ERD. Суть, принципы построения.

Цель моделирования данных состоит в обеспечении разработчика ИС концептуальной схемой базы данных в форме одной модели или нескольких локальных моделей, которые относительно легко могут быть отображены в любую систему баз данных.

Наиболее распространенным средством моделирования данных являются диаграммы "сущность-связь" (ERD). С их помощью определяются важные для предметной области объекты (сущности), их свойства (атрибуты) и отношения друг с другом (связи). ERD непосредственно используются для проектирования реляционных баз данных.

Сущность (Entity) - реальный либо воображаемый объект, имеющий существенное значение для рассматриваемой предметной области, информация о котором подлежит хранению.

Связь (Relationship)- поименованная ассоциация между двумя сущностями, значимая для рассматриваемой предметной области.

Степень связи и обязательность графически изображаются следующим образом

Атрибут - любая характеристика сущности, значимая для рассматриваемой предметной области и предназначенная для квалификации, идентификации, классификации, количественной характеристики или выражения состояния сущности.

Атрибут может быть либо обязательным, либо необязательным. Обязательность означает, что атрибут не может принимать неопределенных значений (nullvalues). Атрибут может быть либо описательным (т.е. обычным дескриптором сущности), либо входить в состав уникального идентификатора (первичного ключа).

ER-модель Чена

Диаграммы "сущность-связь" (ERD) предназначены для разработки моделей данных и обеспечивают стандартный способ определения данных и отношений между ними. Фактически с помощью ERD осуществляется детализация хранилищ данных проектируемой системы, а также документируются сущности системы и способы их взаимодействия, включая идентификацию объектов, важных для предметной области (сущностей), свойств этих объектов (атрибутов) и их отношений с другими объектами (связей).

Данная нотация была введена Ченом (Chen) и получила дальнейшее развитие в работах Баркера (Barker). Нотация Чена предоставляет богатый набор средств моделирования данных, включая собственно ERD, а также диаграммы атрибутов и диаграммы декомпозиции. Эти диаграммные техники используются прежде всего для проектирования реляционных баз данных (хотя также могут с успехом применяться и для моделирования как иерархических, так и сетевых баз данных).

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

ОТНОШЕНИЕ в самом общем виде представляет собой связь между двумя и более сущностями. Именование отношения осуществляется с помощью грамматического оборота глагола (ИМЕЕТ, ОПРЕДЕЛЯЕТ, МОЖЕТ ВЛАДЕТЬ и т.п.).

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

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

использование этой информации различными приложениями.

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

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

Для идентификации требований, в соответствии с которыми сущности вовлекаются в отношения, используются СВЯЗИ. Каждая связь соединяет сущность и отношение и может быть направлена только от отношения к сущности.

ЗНАЧЕНИЕ связи характеризует ее тип и, как правило, выбирается из следующего множества:

{"O или 1", "0 или более", "1", "1 или более", "p:q" ( диапазон )}.

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

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

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

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

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

Детализация сущности осуществляется с использованием диаграмм атрибутов, которые раскрывают ассоциированные с сущностью атрибуты. Диаграмма атрибутов состоит из детализируемой сущности, соответствующих атрибутов и доменов, описывающих области значений атрибутов. На диаграмме каждый атрибут представляется в виде связи между сущностью и соответствующим доменом, являющимся графическим представлением множества возможных значений атрибута. Все атрибутные связи имеют значения на своем окончании. Для идентификации ключевого атрибута используется подчеркивание имени атрибута.

ER-модель Баркера

Дальнейшее развитие ER-подход получил в работах Баркера, предложившего оригинальную нотацию, которая позволила на верхнем уровне интегрировать предложенные Ченом средства описания моделей.

В нотации Баркера используется только один тип диаграмм - ERD. Сущность на ERD представляется прямоугольником любого размера, содержащим внутри себя имя сущности, список имен атрибутов (возможно, неполный) и указатели ключевых атрибутов (знак "#" перед именем атрибута).

Все связи являются бинарными и представляются линиями с двумя концами (соединяющими сущности), для которых должно быть определено имя, степень множественности (один или много объектов участвуют в связи) и степень обязательности (т.е. обязательная или необязательная связь между сущностями). Для множественной связи линия присоединяется к прямоугольнику сущности в трех точках, а для одиночной связи - в одной точке. При обязательной связи рисуется непрерывная линия до середины связи, при необязательной - пунктирная линия. На рис. 5.6 приведен фрагмент ERD для банковской задачи в нотации Баркера.

Читается связь отдельно для каждого конца, показывая, как сущность КЛИЕНТ связывается с сущностью КРЕДИТНАЯ КАРТА, и наоборот. При этом необходимо учитывать степень обязательности выбранного конца связи, для этой цели используются слова "должен (быть)" или "может (быть)".

В заключение отметим, что понятия категория и общая сущность заменяются Баркером на эквивалентные понятия подтипа и супертипа, соответственно.

25.Методология IDEF1 (ERD)

Разработка ERD включает следующие основные этапы:

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

Идентификация отношений между сущностями и указание типов отношений.

Разрешение неспецифических отношений (отношений n*m).

Этап 1 является определяющим при построении модели, его исходной информацией служит содержимое хранилищ данных, определяемое входящими и выходящими в/из него потоками данных.

Этап 2 служит для выявления и определения отношений между сущностями, а также для идентификации типов отношений. На данном этапе некоторые отношения могут быть неспецифическими (n*m - многие-ко-многим). Такие отношения потребуют дальнейшей детализации на этапе 3.

Этап 3 предназначен для разрешения неспецифических (многие ко многим) отношений. Для этого каждое неспецифическое отношение преобразуется в два специфических отношения с введением новых (а именно, ассоциативных) сущностей. Таким образом, ассоциативные сущности по своей природе являются представлениями пар реальных объектов и обычно появляются на этапе 3.

26. Спецификации управления (STD)

Спецификации управления предназначены для моделирования и документирования аспектов систем, зависящих от времени или реакции на событие. Они позволяют осуществлять декомпозицию управляющих процессов и описывают отношения между входными и выходными управляющими потоками на управляющем процессе-предке. Для этой цели обычно используются диаграммы переходов состояний (STD).

С помощью STD можно моделировать последующее функционирование системы на основе ее предыдущего и текущего функционирования. Моделируемая система в любой заданный момент времени находится точно в одном из конечного множества состояний. С течением времени она может изменить свое состояние, при этом переходы между состояниями должны быть точно определены.

STD состоит из следующих объектов:

СОСТОЯНИЕ - может рассматриваться как условие устойчивости для системы. Находясь в определенном состоянии, мы имеем достаточно информации о прошлой истории системы, чтобы определить очередное состояние в зависимости от текущих входных событий. Имя состояния должно отражать реальную ситуацию, в которой находится система, например, НАГРЕВАНИЕ, ОХЛАЖДЕНИЕ и т.п.

НАЧАЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ - узел STD, являющийся стартовой точкой для начального системного перехода. STD имеет ровно одно начальное состояние, соответствующее состоянию системы после ее инсталляции, но перед началом реальной обработки, а также любое (конечное) число завершающих состояний.

ПЕРЕХОД определяет перемещение моделируемой системы из одного состояния в другое. При этом имя перехода идентифицирует событие, являющееся причиной перехода и управляющее им. Это событие обычно состоит из управляющего потока (сигнала), возникающего как во внешнем мире, так и внутри моделируемой системы при выполнении некоторого условия (например, СЧЕТЧИК=999 или КНОПКА НАЖАТА). Следует отметить, что, вообще говоря, не все события необходимо вызывают переходы из отдельных состояний. С другой стороны, одно и то же событие не всегда вызывает переход в то же самое состояние.

Таким образом УСЛОВИЕ представляет собой событие (или события), вызывающее переход и идентифицируемое именем перехода. Если в условии участвует входной управляющий поток управляющего процесса-предка, то имя потока должно быть заключено в кавычки, например, "ПАРОЛЬ"=666, где ПАРОЛЬ - входной поток.

Кроме условия с переходом может связываться действие или ряд действий, выполняющихся, когда переход имеет место. То есть ДЕЙСТВИЕ - это операция, которая может иметь место при выполнении перехода.

Фактически условие есть некоторое внешнее или внутреннее событие, которое система способна обнаружить и на которое она должна отреагировать определенным образом, изменяя свое состояние. При изменении состояния система обычно выполняет одно или более действий (производит вывод, выдает сообщение на терминал, выполняет вычисления). Таким образом, действие представляет собой отклик, посылаемый во внешнее окружение, или вычисление, результаты которого запоминаются в системе (обычно в хранилищах данных на DFD), для того, чтобы обеспечить реакцию на некоторые из планируемых в будущем событий.

На STD состояния представляются узлами, а переходы - дугами. Условия (по-другому называемые стимулирующими событиями) идентифицируются именем перехода и возбуждают выполнение перехода. Действия или отклики на события привязываются к переходам и записываются под соответствующим условием. Начальное состояние на диаграмме должно иметь входной переход, изображаемый потоком из подразумеваемого стартового узла (иногда этот стартовый узел изображается небольшим квадратом и привязывается к входному состоянию).

При построении STD рекомендуется следовать нижеперечисленным правилам:

строить STD на как можно более высоком уровне детализации DFD;

строить как можно более простые STD;

по возможности детализировать STD;

использовать те же принципы именований состояний, событий и действий, что и при именовании процессов и потоков.

27. Средства структурного проектирования. Структурные карты Константайна

Техника структурных карт (схем) используется на фазе проектирования для того, чтобы продемонстрировать, каким образом системные требования будут отражаться комбинацией программных структур. При этом наиболее часто применяются две техники: структурные карты Константайна (Constantine), предназначенные для описания отношений между модулями, и структурные карты Джексона (Jackson), предназначенные для описания внутренней структуры модулей.

Структурные карты Константайна

Базовыми строительными блоками программной системы являются модули. Все виды модулей в любом языке программирования имеют ряд общих свойств, нижеперечисленные из которых существенны при структурном проектировании:

модуль состоит из множества операторов языка программирования, записанных последовательно;

модуль имеет имя, по которому к нему можно ссылаться как к единому фрагменту;

модуль может принимать и/или передавать данные как параметры в вызывающей последовательности или связывать данные через фиксированные ячейки или общие области.

Структурные карты Константайна являются моделью отношений иерархии между программными модулями. Узлы структурных карт соответствуют модулям и областям данных, потоки изображают межмодульные вызовы. При этом циклические и условные вызовы модулей моделируются специальными узлами, поэтому потоки должны быть изображены проходящими через эти специальные узлы. Межмодульные связи по данным и управлению также моделируются специальными узлами, привязанными к потокам (т.е. к вызовам модулей), стрелками указываются направления потоков и связей.

Базовым элементом структурной карты является модуль. Возможно использовать различные типы модулей:

Собственно МОДУЛЬ. Используется для представления обрабатывающего фрагмента для его локализации на диаграмме.

ПОДСИСТЕМА. Ранее определенный модуль, детализированный посредством декомпозиции ранее определенных диаграмм. Может повторно использоваться любое число раз на любых структурных картах.

БИБЛИОТЕКА. Отличается от подсистемы тем, что определена вне проекта данной системы.

ОБЛАСТЬ ДАННЫХ. Используется для указания модулей, содержащих исключительно области глобальных/распределенных данных.

28. Средства структурного проектирования. Структурные карты Джексона

Техника структурных карт Джексона основана на методологии структурного программирования Джексона и заключается в продуцировании диаграмм (структурных карт) для графического иллюстрирования внутримодульных (а иногда и межмодульных) связей и документирования проекта архитектуры системы ПО. При этом техника позволяет осуществлять проектирование нижнего уровня структуры ПО и на этом этапе является близкой к традиционным блок-схемам.

По аналогии со структурными картами Константайна диаграмма Джексона может включать объекты следующих типов:

СТРУКТУРНЫЙ блок (базовая компонента методологии) представляет частную функцию или блок кодов с одним входом и одним выходом.

ПРОЦЕДУРНЫЙ блок является специальным видом структурного блока, представляющим вызов ранее определенной процедуры.

БИБЛИОТЕЧНЫЙ блок аналогичен процедурному и представляет вызов библиотечного модуля.

Для взаимоувязывания блоков используются связи следующих типов:

последовательная связь, обеспечивающая последовательное выполнение слева направо;

параллельная связь, обеспечивающая одновременное выполнение блоков;

условная связь, обеспечивающая выбор одной из альтернатив;

итерационная связь, обеспечивающая выполнение блока в цикле.