет глаз оказывается лишним, т. е. ключ Фамилия + Имя + Отчество + Дата рождения + Цвет глаз не является компактным.

При выборе первичного ключа предпочтение должно отдаваться более простым ключам, т. е. ключам, содержащим меньшее количество атрибутов. В примере ключи № 1 и № 2 предпочтительней ключа № 3.

Атрибуты ключа не должны содержать нулевых значений. Если допускается, что сотрудник может не иметь паспорта или вместо паспорта иметь какое-либо другое удостоверение личности, то ключ № 2 не подойдет на роль первичного ключа. Если для обеспечения уникальности необходимо дополнить потенциальный ключ дополнительными атрибутами, то они не должны содержать нулевых значений. При дополнении ключа № 3 атрибутом Дата рождения нужно убедиться в том, что даты рождения известны для всех сотрудников.

Значение атрибутов ключа не должно меняться в течение всего времени существования экземпляра сущности . Сотрудница организации может выйти замуж и сменить как фамилию, так и паспорт. Поэтому ключи № 2 и 3 не подходят на роль первичного ключа.

Каждая сущность должна иметь, по крайней мере, один потенциальный ключ . Многие сущности имеют только один потенциальный ключ . Такой ключ становится первичным. Некоторые сущности могут иметь более одного возможного ключа. Тогда один из них становится первичным, а остальные – альтернативными ключами . Альтернативный ключ (Alternate Key) – это потенциальный ключ, не ставший первичным .

Некоторые сущности имеют естественные (натуральные) ключи. Например, естественным идентификатором счета-фактуры является его номер. В противном случае проектировщик может создать суррогатный ключ (Surrogate Key) – атрибут, значение которого создается искусственно и не имеет отношения к предметной области . При моделировании структур данных для ХД суррогатные ключи во многих ситуациях являются более предпочтительными.

Домены назначаются аналитиками и фиксируются в специальном документе - словаре данных ( Data Dictionary ). При создании логической модели домены могут быть специфицированы в сущностях на ER-диаграмме.

Каждый атрибут имеет домен . Домен можно определить как абстрактный атрибут, на основе которого можно создавать обычные атрибуты, при этом создаваемые атрибуты будут иметь все свойства домена-прародителя. Каждый атрибут может быть определен только на одном домене , но на каждом домене может быть определено множество атрибутов. В понятие домена входит не только тип данных, но и область значений данных. Например, можно определить домен "Возраст" как положительное целое число и определить атрибут Возраст сотрудника как принадлежащий этому домену .

На уровне логического моделирования данных назначение домена атрибуту носит общий характер. Например, атрибут текстовый, числовой, бинарный, дата или "не определен". В последнем случае аналитик должен дать описание домена . На последующих стадиях тип домена конкретизируется, смысл понятия домена в физической модели ХД уже, чем его может понимать аналитик. Это связано с тем, что в рамках физической модели домен реализуется посредством механизма ограничения домена , СУБД не понимает неопределенных доменов .

Проектировщик должен тщательным образом изучить домены каждого атрибута с точки зрения их реализуемости в СУБД, с участием аналитиков внести в них изменения, если условие реализуемости не выполняется. При этом проектировщик руководствуется следующим:

• для реализации реляционного ХД требуется использовать реляционную или объектно-реляционную СУБД, например, MS SQL Server 2008;
• в большинстве реляционных СУБД в качестве языка манипулирования и описания данных используется SQL, поддерживающий определенные стандарты, например, ANSI SQL-92.

Отношение (связь) сущностей на ER-диаграмме изображается линией, соединяющей эти сущности. Отношение читается вдоль линии либо слева направо, либо справа налево. На рис. 6.6 представлено следующее отношение: каждая специальность по образованию должна быть зарегистрирована за определенным физическим лицом (персоной), физическое лицо может иметь одну или более специальностей по образованию.

В MS Office Visio имя связи , степень связи (мощность) и класс принадлежности сущности к связи определяется на вкладке "Свойства базы данных", как показано на рис. 6.7 . Стрелка на линии связи указывает на родительскую таблицу .

При выделении связей акцент делается на выявление их характеристик. Связь представляет собой взаимоотношение между двумя или более сущностями. Каждая связь реализуется через значения атрибутов сущностей , например, экземпляр сущности "Сотрудник" ( рис. 6.6) связан с экземпляром сущности "Образование" по одинаковым значениям атрибутов Табельный номер . Другими словами, при создании связи в одной из сущностей, называемой дочерней сущностью, создается новый атрибут, называемый внешним ключом (Foreign Key, FK) (на рис. 6.6 это атрибут Табельный номер ). Иногда атрибуты внешнего ключа обозначаются символом (FK) после своего имени.

Связь является логическим соотношением между сущностями. Каждая связь должна именоваться глаголом или глагольной фразой Имя связи (Verb Phrase) – фраза, характеризующая отношение между родительской и дочерней сущностями . Имя связи выражает некоторое ограничение или бизнес-правило и облегчает чтение диаграммы. На рис. 6.8 показано присвоение связи имени.

Существуют различные типы связей: идентифицирующая связь (identifying relationship) "один ко многим", связь "многие ко многим" и неидентифицирующая связь (non-identifying relationship) "один ко многим". С типами связей связывают и различные типы сущностей.

Различают два типа сущностей: зависимые (Dependent entity) и независимые (Independent entity). Тип сущности определяется ее связью с другими сущностями. Идентифицирующая связь устанавливается между независимой (родительский конец связи ) и зависимой (дочерний конец связи ) сущностями.

Экземпляр зависимой сущности определяется только через отношение к родительской сущности, т. е. в структуре на рис. 6.8 информация о специальности не может быть внесена и не имеет смысла без информации о сотруднике, который имеет специальность по диплому об образовании. При установлении идентифицирующей связи (на рисунке непрерывная линия) атрибуты первичного ключа родительской сущности автоматически переносятся в состав первичного ключа дочерней сущности (непрерывная линия). Эта операция дополнения атрибутов дочерней сущности при создании связи называется миграцией атрибутов. В дочерней сущности такой атрибут считается внешним ключом.

Если модель создается при помощи CASE-средств, то при генерации схемы БД атрибуты первичного ключа получат признак NOT NULL, что означает невозможность внесения записи в таблицу "Сотрудники" без информации о табельном номере сотрудника.

При установлении неидентифицирующей связи ( рис. 6.9 , пунктирная линия) дочерняя сущность остается независимой, а атрибуты первичного ключа родительской сущности мигрируют в состав неключевых компонентов родительской сущности. Неидентифицирующая связь служит для связывания независимых сущностей ( рис. 6.9).

Экземпляр сущности "Сотрудник" может существовать безотносительно к какому-либо экземпляру сущности "Отдел", т. е. сотрудник может работать в организации и не числиться в каком-либо отделе.

Идентифицирующая связь показывается на диаграмме сплошной линией с жирной точкой на дочернем конце связи (см. рис. 6.8), неидентифицирующая – пунктирной (см. рис. 6.9).

Связь "многие ко многим" (many-to-many relationship) может быть создана только на уровне логической модели. На рис. 6.10 показан пример определения связи "многие ко многим". Врач может принимать много пациентов, пациент может лечиться у нескольких врачей. Такая связь обозначается сплошной линией с двумя стрелочками на концах.

Связь "многие ко многим" должна именоваться двумя фразами – в обе стороны (в примере "принимает/лечится"). Это облегчает чтение диаграммы. Связь на

Как любая модель, модель «сущность — связь» имеет несколько базовых понятий, которые образуют исходные кирпичики, из которых строятся уже более сложные объекты по заранее определенным правилам.

Эта модель в наибольшей степени согласуется с концепцией объектно-ориентированного проектирования, которая в настоящий момент несомненно является базовой для разработки сложных программных систем, поэтому многие понятия вам могут показаться знакомыми, и если это действительно так, то тем проще вам будет освоить технологию проектирования баз данных , основанную на ER-модели .

В основе ER-модели лежат следующие базовые понятия:

• Сущность, с помощью которой моделируется класс однотипных объектов. Сущность имеет имя, уникальное в пределах моделируемой системы. Так как сущность соответствует некоторому классу однотипных объектов, то предполагается, что в системе существует множество экземпляров данной сущности. Объект, которому соответствует понятие сущности, имеет свой набор атрибутов — характеристик, определяющих свойства данного представителя класса. При этом набор атрибутов должен быть таким, чтобы можно было различать конкретные экземпляры сущности. Например, у сущности Сотрудник может быть следующий набор атрибутов: Табельный номер, Фамилия, Имя, Отчество, Дата рождения, Количество детей, Наличие родственников за границей. Набор атрибутов, однозначно идентифицирующий конкретный экземпляр сущности, называют ключевым. Для сущности Сотрудник ключевым будет атрибут Табельный номер, поскольку для всех сотрудников данного предприятия табельные номера будут различны. Экземпляром сущности Сотрудник будет описание конкретного сотрудника предприятия. Одно из общепринятых графических обозначений сущности — прямоугольник, в верхней части которого записано имя сущности, а ниже перечисляются атрибуты, причем ключевые атрибуты помечаются, например, подчеркиванием или специальным шрифтом (рис. 7.1):

Рис. 7.1. Пример определения сущности в модели ER

Между сущностями могут быть установлены связи — бинарные ассоциации, показывающие, каким образом сущности соотносятся или взаимодействуют между собой. Связь может существовать между двумя разными сущностями или между сущностью и ей же самой (рекурсивная связь). Она показывает, как связаны экземпляры сущностей между собой. Если связь устанавливается между двумя сущностями, то она определяет взаимосвязь между экземплярами одной и другой сущности. Например, если у нас есть связь между сущностью «Студент» и сущностью «Преподаватель» и эта связь — руководство дипломными проектами, то каждый студент имеет только одного руководителя, но один и тот же преподаватель может руководить множеством.студентов-дипломников. Поэтому это будет связь «один-ко-многим» (1:М), один со стороны «Преподаватель» и многие со стороны «Студент» (см. рис. 7.2).

Рис. 7.2. Пример отношения «один-ко-многим» при связывании сущностей «Студент» и «Преподаватель»

В разных нотациях мощность связи изображается по-разному. В нашем примере мы используем нотацию CASE системы POWER DESIGNER, здесь множественность изображается путем разделения линии связи на 3. Связь имеет общее имя «Дипломное проектирование» и имеет имена ролей со стороны обеих сущностей. Со стороны студента эта роль называется «Пишет диплом под руководством», со стороны преподавателя эта связь называется «Руководит». Графическая интерпретация связи позволяет сразу прочитать смысл взаимосвязи между сущностями, она наглядна и легко интерпретируема. Связи делятся на три типа по множественности: один-к-одному (1:1), од и и-ко-многим (1:М), многие-ко-многим (М:М). Связь один-к-одному означает, что экземпляр одной сущности связан только с одним экземпляром другой сущности.

Связь 1: М означает, что один экземпляр сущности, расположенный слева по связи, может быть связан с несколькими экземплярами сущности, расположенными справа по связи. Связь «один-к-одному» (1:1) означает, что один экземпляр одной сущности связан только с одним экземпляром другой сущности, а связь «многие-ко-мно-гим» (М:М) означает, что один экземпляр первой сущности может быть связан с несколькими экземплярами второй сущности, и наоборот, один экземпляр второй сущности может быть связан с несколькими экземплярами первой сущности. Например, если мы рассмотрим связь типа «Изучает» между сущностями «Студент» и «Дисциплина», то это связь типа «многие-ко-многим» (М:М), потому что каждый студент может изучать несколько дисциплин, но и каждая дисциплина изучается множеством студентов.ч Такая связь изображена на рис. 7.3.

• Между двумя сущностями может быть задано сколько угодно связей с разными смысловыми нагрузками. Например, между двумя сущностями «Студент» и «Преподаватель» можно установить две смысловые связи, одна — рассмотренная уже ранее «Дипломное проектирование», а вторая может быть условно названа «Лекции», и она определяет, лекции каких преподавателей слушает данный студент и каким студентам данный преподаватель читает лекции. Ясно, что это связь типа многие-ко-многим. Пример этих связей приведен на рис. 7.3.

Рис. 7.3. Пример моделирования связи «многие-ко-многим»

• Связь любого из этих типов может быть обязательной, если в данной связи должен участвовать каждый экземпляр сущности, необязательной — если не каждый экземпляр сущности должен участвовать в данной связи. При этом связь может быть обязательной с одной стороны и необязательной с другой стороны. Обязательность связи тоже по-разному обозначается в разных нотациях. Мы снова используем нотацию POWER DESIGNER. Здесь необязательность связи обозначается пустым кружочком на конце связи, а обязательность перпендикулярной линией, перечеркивающей связь. И эта нотация имеет простую интерпретацию. Кружочек означает, что ни один экземпляр не может участвовать в этой связи. А перпендикуляр интерпретируется как то, что по крайней мере один экземпляр сущности участвует в этой связи.

Рассмотрим для этого ранее приведенный пример связи «Дипломное проектирование». На нашем рисунке эта связь интерпретируется как необязательная с двух сторон. Но ведь на самом деле каждый студент, который пишет диплом, должен иметь своего руководителя дипломного проектирования, но, с другой стороны, не каждый преподаватель должен вести дипломное проектирование. Поэтому в данной смысловой постановке изображение этой связи изменится и будет выглядеть таким, как представлено на рис. 7.4.

Рис. 7.4. Пример обязательной и необязательной связи между сущностями

Кроме того, в ER-модели допускается принцип категоризации сущностей. Это значит, что, как и в объектно-ориентированных языках программирования, вводится понятие подтипа сущности, то«есть сущность может быть представлена в виде двух или более своих подтипов — сущностей, каждая из которых может иметь общие атрибуты и отношения и/или атрибуты и отношения, которые определяются однажды на верхнем уровне и наследуются на нижнем уровне. Все подтипы одной сущности рассматриваются как взаимоисключающие, и при разделении сущности па подтипы она должна быть представлена в виде полного набора взаимоисключающих подтипов. Если на уровне анализа не удается выявить полный Перечень подтипов, то вводится специальный подтип, называемый условно ПРОЧИЕ, который в дальнейшем может быть уточнен. В реальных системах бывает достаточно ввести подтипизацпю на двух-трех уровнях.

Сущность, на основе которой строятся подтипы, называется супертипом. Любой экземпляр супертипа должен относиться к конкретному подтипу. Для графического изображения принципа категоризации или типизации сущности вводится специальный графический элемент, называемый узел-дискриминатор, в нотации POWER DESIGNER он изображается в виде полукруга, выпуклой стороной обращенного к суперсущности. Эта сторона соединяется направленной стрелкой с суперсущностью, а к диаметру этого круга стрелками подсоединяются подтипы данной сущности (см. рис. 7.5).

Рис. 7.5. Диаграмма подтипов сущности ТЕСТ

Эту диаграмму можно расшифровать следующим образом. Каждый тест в некоторой системе тестирования является либо тестом проверки знаний языка SQL , либо некоторой аналитической задачей, которая выполняется с использованием заранее написанных Java-апплетов, либо тестом по некоторой области знаний, состоящим из набора вопросов и набора ответов, предлагаемых к каждому вопросу.

В результате построения модели предметной области в виде набора сущностей и связей получаем связный граф. В полученном графе необходимо избегать циклических связей — они выявляют некорректность модели.

В качестве примера спроектируем мифологическую модель системы, предназначенной для хранения информации о книгах ц областях знаний, представленных в библиотеке. Описание предметной области было приведено ранее. Разработку модели начнем с выделения основных сущностей.

Прежде всего, существует сущность «Книги», каждая книга имеет уникальный шифр, крторый является ее ключом, и ряд атрибутов, которые взяты из описания предметной области. Множество экземпляров сущности определяет множество книг, которые хранятся в библиотеке. Каждый экземпляр сущности «Книги» соответствует не конкретной книге, стоящей на полке, а описанию некоторой книги, которое дается обычно в предметном каталоге библиотеке. Каждая книга может присутствовать в нескольких экземплярах, и это как раз те конкретные книги, которые стоят на полках библиотеки.

Для того чтобы отразить это, мы должны ввести сущность «Экземпляры», которая будет содержать описания всех экземпляров книг, которые хранятся в библиотеке. Каждый экземпляр сущности «Экземпляры» соответствует конкретной книге на полке. Каждый экземпляр имеет уникальный инвентарный номер, однозначно определяющий конкретную книгу. Кроме того, каждый экземпляр книги может находиться либо в библиотеке, либо на руках у некоторого читателя, и в последнем случае для данного экземпляра указываются дополнительно дата взятия книги читателем и дата предполагаемого возврата книги.

Между сущностями «Книги» и «Экземпляры» существует связь «один-ко-многим» (1:М), обязательная с двух сторон. Чем определяется данный тип связи? Мы можем предположить, что каждая книга может присутствовать в библиотеке в нескольких экземплярах, поэтому связь «один-ко-многим». При этом если в библиотеке нет ни одного экземпляра дайной книги, то мы не будем хранить ее описание, поэтому если книга описана в сущности «Книги», то по крайней мере один экземпляр этой книги присутствует в библиотеке. Это означает, что со стороны книги связь обязательная. Что касается сущности «Экземпляры», то не может существовать в библиотеке ни одного экземпляра, который бы не относился к конкретной книге, поэтому и со стороны «Экземпляры» связь тоже обязательная.

Теперь нам необходимо определить, как в нашей системе будет представлен читатель. Естественно предложить ввести для этого сущность «Читатели», каждый экземпляр которой будет соответствовать конкретному читателю. В библиотеке каждому читателю присваивается уникальный номер читательского билета, который будет однозначно идентифицировать нашего читателя. Номер читательского билета будет ключевым атрибутом сущности «Читатели».

Кроме того, в сущности «Читатели» должны присутствовать дополнительные атрибуты, которые требуются для решения поставленных задач, этими атрибутами будут: «Фамилия Имя Отчество», «Адрес читателя», «Телефон домашний» и «Телефон рабочий». Почему мы ввели два отдельных атрибута под телефоны? Потому что надо в разное время звонить по этим телефонам, чтобы застать читателя, поэтому администрации библиотеки будет важно знать, к какому типу относится данный телефон. В описании нашей предметной области существует ограничение на возраст наших читателей, поэтому в сущности «Читатели» надо ввести обязательный атрибут «Дата рождения», который позволит нам контролировать возраст наших читателей.

Из описания предметной области мы знаем, что каждый читатель может держать на руках несколько экземпляров книг. Для отражения этой ситуации нам надо провести связь между сущностями «Читатели» и «Экземпляры». А почему не между сущностями «Читатели» и «Книги»? Потому что читатель берет из библиотеки конкретный экземпляр конкретной книги, а не просто книгу. А как же узнать, какая книга у данного читателя? А это можно будет узнать по дополнительной связи между сущностями «Экземпляры» и «Книги», и эта связь каждому экземпляру ставит в соответствие одну книгу, поэтому мы в любой момент можем однозначно определить, какие книги находятся на руках у читателя, хотя связываем с читателем только инвентарные номера взятых книг. Между сущностями «Читатели» и «Экземпляры» установлена связь «один-ко-многим», и при этом она не обязательная с двух сторон. Читатель в данный момент может не держать ни одной книги на руках, а с другой стороны, данный экземпляр книги может не находиться ни у одного читателя, а просто стоять на полке в библиотеке.

Теперь нам надо отразить последнюю сущность, которая связана с системным каталогом. Системный каталог содержит перечень всех областей знаний, сведения по которым содержатся в библиотечных книгах. Мы можем вспомнить системный каталог в библиотеке, с которого мы обычно начинаем поиск нужных нам книг, если мы не знаем их авторов и названий. Название области знаний может быть длинным и состоять из нескольких слов, поэтому для моделирования системного каталога мы введем сущность «Системный каталог» с двумя атрибутами: «Код области знаний» и «Название области знаний». Атрибут «Код области знаний» будет ключевым атрибутом сущности.

Из описания предметной области нам известно, что каждая книга может содержать сведения из нескольких областей знаний, а с другой стороны, из практики известно, что в библиотеке может присутствовать множество книг, относящихся к одной и той же области знаний, поэтому нам необходимо установить между сущностями «Системный каталог» и «Книги» связь «миогие-ко-многим», обязательную с двух сторон. Действительно, в системном каталоге не должно присутствовать такой области знаний, сведения по которой не представлены ни в одной книге нашей библиотеки, противное было бы бессмысленно. И обратно, каждая книга должна быть отнесена к одной или нескольким областям знаний для того, чтобы читатель мог ее быстрее найти.

Мифологическая модель предметной области «Библиотека» представлена на рис. 7.6.

Рис. 7.6. Мифологическая модель «Библиотека»

Мифологическая модель «Библиотека» разработана нами под те задачи, которые были перечислены ранее. В этих задачах мы не ставили условие хранения истории чтения книги, например, с целью поиска того, кто раньше держал книгу и мог нанести ей вред или забыть в ней случайно большую сумму денег. Если бы мы ставили перед собой задачу хранения и этой информации, то наша инфо-логическая модель была бы другой. Я оставлю эту задачу для вашего самостоятельного творчества.

[править]

Материал из Википедии - свободной энциклопедии

У этого термина существуют и другие значения, см. ER .

Модель сущность-связь (ER-модель) (англ. entity-relationship model , ERM) - модель данных, позволяющая описыватьконцептуальные схемы предметной области.

ER-модель используется при высокоуровневом (концептуальном) проектировании баз данных. С её помощью можно выделить ключевые сущности и обозначить связи, которые могут устанавливаться между этими сущностями.

Во время проектирования баз данных происходит преобразование ER-модели в конкретную схему базы данных на основе выбранной модели данных (реляционной, объектной, сетевой или др.).

ER-модель представляет собой формальную конструкцию, которая сама по себе не предписывает никаких графических средств её визуализации. В качестве стандартной графической нотации, с помощью которой можно визуализировать ER-модель, была предложена диаграмма сущность-связь (ER-диаграмма) (англ. entity-relationship diagram , ERD).

Понятия ER-модель и ER-диаграмма часто ошибочно не различают, хотя для визуализации ER-моделей предложены и другие графические нотации (см. ниже).

Модель «сущность-связь» была предложена в 1976 году Питером Пин-Шен Ченом (англ. Peter Pin-Shen Chen ) , американским профессором компьютерных наук в университете штата Луизиана .

На использовании разновидностей ER-модели основано большинство современных подходов к проектированию баз данных (главным образом, реляционных). Модель была предложена Ченом (Chen) в 1976 г. Моделирование предметной области базируется на использовании графических диаграмм, включающих небольшое число разнородных компонентов. В связи с наглядностью представления концептуальных схем баз данных ER-модели получили широкое распространение в системах CASE, поддерживающих автоматизированное проектирование реляционных баз данных. Среди множества разновидностей ER-моделей одна из наиболее развитых применяется в системе CASE фирмы ORACLE. Ее мы и рассмотрим. Более точно, мы сосредоточимся на структурной части этой модели.

Основными понятиями ER-модели являются сущность, связь и атрибут.

Сущность - это реальный или представляемый объект, информация о котором должна сохраняться и быть доступна. В диаграммах ER-модели сущность представляется в виде прямоугольника, содержащего имя сущности. При этом имя сущности - это имя типа, а не некоторого конкретного экземпляра этого типа. Для большей выразительности и лучшего понимания имя сущности может сопровождаться примерами конкретных объектов этого типа.

Ниже изображена сущность АЭРОПОРТ с примерными объектами Шереметьево и Хитроу:

Каждый экземпляр сущности должен быть отличим от любого другого экземпляра той же сущности (это требование в некотором роде аналогично требованию отсутствия кортежей-дубликатов в реляционных таблицах).

Связь - это графически изображаемая ассоциация, устанавливаемая между двумя сущностями. Эта ассоциация всегда является бинарной и может существовать между двумя разными сущностями или между сущностью и ей же самой (рекурсивная связь). В любой связи выделяются два конца (в соответствии с существующей парой связываемых сущностей), на каждом из которых указывается имя конца связи, степень конца связи (сколько экземпляров данной сущности связывается), обязательность связи (т.е. любой ли экземпляр данной сущности должен участвовать в данной связи).

Связь представляется в виде линии, связывающей две сущности или ведущей от сущности к ней же самой. При это в месте "стыковки" связи с сущностью используются трехточечный вход в прямоугольник сущности, если для этой сущности в связи могут использоваться много (many) экземпляров сущности, и одноточечный вход, если в связи может участвовать только один экземпляр сущности. Обязательный конец связи изображается сплошной линией, а необязательный - прерывистой линией.

Как и сущность, связь - это типовое понятие, все экземпляры обеих пар связываемых сущностей подчиняются правилам связывания.

В изображенном ниже примере связь между сущностями БИЛЕТ и ПАССАЖИР связывает билеты и пассажиров. При том конец сущности с именем "для" позволяет связывать с одним пассажиром более одного билета, причем каждый билет должен быть связан с каким-либо пассажиром. Конец сущности с именем "имеет" означает, что каждый билет может принадлежать только одному пассажиру, причем пассажир не обязан иметь хотя бы один билет.

Лаконичной устной трактовкой изображенной диаграммы является следующая:

Каждый БИЛЕТ предназначен для одного и только одного ПАССАЖИРА;

Каждый ПАССАЖИР может иметь один или более БИЛЕТОВ.

Каждый ЧЕЛОВЕК является сыном одного и только одного ЧЕЛОВЕКА;

Каждый ЧЕЛОВЕК может являться отцом для одного или более ЛЮДЕЙ ("ЧЕЛОВЕКОВ").

Прежде, чем приступать к созданию системы автоматизированной обработки информации, разработчик должен сформировать понятия о предметах, фактах и событиях, которыми будет оперировать данная система. Для того, чтобы привести эти понятия к той или иной модели данных, необходимо заменить их информационными представлениями. Одним из наиболее удобных инструментов унифицированного представления данных, независимого от реализующего его программного обеспечения, является модель "сущность-связь" (entity - relationship model, ER - model).

Модель "сущность-связь" основывается на некой важной семантической информации о реальном мире и предназначена для логического представления данных. Она определяет значения данных в контексте их взаимосвязи с другими данными. Важным для нас является тот факт, что из модели "сущность-связь" могут быть порождены все существующие модели данных (иерархическая, сетевая, реляционная, объектная), поэтому она является наиболее общей.

Модель "сущность-связь" была предложена в 1976 г. Питером Пин-Шэн Ченом, русский перевод его статьи "Модель "сущность-связь" - шаг к единому представлению данных" опубликован в журнале "СУБД" N 3 за 1995 г.

Многоуровневые представления данных

При изучении модели данных следует выявить уровни логического представления данных, к которым имеет отношение эта модель. Расширяя набор положений, мы можем определить четыре уровня представления данных:

Информация, относящаяся к сущностям и связям, которые существуют в нашем воображении; - структура информации – организация информации, в которой сущности и связи представляются данными. - структура данных, независимая от путей доступа, – структуры данных, которые не связаны со схемами поиска, индексации и т.д. - структура данных, зависимая от путей доступа.

Рисунок 1. Анализ моделей данных с использованием нескольких уровней логических представлений

Информация о сущностях и связях

На этом уровне мы рассматриваем сущности и связи. Сущность (entity) – это предмет, который может быть идентифицирован некоторым способом, отличающим его от других предметов. Примерами сущности являются конкретный человек, компания или событие. Связь (relationship) – это ассоциация, устанавливаемая между сущностями. Например, отец-сын – это связь между двумя сущностями человек.1)

База данных предприятия содержит информацию о сущностях и связях, которые представляют интерес для этого предприятия. В базу данных предприятия не может быть занесено полное описание сущности или связи. Невозможно (и, по всей видимости, не обязательно) сохранять всю потенциально доступную информацию о сущностях и связях. Далее мы будем рассматривать только те сущности и связи (и информацию о них), которые должны войти в проект базы данных.

Сущность и множество сущностей

Пусть e обозначает некоторую сущность, которая существует в нашем воображении. Каждая сущность относится к некоторому отличному от других множеству сущностей (entity set), такому как EMPLOYEE, PROJECT или DEPARTMENT. С каждым множеством сущностей связывается предикат, позволяющий проверить, принадлежит ли данная сущность данному множеству. Например, если мы знаем, что сущность относится к множеству сущностей EMPLOYEE, то мы также знаем, что эта сущность обладает свойствами, общими с другими сущностями из множества сущностей EMPLOYEE. В число этих свойств входит упомянутый выше предикат. Пусть Ei обозначает множество сущностей. Заметим, что множества сущностей не обязаны быть непересекающимися. Например, сущность, принадлежащая множеству сущностей MALE-PERSON (МУЖЧИНЫ), принадлежит также и множеству сущностей PERSON (ЛЮДИ). В этом случае MALE-PERSON является подмножеством PERSON.

Связь, роль и множество связей.

Рассмотрим ассоциации сущностей. Множество связей (relationship set) Ri – это математическое отношение между n сущностями, каждая из которых относится к некоторому множеству сущностей:

{ | e1 ∈ E1, e2 ∈ E2, ..., en ∈ En}, и каждый кортеж сущностей, , является связью (relationship). Заметим,что в этом определении Ei не обязаны быть различными наборами. Например, marriage (брак) – это связь между двумя сущностями из набора сущностей PERSON (ЧЕЛОВЕК).

Роль (role) сущности в связи – это функция, которую сущность выполняет в данной связи. Husband (муж) и wife (жена) – это роли. Упорядочивание сущностей в определении связи (заметим, что использовались квадратные скобки) может отсутствовать, если в связи явно указаны роли сущностей: (r1/e1, r2/e2 ,..., rn/en), где ri – это роль сущности ei в данной связи.

Атрибут, значение и множество значений.

Информацию об сущности или связи получают путем наблюдения или измерения и выражают множеством пар атрибут-значение. 3, red, Peter и Johnson – это значения. Значения классифицируются в различные множества значений (value sets), такие как FEET, COLOR, FIRST-NAME и LAST-NAME. С каждым множеством значений связывается предикат для проверки того, принадлежит ли значение этому множеству. Значение из некоторого множества значений может быть эквивалентно другому значению из другого множества значений. Например, 12 из множества значений INCH (ДЮЙМЫ) эквивалентно 1 в множестве значений FEET (ФУТЫ).

Атрибут (attribute) может быть формально определен как функция, отображающая множество сущностей или множество связей в множество значений или декартово произведение множеств значений:

f: Ei or Ri → Vi or Vi1 × Vi2 × ... × Vin На рис. 2 показано несколько атрибутов, определенных на множестве сущностей PERSON. Атрибут AGE (ВОЗРАСТ) производит отображение в множество значений NO-OF-YEARS (ЧИСЛО-ЛЕТ). Атрибут может задавать отображение в декартово произведение множеств значений. Например, атрибут NAME (ПОЛНОЕ-ИМЯ) задает отображение в множества значений FIRST-NAME (ИМЯ) и LAST-NAME (ФАМИЛИЯ). Заметим, что несколько атрибутов могут задавать отображение одного и того же множества сущностей в одно и то же множество значений (или одну и ту же группу множеств значений). Например, атрибуты NAME (ПОЛНОЕ-ИМЯ) и ALTERNATIVE-NAME (ДРУГОЕ-ПОЛНОЕ-ИМЯ) задают отображение из множества сущностей EMPLOYEE в множества значений FIRST-NAME и LAST-NAME. Тем самым, атрибут и множество значений являются разными понятиями, хотя в некоторых случаях они могут иметь одно и то же имя (например, атрибут EMPLOYEE-NO (НОМЕР-СЛУЖАЩЕГО) задает отображение из EMPLOYEE (СЛУЖАЩИЕ) в множество значений EMPLOYEE-NO (НОМЕР-СЛУЖАЩЕГО)). Это различие не является явным в сетевой модели и во многих существующих системах управления данными. Заметим также, что атрибут определяется как функция. Следовательно, он отображает данную сущность в одно значение (или один кортеж значений в случае декартова произведения множеств значений).

Рис. 2. Атрибуты, определенные на множестве сущностей PERSON

Заметим, что связи также имеют атрибуты. Рассмотрим множество связей PROJECT-WORKER (ИСПОЛНИТЕЛЬ-ПРОЕКТА) (рис. 3). Атрибут PERCENTAGE-OF-TIME (ПРОЦЕНТ-ВРЕМЕНИ), представляющий долю времени, выделенную конкретному служащему на конкретный проект,– это атрибут, определенный на множестве связей PROJECT-WORKER. Он не является ни атрибутом сущности EMPLOYEE, ни атрибутом сущности PROJECT, так как его смысл зависит и от служащего, и от проекта. Понятие атрибута связи важно для понимания семантики данных и определения функциональных зависимостей между данными.

Рис. 3. Атрибуты, определенные на множестве связей PROJECT-WORKER

Концептуальная структура информации.

Теперь мы обсудим, как можно организовать информацию о сущностях и связях. В этой статье предлагается метод разделения информации о сущностях и информации о связях. Мы покажем, что такое разделение полезно для идентификации функциональных зависимостей между данными.

На рис. 4 в форме таблицы приведена информация о сущностях в множестве сущностей. Каждая строка значений относится к одной и той же сущности, а каждый столбец относится к множеству значений, которое, в свою очередь, относится к атрибуту. Порядок строк и столбцов не является существенным.

Рис. 4. Информация о сущностях из множества сущностей (табличная форма)

Рис. 5. Информация о связях из множества связей (табличная форма)

На рис. 5 приведена информация о связях в множестве связей. Заметим, что каждая строка значений относится к связи, которая указывается группой сущностей, каждая из которых имеет определенную роль и принадлежит определенному множеству сущностей.

Заметим, что на рис. 4 и 2 (а также на рис. 5 и 3) представлены различные формы одной и той же информации. Форма таблицы используется для упрощения связывания с реляционной моделью.

Структура информации

Сущности, связи и значения на уровне 1 (см. рис. 2-5) являются концептуальными объектами, существующими в нашем воображении (т.е. мы находились в концептуальной сфере). На уровне 2 мы рассматриваем представления концептуальных объектов. Мы предполагаем, что существуют непосредственные представления значений. Далее мы опишем, как можно представить сущности и связи.

Первичный ключ.

На рис. 2 значения атрибута EMPLOYEE-NO могут использоваться для идентификации сущностей в множестве сущностей EMPLOYEE, если у каждого служащего имеется уникальный номер служащего. Возможно, для идентификации сущностей в множестве сущностей понадобится более одного атрибута. Возможно также, что для идентификации сущностей будут использоваться несколько групп атрибутов. По существу, ключ сущности (entity key) – это группа атрибутов, такая, что отображение из множества сущностей в соответствующую группу множеств значений является взаимнооднозначным отображением. Если не удается найти такое отображение на доступных данных, или если желательна простота в идентификации объектов, то можно искусственно определить атрибут и множество значений, чтобы добиться наличия взаимнооднозначного отображения. В случае существования нескольких ключей обычно выбирается семантически значимый ключ в качестве первичного ключа сущности (entity primary key – PK).

Рис. 6. Представление сущностей значениями (номерами служащих)

Рис. 6 получен слиянием множества сущностей EMPLOYEE с множеством значений EMPLOYEE-NO с рис. 2. Обратим внимание на некоторые семантические следствия рис. 6. Каждое значение в множестве значений EMPLOYEE-NO представляет сущность (служащего). Атрибуты задают отображение из множества значений EMPLOYEE-NO в другие множества значений. Заметим также, что атрибут EMPLOYEE-NO задает отображение множества значений EMPLOYEE-NO в само его.

Отношения сущность/связь.

Информация о сущностях в множестве сущностей теперь может быть организована в форме, показанной на рис. 7. Заметим, что рис. 7 похож на рис. 4, за исключением того, что сущности представлены значениями их первичных ключей. Вся таблица на рис. 7 представляет отношение сущностей (entity relation), а каждая строка представляет кортеж сущностей (entity tuple).

В некоторых случаях сущности в множестве сущностей нельзя уникально идентифицировать значениями их собственных атрибутов; следовательно, для их идентификации мы должны использовать связь(и). Например, рассмотрим сущности служащих-подчиненных (dependent) и служащих-начальников (supporter): подчиненные идентифицируются своими именами и значениями основного ключа служащих-начальников (т.е. своими связями с этими служащими). Заметим, что на рис. 9 EMPLOYEE-NO не является атрибутом сущностей в множестве DEPENDENT, а представляет собой первичный ключ служащих, которые имеют подчиненных. Каждая строка значений на рис. 9 – это кортеж сущностей с EMPLOYEE-NO и NAME в качестве первичных ключей. Вся таблица является отношением сущностей.

Теоретически, для идентификации сущностей может использоваться любой вид связи. Для простоты мы ограничимся только одним видом связи: бинарными связями с отображением 1:n, в которых существование n сущностей на одной стороне связи зависит от существования одной сущности на другой стороне связи. Например, один служащий может иметь n (n = 0, 1, 2,...) подчиненных, и существование подчиненных зависит от существования соответствующего служащего-начальника.

Этот метод идентификации сущностей связями с другими сущностями можно применять рекурсивно до тех пор, пока не встретятся сущности, которые могут быть идентифицированы значениями своих собственных атрибутов. Например, первичный ключ департамента компании может состоять из номера департамента и первичного ключа отделения, который в свою очередь состоит из номера отделения и названия компании.

Следовательно, мы имеем две формы отношений сущностей. Если связи используются для идентификации сущностей, мы будем называть это слабым отношением сущностей (weak entity relation) (рис. 9). Если связи не используются для идентификации сущностей, мы будем называть это регулярным отношением сущностей (regular entity relation) (рис. 8). Если некоторые сущности в связи идентифицируются другими связями, мы будем называть это слабым отношением связей (weak relationship relation). Например, любые связи между сущностями DEPENDENT и другими сущностями приведут к образованию слабых отношений связи, так как сущность DEPENDENT идентифицируется своим именем и связью с сущностью EMPLOYEE. Проведение различия между регулярными и слабыми отношениями сущностей и связей будет полезно для поддержки целостности данных.

14. Модель «сущность-связь» (er-модель)

Сущность – это некоторый объект реального мира, который может существовать независимо. Сущность имеет экземпляры , отличающиеся друг от друга значениями атрибутов и допускающие однозначную идентификацию. Атрибут – это поименованная характеристика сущности. Атрибут, который уникальным образом идентифицирует экземпляры сущности, называется ключом . Ключ может быть составным , представляющим комбинацию нескольких атрибутов.

Связь представляет взаимодействие между сущностями. Она характеризуется мощностью (степенью связи) , которая показывает, сколько сущностей участвует в связи. Связь между двумя сущностями называется бинарной

Важной характеристикой связи является тип связи (кратность) . Рассмотрим типы вышеуказанных связей. Так как один менеджер управляет только одним филиалом, то 1-я связь имеет тип «один-к-одному» (1:1).

Так как один филиал обрабатывает несколько счетов, а каждый счет обрабатывается только одним филиалом, то 2-я связь имеет тип «один-ко-многим» (1:М).

Так как один счет может совместно использоваться несколькими клиентами и один клиент может иметь несколько счетов, то 3-я связь имеет тип «многие-ко-многим» (M:N).

Степень участия определяет, участвуют ли в связи все или только некоторые экземпляры сущности. Она может быть обязательной или необязательной .

Если не каждый экземпляр сущности А связан с каким-либо экземпляром сущности В, то степень участия сущности А является необязательной . Это изображается на ER-диаграмме черным кружком, помещенным на линии связи возле сущности А.

Если каждый экземпляр сущности А связан с каким-либо экземпляром сущности В, то степень участия сущности А является обязательной . При этом на ER-диаграмме черный кружок на линии связи помещается в прямоугольник рядом с сущностью А. Напр., связь Сотрудник Регистрирует Клиентов имеет тип (1:М). При этом не каждый сотрудник регистрирует клиентов (необязательное участие), но каждый клиент регистрируется сотрудником (обязательное участие):

Каждая из четырех сущностей модели может быть описана своим набором атрибутов.

ER-модель в совокупности с наборами атрибутов сущностей может служить примером семантической (концептуальной) модели предметной области или концептуальной схемы базы данных.