База данных

Достоинством модели доступа на стороне сервер является сравнительная простота программ-навигаторов (Web-клиентов) и удобство администрирования системы, так как основная часть программного обеспечения находится на машине Web-сервера. Очевидным недостатком системы является возможное ухудшение характеристик оперативности получения информации при большой нагрузке на Web-сервер и нехватке его мощности.

Во второй модели клиентская часть системы оказывается сложнее, чем в первой. Это усложняет навигатор, но в то же время разгружает Web-сервер.

В сравнительно недавно выпущенных программных продуктах фирмы Microsoft поддерживаются обе схемы. Па стороне клиента (в среде Internet Explorer) существует возможность использовать динамический HTML, который реализуется на языке VBScript. Доступ к данным на стороне сервера осуществляется с помощью так называемых ASP-страниц (Active Server Pages - активные серверные страницы). ASP-страницы - это сценарии на языке VBScript, хранящиеся и выполняемые на Web-сервере (Internet Information Server).

5. Проектирование баз данных

5.1 Проблемы проектирования

Избыточное дублирование данных и аномалии

Следует различать простое (неизбыточное) и избыточное дублирование данных. Наличие первого из них допускается в базах данных, а избыточное дублирование данных может приводить к проблемам при обработке данных. Приведем примеры обоих вариантов дублирования. Пример неизбыточного дублирования данных представляет приведенное в таблице отношение С_Т с атрибутами Сотрудник и Телефон. Для сотрудников, находящихся в одном помещении, номера телефонов совпадают. Номер телефона 4328 встречается несколько раз, хотя для каждого служащего номер телефона уникален. Поэтому ни один из номеров не является избыточным. Действительно, при удалении одного из номеров телефонов будет утеряна информация о том, по какому номеру можно дозвониться до одного из служащих.

Таблица 5.1

С_Т
Сотрудник	Телефон
Иванов	3721
Петров	4328
Сидоров	4328
Егоров	4328

Пример избыточного дублирования (избыточности) представляет приведенное в таблице 5.2а отношение С_Т_Н, которое, в отличие от отношения С_Т, дополнено атрибутом Н_комн (номер комнаты сотрудника). Естественно предположить, что все служащие в одной комнате имеют один и тот же телефон. Следовательно, в рассматриваемом отношении имеется избыточное дублирование данных. Так, в связи с тем, что Сидоров и Егоров находятся в той же комнате, что и Петров, их номера можно узнать из кортежа со сведениями о Петрове.

Таблица 5.2

С_Т_Н
А)		Б)
Сотрудник	Телефон	Н_комн		Сотрудник	Телефон	Н_комн
Иванов	3721	109		Иванов	3721	109
Петров	4328	111		Петров	4328	111
Сидоров	4328	111		Сидоров	---	111
Егоров	4328	111		Егоров	---	111

В таблице 5.2б приведен пример неудачного отношения С_Т_Н, в котором вместо телефонов Сидорова и Егорова поставлены прочерки (неопределенные значения). Неудачность подобного способа исключения избыточности заключается в следующем. Во-первых, при программировании придется потратить дополнительные усилия на создание механизма поиска информации для прочерков таблицы. Во-вторых, память все равно выделяется под атрибуты с прочерками, хотя дублирование данных и исключено. В-третьих, что особенно важно, при исключении из коллектива Петрова кортеж со сведениями о нем будет исключен из отношения, а значит уничтожена информация о телефоне 111-й комнаты, что недопустимо.

Возможный способ выхода из данной ситуации приведен в таблице 5.3. Здесь показаны два отношения С_Н и Н_Т, полученные путем декомпозиции исходного отношения С_Т_Н. Первое из них содержит информацию о номерах комнат, в которых располагаются сотрудники, а второе - информацию о номерах телефонов в каждой из комнат. Теперь, если Петрова и уволят из учреждения и, как следствие этого, удалят всякую информацию о нем из баз данных учреждения, это не приведет к утере информации о номере телефона в 111-й комнате.

Таблица 5.3 Исключение избыточного дублирования

Т_Н		С_Н
Телефон	Н_комн		Сотрудник	Н_комн
3721	109		Иванов	109
4328	111		Петров	111
			Сидоров	111
			Егоров	111

Процедура декомпозиции отношения С_Т_Н на два отношения С_Н и Н_Т является основной процедурой нормализации отношений. Избыточное дублирование данных создает проблемы при обработке кортежей отношения, названные Э. Коддом "аномалиями обновления отношения". Он показал, что для некоторых отношений проблемы возникают при попытке удаления, добавления или редактирования их кортежей.

Аномалиями будем называть такую ситуацию в таблицах БД, которая приводит к противоречиям в БД, либо существенно усложняет обработку данных. Выделяют три основные вида аномалий: аномалии модификации (или редактирования), аномалии удаления и аномалии добавления.

Аномалии модификации проявляются в том, что изменение значения одного данного может повлечь за собой просмотр всей таблицы и соответствующее изменение некоторых других записей таблицы. Так, например, изменение номера телефона в комнате 111 (табл. 5.2а), что представляет собой один единственный факт, потребует просмотра всей таблицы С_Т_Н и изменения поля Н_комн согласно текущему содержимому таблицы в записях, относящихся к Петрову, Сидорову и Егорову.

Аномалии удаления состоят в том, что при удалении какого-либо данного из таблицы может пропасть и другая информация, которая не связана напрямую с удаляемым данным. В той же таблице С_Т_Н удаление записи о сотруднике Иванове (например, по причине увольнения или ухода на заслуженный отдых) приводит к исчезновению информации о номере телефона, установленного в 109-й комнате.

Аномалии добавления возникают в случаях, когда информацию в таблицу нельзя поместить до тех пор, пока она неполная, либо вставка новой записи требует дополнительного просмотра таблицы. Примером может служить операция добавления нового сотрудника все в ту же таблицу С_Т_Н. Очевидно, будет противоестественным хранение сведений в этой таблице только о комнате и номере телефона в ней, пока никто из сотрудников не помещен в нее. Более того, если в таблице С_Т_Н поле Служащий является ключевым, то хранение в ней неполных записей с отсутствующей фамилией служащего просто недопустимо из-за неопределенности значения ключевого поля.

Вторым примером возникновения аномалии добавления может быть ситуация включения в таблицу нового сотрудника. При добавлении таких записей для исключения противоречий желательно проверить номер телефона и соответствующий номер комнаты хотя бы с одним из сотрудников, сидящих с новым сотрудником в той же комнате. Если же окажется, что у нескольких сотрудников, сидящих в одной комнате, имеются разные телефоны, то вообще не ясно, что делать (то ли в комнате несколько телефонов, то ли какой-то из номеров ошибочный).

Формирование исходного отношения

Проектирование БД начинается с определения всех объектов, сведения о которых будут включены в базу, и определения их атрибутов. Затем атрибуты сводятся в одну таблицу - исходное отношение.

Пример. Формирование исходного отношения. Предположим, что для учебной части факультета создается БД о преподавателях. На первом этапе проектирования БД в результате общения с заказчиком (заведующим учебной частью) должны быть определены содержащиеся в базе сведения о том, как она должна использоваться и какую информацию заказчик хочет получать в процессе ее эксплуатации. В результате устанавливаются атрибуты, которые должны содержаться в отношениях БД, и связи между ними. Перечислим имена выделенных атрибутов и их краткие характеристики:

ФИО - фамилия и инициалы преподавателя. Исключаем возможность совпадения фамилии и инициалов у преподавателей.

Должн - должность, занимаемая преподавателем.

Оклад - оклад преподавателя.

Стаж - преподавательский стаж.

Д_Стаж - надбавка за стаж.

Каф - номер кафедры, на которой числится преподаватель.

Предм - название предмета (дисциплины), читаемого преподавателем.

Группа - номер группы, в которой преподаватель проводит занятия.

ВидЗан - вид занятий, проводимых преподавателем в учебной группе.

Одно из требований к отношениям заключается в том, чтобы все атрибуты отношения имели атомарные (простые) значения. В исходном отношении каждый атрибут кортежа также должен быть простым. Пример исходного отношения ПРЕПОДАВАТЕЛЬ приведен в таблице 5.4.

Таблица 5.4 Исходное отношение ПРЕПОДАВАТЕЛЬ

ФИО	Должн	Оклад	Стаж	ДСтаж	Каф	Предм	Группа	ВидЗан
Иванов И.М.	преп	500	5	100	25	СУБД	256	Практ
Иванов И.М.	преп	500	5	100	25	ПЛ/1	123	Практ
Петров М.И.	ст. преп	800	7	100	25	СУБД	256	Лекция
Петров М.И.	ст. преп	800	7	100	25	Паскаль	256	Практ
Сидоров Н.Г.	преп	500	10	150	25	ПЛ/1	123	Лекция
Сидоров Н.Г.	преп	500	10	150	25	Паскаль	256	Лекция
Егоров В.В.	преп	500	5	100	24	ПЭВМ	244	Лекция

Указанное отношение имеет следующую схему ПРЕПОДАВАТЕЛЬ(ФИО, Должн, Оклад, Стаж, Д_Стаж, Каф, Предм, Группа, ВидЗан). Исходное отношение ПРЕПОДАВАТЕЛЬ содержит избыточное дублирование данных, которое и является причиной аномалий редактирования. Различают избыточность явную и неявную.

Явная избыточность заключается в том, что в отношении ПРЕПОДАВАТЕЛЬ строки с данными о преподавателях, проводящих занятия в нескольких группах, повторяются соответствующее число раз. Например, в отношении ПРЕПОДАВАТЕЛЬ все данные по Иванову повторяются дважды. Поэтому, если Иванов И.М. станет старшим преподавателем, то этот факт должен быть отражен в обеих строках. В противном случае будет иметь место противоречие в данных, что является примером аномалии редактирования, обусловленной явной избыточностью данных в отношении.

Неявная избыточность в отношении ПРЕПОДАВАТЕЛЬ проявляется в одинаковых окладах у всех преподавателей и в одинаковых добавках к окладу за одинаковый стаж. Поэтому, если при изменении окладов за должность с 500 на 510 это значение изменят у всех преподавателей, кроме, например, Сидорова, то база станет противоречивой. Это пример аномалии редактирования для варианта с неявной избыточностью.

Средством исключения избыточности в отношениях и, как следствие, аномалий является нормализация отношений, рассмотрим ее более подробно.

5.2 Метод нормальных форм

Проектирование БД является одним из этапов жизненного цикла информационной системы. Основной задачей, решаемой в процессе проектирования БД, является задача нормализации ее отношений. Рассматриваемый ниже метод нормальных форм является классическим методом проектирования реляционных БД. Этот метод основан на фундаментальном в теории реляционных баз данных понятии зависимости между атрибутами отношений.

Зависимости между атрибутами

Рассмотрим основные виды зависимостей между атрибутами отношений: функциональные, транзитивные и многозначные. Понятие функциональной зависимости является базовым, так как на его основе формулируются определения всех остальных видов зависимостей. Атрибут В функционально зависит от атрибута А, если каждому значению А соответствует в точности одно значение В. Математически функциональная зависимость В от А обозначается записью А->В. Это означает, что во всех кортежах с одинаковым значением атрибута А атрибут В будет иметь также одно и то же значение. Отметим, что А и В могут быть составными - состоять из двух и более атрибутов.

В отношении Преподаватель можно выделить функциональные зависимости между атрибутами ФИО->Каф, ФИО->Должн, Должн->Оклад и другие. Наличие функциональной зависимости в отношении определяется природой вещей, информация о которых представлена кортежами отношения. В отношении ключ является составным и состоит из атрибутов ФИО, Предмет, Группа.

Функциональная взаимозависимость. Если существует функциональная зависимость вида А->В и В->А, то между А и В имеется взаимно однозначное соответствие, или функциональная взаимозависимость. Наличие функциональной взаимозависимости между атрибутами А и В обозначим как А<->В или В<->А.

Пример. Пусть имеется некоторое отношение, включающее два атрибута, функционально зависящие друг от друга. Это серия и номер паспорта (N) и фамилия, имя и отчество владельца (ФИО). Наличие функциональной зависимости поля ФИО от N означает не только тот факт, что значение поля N однозначно определяет значение поля ФИО, но и то, что одному и тому же значению поля N соответствует только единственное значение поля ФИО. Понятно, что в данном случае действует и обратная ФЗ: каждому значению поля ФИО соответствует только одно значение поля N. В данном примере предполагается, что ситуация наличия полного совпадения фамилий, имен и отчеств двух людей исключена.

Если отношение находится в 1НФ, то все неключевые атрибуты функционально зависят от ключа с различной степенью зависимости.

Частичной зависимостью (частичной функциональной зависимостью) называется зависимость неключевого атрибута от части составного ключа. В рассматриваемом отношении атрибут Должн находится в функциональной зависимости от атрибута ФИО, являющегося частью ключа. Тем самым атрибут Должн находится в частичной зависимости от ключа отношения.

Альтернативным вариантом является полная функциональная зависимость неключевого атрибута от всего составного ключа. В нашем примере атрибут ВидЗан находится в полной функциональной зависимости от составного ключа.

Атрибут С зависит от атрибута А транзитивно (существует транзитивная зависимость), если для атрибутов А, В, С выполняются условия А->В и В->С, но обратная зависимость отсутствует. В отношении Преподаватель транзитивной зависимостью связаны атрибуты:

ФИО->Должн->Оклад

Между атрибутами может иметь место многозначная зависимость.

В отношении R атрибут В многозначно зависит от атрибута А, если каждому значению А соответствует множество значений В, не связанных с другими атрибутами из R.

Многозначные зависимости могут быть "один ко многим" (1:М), "многие к одному" (М: 1) или "многие ко многим" (М:М), обозначаемые соответственно: А=>В, А<=В и А<=>В.

Например, пусть преподаватель ведет несколько предметов, а каждый предмет может вестись несколькими преподавателями, тогда имеет место зависимость ФИО<=>Предмет. Так, из таблицы видно, что преподаватель Иванов И.М. ведет занятия по двум предметам, а дисциплина СУБД - читается двумя преподавателями: Ивановым И.М. и Петровым М.И.

Замечание. В общем случае между двумя атрибутами одного отношения могут существовать зависимости: 1:1,1:М,М:1 и М:М. Поскольку зависимость между атрибутами является причиной аномалий, стараются расчленить отношения с зависимостями атрибутов на несколько отношений. В результате образуется совокупность связанных отношений (таблиц) со связями вида 1:1,1:М, М:1 и М:М (подраздел 3.3). Связи между таблицами отражают зависимости между атрибутами различных отношений.

Взаимно независимые атрибуты. Два или более атрибута называются взаимно независимыми, если ни один из этих атрибутов не является функционально зависимым от других атрибутов.

В случае двух атрибутов отсутствие зависимости атрибута А от атрибута В можно обозначить так: А-.->В. Случай, когда А-.->В и B-i->A, можно обозначить А-.=В.

Выявление зависимостей между атрибутами

Выявление зависимостей между атрибутами необходимо для выполнения проектирования БД методом нормальных форм, рассматриваемого далее.

Основной способ определения наличия функциональных зависимостей - внимательный анализ семантики атрибутов. Для каждого отношения существует, но не всегда, определенное множество функциональных зависимостей между атрибутами. Причем если в некотором отношении существует одна или несколько функциональных зависимостей, можно вывести другие функциональные зависимости, существующие в этом отношении.

Пример. Пусть задано отношение R со схемой R(A1, A2, A3) и числовыми значениями, приведенными в следующей таблице:

Таблица 5.5

А1	A2	A3
12	21	34
17	21	34
11	24	33
13	25	31
15	23	35
14	22	32

Априори известно, что в R существуют функциональные зависимости: А1->A2 и А2->A3.

Анализируя это отношение, можно увидеть, что в нем существуют еще зависимости:

А1-> A3, А1А2-> A3, А1А2АЗ-> А1А2, А1А2-> А2АЗ и т. п.

В то же время в отношении нет других функциональных зависимостей, что во введенных нами обозначениях можно отразить следующим образом: А2-,->А1, АЗ-,->А1 и т. д.

Отсутствие зависимости А1 от А2 (А2-.->А1) объясняется тем, что одному и тому же значению атрибута А2 (21) соответствуют разные значения атрибута А1 (12 и 17). Другими словами, имеет место многозначность, а не функциональность.

Перечислив все существующие функциональные зависимости в отношении R, получим полное множество функциональных зависимостей, которое обозначим F +.

Таким образом, для последнего примера исходное множество F = (А1-> А2, А2-> A3), а полное множество

F += (А1-> А2, А2-> A3, А1-> A3, А1А2-> A3, А1А2АЗ-> А1А2, А1А2->А2АЗ,...).

Для построения F+ из F необходимо знать ряд правил (или аксиом) вывода одних функциональных зависимостей из других. Существует 8 основных аксиом вывода:

рефлексивности

пополнения

транзитивности

расширения

продолжения

псевдотранзитивности

объединения

декомпозиции.

Перечисленные аксиомы обеспечивают получение всех ФЗ, т. е. их совокупность применительно к процедуре вывода можно считать "функционально полной". Выявим зависимости между атрибутами отношения ПРЕПОДАВАТЕЛЬ. При этом учтем следующее условие, которое выполняется в данном отношении: один преподаватель в одной группе может проводить один вид занятий (лекции или практические занятия). В результате анализа отношения получаем зависимости между атрибутами, показанные на рис. 5.5.

Рис. 5.5 Зависимости между атрибутами

ФИО->Oклад ФИО->Должн

ФИО->Стаж

ФИО->Д_Стаж

ФИО->Каф

Стаж->Д_Стаж

Должн->0клад Оклад->Должк

ФИО.Предм.Группа->ВидЗан

К выделению этих ФЗ для рассматриваемого примера приводят следующие соображения. Фамилия, имя и отчество у преподавателей факультета уникальны. Каждому преподавателю однозначно соответствует его стаж, т. е. имеет место функциональная зависимость ФИО->Стаж. Обратное утверждение неверно, так как одинаковый стаж может быть у разных преподавателей. Каждый преподаватель имеет определенную добавку за стаж, т. е. имеет место функциональная зависимость ФИО->Д_Стаж, но обратная функциональная зависимость отсутствует, так как одну и ту же надбавку могут иметь несколько преподавателей.

Каждый преподаватель имеет определенную должность (преп., ст.преп., доцент, профессор), но одну и ту же должность могут иметь несколько преподавателей, т. е. имеет место функциональная зависимость ФИО->Должн, а обратная функциональная зависимость отсутствует.

Каждый преподаватель является сотрудником одной и только одной кафедры. Поэтому функциональная зависимость ФИО->Каф имеет место. С другой стороны, на каждой кафедре много преподавателей, поэтому обратной функциональной зависимости нет.

Каждому преподавателю соответствует конкретный оклад, который одинаков для всех педагогов с одинаковыми должностями, что учитывается зависимостями ФИО->Oклад и Должн->Oклад. Нет одинаковых окладов для разных должностей, поэтому имеет место функциональная зависимость Оклад->Должн.

Один и тот же преподаватель в одной группе по разным предметам может проводить разные виды занятий. Определение вида занятий, которые проводит преподаватель, невозможно без указания предмета и группы, поэтому имеет место функциональная зависимость ФИО, Предм, Группа->ВидЗан. Действительно, Петров М.И. в 256 группе читает лекции и проводит пратические занятия. Но лекции он читает по СУБД, а практику проводит по Паскалю.

Нами не были выделены зависимости между атрибутами ФИО, Предм и Группа, поскольку они образуют составной ключ и не учитываются в процессе нормализации исходного отношения.

После того, как выделены все функциональные зависимости, следует проверить их согласованность с данными исходного отношения ПРЕПОДАВАТЕЛЬ.

Например, Должн.=преп и Оклад=500 всегда соответствуют друг другу во всех кортежах, т. е. подтверждается функциональная зависимость Должн<->Oклад. Так же следует верифицировать и остальные функциональные зависимости, не забывая об ограниченности имеющихся в отношении данных.

Нормальные формы

Процесс проектирования БД с использованием метода нормальных форм является итерационным и заключается в последовательном переводе отношений из первой нормальной формы в нормальные формы более высокого порядка по определенным правилам. Каждая следующая нормальная форма ограничивает определенный тип функциональных зависимостей, устраняет соответствующие аномалии при выполнении операций над отношениями БД и сохраняет свойства предшествующих нормальных форм. Выделяют следующую последовательность нормальных форм:

первая нормальная форма (1НФ);

вторая нормальная форма (2НФ);

третья нормальная форма (3НФ);

усиленная третья нормальная форма, или нормальная форма Бойса-Кодда (БКНФ);

четвертая нормальная форма (4НФ);

пятая нормальная форма (5НФ).

Первая нормальная форма. Отношение находится в 1НФ, если все его атрибуты являются простыми (имеют единственное значение). Исходное отношение строится таким образом, чтобы оно было в 1НФ.

Перевод отношения в следующую нормальную форму осуществляется методом "декомпозиции без потерь". Такая декомпозиция должна обеспечить то, что запросы (выборка данных по условию) к исходному отношению и к отношениям, получаемым в результате декомпозиции, дадут одинаковый результат.

Основной операцией метода является операция проекции. Поясним ее на примере. Предположим, что в отношении R(A,B,C,D,E,...) устранение функциональной зависимости C->D позволит перевести его в следующую нормальную форму Для решения этой задачи выполним декомпозицию отношения R на два новых отношения R1(A,B,C,E,...) и R2(C,D). Отношение R2 является проекцией отношения R на атрибуты С и D.

Исходное отношение ПРЕПОДАВАТЕЛЬ, используемое для иллюстрации метода, имеет составной ключ ФИО. Предм, Группа и находится в 1 НФ, поскольку все его атрибуты простые. В этом отношении в соответствии с рис. 5.5 можно выделить частичную зависимость атрибутов Стаж, Д_Стаж, Каф, Должн, Оклад от ключа - указанные атрибуты находятся в функциональной зависимости от атрибута ФИО, являющегося частью составного ключа. Эта частичная зависимость от ключа приводит к следующему:

1. В отношении присутствует явное и неявное избыточное дублирование данных, например:

повторение сведений о стаже, должности и окладе преподавателей, проводящих занятия в нескольких группах и/или по разным предметам;

повторение сведений об окладах для одной и той же должности или о надбавках за одинаковый стаж.

2. Следствием избыточного дублирования данных является проблема их редактирования. Например, изменение должности у преподавателя Иванова И.М. потребует просмотра всех кортежей отношения и внесения изменений в те из них, которые содержат сведения о данном преподавателе.

Часть избыточности устраняется при переводе отношения в 2НФ.

Вторая нормальная форма. Отношение находится в 2НФ, если оно находится в 1НФ и каждый неключевой атрибут функционально полно зависит от первичного ключа (составного). Для устранения частичной зависимости и перевода отношения в 2НФ необходимо, используя операцию проекции, разложить его на несколько отношений следующим образом:

построить проекцию без атрибутов, находящихся в частичной функциональной зависимости от первичного ключа;

построить проекции на части составного первичного ключа и атрибуты, зависящие от этих частей. В результате получим два отношения R1 и R2 в 2НФ (рис. 5.6).

В отношении R1 первичный ключ является составным и состоит из атрибутов ФИО, Предм, Группа. Напомним, что данный ключ в отношении R1 получен в предположении, что каждый преподаватель в одной группе по одному предмету может либо читать лекции, либо проводить практические занятия. В отношении R2 ключ ФИО.

Исследование отношений R1 и R2 показывает, что переход к 2НФ позволил исключить явную избыточность данных в таблице R2 - повторение строк со сведениями о преподавателях. В R2 по-прежнему имеет место неявное дублирование данных. Для дальнейшего совершенствования отношения необходимо преобразовать его в 3НФ.

Третья нормальная форма. Определение 1. Отношение находится в 3НФ, если оно находится в 2НФ и каждый неключевой атрибут нетранзитивно зависит от первичного ключа.

Существует и альтернативное определение.

Определение 2. Отношение находится в 3НФ в том и только в том случае, если все неключевые атрибуты отношения взаимно независимы и полностью зависят от первичного ключа.

Доказать справедливость этого утверждения несложно. Действительно, то, что неключевые атрибуты полностью зависят от первичного ключа, означает, что данное отношение находится в форме 2НФ. Взаимная независимость атрибутов (определение приведено выше) означает отсутствие всякой зависимости между атрибутами отношения, в том числе и транзитивной зависимости между ними. Таким образом, второе определение 3НФ сводится к первому определению.

Если в отношении R1 транзитивные зависимости отсутствуют, то в отношении R2 они есть:

ФИО->Должн->Оклад, ФИО->Оклад->Должн, ФИО->Стаж->Д_Стаж

Транзитивные зависимости также порождают избыточное дублирование информации в отношении. Устраним их. Для этого используя операцию проекции на атрибуты, являющиеся причиной транзитивных зависимостей, преобразуем отношение R2, получив при этом отношения R3, R4 и R5, каждое из которых находится в 3НФ. Заметим, что отношение R2 можно преобразовать по-другому, а именно: в отношении R3 вместо атрибута Должн взять атрибут Оклад.

На практике построение 3НФ схем отношений в большинстве случаев является достаточным и приведением к ним процесс проектирования реляционной БД заканчивается. Действительно, приведение отношений к 3НФ в нашем примере, привело к устранению избыточного дублирования.

Если в отношении имеется зависимость атрибутов составного ключа от неключевых атрибутов, то необходимо перейти к усиленной 3НФ.

Усиленная 3НФ или нормальная форма Бойса-Кодда (БКНФ). Отношение находится в БКНФ, если оно находится в 3НФ и в нем отсутствуют зависимости ключей (атрибутов составного ключа) от неключевых атрибутов.

У нас подобной зависимости нет, поэтому процесс проектирования на этом заканчивается. Результатом проектирования является БД, состоящая из следующих таблиц: Rl, R3, R4, R5. В полученной БД имеет место необходимое дублирование данных, но отсутствует избыточное.

Четвертая нормальная форма. Рассмотрим пример нового отношения ПРОЕКТЫ, схема которого выглядит следующим образом: ПРОЕКТЫ (Номер_проекта, Код_сотрудника, Задание_сотрудника). Первичным ключом отношения является вся совокупность атрибутов: Номер_проекта, Код_сотрудника и Задание_сотрудника. В отношении содержатся номера проектов, для каждого проекта - список кодов сотрудников-исполнителей, а также список заданий, предусмотренных каждым проектом. Сотрудники могут участвовать в нескольких проектах, и разные проекты могут содержать одинаковые задания. Предполагается, что каждый сотрудник, участвующий в некотором проекте, выполняет все задания по этому проекту (предположение не всегда справедливо, но желательно для нашего примера).

При такой постановке вопроса единственным возможным ключом отношения является составной атрибут Номер_проекта, Код_сотрудника, Задание_сотрудника. Он, естественно, и стал первичным ключом отношения. Отсюда следует, что отношение ПРОЕКТЫ, находится в форме БКНФ.

Главный недостаток отношения ПРОЕКТЫ состоит в том, что при подключении/отстранении от проекта некоторого сотрудника приходится добавлять/исключать из отношения столько кортежей, сколько заданий имеется в проекте. Внесение или исключение в отношении одного факта о некотором сотруднике требует серии элементарных операций из-за дублирования значений в кортежах.

Отсюда возникают вопросы: зачем хранить в кортежах повторяющиеся значения кодов сотрудников? Нужно ли перечислять все задания по каждому проекту, да еще для каждого сотрудника-исполнителя этого проекта? Нельзя ли информацию о привязке заданий к проектам поместить в отдельную таблицу и исключить повторения в основной таблице?

Заметим, что косвенный признак аномалии, как и ранее, - дублирование информации в таблице. Выскажем предположение, что причиной аномалии является наличие некоторой зависимости между атрибутами отношения (как увидим далее - многозначной зависимости). Действительно, в отношении ПРОЕКТЫ существуют следующие две многозначные зависимости:

Номер_проекта=> Код_сотрудника Номер_проекта=> 3адание_сотрудника

В произвольном отношении R(A,В,С) может одновременно существовать многозначная зависимость А=>В и А=>С. Это обстоятельство обозначим как А=>В |С. Дальнейшая нормализация отношений, схожих с отношением Проекты, основывается на следующей теореме.

Теорема Фейджина (Fagin R.). Отношение R(A,В,С) можно спроецировать без потерь в отношения R1(A,В) и R2(A,С) в том и только том случае, когда существует зависимость А=>В |С.

Под проецированием без потерь здесь понимается такой способ декомпозиции отношения, при котором исходное отношение полностью и без избыточности восстанавливается путем естественного соединения полученных отношений (см. подраздел 3.6).

Поясним проецирование без потерь на примере. Пусть имеется простейшее отношение (A,В,С). Построим проекции R1 и R2 на атрибуты А, В и А, С соответственно. Результатом операции соединения бинарных отношений R1(A,В) и R2(A,С) по атрибуту А является тернарное отношение с атрибутами А, В и С, кортежи которого получаются путем связывания отношений R1 и R2 по типу 1:М на основе совпадения значений атрибута А (подраздел 3.3). Так, связывание кортежей (к,15) и {(к,1), (к,2)} дает кортежи {(к,15,1), (к,15,2)}. Нетрудно видеть, что связывание R1(A,В) и R2(A,С) в точности порождает исходное отношение R(A,В,С). В отношении R нет лишних кортежей, нет и потерь.

Определение четвертой нормальной формы. Отношение R находится в четвертой нормальной форме (4НФ) в том и только в том случае, когда существует многозначная зависимость А=>В, а все остальные атрибуты R функционально зависят от А.

Приведенное выше отношение ПРОЕКТЫ можно представить в виде двух отношений: ПРОЕКТЫ-СОТРУДНИКИ и ПРОЕКТЫ-ЗАДАНИЯ. Эти отношения имеют следующую структуру:

Как легко увидеть, оба этих отношения находятся в 4НФ и свободны от замеченных недостатков. Дублирование значений атрибутов кодов сотрудников пропало. Попробуйте самостоятельно соединить эти отношения и убедиться в том, что в точности получится отношение ПРОЕКТЫ.

В общем случае не всякое отношение можно восстановить к исходному. В нашем случае восстановление возможно потому, что каждый сотрудник, участвующий в некотором проекте, выполнял все задания по этому проекту (именно это укладывается в принцип 1:М соединения отношений). Сами же сотрудники участвовали в нескольких проектах, и разные проекты могли содержать одинаковые задания.

Пятая нормальная форма. Результатом нормализации всех предыдущих схем отношений были два новых отношения. Иногда это сделать не удается, либо получаемые отношения заведомо имеют нежелательные свойства. В этом случае выполняют декомпозицию исходного отношения на отношения, количество которых превышает два.

Рассмотрим отношение СОТРУДНИКИ-ОТДЕЛЫ-ПРОЕКТЫ, которое имеет заголовок СОТРУДНИКИ-ОТДЕЛЫ-ПРОЕКТЫ (Код_сотрудника, Код_отдела, Номер_проекта). Первичный ключ отношения включает все атрибуты: Код_сотруд-ника, Код_отдела и Номер_проекта. Пусть в этом отношении один сотрудник может работать в нескольких отделах, причем в каждом отделе он может принимать участие в нескольких проектах. В одном отделе могут работать несколько сотрудников, но каждый проект выполняет только один сотрудник. Функциональных и многозначных зависимостей между атрибутами не существует.

Это отношение является частью базы данных вымышленного научного подразделения НИИЧАВО - Научно-Исследовательского Института ЧАродейства и ВОлшебства из повести А. и Б.Стругацких "Понедельник начинается в субботу". Коды отделов здесь обозначают: АД - Администрация, ВЦ - Вычислительный центр, ЛС -Линейного счастья, РД - Родильный дом, СЖ - Смысла жизни, УП - Универсальных превращений.

Исходя из структуры отношения СОТРУДНИКИ-ОТДЕЛЫ-ПРОЕКТЫ можно заключить, что оно находится в форме 4НФ. Тем не менее в отношении могут быть аномалии, связанные с возможностью повторения значений атрибутов в нескольких кортежах. Например, то что сотрудник может работать в нескольких отделах, при увольнении сотрудника требует отыскания и последующего удаления из исходной таблицы нескольких записей.

Введем определение зависимости соединения. Отношение R(X, Y,... , Z) удовлетворяет зависимости соединения, которую обозначим как *(Х, Y,..., Z), в том и только в том случае, если R восстанавливается без потерь путем соединения своих проекций на X, Y,..., Z. Зависимость соединения является обобщением функциональной и многозначной зависимостей.

Определение пятой нормальной формы. Отношение R находится в 5НФ (или нормальной форме проекции-соединения - PJ/NF) в том и только том случае, когда любая зависимость соединения в R следует из существования некоторого возможного ключа в R.

Образуем составные атрибуты отношения СОТРУДНИКИ-ОТДЕЛЫ-ПРОЕКТЫ:

С0={ Код_сотрудиика, Код_отдела}

СП=4 Код_сотрудника, Номер_проекта}

ОП={ Код_отдела, Номер_проекта}.

Покажем, что если отношение СОТРУДНИКИ-ОТДЕЛЫ-ПРОЕКТЫ спроецировать на составные атрибуты СО, СП и ОП, то соединение этих проекций дает исходное отношение. Это значит, что в нашем отношении существовала зависимость соединения *(СО, СП, ОП). Проекции на составные атрибуты назовем соответственно СОТРУДНИКИ-ОТДЕЛЫ, СОТРУДНИКИ-ПРОЕКТЫ и ОТДЕЛЫ-ПРОЕКТЫ.

Ранее мы выполняли соединение двух проекций и сразу получали искомый результат. Для восстановлении отношения из трех (или нескольких) проекций надо получить все попарные соединения (так как информация о том, какое из них "лучше", отсутствует), над которыми затем выполнить операцию пересечения множеств.

Замечание.

Существуют и другие способы восстановления исходного отношения из его проекций. Так, для восстановления отношения СОТРУДНИКИ-ОТДЕЛЫ-ПРОЕКТЫ можно соединить отношения СОТРУДНИКИ-ОТДЕЛЫ и СОТРУДНИКИ-ПРОЕКТЫ по атрибуту Код_сотрудника, после чего полученное отношение соединить с отношением ОТДЕЛЫ-ПРОЕКТЫ по составному атрибуту (Код_отдела, Номер_проекта).

Отношения СОТРУДНИКИ-ОТДЕЛЫ, СОТРУДНИКИ-ПРОЕКТЫ и ОТДЕЛЫ-ПРОЕКТЫ находятся в 5НФ. Эта форма является последней из известных. Условия ее получения довольно нетривиальны и поэтому она почти не используется на практике. Более того, она имеет определенные недостатки!

Предположим, необходимо узнать, где и какие проекты исполняет сотрудник с кодом 02. Для этого в отношении СОТРУДНИКИ-ОТДЕЛЫ найдем, что сотрудник с кодом 02 работает в отделе АД, а из отношения ОТДЕЛЫ-ПРОЕКТЫ найдем, что в отделе АД выполняются проекты 004 и 019, А это значит, что сотрудник 02 должен выполнять проекты 004 и 019. Увы, информация о том, что сотрудник с кодом 02 выполняет проект 019, ошибочна (см. исходное отношение СОТРУДНИКИ-ОТДЕЛЫ-ПРОЕКТЫ).

Такие противоречия можно устранить только путем совместного рассмотрения всех проекций основного отношения. Именно поэтому после соединения проекций и выполнялась операция их пересечения. Безусловно, это -'недостаток. Отметим, что наличие недостатков не требует обязательного отказа от определенных видов нормальных форм. Надо учитывать недостатки и условия их проявления. В некоторых постановках задач недостатки не проявляются.

На практике обычно ограничиваются структурой БД, соответствующей 3НФ или БКНФ. Поэтому процесс нормализации отношений методом нормальных форм предполагает последовательное удаление из исходного отношения следующих межатрибутных зависимостей:

частичных зависимостей неключевых атрибутов от ключа (удовлетворение требований 2НФ);

транзитивных зависимостей неключевых атрибутов от ключа (удовлетворение требований 3НФ);

зависимости ключей (атрибутов составных ключей) от неключевых атрибутов (удовлетворение требований БКНФ).

Кроме метода нормальных форм Кодда, используемого для проектирования небольших БД, применяют и другие методы, например, метод ER-диаграмм (метод "Сущность-связь"). Этот метод используется при проектировании больших БД, на нем основан ряд средств проектирования БД. На последнем этапе метода ER-диаграмм отношения, полученные в результате проектирования, проверяются на принадлежность их к БКНФ. Этот этап может выполняться уже с использованием метода нормальных форм. После завершения проектирования создается БД с помощью СУБД.

6. Перспективы развития БД и СУБД

Современные базы данных являются основой многочисленных информационных систем. Информация, накопленная в них, является чрезвычайно ценным материалом, и в настоящий момент широко распространяются методы обработки баз данных с точки зрения извлечения из них дополнительных знаний, методов, которые связаны с обобщением и различными дополнительными способами обработки данных. Базы данных в данной концепции выступают как хранилища информации, это направление называется «Хранилища данных» (Data Warehouse).

Для работы с «Хранилищами данных» наиболее значимым становится так называемый интеллектуальный анализ данных (ИАД), или data mining, -- это процесс выявления значимых корреляций, образцов и тенденций в больших объемах данных. Учитывая высокие темпы роста объемов накопленной в современных хранилищах данных информации, невозможно недооценить роль ИАД. По мнению специалистов Gartner Group, уже в 1998 г. ИАД вошел в десятку важнейших информационных технологий. В последние годы началось активное внедрение технологии ИАД. Ее активно используют как крупные корпорации, так и более мелкие фирмы, которые серьезно относятся к вопросам анализа и прогнозирования своей деятельности. Естественно, на рынке программных продуктов стали появляться соответствующие инструментальные средства.

Особенно широко методы ИАД применяются в бизнес-приложениях аналитиками и руководителями компаний. Для этих категорий пользователей разрабатываются инструментальные средства высокого уровня, позволяющие решать достаточно сложные практические задачи без специальной математической подготовки. Актуальность использования ИАД в бизнесе связана с жесткой конкуренцией, возникшей вследствие перехода от «рынка продавца» к «рынку покупателя». В этих условиях особенно важно качество и обоснованность принимаемых решений, что требует строгого количественного анализа имеющихся данных. При работе с большими объемами накапливаемой информации необходимо постоянно оперативно отслеживать динамику рынка, а это практически невозможно без автоматизации аналитической деятельности.

В бизнес-приложениях наибольший интерес представляет интеграция методов интеллектуального анализа данных с технологией оперативной аналитической обработки данных (On-Line Analytical Processing, OLAP). OLAP использует многомерное представление агрегированных данных для быстрого доступа к важной информации и дальнейшего ее анализа.

Системы OLAP обеспечивают аналитикам и руководителям быстрый последовательный интерактивный доступ к внутренней структуре данных и возможность преобразования исходных данных с тем, чтобы они позволяли отразить структуру системы нужным для пользователя способом. Кроме того, OLAP-сис-темы позволяют просматривать данные и выявлять имеющиеся в них закономерности либо визуально, либо простейшими методами (такими как линейная регрессия), а включение в их арсенал нейросетевых методов обеспечивает существенное расширение аналитических возможностей.

В основе концепции оперативной аналитической обработки (OLAP) лежит многомерное представление данных. Термин OLAP ввел Кодд (Е. F. Codd) в 1993 году. В своей статье он рассмотрел недостатки реляционной модели, в первую очередь невозможность «объединять, просматривать и анализировать данные с точки зрения множественности измерений, то есть самым понятным для корпоративных аналитиков способом», и определил общие требования к системам OLAP, расширяющим функциональность реляционных СУБД и включающим многомерный анализ как одну из своих характеристик.

Следует заметить, что Кодд обозначает термином OLAP многомерный способ представления данных исключительно на концептуальном уровне. Используемые им термины -- «Многомерное концептуальное представление» («Multidimensional conceptual view»), «Множественные измерения данных» («Multiple data dimensions»), «Сервер OLAP» («OLAP server») -- не определяют физического механизма хранения данных (термины «многомерная база данных» и «многомерная СУБД» не встречаются ни разу).

Часто в публикациях аббревиатурой OLAP обозначается не только многомерный взгляд на данные, но и хранение самих данных в многомерной БД, что в принципе неверно.

По Кодду, многомерное концептуальное представление (multi-dimensional conceptual view) является наиболее естественным взглядом управляющего персонала на объект управления. Оно представляет собой множественную перспективу, состоящую из нескольких независимых измерений, вдоль которых могут быть проанализированы определенные совокупности данных. Одновременный анализ по нескольким измерениям данных определяется как многомерный анализ. Каждое измерение включает направления консолидации данных, состоящие из серии последовательных уровней обобщения, где каждый вышестоящий уровень соответствует большей степени агрегации данных по соответствующему измерению. Так, измерение Исполнитель может определяться направлением консолидации, состоящим из уровней обобщения «предприятие--подразделение--отдел-служащий». Измерение Время может даже включать два направления консолидации -- «год--квартал--месяц--день» и «неделя--день», поскольку счет времени по месяцам и по неделям несовместим. В этом случае становится возможным произвольный выбор желаемого уровня детализации информации по каждому из измерений. Операция спуска (drilling down) соответствует движению от высших ступеней консолидации к низшим; напротив, операция подъема (rolling up) означает движение от низших уровней к высшим.

Следующим новым направлением в развитии систем управления базами данных является направление, связанное с отказом от нормализации отношений. Во многом нормализация отношений нарушает естественные иерархические связи между объектами, которые достаточно распространены в нашем мире. Возможность сохранять их на концептуальном (но не па физическом) уровне позволяет пользователям более естественно отражать семантику предметной области. В настоящий момент уже существует теоретическое обоснование работы с ненормализованными отношениями и практические реализации подобных систем.

Дальнейшим расширением в структурных преобразованиях являются объектно-ориентированные базы данных. В объектно-ориентированной парадигме предметная область моделируется как множество классов взаимодействующих объектов. Каждый объект характеризуется набором свойств, которые являются как бы его пассивными характеристиками и набором методов работы с этим объектом. Работать с объектом можно только с использованием его методов. Атрибуты объекта могут принимать определенное множество допустимых значений, набор конкретных значений атрибутов объекта определяет его состояние. Используя методы работы с объектом, можно изменять значение его атрибутов и тем самым как бы изменять состояние самого объекта. Множество объектов с одним и тем же набором атрибутов и методов образует класс объектов. Объект должен принадлежать только одному классу (если не учитывать возможности наследования). Допускается наличие примитивных предопределенных классов, объекты-экземпляры которых не имеют атрибутов: целые, строки и т. д. Класс, объекты которого могут служить значениями атрибута объектов другого класса, называется доменом этого атрибута.

Одной из наиболее перспективных черт объектно-ориентированной парадигмы является принцип наследования. Допускается порождение нового класса на основе уже существующего класса, и этот процесс называется наследованием. В этом случае новый класс, называемый подклассом существующего класса (суперкласса), наследует все атрибуты и методы суперкласса. В подклассе, кроме того, могут быть определены дополнительные атрибуты и методы. Различаются случаи простого и множественного наследования. В первом случае подкласс может определяться только на основе одного суперкласса, во втором случае суперклассов может быть несколько. Если в языке или системе поддерживается единичное наследование классов, набор классов образует древовидную иерархию. При поддержании множественного наследования классы связаны в ориентированный граф с корнем, называемый решеткой классов. Объект подкласса считается принадлежащим любому суперклассу этого класса.

Можно считать, что наиболее важным качеством ООБД (объектно-ориентированной базы данных), которое позволяет реализовать объектно-ориентированный подход, является учет поведенческого аспекта объектов.

В прикладных информационных системах, основывавшихся на БД с традиционной организацией (вплоть до тех, которые базировались на семантических моделях данных), существовал принципиальный разрыв между структурной и поведенческой частями. Структурная часть системы поддерживалась всем аппаратом БД, ее можно было моделировать, верифицировать и т. д., а поведенческая часть создавалась изолированно. В частности, отсутствовали формальный аппарат и системная поддержка совместного моделирования и гарантий согласованности структурной (статической) и поведенческой (динамической) частей. В среде ООБД проектирование, разработка и сопровождение прикладной системы становятся процессом, в котором интегрируются структурный и поведенческий аспекты. Конечно, для этого нужны специальные языки, позволяющие определять объекты и создавать на их основе прикладную систему.

Специфика применения объектно-ориентированного подхода для организации и управления БД потребовала уточненного толкования классических концепций и некоторого их расширения.

Прежде всего, возникло направление, которое предполагает возможность хранения объектов внутри реляционной БД, тогда дополнительно необходимо предусмотреть хранение и использование специфических методов работы с этими объектами, а это в свою очередь требует расширения стандарта языка SQL. Частично это уже сделано в новом стандарте SQL3, однако там далеко не все вопросы получили однозначное разрешение.

Однако часть разработчиков придерживается мнения о необходимости полного отказа от реляционной парадигмы и перехода на объектно-ориентированную парадигму. Для перехода к объектно-ориентированным БД стандарт объектного проектирования был дополнен стандартизованными средствами доступа к базам данных (стандарт ODMG93).

Поставщики коммерческих СУБД немедленно отреагировали на эту потребность. Практически каждая уважающая себя фирма обратилась к объектным технологиям и продуктивно сотрудничает с разработчиками объектно-ориентированных СУБД. IBM и Oracle доработали свои СУБД (соответственно, DB2 и ORACLE), добавив объектную надстройку над реляционным ядром системы. Другой путь выбрал Informix, который приобрел серьезную объектно-реляционную СУБД Illustra и встроил ее в свою СУБД. В результате получился продукт, именующийся универсальным сервером. Другой лидер рынка СУБД Computer Associates, поступил иначе. Он сделал ставку на чисто объектную базу Jasmine, активно пропагандируя ее достоинства. Кто прав покажет будущее.

Следующим направлением развития баз данных является появление так называемых темпоральных баз данных, то есть баз данных, чувствительных ко времени. Фактически БД моделирует состояние объектов предметной области в некоторый текущий момент времени. Однако в ряде прикладных областей необходимо исследовать именно изменение состояний объектов во времени. Если использовать чисто реляционную модель, то требуется строить и хранить дополнительно множество отношений, имеющих одинаковые схемы, отличающиеся временем существования или снятия данных. Гораздо перспективнее и удобнее для этого использовать специальные механизмы снятия срезов по времени для определенных объектов БД. Основной тезис темпоральных систем состоит в том, что для любого объекта данных, созданного в момент времени t1 и уничтоженного в момент времени t2, в БД сохраняются (и доступны пользователям) все его состояния во временном интервале (t1,t2). При обозначении интервала квадратные скобки означают, что граница интервала включена в него, а круглые скобки означают, что точка на временной оси, соответствующая границе интервала, не включается в интервал. И действительно, если объект уничтожен в момент времени t2, то в этой точке временной оси он уже не существует, поэтому мы оставляем правую границу временного интервала открытой.

Еще одним из перспективных направлений развития баз данных является направление, связанное с объединением технологии экспертных систем и баз данных и развитие так называемых дедуктивных баз данных. Эти базы основаны на выявлении новых знаний из баз данных не путем запросов или аналитической обработки, а путем использования правил вывода и построения цепочек применения этих правил для вывода ответов на запросы. Для этих баз данных существуют языки запросов, отличные от классического SQL. В экспертных системах также знания экспертов хранятся в форме правил, чаще всего используются так называемые продукционные правила типа «если описание ситуации, то описание действия». Хранение подобных правил и организация вывода на основании имеющихся фактов под силу современным СУБД.

И наконец, последним, но, может быть, самым значительным направлением развития баз данных является перспектива взаимодействия Web-технологии и баз данных. Простота и доступность Web-технологии, возможность свободной публикации информации в Интернете, так чтобы она была доступна любому количеству пользователей, несомненно, сразу завоевали авторитет у большого числа пользователей. Однако процесс накопления слабоструктурированной информации быстро проходит и далее наступает момент обеспечения эффективного управления этой разнообразной информацией. И это уже серьезная проблема. Некоторые исследователи даже вывели определенную тенденцию, которая выражается в том, что наиболее популярные сайты со временем становятся неуправляемыми, в море информации невозможно отыскать то, что требуется. С одной стороны, Web представляет собой одну громадную базу данных. Однако до сих пор, вместо того чтобы превратиться в неотъемлемую часть инфраструктуры Web, базы данных остаются на вторых ролях. Во-первых, дизайнеры крупнейших Web-серверов с миллионами страниц содержимого постепенно перекладывают задачи управления страницами с файловых систем на системы баз данных. Во-вторых, системы баз данных используются в качестве серверов электронной коммерции, помогая отслеживать профили, транзакции, счета и инвентарные листы. В-третьих, ведущие Web-издатели примериваются к использованию систем баз данных для хранения информационного наполнения, имеющего сложную природу. Однако в подавляющей части Web-узлов, особенно в тех, которые принадлежат провайдерам и держателям поисковых машин, технология баз данных не применяется. В небольших Web-узлах, как правило, используются статические HTML-страницы, хранящиеся в обычных файловых системах.