El modelo Entidad-Relación

Introducción al diseño de bases de datos

Es de destacar la importancia de un buen diseño. Un diseño apresurado o simplemente bosquejado puede mostrarse inservible o muy mejorable cuando la aplicación ya está parcialmente codificado, o el administrador de la base de datos ya tiene organizados el mantenimiento y el control de acceso a los datos.

Esquema: diseño general de la base de datos a nivel lógico. Incluye el tipo de datos y las relaciones entre ellos. Es de naturaleza fija y solo se altera excepcionalmente. El esquema se define y se mantiene utilizando el lenguaje de definición de datos (DDL).

Instancia: contenido concreto de la base de datos en un momento dado. Varía con el tiempo, al añadir, eliminar o modificar datos, utilizando el lenguaje de modificación de datos (DML).

El diseño de una base de datos se realiza a dos niveles. El primero es el nivel conceptual, en la cual se contempla una estructura abstracta y no implementable directamente con un SGBD. El segundo es el nivel físico, en el cual la base de datos es ya implementable. Detalladamente, las fases del diseño de una base de datos son las siguientes:

1. Descripción en lenguaje natural.
2. Diagrama Entidad-Relación (E-R). También conocido como "diagrama de Chen". Estos diagramas modelizan el problema mediante entidades asociadas por relaciones. Adoptan la forma de grafos donde los datos se relacionan mediante flechas. El diagrama E-R no depende del modelo de datos.
3. Elección del modelo de datos (usualmente el relacional)
4. Conversión del diagrama E-R al modelo relacional (tablas)
5. Normalización (eliminar diversos defectos de diseño).
6. Optimización (según criterios de almacenamiento interno, como el espacio en disco y el tiempo medio de acceso).

Las tres primeras fases pertenecen al nivel conceptual del diseño de bases de datos mientras que las tres últimas se relacionan con el nivel físico.

Introducción a los modelos de datos

• Relacional. Es el más empleado. Todos los datos visibles al usuario están organizados estrictamente como tablas de valores. Todas las operaciones sobre la base de datos operan sobre esas tablas. Cada fila de una tabla es una instancia de los datos. Cada columna de una tabla es un atributo (valor indivisible que tiene significado por sí solo). Es el modelo de datos más sencillo y cercano a la forma humana de organizar la información.

• Red. También denominado modelo CODASYL. Fue el primero en aparecer comercialmente, a principios de los años 70. Se caracteriza por almacenar direcciones de otros datos junto a la misma información. Es un modelo cercano al modo de almacenamiento interno del ordenador. Los datos se expresan como registros y las relaciones entre datos como sets. Dos datos están unidos por una dirección de memoria almacenada al lado de uno de ellos. Esa dirección es la del otro dato. Las direcciones son propias del ordenador, y no tienen sentido lógico para las personas. El tipo de registro es e equivalente a una tabla en el modelo relacional, y se implementa físicamente mediante un fichero.

• Jerárquico. Es muy similar al modelo de datos en red, pero con la salvedad de que los registros se organizan con estructura de árbol.

El modelo Entidad-Relación (E-R)

Una entidad caracteriza a un tipo de objeto, real o abstracto, del problema a modelizar. Toda entidad tiene existencia propia, es distinguible del resto de las entidades, tiene nombre y posee atributos definidos en un dominio determinado. Una entidad es todo aquello de lo que se desea almacenar información. En el diagrama E-R las entidades se representan mediante rectángulos.

Una relación es una asociación o relación matemática entre varias entidades. Las relaciones también se nombran. Se representan en el diagrama E-R mediante flechas y rombos. Cada entidad interviene en una relación con una determinada cardinalidad. La cardinalidad (número de instancias o elementos de una entidad que pueden asociarse a un elemento de la otra entidad relacionada) se representa mediante una pareja de datos, en minúsculas, de la forma (cardinalidad mínima, cardinalidad máxima), asociada a cada uno de las entidades que intervienen en la relación. Son posibles las siguientes cardinalidades: (0,1), (1,1), (0,n), (1,n), (m,n). Tambié se informa de las cardinalidades máximas con las que intervienen las entidades en la relación.

El tipo de relación se define tomando los máximos de las cardinalidades que intervienen en la relación. Hay cuatro tipos posibles:

1. Una a una (1:1). En este tipo de relación, una vez fijado un elemento de una entidad se conoce la otra. Ejemplo: nación y capital.
2. Una a muchas (1:N). Ejemplo: cliente y pedidos.
3. Muchas a una (N:1). Simetría respecto al tipo anterior según el punto de visto de una u otra entidad.
4. Muchas a muchas (N:N). Ejemplo: personas y viviendas.

Toda entidad debe ser unívocamente identificada y distinguible mediante un conjunto de atributos (quizás un solo atributo) denominado identificador o clave principal o primaria. Puede haber varios posibles identificadores para una misma entidad, en cuyo caso se ha de escoger uno de ellos como identificador principal siendo el resto identificadores alternativos. Ejemplo: dni y número de seguridad social de una persona.

Hay unas normas de sentido común a seguir cuando se dibuja un diagrama E-R. La primera es emplear preferentemente líneas rectas en las relaciones y evitar en lo posible que estas líneas se crucen. Se suele usar nombres para describir las entidades y verbos para las relaciones. Esto es lógico ya que las entidades se ponen en común cuando se realiza alguna acción. Los verbos empleados no necesariamente tienen que ser siempre infinitivos.

Ejemplo: Se desea almacenar información sobre personas y los coches que eventualmente posean. Una misma persona puede poseer varios coches aunque puede haber personas que no posean ningún coche. Los coches se identifican mediante su número de matrícula y las personas mediante su documento nacional de identidad. Todo coche tiene un solo propietario. Se ha de almacener la fecha en que una determinada persona adquirió un determinado coche.

Problemas de un esquema único que agrupe a todos los atributos de la entidad coche (matrícula, marca, modelo, etc.), de la entidad persona (dni, nombre, direccion, etc) y de la relación entre ambas entidades (fecha de compra).

1. Personas sin coche (valores nulos y gasto de espacio de almacenamiento).
2. Multiplicidad de almacenamiento (redundancia) de los atributos de una persona si ésta es propietaria de más de un coche.
3. Modificación del valor de un atributo de una persona en una sola de sus apariciones en la instancia de la base de datos (inconsistencia).

1. Toda matrícula en una instancia concreta del esquema de la relación entre coches y personas debe aparecer en la instancia del esquema de la entidad coche.
2. Todo dni en una instancia concreta del esquema de la relación entre coches y personas debe aparecer en la instancia del esquema de la entidad persona.
3. Problemas con la modificación del valor de una matrícula en la instancia del esquema de la entidad coche.
4. Problemas con la modificación del valor de un dni en la instancia del esquema de la entidad persona.
5. Problemas con el borrado de varios coches en la instancia concreta del esquema de la entidad coche.
6. Problemas con el borrado de varias personas en la instancia concreta del esquema de la entidad persona.

Una entidad del modelo E-R puede ser fuerte o débil. Una entidad fuerte existe por sí misma sin depender la existencia de alguna otra entidad. Por el contrario la existencia de una instancia de una entidad débil depende de la existencia previa de otra entidad. Si la entidad débil puede ser identificada sin necesidad de identificar previamente la entidad de cuya existencia depende, diremos que la entidad débil lo es por existencia únicamente. Si la entidad débil no puede ser identificada independientemente, sino que previamente es necesario identificar a la entidad de cuya existencia depende, diremos que la entidad débil lo es por identificación.

Por extensión se considera que una relación en la hay entidades débiles también se dice débil por existencia o por identificación según sea el tipo de debilidad de las entidades que intervengan en la relación. Ejemplos:

• Se desea almacenar información sobre buques petroleros y las refinerías donde éstos realizan operaciones de descarga de crudo. Un buque puede descargar combustible en cierta cantidad y en una determinada fecha en una de varias refinerías. En una misma refinería pueden descargar varios buques. Los buques se identifican mediante una matrícula naval y las refinerías mediante un código.

• Se desea almacenar información sobre empresas y sucursales de empresas. Una empresa puede tener varias sucursales repartidas geográficamente. Una sucursal determinada debe pertenecer a una y solo una empresa. Las sucursales se numeran correlativamente para cada empresa.

• Se desea almacenar información sobre personas y sus viviendas en propiedad. Supondremos que una vivienda tan solo puede pertenecer a una persona y que no toda persona debe ser obligatoriamente propietaria de al menos una vivienda.

Ejemplo: se desea diseñar una pequen˜a base de datos para almacenar información relativa a los estudios universitarios de un colectivo de alumnos pertenecientes a una misma facultad. Un alumno puede cursar a la vez varias asignaturas pertenecientes a cursos distintos. Cada curso se compone de una serie de asignaturas que se imparten en aulas. Las asignaturas se agrupan en áreas de conocimiento y los profesores que las imparten se agrupan en departamentos que supondremos no guardan relación con las áreas de conocimiento. No hay asignaturas sin alumnos. Todo profesor debe estar adscrito a un único departamento. Una asignatura puede ser impartida por varios profesores siempre que éstos pertenezcan al mismo departamento. Puede haber profesores que no impartan docencia.

Observar que la restricción de que una asignatura no pueda ser enseñada por profesores de departamentos distintos no es expresable en el diagrama E-R. En la realidad deberá ser indicada utilizando el DDL cuando se cree la base de datos.

El aspecto básico para elaborar un diagrama E-R es la determinación de entidades para lo cual se extraen de la descripción verbal del sistema los nombres comunes y entre ellos se escogen los que claramente aporten información valiosa. Con el resto de nombres se utiliza el sentido común descartando los inútiles. En caso de duda, es mejor incluir una entidad que posteriormente se revele como innecesaria que perder información relevante al problema.

Un atributo que lógicamente pueda estar en varias entidades se ubicará finalmente en la entidad en la que sea más fijo, es decir, en la que esté más ligado al resto de atributos de esa entidad. Por sentido común pueden añadirse atributos que no aparezcan citados expresamente en la descripción verbal del problema.

Muchas veces es posible simplificar el diagrama E-R eliminando entidades innecesarias. Por ejemplo, si una entidad que interviene únicamente en una relación del tipo una a una (1:1) no tiene como atributo más que su código, este atributo puede incluirse en la entidad con la que está relacionada elimianar tanto la relación como la entidad.

Tipos especiales de relación

• Relación reflexiva o recursiva. Relaciona una entidad consigo misma. Ejemplo: empleados que pueden ser jefes de otros empleados.

• Dos relaciones entre las mismas dos entidades. Muy útil en el caso de necesitar almacenar información histórica completa. Ejemplo: proyectos en los que trabaja actualmente un empleado y proyectos en los que ha trabajado anteriormente.

• Relación ternaria. Asociación de tres entidades. La forma de hallar cardinalidades en las relaciones ternarias es fijar una combinación de elementos en dos de los extremos de la relación y obtener lógicamente las cardinalidades mínima y máxima en el otro extremo libre. Ejemplo: el título de un libro, un autor y una editorial se relacionan las tres mediante la acción de publicar el libro (en un año concreto, con un ISBN y con un determinado número de páginas en la edición). Para determinar las cardinalidades hay que preguntarse por:
  1. Cuántos autores puede tener un determinado libro publicado en una determinada editorial(cardinalidd en el extremo de la entidad autor).
  2. Cuántos libros puede tener un determinado autor publicados en una determinada editorial (cardinalidad en el extremo de la entidad libro).
  3. En cuántas editoriales puede un determinado autor publicar un mismo libro (cardinalidad en el extremo de la entidad editorial).

• Relación de especialización (ES-UN). Tipificación de una entidad en en subtipos en número finito y conocido. Cada subtipo puede poseer atributos propios que. Los subtipos heredan los atributos que pudiera tener la entidad general. Este tipo de relación puede clasificarse de dos maneras distintas. La primera se según si una instancia o elemento concreto de la entidad puede ser de más de un subtipo a la vez. En caso afirmativo se dice que la relación es inclusiva o con solapamiento mientras que en caso contrario será exclusiva o sin solapamiento. La segunda clasificación se basa en si obligatoriamente cada instancia o elemento concreto debe ser obligatoriamente de alguno de los subtipos especificados, es decir, si no pueden existir elementos de la entidad que no pertenezcan a ninguno de los subtipos. Si es así la relación se dice total y en caso contario parcial. La situación más corriente en una relación de especialización es que sea exclusiva y total. Ejemplos:
  1. Una entidad persona tiene los subtipos hombre y mujer. Una misma persona no puede ser hombre y mujer a la vez por lo que la relación es exclusiva. No puede existir una persona que no sea hombre ni mujer, por lo que también es total.

  2. Se conviene en que un vehículo puede ser un coche, un camión o una moto. La relación es claramente exclusiva (un vehículo no puede ser coche y camión a la vez, ni camión y moto, etc) y parcial pues puede haber vehículos que no sean ni coche ni camión ni moto.

  3. La entidad que representa a un universitario tiene los subtipos profesor y estudiante. Un mismo universitario puede ser ambas cosas a la vez (p.e. un profesor puede estar matriculado como alumno en alguna facultad) por lo que la relación es inclusiva. No puede existir un universitario que no sea ni profesor ni estudiante, por lo que también es total.

  4. Expresamos mediante una relación de especialización el que una función matemática tiene asociados los subtipos continua y derivable. La relación es inclusiva pues una misma función puede ser ambas cosas a la vez, y parcial porque existen funciones que no son continuas ni derivables.

  Supongamos una entidad A que se especializa en dos subtipos A1 y A2. La identificación del tipo de relación (exclusiva, total, etc) puede hacerse atendiendo a la siguiente tabla de verdad:

  A1	A2	Caso posible?
  No	No	Sí -> Parcial No -> Total
  No	Sí	Sí
  Sí	No	Sí
  Sí	Sí	Sí -> Inclusiva No -> Exclusiva

  La cardinalidad en las relaciones de especialización es siempre (1,1) en el extremo de la entidad que se especializa en subtipos y (0,1) en el extremo de los subtipos si la relación es exclusiva o ({0,1},1) si es inclusiva.

  Una relación de especialización parcial puede fácilmente convertirse en total añadiendo un nuevo subtipo "otros".

Ejemplo: Una empresa desea almacenar información sobre sus clientes y los pedidos que éstos realizan. Un pedido consta de un número variable de artículos deseados en una determinada cantidad. La empresa guarda un determinado número de unidades de cada artículo en su almacén. Puede ser que la cantidad realmente servida de un artículo en un pedido sea inferior a la cantidad pedida si no hay suficiente stock. Los pedidos pueden ser urgentes, en cuyo caso se especifica además un número máximo de días que el cliente está dispuesto a esperar el servicio del pedido.

Bases de Datos - Vladimir Ventura Ventura

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