Физическое проектирование базы данных

Физическое проектирование базы данных - процесс подготовки описания реализации базы данных на вторичных запоминающих устройствах; на этом этапе рассматриваются основные отношения, организация файлов и индексов, предназначенных для обеспечения эффективного доступа к данным, а также все связанные с этим ограничения целостности и средства защиты.

Физическое проектирование является третьим и последним этапом создания проекта базы данных, при выполнении которого проектировщик принимает решения о способах реализации разрабатываемой базы данных. Во время предыдущего этапа проектирования была определена логическая структура базы данных (которая описывает отношения и ограничения в рассматриваемой прикладной области). Хотя эта структура не зависит от конкретной целевой СУБД, она создается с учетом выбранной модели хранения данных, например реляционной, сетевой или иерархической. Однако, приступая к физическому проектированию базы данных, прежде всего необходимо выбрать конкретную целевую СУБД. Поэтому физическое проектирование неразрывно связано с конкретной СУБД. Между логическим и физическим проектированием существует постоянная обратная связь, так как решения, принимаемые на этапе физического проектирования с целью повышения производительности системы, способны повлиять на структуру логической модели данных.

Как правило, основной целью физического проектирования базы данных является описание способа физической реализации логического проекта базы данных.

В случае реляционной модели данных под этим подразумевается следующее:

• создание набора реляционных таблиц и ограничений для них на основе информации, представленной в глобальной логической модели данных;
• определение конкретных структур хранения данных и методов доступа к ним, обеспечивающих оптимальную производительность СУБД;
• разработка средств защиты создаваемой системы.

Этапы концептуального и логического проектирования больших систем следует отделять от этапов физического проектирования. На это есть несколько причин.

• Они связаны с совершенно разными аспектами системы, поскольку отвечают на вопрос, что делать, а не как делать.
• Они выполняются в разное время, поскольку понять, что надо сделать, следует прежде, чем решить, как это сделать.
• Они требуют совершенно разных навыков и опыта, поэтому требуют привлечения специалистов различного профиля.

Проектирование базы данных — это итерационный процесс, который имеет свое начало, но не имеет конца и состоит из бесконечного ряда уточнений. Его следует рассматривать прежде всего как процесс познания. Как только проектировщик приходит к пониманию работы предприятия и смысла обрабатываемых данных, а также выражает это понимание средствами выбранной модели данных, приобретенные знания могут показать, что требуется уточнение и в других частях проекта. Особо важную роль в общем процессе успешного создания системы играет концептуальное и логическое проектирование базы данных. Если на этих этапах не удастся получить полное представление о деятельности предприятия, то задача определения всех необходимых пользовательских представлений или обеспечения защиты базы данных становится чрезмерно сложной или даже неосуществимой. К тому же может оказаться затруднительным определение способов физической реализации или достижения приемлемой производительности системы. С другой стороны, способность адаптироваться к изменениям является одним из признаков удачного проекта базы данных. Поэтому вполне имеет смысл затратить время и энергию, необходимые для подготовки наилучшего возможного проекта.

Этапы физического проектирования баз данных:

1. Перенос глобальной логической модели данных в среду целевой СУБД.
2. Проектирование основных отношений.
3. Разработка способов получения производных данных.
4. Реализация ограничений предметной области.
5. Проектирование физического представления базы данных.
6. Анализ транзакций.
7. Выбор файловой структуры.
8. Определение индексов.
9. Определение требований к дисковой памяти.
10. Проектирование пользовательских представлений.
11. Разработка механизмов защиты.
12. Обоснование необходимости введения контролируемой избыточности.
13. Текущий контроль и настройка операционной системы.

Физическое проектирование баз данных включает шесть основных этапов. Концептуальное и логическое проектирование охватывает три первых этапа разработки баз данных, а физическое проектировавание — этапы 4-9. Этап 4 стадии физического проектирования включает разработку основных отношений и реализацию ограничений предметной области с использованием доступных функциональных средств целевой СУБД, На этом этапе должно быть также принято решение по выбору способов получения производных данных, которые включены в модель данных.

Этап 5 включает выбор файловой организации и индексов для основных отношений. Как правило, СУБД для персональных компьютеров имеют фиксированную структуру внешней памяти, а другие СУБД предоставляют несколько альтернативных вариантов файловой организации для хранения данных. С точки зрения пользователя организация внутренней структуры хранения отношений должна быть совершенно прозрачной — пользователь должен иметь возможность получать доступ к любому отношению и к отдельным его строкам без учета способа хранения данных. Это означает, что СУБД должна обеспечивать полную независимость физического хранения данных от их логической организации. Только в этом случае внесение изменений в физическую организацию базы данных не окажет никакого влияния на работу пользователей (см. Раздел 2.1.5). Соответствие между логической моделью данных и физической моделью данных определяется внутренней схемой базы данных (см. рис. 2.1). Разработчик должен предоставить подробные физические проекты базы данных с учетом применяемой СУБД и операционной системы. В проекте реализации базы данных в СУБД разработчик должен определить структуры файлов, которые будут использоваться для представления каждого отношения. В проекте реализации базы данных в операционной системе разработчик должен указать расположение отдельных файлов и обеспечить необходимую их защиту. Прежде чем приступить к изучению этапа 5 рассматриваемой методологии, рекомендуем читателю ознакомиться со сведениями о файловой организации и структурах внешней памяти, приведенными в приложении В.

На этапе 6 необходимо принять решение о том, как должно быть реализовано каждое пользовательское представление. А на этапе 7 осуществляется проектирование средств защиты, необходимых для предотвращения несанкционированного доступа к данным, включая управление доступом к основным отношениям.

На этапе 8 анализируется также необходимость снижения уровня требований нормализации данных в логической модели, что может способствовать повышению общей производительности системы. Однако эти действия следует предпринимать только в случае реальной необходимости, поскольку введение в базу данных избыточности неизбежно вызовет появление проблем с поддержанием целостности данных. На этапе 9 описан способ организации текущего контроля операционной системы, позволяющий своевременно обнаруживать и устранять все проблемы производительности, которые могут быть решены на уровне проекта, а также учитывать новые или изменившиеся требования.

В приложении Е приводится обобщенное формальное описание методологии разработки баз данных, предназначенное для тех читателей, которые уже хорошо знакомы с теорией и нуждаются лишь в общем обзоре основных этапов проектирования.

Проектирование физического представления базы данных

Определение оптимальной файловой структуры для хранения базовых отношений и индексов, необходимых для достижения приемлемой производительности. Иными словами, определение способа хранения отношений и кортежей во вторичной памяти.

1. Анализ транзакций - Определение функциональных характеристик транзакций, которые будут выполняться в проектируемой базе данных, и выделение наиболее важных из них.
2. Выбор файловой структуры - Определение наиболее эффективной файловой структуры для каждого базового отношения.
3. Выбор индексов - Определение того, будет ли добавление индексов способствовать повышению производительности системы.
4. Определение требований к дисковому пространству - Оценка объема дискового пространства, необходимого для размещения базы данных.