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Revista Cubana de Ciencias Informáticas
ISSN: 1994-1536
Universidad de las Ciencias Informáticas
Cuba
García González, Carlos; Rodríguez Morffi, Abel; González González, Luisa
Diseño y validación estructural de esquemas conceptuales utilizando una herramienta
CASE
Revista Cubana de Ciencias Informáticas, vol. 1, núm. 4, 2007, pp. 72-81
Universidad de las Ciencias Informáticas
Ciudad de la Habana, Cuba
Disponible en: http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=378343634006
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Red de Revistas Científicas de América Latina, el Caribe, España y Portugal
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Ill
Dise6o y validaci6n estructural de esquemasconceptuales utilizando una herramienta CASEDesign and structura/ va/idation of conceptua/ schemas usinga CASE too/
Carlos Garcia Gonzalezl*, Abel Rodriguez Morffil, Norma CabreraGonzlezl y Luisa Gonzalez Gonzlezl
lDepartamento de Ciencia de la Computaci6n, Universidad Central "Marta Abreu"de Las Villas,Carretera a Camajuani, km 5 1/2, Santa Clara, Villa Clara, Cuba. CP. 54830.
*Autor para la correspondencia: [email protected] +534228160
REV/STA CUBANA DE CIENCIAS /NFORMATICAS VOL.1 No.4 DICIEMBRE 2007 p. 72-81
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Enestearticulosepresentaunaherramientadeayudaaldiseodebasesdedatosrelacionalesque, a diferencia de otras herramientas similares, posee las siguientes caracteristicas: Unavariedad significativa de construcciones del modelo Entidad-Relaci6n que permiten Unamayor expresividad en el mode|ado conceptual. Entre estas construcciones se indu-yen las entidades fuertes y dbiles, interrelaciones de asociaci6n recursiva, binaria y ter-naria, interrelaciones dbiles, jerarquias de generalizaci6n/especializaci6n, agregaci6n,categorizaci6n y dependencia de existencia en asociaciones binarias; validaci6n estructuraldel esquema conceptual; detecci6n y correcci6n de inconsistencia en el esquema l6gico;y generaci6n del esquema ffsico para varios Sistemas de Bases de Datos Relacionales. Laherramienta ha sido utilizada en la docencia de pregrado en las carreras de Ciencia de laComputaci6n e Ingenieria Informtica, en la maestria de Ciencia de la Computaci6n y enalgunas empresas de la provincia Villa Clara.
Palabras clave: Oiseo de bases de datos, herramientas CASE, modelaci6n conceptual,modelo Entidad-Relaci6n, validaci6n estructural.
In this paper the authors present a tool which help to design relational databases,which unlike other similar tools, has the following characteristics: a significant varietyof Entity-Relation constructions allowing greater expressiveness in the conceptualmodeling; among these constructions there are included the strong and weak entities,as we// as unary, binary and ternary relationships, weak relationships, generalization/specialization hierarchies, adding, categorization, and existence dependence in binaryrelationships; structural validation of the conceptual schema; detection and correctionof inconsistencies in database logical schema; generation(production) of the physicalschemafor various relational database systems. The too/ has been used in undergraduatebachelor degree studies of Computing Science and Informatics Engineering, in theComputing Science master degree and in some enterprises in the province of VillaClara.
Key words: Database design, conceptual modeling, Entity-Relationship model,structural validity (validation), CASE tools.
En los OItimos tiempos ha existido un gran desarrollo en las aplicaciones de Bases deBatos, por esto su diseo se ha convert|do en Una actividad muy comun realizada porcualquier persona aunque no siempre con la preparaci6n necesaria. El diseo de basesde datos esta fuertemente influido por la elecci6n de un modelo de datos adecuado pararepresentar los datos. Un modelo de datos es Una serie de conceptos que puede utilizarsepara describir un conjunto de datos y operaciones para manipular los mismos. Cuandoun modelo de datos describe un conjunto de conceptos de Una realidad determinada, Sellama modelo conceptual de datos (Batini et al., 1992).
Se han propuesto varios modelos conceptuales como alternativas, entre estos seencuentran los modelos semanticos de datos, el modelo estructurado, el modelo funcionaly los mode/Os binarios. Todos estos modelos conceptuales estan basados en el uso demecanismos de abstracci6n por lo cual es posible definir correspondencias entre ellos(Batini et a/., 1992). En particular el modelo Entidad-Relaci6n (ER, Entity-Relationship)emergi6 como la principal estructura formal para la representaci6n conceptual de datos,convirtiendose y estableciendose como un estandar internacional. Este modelo es el masusado para el diseho conceptual de bases de datos. Fue presentado por Peter Chen (Chen,1976) y se ha hecho muy popular; muchas conferencias y talleres han sido organizadassobre las aplicaciones del modelo ER en el diseho de Bases de Batos y en el de softwareen general.
En los intentos de dar un enfoque mas sistematico a la resoluci6n de problemas demodelaci6n se ha enfatizado en la automatizaci6n mediante el empleo de herramientasCASE (Computer Aided Software Engineering). Si bien es cierto que algunas de ellasadoptan enfoques avanzados tambien lo es que muchas no pasan de ser simples utilidadespara dibujar. En general no disponen siquiera de un soporte metodol6gico, o no son losuficientemente estrictas en su aplicaci6n, con lo cual el disef:iador no encuentra el Caminocorrecto para realizar su tarea (Atkins, 1996). Ademas, los modelos que generalmentesoportan son modelos l6gicos, que sue/en incluir bastantes consideraciones fisicas, aunquela notaci6n grafica empleada sea un dialecto del modelo ER. En este trabajo se presentaUna herramienta CASE, nombrada ERECASE (Alvarez et a/ ,, 2006), que incluye un conjunto
de construcciones de este modelo para lograr Una mejor expresividad en el diagrama, larealizaci6n de validaciones en los esquemas conceptual y l6gico, la transformaci6n deun esquema conceptual al modelo relacional, y la generaci6n de c6digo SOL para lacreaci6n de la base de datos fisica en un Sistema de Gesti6n de Bases de Datos (SGBD)determinado.
Toda herramienta CASE que se integre al proceso de diseho de Una base de datos debeofrecer Una amplia variedad de construcciones del modelo Entidad-Relaci6n Extendido(EER, Enhanced Entity-Relationship) que permitan capturar mejor la semantica del universode discurso, y realizar validaciones a los diagramas para que el resultado sea la obtenci6nde esquemas libres de errores. Existen varias herramientas CASE de ayuda a la modelaci6nconceptual de datos mediante la creaci6n de diagramas EER, entre las que Se puedencitar las siguientes: 1) CaseStudio2 2.18; 2) Data Architect 3.0.0; 3) Database Architect1.8.0; 4) Database Design Studio Pro 2.21.3; 5) Database Designer 10.04L; 6) DeZign fordatabases 4; 7) EasyCase Professional 4.21.016 8) ER/Studio 6.0.1; 9) ERCreator 3.2;10) ERW 1.0.10; 11) ERwin Data Modeler 4.1.4.3643; 12) Microsoft Visio 2003; 13)SmartDraw 7; 14) XCase 8.1; 15) XTG Data Modeller v. 2.3.4.
Un anal|sis mas detallado sobre las herramientas citadas anteriormente muestra que lasmismas poseen las siguientes desventajas:
1- Hay poca variedad de construcciones para construir diagramas comprometiendo laexpresividad del esquema conceptual.
2- Se incluyen elementos de los mode|Os I6gicos y fisicos en el diseho, como la migraci6nde /laves foraneas en tiempo de diseho para interrelaciones con cardinalidad "uno-
a-'muchos" que pueden confundir a un disehador inexperto que quizas s6lo tengaconocimientos basicos del modelo ER y no le sea sencillo enfrentarse a conceptoscomo el de migraci6n de |laves o indices.
3- No permiten colocar atributos a las interrelaciones (DeZign, ERwin, ER/Studio).
4- No permiten interrelaciones ternarias (plantean usar un tipo de entidad dbilasociada a tres tipos de entidad).
5- S6lo se validan los diagramas siguiendo criterios simples como detectar ausenciao repetici6n de nombres de entidades, atributos e interrelaciones, entidades sinatributos, atributos sin tipo de datos, entidades sin interrelacionar, entidades sinidentificadores. Para disehadores expertos, algunas de el|as son herramientas paradibujar que no realizan validaciones (SmartDraw, Microsoft Visio).
Basado en los resultados del analisis anterior, Se valor6 la conveniencia del desarrollo deUna herramienta de producci6n nacional que incluyera aspectos novedosos del estadodel arte del diseho conceptual de bases de datos, asf como los resultados obtenidos en lainvestigaci6n por parte de los autores de este articulo. La herramienta ERECASE tuvo comoantecedente su inclusi6n en el Sistema Integrado de Ayuda al Diseho de Bases de DatosDistribuidas (Rodriguez and Gonzalez, 2007), desarrollado por el grupo de investigaci6nen Bases de Datos del Centro de Estudios de Informtica de la Universidad Central de LasVillas, Cuba. Actualmente la herramienta puede utilizarse de manera independiente parael diseho de base de datos.
La herramienta ERECASE posee Una interfaz grfica de usuario que apoya la creaci6nde diagramas EER y la transformaci6n automatica a esquemas del modelo relacional;no sin antes someter el diagrama a Una exhaustiva validaci6n estructural. A traves deluso de c6modas interfaces graficas, la herramienta permite editar las propiedades delos conjuntos de entidades, conjuntos de interrelaciones y otras construcciones deldiagrama EER. Para la creaci6n del esquema conceptual, se ofrece el siguiente conjuntode construcciones del modelo EER: entidades fuertes y debiles; asociaciones recursivas,binarias y ternarias; interrelaciones del tipo ISA; generalizaciones, agregaciones ycategorizaciones. La representaci6n de agregaciones y categorizaciones es algo pococomun en las herramientas para la creaci6n de diagramas EER, lo que hace que ERECASEsea singular en este sentido.
La Figura 1 muestra la arquitectura interna de ERECASE formada por los siguientesm6dulos: Editor Grafico, Validaci6n Estructural, Generaci6n del Esquema L6gico,Detecci6n y Correcci6n de Inconsistencias y Generaci6n del Esquema Fisico.
Fig. 1. Arquitectura interna de la herramienta ERECASE.
El m6dulo Editor Grafico manipula las funciones genera|es del diseo como son lainserci6n y eliminaci6n de construcciones en el diagrama, funciones graficas especfficaspara cada construcci6n como, mover, redimensionar, invocar el editor de propiedadescorrespondiente, y realizar las operaciones de copiar, cortar y pegar. Este m6dulo tambi6ntiene como funci6n enviar los eventos a los editores de las construcciones, y actualizar elexplorador de objetos; asi como notificar los errores del diagrama en tiempo de edici6npara su rectificaci6n por el usuario.
El m6dulo de Validaci6n Estructural detecta posibles errores en el diagrama EER desdeel punto de vista estructural, notificandole aI disehador el tipo de error cometido, sulocalizaci6n exacta y Una descripci6n del mismo. Los tipos de chequeo que realiza estem6dulo son:
1- Exclusividad de nombres: no permite que exista un hombre repetido dentro de lasconstrucciones del diagrama EER.
2- Chequeo de identificaci6n: todo conjunto de entidades que no sea debil y notenga Una interrelaci6n de identificaci6n con otro conjunto de entidades, debetener aI menos un atributo llave.
3- Chequeo de identificaci6n de conjuntos de entidades debiles: todo conjunto deentidades dbiles debe tener aI menos Una interrelaci6n con Una entidad fuerteque la identifique.
4- No se permiten ciclos entre conjuntos de entidades debiles.
5- Chequeo de validez estructural de ciclos entre conjuntos de entidades Quecontengan interrelaciones recursivas, binarias y ternarias~
La validaci6n estructural que realiza este m6dulo es uno de los aspectos que distinguea la herramienta en comparaci6n con otras. Esta consiste en encontrar todos losciclos simples de longitud n y aplicar un conjunto de reglas de validaci6n estructural(Dullea et a/., 2003) basadas en las restricciones de cardinalidad mxima y minima delas interrelaciones. De acuerdo con (Dullea and Song, 1999) un diagrama del entidad-interrelaci6n es estructuralmente valido s6lo cuando la consideraci6n simultanea delas restricciones estructurales impuestas en el modelo no implique Una inconsistenciaI6gica en cualquiera de los posibles estados. Esto quiere decir que para que un diagramasea estructuralmente valido no puede tener construcciones que estn en contradicci6ncon otras. Un diagrama que tenga aI menos Una inconsistencia en las restriccionesde cardinalidad es estructuralmente invlido. En la siguiente Secci6n Se mostrara unejemplo.
El m6dulo de Generaci6n del Esquema L6gico cuenta con las funciones necesarias parala transformaci6n del diagrama EER a su correspondiente esquema I6gico, utilizando elconjunto reg|as de transformaci6n definidas en (Elmasri and Navathe, 2003), las cualesse aplican para Casi todos los casos excepto para las interrelaciones debiles en cuyo casose aplican las reg|as definidas en (De Miguel and Piattini, 1993), y tambin se aade elempleo de la regla RTDE (Regla de Transformaci6n para la Dependencia de Existencia)obtenida como resultado en (Cabrera et a/., 2008). Esta regla es aplicable aI caso deasociaciones con dependencia de existencia (Snoeck and Dedene, 2000; Snoeck andDedene, 1998) identificadas por el diseador durante la fase del mode|ado conceptual.
El m6dulo de Detecci6n y Correcci6n de Inconsistencias, detecta un tipo de inconsistenciaen el esquema l6gico de la base de datos que se puede manifestar cuando entre uno ovarios esquemas de relaci6n las restricciones de integridad referencial forman ciclos ytodas las |laves extranjeras de los esquemas de relaci6n que forman el ciclo no admitenel valor nulo. Como resultado los autores de este articulo disearon un algoritmo quetomando como entrada el esquema I6gico de la base de datos realiza el proceso dedetecci6n y correcci6n del tipo de inconsistencia mencionado anteriormente y devuelvecomo resultado un esquema l6gico valido. Este es otro de los aspectos novedosos queincorpora la herramienta ERECASE.
El m6dulo de Generaci6n del Esquema Fisico a partir del esquema I6gico, genera lassentencias SOL correspondientes para crear el esquema fisico de la base de datos.La pr6xima Secci6n esta dedicada a mostrar la interfaz de usuario de la herramienta y aexplicar con un ejemplo c6mo Se realiza el proceso de validaci6n estructural del esquemaconceptual.
Como Se puede observar en la Figura 2 la interfaz de usuario de la herramienta estaformada por un menu principal, una barra de herramientas, la ventana de edici6n deldiagrama ER y la ventana donde se muestran los errores detectados por el m6dulode Validaci6n Estructural mencionado en la Secci6n anterior. Puede observarse lasdistintas construcciones que la herramienta brinda aI diseador, asi como los tipos deinterrelaciones.
Fig. 2. Interfaz de usuarlo de la herramienta ERECASE.
A continuaci6n Se explicara c6mo la herramienta realiza el proceso de validaci6n deun esquema conceptual ER, que modela los siguientes hechos: suponga Una empresacompuesta por divisiones las cuales estan integradas por uno o varios departamentos enlos cuales trabajan los empleados. Un departamento tiene que pertenecer a Una divisi6n yuna divisi6n debe estar formada al menos por un departamento. Los empleados trabajanpara un solo departamento y un a su vez debe tener al menos un empleado. Un empleadodebe trabajar en uno o varios productos y un producto es producido por un empleado.Cada producto es responsabilidad de Una divisi6n y un producto es supervisado por Una
divisi6n. A partir de esta especificaci6n de requisitos la Figura 3 muestra el esquemaconceptual de Una posible soluci6n. Observe la presencia de un Camino ciclico entre losconjuntos de entidades del diagrama, en el cual no hay interrelaciones redundantes.
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Fig~ 3. Un diagrama ER estructuralmente no vlido.
Para determinar la validez estructural de un diagrama ER hay que encontrar todos loscaminos ciclicos, y para cada Camino analizar las restricciones de cardinal|dad de los tiposde interrelaciones que intervienen en el mismo y entonces aplicar las reglas de validaci6nestructural definidas en (Dullea et a/., 2003). Estas reglas, analizan las interacciones delos tipos de interrelaciones que forman parte de un Camino ciclico teniendo en cuenta losVa|ores de las restricciones de cardinal|dad (maxima y minima). Un Camino ciclico puedeser no valido estructuralmente si este no puede soportar simultaneamente un conjuntoval|do de instancias para cada tipo de entidad. En la Tabla 1 se han especificado lasdistintas combinaciones de restricciones estructurales que pueden tener Una interrelaci6nde asociaci6n binaria y la comparaci6n en cuanto aI numero de instancias de un conjuntode entidad con respecto aI otro conjunto de entidad.
Tabla 1 Restricciones estructurales de Una interrelaci6n binaria.
Caso Cardinalidadmaxima
Cardinalidad Restricciones en elminima n0mero de instancias
Bl 1:1 obligatoria-obligatoria /El/ = /E2/B2 1:1 obligatoria-opcional /El/ < /E2/B3 1:1 opcional-obligatoria /El/ > /E2/B4 1:1 opcional-opcional auto ajusteB5 M:1 obligatoria-obligatoria /El/ > /E2/B6 M:1 obligatoria-opcional auto ajusteB7 M:l opcional-obligatoria /El/ > /E2/B8 M:1 opcional-opcional auto ajusteB9 1:M obligatoria-obligatoria /El/ < /E2
BIO 1:M obligatoria-opcional /El/ < /E2Bl 1 1:M opcional-obligatoria auto ajusteBl 2 1:M opcional-opcional auto ajuste813 M:N obligatoria-obligatoria auto ajuste814 M:N obligatoria-opcional auto ajuste815 M:N opcional-obligatoria auto ajuste816 M:N opcional-opcional auto ajuste
N6tese que algunas combinaciones de cardinalidades maxima y minima han sidoclasificadas como de auto ajuste. Esto quiere decir que el numero de instancias entrelos conjuntos de entidades E I y E2 pueden ser /E II = /E2/, /El/ < /E2/ o /El/ > /E2/, endependencia de la cantidad de instancias de cada conjunto entidad que no participanen la interrelaci6n (Lenzerini and Santucci, 1983). Las interrelaciones que tengan estasrestricciones estructurales, cuando estan formando parte de un Camino ciclico perm|tenque la cantidad de instancias de cada conjunto entidad varie para dar cabida a otrasrestricciones del Camino cfclico. En virtud de lo anterior en (Dullea et a/., 2003) se definela siguiente regla: un Camino ciclico que no contenga interrelaciones de auto ajustees invalido estructuralmente, por tanto aI analizar el diagrama de la Figura 3 Se puedeobservar que ninguna de las interrelaciones son de auto ajuste por lo que el diagramano es val|do desde el punto de vista estructural. N6tese que la herramienta muestra unmensaje de error indicando el tipo de error y el Camino ciclico no val|do. La soluci6n quedebe dar el disehador es, primero chequear Si en el esquema conceptual se ha reflejadocorrectamente el universo del discurso, y Segundo modificar convenientemente lasrestricciones de cardinal|dad de manera que algunos de los tipos de interrelaciones Seande auto ajuste.
Para el proceso de validaci6n estructural que realiza la herramienta fue necesario 1)representar el esquema conceptual en un multigrafo; 2) implementar un algoritmo parabuscar todos los ciclos simples en el multigrafo; y 3) aplicar las reg|as de validaci6nestructural los ciclos simples que contengan interrelaciones recursivas, binarias yternarias.
En este trabajo se ha presentado la herramienta ERECASE orientada aI diseho de bases dedatos relacionales y se han destacado los aspectos mas relevantes de la misma, haciendo
nfasis en el proceso de validaci6n estructural del esquema conceptual lo que contribuye aeliminar los posibles errores que el disehador puede cometer durante la fase de mode|adoconceptual de la base de datos. La presencia de ciclos en un esquema conceptual haceque no sea evidente la determinaci6n por el disehador de cuando un ciclo es valido o nodesde el punto de vista de las restricciones estructurales de las interrelaciones que formaparte del ciclo, por esta raz6n se implement6 este proceso en la herramienta ERECASE yes Una de las facilidades que la diferencia de herramientas similares.
La herramienta tiene otras caracteristicas que pudieran ser abordadas en otros articuloscomo son el uso de las construcciones de agregaci6n, dependencia de existencia eninterrelaciones binarias y la categorizaci6n, asi como la detecci6n y correcci6n deinconsistencias en el esquema l6gico de la base de datos.
Alvarez, W. Rodriguez, A, and Garcia, C. "ERECASE v.2.0 Una herramienta para eldiseho conceptual de bases de datos con validaci6n estructural." Tesis de Grado,Departamento de Computaci6n, Universidad Central de Las Villas, Santa Clara,2006. p. 80.
Atkins, C. "Prescription or Description: Some observations on the conceptual modelingprocess." Paper presented at the Proceedings of International Conference onSoftware Engineering 1996.
Batini, C., Cerf, S., and Navathe, S~ B., Conceptual Database Design: An Entity-RelationshipApproach, Redwood City, CA., Benjamin/Cummings, 1992.
Cabrera, Norma, Gonzalez, Luisa, and Garcia, C. "Acerca de la dependencia de existenciaen la modelaci6n de datos." Tesis de Maestria, Departamento de Ciencia de laComputaci6n, Universidad Central de Las Villas, Santa Clara, 2008. p. 64.
Chen, P. P., "The entity-relationship model: Toward a unified view of data." ACMTransactions on Database Systems, 1976, Vol. 1(1): 9-36.
De Miguel, A., and Piattini, M., Concepci6n y diseho de bases de datos: Del Modelo E/Ral modelo relacional, Madrid, RAMA, 1993.
Dullea, James, and Song, II-YeoI, "A taxonomy of recursive relationships and their structuralvalidity in ER modeling", 1999.
Dullea, J. Song, II-Yeol, and Lamprou, loanna "An analysis of structural validity in entity-relationship modeling", Data 8 Knowledge Engineering, 2003, 47: 167-205.
Elmasri, R., and Navathe, S. B, Fundamentals of Database Systems, Addison-Wesley, 4thed. 2003. p.605.
Lenzerini, M., and Santucci, G. "Cardinality constraints in the entity-relationship model"Paper presented at the proceedings of the 3rd International Conference on Entity-Relationship Approach (ER-83). Anaheim, California, USA. 1983.
Rodriguez, A. and Gonzlez, Luisa. "Sistema integrado de herramientas de ayuda aI diseode bases de datos en ambientes distribuidos" Tesis de Doctorado, Departamentode Ciencia de la Computaci6n, Universidad Central de Las Villas, Santa Clara, 2007.p. 141.
Snoeck, Monique, and Dedene, G. "Core mode|ling concepts to define aggregation",LObjet, 2000, 7(1): 281-306.
Snoeck, Monique, and Dedene, G. "Existence dependency: The key to semantic integritybetween structural and behavioural aspects of object types", IEEE Transactions onSoftware Engineering, 1998, 24(4).
