Создание логической модели данных с помощью erwin

Для создания моделей данных в ERwin можно использовать две нотации: IDEF1X и IE (Information Engineering). Методология IDEF1X была разработана для армии США и широко используется в государственных учреждениях США, финансовых и промышленных корпорациях. Методология IE, разработанная Мартином (Martin), Финкельштейном (Finkelstein) и другими авторами, используется преимущественно в промышленности. Переключение между нотациями можно сделать в закладке Methodology диалога Preferences (меню Option/Preferences). В дальнейшем будет использоваться нотация IDEF1X.

Уровни логической модели. Различают три уровня логической модели, отличающихся по глубине представления информации о данных:

• диаграмма сущность-связь (Entity Relationship Diagram, ERD);

• модель данных, основанная на ключах (Key Based model, KB);

• полная атрибутивная модель (Fully Attributed model, FA).

Диаграмма сущность-связь представляет собой модель данных верхнего уровня. Она включает сущности и взаимосвязи, отражающие основные бизнес-правила предметной области. Такая диаграмма не слишком детализирована, в нее включаются основные сущности и связи между ними, которые удовлетворяют основным требованиям, предъявляемым к информационным системам. Диаграмма сущность-связь может включать связи многие-ко-многим и не включать описание ключей. Как правило, ERD используется для презентаций и обсуждения структуры данных с экспертами предметной области.

Модель данных, основанная на ключах, - более подробное представление данных. Она включает описание всех сущностей и первичных ключей и предназначена для представления структуры данных и ключей, которые соответствуют предметной области.

Полная атрибутивная модель - наиболее детальное представление структуры данных: представляет данные в третьей нормальной форме и включает все сущности, атрибуты и связи.

Сущности и атрибуты

Основные компоненты диаграммы ERwin - это сущности, атрибуты и связи. Каждая сущность является множеством подобных индивидуальных объектов, называемых экземплярами. Каждый экземпляр индивидуален и должен отличаться от всех остальных экземпляров. Атрибут выражает определенное свойство объекта. С точки зрения БД (физическая модель) сущности соответствует таблица, экземпляру сущности - строка в таблице, а атрибуту - колонка таблицы.

Построение модели данных предполагает определение сущностей и атрибутов, т.е. необходимо определить, какая информация будет храниться в конкретной сущности или атрибуте. Сущность можно определить как объект, событие или концепцию, информация о которых должна сохраняться. Сущности должны иметь наименование с четким смысловым значением, именоваться существительным в единственном числе, не носить "технических" наименований и быть достаточно важными для того, чтобы их моделировать. Именование сущности в единственном числе облегчает в дальнейшем чтение модели. Фактически имя сущности дается по имени ее экземпляра. Примером может быть сущность Заказчик (но не Заказчики) с атрибутами Номер заказчика, Фамилия заказчика и Адрес заказчика. На уровне физической модели ей может соответствовать таблица Customer с колонками Customer_number, Customer_пате и Customer_address.

Для внесения сущности в модель необходимо (убедившись предварительно, что вы находитесь на уровне логической модели) "кликнуть" по кнопке сущности на панели инструментов (ERwin Toolbox) затем "кликнуть" по тому месту на диаграмме, где необходимо расположить новую сущность. Щелкнув правой кнопкой мыши по сущности и выбрав из всплывающего меню пункт Entity Editor, можно вызвать диалог Entity Editor, в котором определяются имя, описание и комментарии сущности.

Каждая сущность должна быть полностью определена с помощью текстового описания в закладке Definition. Закладки Note, Note 2, Note 3, UDP (User Defined Properties - свойства, определенные пользователем) служат для внесения дополнительных комментариев и определений к сущности. В прежних версиях ERwin закладкам Note2 и Note3 соответствовали окна Query и Sample. В закладке Icon каждой сущности можно поставить в соответствие изображение, которое будет отображаться в режиме просмотра модели на уровне иконок.

Использование свойств, определяемых пользователем (UDP), аналогично их использованию в BPwin. Для определения UDP служит диалог User-Defined Property Editor (вызывается из меню Model/UDPs). В нем необходимо указать вид объекта, для которого заводится UDP (диаграмма в целом, сущность, атрибут и т.д.) и тип данных. Для внесения нового свойства следует щелкнуть в таблице по кнопке и внести имя, тип данных, значение по умолчанию и определение.

ERwin поддерживает для UDP шесть типов данных:

• Date. Дата. Используется формат MM/DD/YY. Для выбора значения даты можно использовать контекстный календарь;

• Int. Целое число;

• Real. Действительное число;

• Text. Строка (ASCII);

• List. Список. При задании списка в диалоге User-Defined Property Editor значения следует разделять запятой, значение по умолчанию выделяется символом "~";

• Command. Команда - выполняемая строка.

Например, на рис. 3.4. свойство Document имеет тип Command.

Рис. 3.4. Диалог User-Defined Property Editor

 

Значение свойств, определяемых пользователем, задается в закладке UDP диалога Entity Editor.

Как было указано выше, каждый атрибут хранит информацию об определенном свойстве сущности, а каждый экземпляр сущности должен быть уникальным. Атрибут или группа атрибутов, которые идентифицируют сущность, называется первичным ключом.

Для описания атрибутов следует, "кликнув" правой кнопкой по сущности, выбрать в появившемся меню пункт Attribute Editor. Появляется диалог Attribute Editor, показанный на рис. 3.5.

Если щелкнуть по кнопке New, то в появившемся диалоге New Attribute можно указать имя атрибута, имя соответствующей ему в физической модели колонки и домен. Домен атрибута будет использоваться при определении типа колонки на уровне физической модели. Для атрибутов первичного ключа в закладке General диалога Attribute Editor необходимо сделать пометку в окне выбора Primary Key.

Рис. 3.5. Диалог Attribute Editor

 

При установлении связей между сущностями атрибуты первичного ключа родительской сущности мигрируют в качестве внешних ключей в дочернюю сущность. Кнопка Migrate диалога Attribute Editor вызывает диалог Migrate Attribute Property, в котором можно задать свойства, сохраняемые при миграции.

Для большей наглядности диаграммы каждый атрибут можно связать с иконкой, что можно сделать при помощи списка выбора Icon в закладке General.

Очень важно дать атрибуту правильное имя. Атрибуты должны именоваться в единственном числе и иметь четкое смысловое значение. Соблюдение этого правила позволяет частично решить проблему нормализации данных уже на этапе определения атрибутов. Например, создание в сущности Сотрудник атрибута Телефоны сотрудника противоречит требованиям нормализации, поскольку атрибут должен быть атомарным, т.е. не содержать множественных значений. Согласно синтаксису IDEF1X имя атрибута должно быть уникально в рамках модели (а не только в рамках сущности!). По умолчанию при попытке внесения уже существующего имени атрибута ERwin переименовывает его. Например, если атрибут Комментарий уже существует в модели, другой атрибут (в другой сущности) будет назван Комментарий/2, затем Комментарий/3 и т.д.

На практике такое переименование не всегда удобно, поэтому существует возможность отменить эту опцию. В диалоге Unique Name Option (меню Option/Unique Name) можно задать следующие режимы именования атрибутов:

• Allow - позволять внесение одинаковых имен;

• Rename - переименовывать атрибуты (по умолчанию);

• Ask - запрашивать возможные действия каждый раз при внесении одноименных атрибутов. ERwin будет показывать на экране окно-диалог Edit Unique Name каждый раз, когда вводится неуникальное имя сущности или атрибута. В диалоге Edit Unique Name можно ввести другое имя или разрешить дублирование. При этом новое имя не проверяется на уникальность;

• Disallow - запретить внесение одинаковых имен. Если двойное имя обнаружено, то ERwin выдает на экран окно с сообщением, что ввод неуникальных имен запрещается.

Каждый атрибут должен быть определен (закладка Definition на рис.3.5.), при этом следует избегать циклических определений, например, когда термин 1 определяется через термин 2, термин 2 - через термин 3, а термин 3 в свою очередь - через термин 1. Иногда определение атрибута легче дать через описание области значений. Например, оценка школьника - это число, принимающее значения 2, 3, 4 и 5.

Часто приходится создавать производные атрибуты, т.е. атрибуты, значение которых можно вычислить из других атрибутов. Производные атрибуты - ошибка нормализации, однако их вводят для повышения производительности системы.

При переносе атрибутов внутри и между сущностями можно воспользоваться техникой drag&drop, выбрав кнопку в палитре инструментов.

Связи

Связь является логическим соотношением между сущностями. Каждая связь должна именоваться глаголом или глагольной фразой (Relationship Verb Phrases), как показано на рис. 3.6. Имя связи выражает некоторое ограничение или бизнес-правило и облегчает чтение диаграммы, например:

• Каждый КЛИЕНТ <размещает> заказ;

• Каждый ЗАКАЗ <выполняется> сотрудником.

Рис. 3.6. Связи между сущностями

 

Связь показывает, какие именно заказы разместил клиент, и какой именно сотрудник выполняет заказ. По умолчанию имя связи на диаграмме не показывается. Для отображения имени следует в контекстном меню, которое появляется, если щелкнуть левой кнопкой мыши по любому месту диаграммы, не занятому объектами модели, выбрать пункт Display Options/Relationship и затем включить опцию Verb Phrase.

На логическом уровне можно установить идентифицирующую связь один-ко-многим, связь многие-ко-многим и неидентифицирующую связь один-ко-многим (соответственно это кнопки слева направо в палитре инструментов).

В IDEF1X различают зависимые и независимые сущности. Тип сущности определяется ее связью с другими сущностями. Идентифицирующая связь устанавливается между независимой (родительский конец связи) и зависимой (дочерний конец связи) сущностями. Когда рисуется идентифицирующая связь, ERwin автоматически преобразует дочернюю сущность в зависимую. Зависимая сущность изображается прямоугольником со скругленными углами (сущность Заказ на рис. 3.6).

Экземпляр зависимой сущности определяется только через отношение к родительской сущности, т.е. в структуре, показанной на рис. 3.7, информация о заказе не может быть внесена и не имеет смысла без информации о клиенте, который его размещает. При установлении идентифицирующей связи атрибуты первичного ключа родительской сущности автоматически переносятся в состав первичного ключа дочерней сущности. Эта операция дополнения атрибутов дочерней сущности при создании связи называется миграцией атрибутов. В дочерней сущности новые атрибуты помечаются как внешний ключ - (FK).

Рис. 3.7. Идентифицирующая связь между независимой и зависимой сущностями

 

В дальнейшем, при генерации схемы БД, атрибуты первичного ключа получат признак NOT NULL, что означает невозможность внесения записи в таблицу заказов без информации о номере клиента.

При установлении неидентифицирующей связи, как показано на рис. 3.8., дочерняя сущность остается независимой, а атрибуты первичного ключа родительской сущности мигрируют в состав неключевых компонентов дочерней сущности. Неидентифицирующая связь служит для связывания независимых сущностей.

Рис. 3.8. Неидентифицирующая связь

 

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

Идентифицирующая связь показывается на диаграмме сплошной линией с жирной точкой на дочернем конце связи (см. рис. 3.7), неидентифицирующая - пунктирной (рис. 3.8).

Для создания новой связи следует:

• установить курсор на нужной кнопке в палитре инструментов (идентифицирующая или неидентифицирующая связь) и нажать левую кнопку мыши;

• щелкнуть сначала по родительской, а затем по дочерней сущности.

Форму линии связи можно изменять. Для этого нужно захватить мышью нужную линию связи и переносить ее с места на место, пока линия не начнет выглядеть так, как это необходимо.

Для редактирования свойств связи следует "кликнуть" правой кнопкой мыши по связи и выбрать на контекстном меню пункт Relationship Editor. В закладке General появившегося диалога можно задать мощность, имя и тип связи.

Мощность связи (Cardinality) - служит для обозначения отношения числа экземпляров родительской сущности к числу экземпляров дочерней.

Различают четыре типа мощности связи, изображаемые как показано на рис. 3.9:

• общий случай, когда одному экземпляру родительской сущности соответствуют 0, 1 или много экземпляров дочерней сущности не помечается каким-либо символом;

• символом Р помечается случай, когда одному экземпляру родительской сущности соответствуют 1 или много экземпляров дочерней сущности (исключено нулевое значение);

• символом Z помечается случай, когда одному экземпляру родительской сущности соответствуют 0 или 1 экземпляр дочерней сущности (исключены множественные значения);

• цифрой помечается случай точного соответствия, когда одному экземпляру родительской сущности соответствует заранее заданное число экземпляров дочерней сущности.

Рис. 3.9. Обозначения мощности связи

 

По умолчанию символ, обозначающий мощность связи, не показывается на диаграмме. Для его отображения следует в контекстном меню, которое появляется, если щелкнуть левой кнопкой мыши по любому месту диаграммы, не занятому объектами модели, выбрать пункт Display Options/Relationship и затем включить опцию Cardinality.

Имя связи (Verb Phrase) - фраза, характеризующая отношение между родительской и дочерней сущностями. Для связи один-ко-многим идентифицирующей или неидентифицирующей достаточно указать имя, характеризующее отношение от родительской к дочерней сущности (Parent-to-Child). Для связи многие-ко-многим следует указывать имена как Parent-to-Child, так и Child-to-Parent.

Для неидентифицирующей связи можно указать обязательность (No Nulls). В случае обязательной связи (No Nulls) при генерации схемы БД атрибут внешнего ключа получит признак NOT NULL, несмотря на то, что внешний ключ не войдет в состав первичного ключа дочерней сущности. В случае необязательной связи (Nulls Allowed) внешний ключ может принимать значение NULL. Необязательная неидентифицирующая связь помечается прозрачным ромбом со стороны родительской сущности (см. рис. 3.8).

В закладке Definition меню Relationship Editor можно дать более полное определение связи для того, чтобы в дальнейшем иметь возможность на него ссылаться. Там же в закладке Rolename/RI Actions можно задать имя роли и правила ссылочной целостности.

Имя роли (функциональное имя) - это синоним атрибута внешнего ключа, который показывает, какую роль играет атрибут в дочерней сущности.

В примере, приведенном на рис. 3.10, в сущности Сотрудник внешний ключ Номер отдела имеет функциональное имя "Где работает", которое показывает, какую роль играет этот атрибут в сущности. По умолчанию в списке атрибутов показывается только его базовое имя. Для отображения полного имени атрибута (как базового, так и имени роли) следует в контекстном меню, которое появляется, если щелкнуть правой кнопкой мыши по любому месту диаграммы, не занятому объектами модели, выбрать пункт Display Options/Entities и затем включить опцию Rolename/Attribute. Полное имя показывается как функциональное имя и базовое имя, разделенные точкой (см. рис. 3.10).

Рис. 3.10. Имена ролей внешних ключей

 

Обязательным является применение имен ролей в том случае, когда два или более атрибутов одной сущности определены по одной и той же области, т.е. они имеют одинаковую область значений, но разный смысл. На рис. 3.11 сущность Продажа валюты содержит информацию об акте обмена валюты, в котором участвуют две валюты - проданная и купленная. Информация о валютах содержится в сущности Валюта. Следовательно, сущности Продажа валюты и Валюта должны быть связаны дважды и первичный ключ - Номер валюты должен дважды мигрировать в сущность Валюта в качестве внешнего ключа. Необходимо различать эти атрибуты, которые содержат информацию о номере проданной и купленной валюты (имеют разный смысл), но ссылаются на одну и ту же сущность Валюта (имеют общую область значений). В примере на рис. 3.11 атрибуты получили имена ролей Проданная и Купленная.

Рис. 3.11 Случай обязательности имен ролей

 

Другим примером обязательности присвоения имен ролей являются рекурсивные связи (иногда их называют "рыболовный крючок" - fish hook), когда одна и та же сущность является и родительской и дочерней одновременно. При задании рекурсивной связи атрибут должен мигрировать в качестве внешнего ключа в состав неключевых атрибутов той же сущности. Атрибут не может появиться дважды в одной сущности под одним именем, поэтому обязательно должен получить имя роли.

На рис. 3.10 сущность Сотрудник содержит атрибут первичного ключа Табельный номер. Информация о руководителе сотрудника содержится в той же сущности, поскольку руководитель работает в той же организации. Чтобы сослаться на руководителя сотрудника следует создать рекурсивную связь (на рис. 3.10 связь руководит/подчиняется) и присвоить имя роли ("Руководитель"). Заметим, что рекурсивная связь может быть только неидентифицирующей. В противном случае внешний ключ должен был бы войти в состав первичного ключа и получить при генерации схемы признак NOT NULL. Это сделало бы невозможным построение иерархии - у дерева подчиненности должен быть корень - сотрудник, который никому не подчиняется в рамках данной организации.

Связь руководит/подчиняется на рис. 3.10 позволяет хранить древовидную иерархию подчиненности сотрудников. Такой вид рекурсивной связи называется иерархической рекурсией (hierarchical recursion) и задает связь, когда руководитель (экземпляр родительской сущности) может иметь множество подчиненных (экземпляров дочерней сущности), но подчиненный имеет только одного руководителя, как показано на рис. 3.12.а).

a) Hierarchical recursion b) Network recursion

Рис. 3.12. Подчиненность экземпляров сущности в иерархической и сетевой рекурсии

 

Другим видом рекурсии является сетевая рекурсия (network recursion), когда руководитель может иметь множество подчиненных и, наоборот, подчиненный может иметь множество руководителей. Сетевая рекурсия задает паутину отношений между экземплярами родительской и дочерней сущностей. Это случай, когда сущность находится сама с собой в связи многие-ко-многим. Для разрешения связи многие-ко-многим необходимо создать новую сущность (подробно связь многие-ко-многим будет рассмотрена ниже).

Если атрибут мигрирует в качестве внешнего ключа более чем на один уровень, то на первом уровне отображается полное имя внешнего ключа (имя роли + базовое имя атрибута), на втором и более - только имя роли. На рис. 3.13 изображена структура данных, которая содержит сущность Команда, сущность Игрок, в которой хранится информация об игроках каждой команды, и сущность Гол, содержащая информацию и голах, которые забивает каждый игрок. Атрибут внешнего ключа Номер команды сущности Игрок имеет имя роли "В какой команде играет". На следующем уровне, в сущности Гол, отображается только имя роли соответствующего атрибута внешнего ключа (В какой команде играет).

Рис. 3.13. Миграция имен ролей

 

Правила ссылочной целостности (referential integrity, RI) - логические конструкции, которые выражают бизнес-правила использования данных и представляют собой правила вставки, замены и удаления. При генерации схемы БД на основе опций логической модели, задаваемых в закладке Rolename/RI Actions, будут сгенерированы правила декларативной ссылочной целостности, которые должны быть предписаны для каждой связи, и триггеры, обеспечивающие ссылочную целостность. Триггеры представляют собой программы, выполняемые всякий раз при выполнении команд вставки, замены или удаления (INSERT, UPDATE или DELETE). На рис. 3.13 существует идентифицирующая связь между сущностями Команда и Игрок. Что будет, если удалить команду? Экземпляр сущности Игрок не может существовать без команды (атрибут первичного ключа В какой команде играет. Номер команды не может принимать значение NULL), следовательно, нужно либо запретить удаление команды, пока в ней числится хотя бы один игрок (для удаления команды сначала нужно удалить всех игроков), либо сразу удалять вместе с командой всех ее игроков. Такие правила удаления называются "ограничение" и "каскад" (Parent RESTRICT и Parent CASCADE). Заметим, что сущности Игрок и Гол, в свою очередь, тоже связаны идентифицирующей связью и в случае удаления каскадом команды будут удалены все игроки команды и все голы, которые они забивали. Выполнение команды на удаление одной строки реально может привести к удалению тысячи строк в БД, поэтому использовать правило удаления каскадом следует с осторожностью. В том случае, если установлено правило ограничения удаления, при попытке выполнить удаление команды, в которой есть хотя бы один игрок, сервер реляционной СУБД возвратит ошибку.

На рис. 3.10 установлена необязательная неидентифицирующая связь между сущностями Отдел и Сотрудник. Экземпляр сущности Сотрудник может существовать без ссылки на отдел (атрибут внешнего ключа Где работает. Номер отдела может принимать значение NULL). В этом случае возможно установление правила установки в нуль - SET NULL. При удалении отдела атрибут внешнего ключа сущности Сотрудник - Где работает. Номер отдела примет значение NULL. Это означает, что при удалении отдела сотрудник остается работать в организации не будучи приписан к какому-либо отделу и информация о нем сохраняется.

Возможна установка еще двух правил удаления (если таковые поддерживаются СУБД):

SET DEFAULT - при удалении атрибуту внешнего ключа присваивается значение по умолчанию. Например, при удалении команды игроки могут быть переведены в другую команду.

NONE - при удалении значение атрибута внешнего ключа не меняется. Запись об игроке "повисает в воздухе", т.е. ссылается на несуществующую уже команду. Такая ситуация характерна для "плоских" таблиц. Например, если информация об игроках и командах хранится в dbf-файлах, можно удалить запись о команде, при этом файл игроков "ничего не будет знать" о том, что соответствующей команды не существует. Поэтому в настольных или файл-серверных системах функциональность, обеспечивающая правила ссылочной целостности, реализуется в клиентском приложении.

Правила удаления управляют тем, что будет происходить в БД при удалении строки. Аналогично правила вставки и обновления управляют тем, что будет происходить с БД, если строки изменяются или добавляются. Например, можно установить правило, которое разрешает вносить новую команду только в том случае, когда в нее зачислен хотя бы один игрок. Желаемое поведение может быть достигнуто следующими действиями:

• Задать мощность связи между сущностями Команда и Игрок, равную "One or more" - 1 или более (тип Р). Предполагается, что установлена идентифицирующая связь.

• Присвоить действие RI-триггера "Parent Insert-CASCADE" для того, чтобы при создании новой строки в таблице Команда автоматически создавалась хотя бы одна строка в дочерней таблице Игрок.

• Присвоить связи действие RI-триггера "Parent Delete-CASCADE" для того, чтобы при удалении строки из таблицы Команда соответствующая строка или строки из таблицы Игрок тоже удалялись.

ERwin автоматически присваивает каждой связи значение ссылочной целостности, устанавливаемой по умолчанию, прежде чем добавить ее в диаграмму. Режимы RI, присваиваемые ERwin по умолчанию, могут быть изменены в редакторе Referential Integrity Default, который вызывается, если щелкнуть по кнопке RI Defaults диалога Target Server (меню Server/Target Server).

Связь многие-ко-миогим возможна только на уровне логической модели данных. На рис. 3.14 показан пример связи многие-ко-многим. Врач может принимать много пациентов, пациент может лечиться у нескольких врачей. Такая связь обозначается сплошной линией с двумя точками на концах. Для внесения такой связи следует установить курсор на кнопке в палитре инструментов и щелкнуть сначала по одной, а затем по другой сущности.

Рис. 3.14. Связь многие-ко-многим

 

Связь многие-ко-многим должна именоваться двумя фразами - в обе стороны (в примере - "принимает/лечится"). Это облегчает чтение диаграммы. Таким образом, связь на рис. 3.14 следует читать как Врач <принимает> Пациент’а, Пациент <лечится> у Врач’а.

При переходе к физическому уровню ERwin автоматически преобразует связь многие-ко-многим, добавляя новую таблицу и устанавливая две новые связи один-ко-многим от старых к новой таблице, как показано на рис. 3.15. При этом имя новой таблице присваивается автоматически как "Имя1_Имя2".

Рис. 3.15. Иллюстрация автоматического разрешения связи многие-ко-многим на уровне физической модели

 

Автоматического решения проблемы связи многие-ко-многим не всегда оказывается достаточно. В примере таблица Doctor _Patient имеет смысл визита к врачу, поэтому ее следует переименовать согласно бизнес-логике в Visit. Один и тот же пациент может много раз посещать врача, поэтому для того, чтобы идентифицировать визит, необходимо в состав первичного ключа таблицы Visit добавить дополнительную колонку, например дату-время посещения VisitDatetime, как показано на рис. 3.16.

Рис. 3.16. Дополнение модели при разрешении связи многие-ко-многим на уровне физической модели

 

Следует заметить, что после внесения дополнительной колонки на физическом уровне на логическом уровне представление модели не изменится, диаграмма будет выглядеть так, как на рис. 3.14.