Thiết kế cơ sở dữ liệu vật lý

Quá trình thiết kế

Trong quá trình thiết kế hệ thống vật lý, vấn đề đặt ra hàng đầu là phải làm thế nào tối thiểu hóa không gian lưu trữ và thời gian người dùng tương tác với hệ thống.

Tuy nhiên, do dung lượng các thiết bị nhớ tăng nhanh, nên người ta tập trung nhiều vào việc xử lý các file và dữ liệu sao cho hiệu quả hơn đối với người sử dụng.

Các thông tin cần thiết để thiết kế file vật lý

Các quan hệ đã được chuẩn hóa, kể cả ước lượng về số lượng dữ liệu cần lưu trữ

Định nghĩa chi tiết các thuộc tính

Các mô tả cho biết ở đâu và khi nào dữ liệu được sử dụng (xem, thêm, sửa, xóa).

Các yêu cầu và mong đợi về sử dụng dữ liệu và tích hợp dữ liệu, bao gồm các yêu cầu về thời gian đáp ứng, các mức độ an toàn, ghi tạm, phục hồi….

Các mô tả về công nghệ được sử dụng để triển khai file và CSDL (thiết bị lưu trữ, hệ điều hành, HQTCSDL…)

Một số các quyết định cơ bản có ý nghĩa đối với sự tích hợp và hiệu năng của hệ thống ứng dụng cần thực hiện:

Chọn định dạng lưu trữ (kiểu dữ liệu) cho mỗi thuộc tính sao cho tối thiểu hóa dư thừa thông tin và tối đa sự tích hợp dữ liệu.

Nhóm gộp các thuộc tính từ mô hình dữ liệu lô gic vào bản ghi vật lý.

Sắp xếp các bản ghi có quan hệ với nhau vào bộ nhớ ngoài sao cho từng bản ghi hay nhóm các bản ghi lưu trữ, cập nhật và lấy ra nhanh chóng (gọi là tổ chức file)

Lựa chọn phương tiện và cấu trúc để lưu trữ dữ liệu đảm bảo truy nhập hiệu quả hơn.

Sản phẩm thiết kế

Sản phẩm thiết kế là một tập các đặc tả mà các nhà lập trình và các nhà phân tích dữ liệu sẽ sử dụng để xác định định dạng và cấu trúc các file trong bộ nhớ thứ cấp của máy tính (bộ nhớ ngoài).

Khi sử dụng các công cụ CASE, kho dữ liệu của CASE hay từ điển dữ liệu dự án là nơi lưu trữ tất cả các đặc tả nêu ra ở trên.

Sau đây là các phần tử tiêu biểu của thiết kế được lưu trữ trong kho dữ liệu của CASE khi thiết kế file và cơ sở dữ liệu vật lý

BẢNG MÔ TẢ CÁC TRƯỜNG Bảng mô tả các trường

BẢNG CÁC ĐẶC TẢ TIÊU BIỂU ĐỐI VỚI THIẾT KẾ BẢN GHI Bảng các đặc tả tiêu biểu đối với thiết kế bản ghi

BẢNG CÁC ĐẶC TẢ TIÊU BIỂU ĐỐI VỚI THIẾT KẾ FILE Bảng các đặc tả tiêu biểu đối với thiết kế FILE

BẢNG CÁC ĐẶC TẢ TIÊU BIỂU ĐỐI VỚI THIẾT KẾ CSDL Bảng các đặc tả tiêu biểu đối với thiết kế CSDL

Yêu cầu thiết kế trường

Mỗi HQTCSDL sử dụng những kiểu dữ liệu nhất định để lưu trữ dữ liệu.

Trong yêu cầu thiết kế trường, quan trọng nhất là phải chọn kiểu dữ liệu phù hợp, ta thường quan tâm đến các mục tiêu sau khi chọn kiểu dữ liệu:

Tiết kiệm không gian lưu trữ

Biểu diễn được mọi giá trị có thể thuộc miền giá trị

Cải thiện tính toàn vẹn (tổ chức việc nhập dữ liệu, kiểm tra dữ liệu đầu vào)

Hỗ trợ thao tác dữ liệu (Ví dụ: thao tác với dữ liệu số nhanh hơn với ký tự)

Chọn kiểu và cách biểu diễn dữ liệu

Phi chuẩn

Việc phi chuẩn hóa các quan hệ đã chuẩn hóa trong nhiều trường hợp là cần thiết để tận dụng dung lượng trang của máy.

BENHNHAN(MaBN, TenBN, Diachi_BN, Ngay_nhap, Giuong_phong, Khoa, Tinh_trang, Ngayra, ThanhToan)

Ta có thể phân chia nó thành 2 quan hệ mới để có độ dài gần với dung lượng trang

BENHNH1(MaBN, TenBN, Diachi_BN, Khoa)

BENHNH2(MaBN, Ngay_nhap, Giuong_phong, Tinh_trang, Ngayra, ThanhToan)

Có một số dạng phi chuẩn hóa, nhưng không có một quy tắc chặt chẽ nào. Rodger đã thảo luận đến một số trường hợp chung có thể xét phi chuẩn:

Hai thực thể có quan hệ một – một.

Có 2 quan hệ có mối liên kết 1_1 như sau

SINHVIEN(MaSV, TenSV, MaThe)

THEDOC(MaThe, DiaChi, NgayCap, MaSV)

Phi chuẩn hóa ta có quan hệ sau

SINHVIEN(MaSV, TenSV, MaThe, DiaChi, NgayCap)

Và trong trường hợp này MaThe, DiaChi, NgayCap có thể bỏ trống đối với những SV không có thẻ.

Hai thực thể có mối quan hệ M_N trong đó liên kết có thuộc tính riêng.

Sau khi chuẩn hóa, ta nhận được 3 quan hệ sau

SINHVIÊN(Ma_SV, Ten_SV, DiaChi)

SÁCH(Ma_Sach, Ten_Sach)

MƯỢN(Ma_SV, Ma_Sach, Ngay_muon)

Phi chuẩn hóa ta được

SINHVIÊN(Ma_SV, Ten_SV, DiaChi)

MƯỢN(Ma_SV, Ma_Sach, TenSach, NgayMuon)

Dữ liệu tham chiếu: Trong quan hệ 1_N nếu bảng ở bên 1 không tham gia vào một quan hệ nào khác thì ta có thể hợp nhất 2 thực thể này thành 1. Quan hệ có mối liên kết 1-1

KHO (Ma_Kho, Ten_Kho, Loai_Kho)

HANG(Ma_Hang, Ten_Hang)

Phi chuẩn hóa ta được

HANG(Ma_Hang, Ten_Hang, Ma_Kho, Ten_Kho, Loai_Kho)

Quản lý trường có độ dài cố định

Việc thiết kế bản ghi sẽ rất dễ dàng nếu trường có độ dài cố định (vì tính ngay được độ dài bản ghi).

Trong trường hợp này việc xác định vị trí của một trường chỉ bằng phép toán: Vị trí con trỏ hiện thời + (độ dài bản ghi * số bản ghi)

Quản lý trường có độ dài biến đổi

Một trường có độ dài thay đổi như trường Memo thì định vị trí của một trường hay một bản ghi cụ thể không đơn giản.

Một cách chung để quản lý trường có độ dài thay đổi là đưa các bản ghi có độ dài cố định vào một bản ghi vật lý có độ dài cố định và đưa những bản ghi vật lý có độ dài thay đổi vào một bản ghi vật lý có độ dài thay đổi. Đó chính là kỹ thuật thiết kế bản ghi vật lý tự động được sử dụng trong hầu hết các hệ quản trị CSDL cho máy tính nhỏ.

Các loại file

Một hệ thống thông tin có thể cần đến 6 loại file sau

File dữ liệu (Data file- master file): là file chứa dữ liệu liên quan với mô hình dữ liệu vật lý và lôgic. File này luôn tồn tại, nhưng nội dung thay đổi.

File lấy từ bảng (look up table file): La danh sách các dữ liệu tham chiếu lấy từ một hay một số file khác theo một yêu cầu nào đó.

File giao dịch (Transaction file): là file dữ liệu tạm thời phục vụ các hoạt động hàng ngày của một tổ chức. File này thường được thiết kế để phục vụ các yêu cầu xử lý nhanh.

File làm việc (Work file): Là file tạm thời dùng để lưu kết quả trung gian, file này sẽ tự động xóa đi mỗi khi không cần thiết.

File bảo vệ (Protection file): là file được thiết kế để khắc phục những sai sót trong quá trình hệ thống hoạt động. Các file này cho hình ảnh của file dữ liệu trước và sau những hoạt động nhất định (cập nhật, sửa đổi, xử lý…) của hệ thống.

File lịch sử (History file): File này ghi lại quá trình hoạt động của hệ thống, cũng có thể là các dữ liệu cũ hiện không cần sử dụng.

Việc tổ chức các loại file khác nhau không chỉ liên quan đến việc tổ chức lưu trữ và khai thác dữ liệu, mà còn liên quan đến các hoạt động xử lý dữ liệu trong quá trình hoạt động của hệ thống. Về nguyên tắc, việc sử dụng càng ít file càng tốt. Tuy nhiên, việc đưa vào các file là cần thiết cho việc đảm bảo an toàn dữ liệu (file bảo vệ, file lịch sử), tăng tốc độ truy cập hay xử lý (file giao dịch, file lấy từ bảng, file làm việc) ….

Các phương pháp truy cập

Mỗi hệ điều hành trợ giúp một số kỹ thuật khác nhau để tìm kiếm và lấy thông tin ra gọi là các phương pháp truy cập.

Về cơ bản, có 2 loại phương pháp truy cập

Phương pháp truy cập trực tiếp, sử dụng tính toán để xác định địa chỉ chính xác của một bản ghi và truy nhập trực tiếp đến bản ghi đó.

Phương pháp gián tiếp, hỗ trợ việc tìm kiếm bản ghi thứ n xuất phát từ một vị trí hiện thời của con trỏ hay điểm bắt đầu của 1 file.

Mặc dù có tồn tại 2 phương pháp như vậy, nhưng ít khi chúng ta sử dụng trực tiếp mà thường thông qua các công cụ có sẵn mà phần mềm hệ thống trợ giúp.

Tổ chức file

Cách tổ chức file là kỹ thuật sắp xếp các bản ghi vật lý của một file trên một thiết bị nhớ thứ cấp. Tổ chức một file cụ thể cần tính toán đến các yếu tố sau

Lấy dữ liệu nhanh.

Thông lượng các giao dịch xử lý lớn

Sử dụng hiệu quả không gian nhớ.

Tránh được sai sót khi mất dữ liệu

Tối ưu hóa nhu cầu tổ chức file.

Đáp ứng được nhu cầu khi tăng dữ liệu

Trước khi nghiên cứu thiết kế tổ chức các CSDL cần xem xét sơ qua cách tổ chức của dữ liệu trong bộ nhớ ngoài.

Mô hình tổ chức bộ nhớ ngoài.

Bộ nhớ ngoài (hay còn gọi là bộ nhớ thứ cấp) là các thiết bị lưu trữ như đĩa từ, băng từ…

Đĩa từ được phân thành các khối vật lý (tổ chức đống) có kích cỡ như nhau: khoảng 512 bytes đến 4K (4*1024=4096 bytes) và được đánh địa chỉ khối. Địa chỉ này gọi là địa chỉ tuyệt đối trên đĩa.

Mỗi tệp dữ liệu trên đĩa từ chiếm 1 hoặc nhiều khối, mỗi khối chứa 1 hoặc nhiều bản ghi. Việc thao tác với tệp thông qua tên tệp thực chất là thông qua địa chỉ tuyệt đối của các khối.

Mỗi bản ghi đều có địa chỉ và thường được xem là địa chỉ tuyệt đối của byte đầu tiên của bản ghi hoặc là địa chỉ của khối chứa bản ghi đó.

Các phép toán đặc trưng trên tệp dữ liệu là

Thêm một bản ghi.

Xóa một bản ghi

Sửa một bản ghi

Tìm một bản ghi theo điều kiện

Ví dụ về thiết kế file

Xét Ví dụ sau: Có 2 chứng từ Đơn đặt hàng

Phiếu giao hàng

Sau quá trình thiết kế logic ta được các quan hệ sau

KHACH(Ma_Khach, Ten_kh, DiaChi_kh)

HANG(Ma_hang, Ten_hang, Mota_hang, Donvi)

DONHANG(So_Don, Ma_Khach, NgayDon)

PHIEUGIAO(So_Phieu, Ma_Khach , Noi_Giao, Ngay_Giao)

DONGDON(So_Don, Ma_Hang, So_luongD)

DONGPHIEUGIAO(So_Phieu, MaHang, So_luonggi, DonGia)

Khi tiến hành thiết kế vật lý, ta được các file sau

• KHACH

Khách

• HANG

Hàng

• DONHANG

Đơn hàng

• DONGDON

Đóng đơn

• PHIEUGIAO

Phiếu giao

• DONGPHIEU

Đóng phiếu