Modelamiento de una Base de Datos
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P. UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INFORMÁTICA Base de Datos Usuario A Programa de Aplicación Bodega Usuario B • • • Usuario N • • • Insumo Proveedor Profesores: José Miguel Rubio L. Índice de Contenidos Introducción a las Bases de Datos El Recurso Dato Dato v/s Información Historia de las Bases de Datos Componentes de un ambiente de Base de Datos Beneficios & Riesgos del uso de Base de Datos Sistema de archivos v/s Bases de Datos Bases de Datos y Desarrollo de Sistemas de Información Base de Datos 2 Índice de Contenidos Sistemas de Gestión de Base de Datos Conceptos Principales funciones Ventajas de utilizar SGBD Consideraciones del uso de un SGB Base de Datos 3 Índice de Contenidos Modelamiento de una Base de Datos Modelo Conceptual: Entidad Relación Asociaciones entre entidades, Cardinalidad de Asociaciones Claves candidatas y claves primarias, Atributos multivaluados Reglas del Negocio Modelo Lógico: Relacional Modelo Lógico Transformación de entidades y relaciones Proceso de Normalización de Relaciones Análisis de vistas Base de Datos 4 Índice de Contenidos Metodología para el desarrollo de una BD Identificación y Formulación de Requerimientos Diseño Conceptual Diseño Lógico Diseño Físico Base de Datos 5 Definir Diseño de la Base de Datos Realidad Requisitos de Datos Modelo Externo Diseño Conceptual Modelo Conceptual Diseño Lógico Modelo Lógico Diseño Físico Modelo Físico Esquema Conceptual Esquema Lógico Esquema Físico Base de Datos 6 Diseño Lógico El objetivo del Diseño Lógico es traducir el Diseño Conceptual (el que representa los requerimientos) en un Diseño Lógico que pueda ser implementado sobre un DBMS. Existen varias representaciones para el modelo lógico de la BD, entre las que se encuentran: Modelo Jerárquico Reticular Relacional Modelo Orientado a Objeto Base de Datos 7 Modelos Jerárquicos Desarrollo de los modelos jerárquicos y del concepto de BD (1960-70): Un ejemplo de bases de datos jerárquica es IMS de IBM desarrollado a finales de los 60. Definición de independencia, seguridad, etc. Definición de lenguajes de Bases de Datos (1975) Creación y trabajos del comité SPARC/DB (ANSI) Arquitectura de SGDB en tres niveles (hasta 1980) Desarrollo de los sistemas en red y jerárquicos avanzados Base de Datos 8 Modelos Jerárquicos En los modelos jerárquicos, los elementos tienen una relación padre/hijo donde un hijo tiene un solo padre mientras que un padre puede tener varios hijos Base de Datos 9 Modelos Jerárquicos Este modelo representa un conjunto de asociaciones entre entidades, del tipo 1:1 y 1:M, es decir una jerarquía de entidades (o árbol). En una jerarquía un padre (registro propietario, UNO) puede tener muchos hijos (registro subordinado, MUCHOS) pero un hijo sólo puede tener un padre. El árbol que se forma puede tener varios niveles, lo que significa que un hijo en un cierto nivel puede a su vez ser padre de otros hijos de nivel menor, pero en todos los niveles debe cumplirse que mientras cada padre puede tener varios hijos, cada hijo puede tener sólo un padre. Base de Datos 10 Modelos Jerárquicos Todas las interrelaciones de los datos se basan en jerarquías. Los archivos se conectan entre sí mediante punteros físicos (dirección física que indica donde puede encontrarse un registro sobre el disco) o campos añadidos a los registros individuales. Por ejemplo si tenemos un archivo de facturas (FACTURA) y otro de líneas de factura (LINEA_F), el padre (registro propietario) sería los datos de la factura y los hijos (registros subordinados) las líneas de la factura. Base de Datos 11 Modelos Jerárquicos En organizaciones jerárquicas se hace difícil expresar las relaciones en la cuales un hijo se relaciona con varios padres. Como contrapartida cuando las relaciones son jerárquicas, resulta fácil de implementar, modificar y mantener la base de datos. Base de Datos 12 Modelos Jerárquicos Ejemplo Distribuidora de Productos: CLIENTE Nombre Dirección ORDEN #Orden Fecha PRODUCTO #Producto Descripción Cantidad PROVEEDOR Base de Datos #Proveedor, Ranking, Precio, TpoEntrega 13 Modelos Jerárquicos Una restricción importante de este modelo es la existencia de un padre único para cada entidad. En el ejemplo anterior, las entidades ORDEN y PRODUCTO tienen una asociación 1:M, siendo que un producto puede estar asociado con muchas órdenes, es decir, la asociación real es M:N, pero éstas no se pueden implementar en una jerarquía. La restricción anterior genera una alta redundancia dentro de este modelo, donde aparecen ocurrencias jerárquicas de la base de datos que corresponderían al modelo entregado en la figura anterior para la Distribuidora de Productos. Base de Datos 14 Modelos Jerárquicos Ejemplo Distribuidora de Productos: Cliente A Orden A.1 Producto X Prov. Q Base de Datos Producto Y Prov. P Prov. Q Cliente B Orden A.2 Orden B.1 Producto X Producto Z Prov. Q Prov. Q Prov. P Prov. R 15 Modelos Jerárquicos Este modelo presenta variados problemas al realizar mantención a la base de datos. Al ingresar un nuevo PRODUCTO, es necesario tener un CLIENTE y una ORDEN asociada; Al eliminar un PRODUCTO se eliminan todos los PROVEEDORES asociados, pudiéndose perder información relevante; Al modificar algún atributo, por ejemplo cambiar el Ranking de un PROVEEDOR es necesario hacerlo en todas las ocurrencias donde esté el PROVEEDOR, lo cual es lento y puede producir inconsistencias si es que no se actualizan todas las ocurrencias. Base de Datos 16 Modelos Jerárquicos Las limitaciones al modelo radica en que no todas las interrelaciones se pueden representar en una estructura jerárquica. Se intentan solucionar desarrollando los sistemas de base de datos en red. Base de Datos 17 Modelos de Red Este modelo representa a los datos como un conjunto (set) de tipos de registros y asociaciones entre ellos. Se utiliza como estructura de datos un grafo, por lo que un tipo de registro puede tener numerosas asociaciones con otros tipos de registros, del tipo 1:1, 1:M y M:N. Resulta más flexible que el jerárquico. Es una extensión del modelo jerárquico, en la que un hijo puede tener más de un padre. Este modelo es menos restrictivo que el jerárquico y los sistemas de base de datos utilizan punteros físicos también. La desventaja es que en este tipo de modelo de datos su estructura comienza a tomar apariencia de “tela de araña” con apuntadores que salen en todas direcciones. Base de Datos 18 Modelos de Red A principios de los 70 se desarrollaron y se comercializaron varios SGBD en red y este modelo de datos se normalizó como el modelo CODASYL. Ejemplos de bases de datos en red son ADABAS, TOTAL, IMAGE,... Base de Datos 19 Modelos de Red Ejemplo Distribuidora de Productos: ORDEN CLIENTE Nombre Dirección #Orden Fecha PRODUCTO LINEA-ORDEN #Producto Descripción Cantidad PROD-PROV Precio Tpo-Entrega Base de Datos Cantidad PROVEEDOR #Proveedor, Ranking, Precio, Tpo-Entrega 20 Modelos de Red En este modelo es posible representar asociaciones M:N, para ello es necesario transformarlas en dos asociaciones 1:M unidas a través de un tipo de registro de intersección denominado NUB. Con esto se elimina la redundancia generada en el modelo jerárquico. Los problemas de insertar, borrar y modificar la base de datos planteados en el modelo jerárquico, se simplifican enormemente. Solo hay que tener cuidado al borrar registros que intervienen en asociaciones M:N, pues es posible que se creen inconsistencias si es que no se eliminan los registros NUB involucrados. Base de Datos 21 Modelos Orientados a Objetos Define una base de datos en términos de objetos, propiedades y sus operaciones. Los objetos con una misma estructura y comportamiento pertenecen a una misma clase, y las clases se organizan en jerarquías. Los modelos relacionales han extendido sus modelos para incorporar conceptos orientados a objetos. Base de Datos 22 Modelo de Datos Relacional En 1970, Edgard F. Cood publica un artículo en el que argumenta que los datos deberían relacionarse mediante interrelaciones naturales, lógicas e inherentes a los datos, más que mediante punteros físicos. Cood propone así, un modelo simple de datos en el que todos ellos se representarían en tablas constituidas por filas y columnas. A estas tablas se les dio el nombre de relaciones y por eso se denominó al modelo relacional. Base de Datos 23 Modelo de Datos Relacional Cood también propuso dos lenguajes para manipular los datos en las tablas: El álgebra relacional El cálculo relacional. La manipulación lógica de los datos también hace factible la creación de lenguajes de consulta más accesibles para un usuario no especialista en programación. Actualmente los sistemas relacionales son un estándar en el mercado, especialmente en operaciones comerciales. Ejemplos de sistemas de bases de datos relacionales son: INFORMIX, DB2, ORACLE, SYBASE, DBASE, FOXPRO, INGRES, MYSQL, MS SQL SERVER, ... Base de Datos 24 Modelo de Datos Relacional: Principales Características Resulta más eficiente que el modelo jerárquico y de red. La Base de Datos es representada como una colección de tablas (relaciones), las que se pueden almacenar individualmente en forma de archivo. Cualquier línea determinada de relación se le llama tupla. Cada columna de la relación representa un dominio diferente. Base de Datos 25 Modelo de Datos Relacional El modelo relacional es totalmente diferente a los modelos jerárquico y de red, no sólo en su arquitectura sino que también en los siguientes puntos: Independencia en la implementación: No es necesario conocer como se representan físicamente los datos (no se necesita trabajar con punteros, listas enlazadas, grafos, etc.) Terminología: El modelo relacional tiene su propia terminología. Claves lógicas como punteros: Usa claves primarias y foráneas para representar las asociaciones entre dos archivos. No obstante, debido a la independencia en la implementación la base de datos física puede usar punteros u otros métodos, pero éstos son transparentes para el usuario. Teoría de Normalización: Esta teoría fue desarrollada en el contexto del modelo relacional, pero hoy en día sus propiedades han sido extendidas a otros modelos. Consiste en un conjunto de propiedades que deben cumplir los datos para lograr un diseño de base de datos libre de dependencias y con el mínimo de redundancia. Lenguaje de programación comprensivo: Existen lenguajes simples para accesar las bases de datos relacionales, son lenguajes que permiten manipular datos como grupos o archivos, en vez de un registro a la vez como los lenguajes procedurales tradicionales. Base de Datos 26 Modelo de Datos Relacional: Resumen Histórico Desarrollo del modelo relacional (1970-1990): (1970-78) Desarrollo del modelo teórico Definición del modelo (Codd 1970-72) Álgebra y Cálculo relacional Primeros problemas de diseño (1975- 1980) Desarrollo de los primeros SGBD relacionales IBM (System R) SQL (1975) DB2, SQL/DS, OS/2, SQL/200 etc.. Proyecto INGRES Base de Datos 27 Modelo de Datos Relacional: Resumen Histórico (1980-1990) Desarrollo de los grandes sistemas relacionales SQL comercial Desarrollo de generadores de aplicaciones Sistemas distribuidos Estructuras cliente/servidor (lenguajes visuales) Modelo relacional orientado a objetos Base de Datos 28 Modelo de Datos Relacional: Resumen Histórico Nuevos modelos de representación de información (1980-1990): Algunos problemas en el modelo relacional La semántica de los items complejos se recoge mal Conexión de los datos existentes en la base de datos con información “inteligente” Representación unificada de reglas y datos Bases de conocimiento Sistemas Inteligentes de Información Base de Datos 29 Modelo de Datos Relacional: Resumen Histórico Nuevos modelos de representación de información (1980-1990): Algunos problemas en el modelo relacional Existencia de bancos de datos con información no estructurada: Bases de datos documentales Sistemas de recuperación de información Los nuevos problemas (1990-2000): Nuevas Aplicaciones 1.- Tratamiento de grandes volúmenes de datos de imágenes 2.- Bases de datos para sistemas de ayuda al diseño 3.- La obtención de información elaborada 4.- Bases de datos que soporten información compleja. Base de Datos 30 Modelo de Datos Relacional: Resumen Histórico Nuevos Desafíos: 1.- Tecnología de bases de datos multimedia 2.- Problemas de bases de datos heterogéneas 3.- Gestión de consultas expresadas de forma imprecisa 4.- Inicio de nuevas formas de acceder a la información (Minería de Datos) Base de Datos 31 Modelo Relacional Creado por Cood representa los datos en forma de tablas o relaciones, está basado en fundamentos matemáticos lo que le da solidez a las operaciones que se realizan sobre las relaciones. Comprende tres componente: Estructura de los datos: Los datos son organizados en relaciones. La Manipulación de los datos: Lenguaje poderoso como SQL son usados para manipular los datos almacenados en las relaciones. La Integridad de los datos: Cuenta con facilidades que mantienen la integridad de los datos cuando estos son manipulados. Base de Datos 32 Propiedades de las Relaciones 1. La intersección de cada fila y columna es atómico lo que implica que no pueden existir grupos repetidos. 2. Las columnas deben tener el mismo dominio. 3. Cada fila es única y esto se garantiza por la existencia de la clave primaria, la cual es única para todas las ocurrencias. 4. Cada columna tiene un nombre distinto y el orden de las columnas no tiene importancia. 5. El orden de las filas es irrelevante. 6. Las relaciones deben ser bien estructuradas lo que significa que contiene redundancia mínima y se puede realizar inserción, modificación y eliminación sin generar errores o inconsistencias, también llamadas “anomalías”. Base de Datos 33 Modelo Relacional Se define una tupla como el conjunto de valores que componen una fila de una relación. Una tupla es equivalente a la ocurrencia de un registro dentro de un archivo. Una n-tupla, es una tupla compuesta de n dominios, siendo n el grado de la relación. Un dominio es el conjunto de valores posibles para una columna. La cardinalidad se define como el número de tuplas de una relación. Una base de datos relacional, está formada entonces por un conjunto de relaciones o tablas, las cuales están asociadas entre sí (relationship es el término usado en inglés para definir una asociación o relacionamiento) a través de columnas que tienen en común. Base de Datos 34 Modelo Relacional Ejemplo de Relacional: Se trata de una relación de grado tres y cardinalidad cuatro. Relación INSUMO CODIGO-INS NOMBRE-INS MARCA I1 Ampolleta Phillips I2 Lápiz BIC I3 Papel Xerox I4 Lápiz Parker Para representar una relación en una forma más resumida se utiliza la siguiente notación : INSUMOS (CODIGO-INS, NOMBRE-INS, MARCA) Nombre de la Relación Base de Datos Dominios 35 Modelo Relacional Cada tupla está compuesta de uno o más dominios. Para entender mejor el concepto de dominio, analicemos el dominio MARCA de la relación INSUMO, éste corresponde al conjunto de todas las marcas válidas, incluidas aquellas que actualmente no aparecen como valores de datos en la relación INSUMO. Es importante diferenciar un dominio de una columna o atributo. Un atributo representa el uso de un dominio dentro de una relación. Base de Datos 36 Modelo Relacional Relación Producto-Ensamblado Producto Componente Cantidad P1 P10 2 P1 P20 1 P5 P10 4 P8 P30 1 P8 P38 3 P8 P40 5 P9 P20 6 El producto P1 está formado por dos unidades del producto P10 y por una unidad del producto P20, el producto P5 por cuatro unidades de P10, etc. En este caso, hay tres atributos (PRODUCTO, COMPONENTE y CANTIDAD) y dos dominios (CODIGO-PRODUCTO y CANT) Base de Datos 37 Modelo Relacional Cada tupla en una relación es única, y debe ser posible definir una clave primaria o identificador que permita asegurar esta unicidad. Por ejemplo, en la relación INSUMO la clave primaria puede ser el atributo CODIGO-INS. Es posible que la clave primaria sea una combinación de atributos. El proceso de manipular una base de datos relacional es bastante más simple que en los dos modelos anteriores. Al representarse los datos de una sola forma se requiere un solo operador para cada función básica (leer, insertar, borrar y modificar). Base de Datos 38 Modelo Relacional Suponer un Sistema de Compras que maneja la información sobre la adquisición de insumos de una empresa a diferentes proveedores, a través de tres tablas. Proveedor Insumo Codigo-Prov Nombre-Prov Ciudad P1 Alvarez Viña P2 Martínez Valparaíso P3 Zamora Quillota Orden de Compra CODIGO-PROV CODIGO-INS CANTIDAD P1 I1 300 P1 I2 200 P1 I3 400 P2 I1 300 P2 I2 400 P3 I2 200 Base de Datos Codigo-Ins Nombre-Ins Marca I1 Ampolleta Phillips I2 Lápiz Bic I3 Papel Xerox I4 Lápiz Parker 39 Modelo Relacional Es posible hacer un paralelo entre la terminología usada en el modelo relacional, con la utilizada en archivos tradicionales (pero dejando en claro que la teoría relacional es mucho más precisa en su definición): Base de Datos Modelo Relacional Archivos Tradicionales Relación (Tabla) Archivo Tupla (Fila) Registro Dominio (Columna) Campo 40
