1 Sistemas Gestores de Bases de Datos

1.1 Objetivo de las Bases de Datos

Un sistema gestor de bases de datos (SGBD) consiste en una colección de datos interrelacionados y un conjunto de programas para acceder a dichos datos. La colección de datos, normalmente denominada base de datos, contiene información relevante para una empresa. El objetivo principal de un SGBD es proporcionar una forma de almacenar y recuperar la información de una base de datos de manera que sea tanto práctica como eficiente.

Los sistemas de bases de datos se diseñan para gestionar grandes cantidades de información. La gestión de los datos implica tanto la definición de estructuras para almacenar la información como la provisión de mecanismos para la manipulación de la información. Además los sistemas de base de datos deben proporcionar la fiabilidad de la información almacenada, a pesar de las caídas del sistema o los intentos de acceso sin autorización.

Una base de datos de puede definir como:

• Una colección interrelacionada de datos, almacenados en un conjunto sin redundancias innecesarias cuya finalidad es la de servir a una o mas aplicaciones de la manera mas eficiente.
• Conjunto de datos organizados con características afines entre sí, que identifican a un ente en especial, cualquier colección de información interrelacionada, es una base de datos.
• Conjunto autodescriptivo de registros integrados; autodescriptivo ya que puede contener información del usuario, descripción de la Base de Datos, que nos permiten representar las relaciones entre los datos. En donde la información que se tiene almacenada esta disponible para todos los usuarios del sistema, en los que los datos redundantes pueden eliminarse o al menos minimizarse.

Los componentes de una base de datos son:

Los datos: El componente fundamental de una base de datos son los datos que están interrelacionados entre si, formando un conjunto con un mínimo de redundancias.

El software: los datos, para que puedan ser utilizados por diferentes usuarios y diferentes aplicaciones, deben estar estructurados y almacenados de forma independiente de las aplicaciones. Para ello se utiliza un software o conjunto de programas que actúa de interfaz entre los datos y las aplicaciones. A este software se le denomina Sistema de Gestión de Base de Datos (SGBD). El SGBD crea y organiza la base de datos, y además atiende todas las solicitudes de acceso hechas a la base de datos tanto por los usuarios como por las aplicaciones.

Recurso Humano:

• Informático: son los profesionales que definen y preparan la base de datos.
• Usuarios: Son los que tienen acceso a la base de datos para ingresar o manipular la información contenida en esta, dependiendo del nivel de usuario o control de seguridad establecido.

1.2 Áreas de Aplicación de los Sistemas de Bases de datos

Las bases de datos son ampliamente usadas. Las siguientes son algunas de sus aplicaciones más representativas:

Banca: Para llevar el control de la información de los clientes, cuentas, prestamos y todas las transacciones bancarias.

Líneas aéreas: Para llevar el control de todas las planificaciones de vuelos de una aerolínea y las reservaciones hechas por los clientes. Las líneas aéreas fueron de las primeras en usar las base de datos de forma distribuida geográficamente (las terminales situadas en todo el mundo accedían al sistema de base de datos centralizado a través de las líneas telefónicas y otras redes de datos).

Escuelas: Para llevar el control de los estudiantes, horarios, cursos, inscripciones y calificaciones.

Transacciones de tarjetas de crédito: Para llevar el control de compras con tarjeta de crédito y generación mensual de estados de cuenta de los usuarios.

Telecomunicaciones: Para guardar un registro de las llamadas realizadas, generación mensual de factures, control del saldo de las tarjetas de prepago y almacenar información sobre las redes de comunicaciones.

Finanzas: Para almacenar información sobre grandes empresas, ventas y compras de documentos formales financieros, como bolsa y bonos.

Ventas: Para tener el control de la información de los clientes, productos y la información de las ventas generadas de forma diaria o mensual según el control que se desee tener.

Producción: Para la gestión de la cadena de producción, seguimiento de la producción y control de inventarios en almacén.

Recursos humanos: Para llevar el control de información sobre los empleados, salaries, impuestos y con esto poder generar la nómina.

1.3 Modelos de datos

Bajo la estructura de la base de datos se encuentra el modelo de datos: una colección de herramientas conceptuales para describir los datos, las relaciones, la semántica y las restricciones de consistencia.

Dentro del modelo de datos se encuentran:

Modelo Entidad-relación: El modelo de datos entidad-relación (E-R) está basado en una percepción del mundo real que consta de una colección de objetos básicos, llamados entidades, y de relaciones entre estos objetos. Una entidad es una cosa u objeto en el mundo real que es distinguible de otros objetos. Las entidades se describen en una base de datos mediante un conjunto de atributos. Una relación es una asociación entre varias entidades.

La estructura lógica general de una base de datos se puede expresar gráficamente mediante un diagrama ER, que consta de los siguientes componentes:

Rectángulos, que representan conjuntos de entidades.

Elipses, que representan atributos.

Rombos, que representan relaciones entre conjuntos de entidades.

Líneas, que unen los atributos con los conjuntos de entidades y los conjuntos de entidades con las relaciones.

Ejemplo de un diagrama entidad-relación (Figura 1.1).

Modelo Relacional.

En el modelo relacional se utiliza un grupo de tablas para representar los datos y las relaciones entre ellos. Cada tabla está compuesta por varias columnas, y cada columna tiene un nombre único.

El modelo relacional es un ejemplo de un modelo basado en registros. Los modelos basados en registros se denominan así porque la base de datos se encuentra en registros de formato fijo de varios tipos. Cada tabla contiene registros de un tipo particular. Cada tipo de registro define un número fijo de campos, o atributos. Las columnas de la tabla corresponden a los atributos del tipo de registro.

El modelo de datos relacional es el modelo de datos más ampliamente usado, y una amplia mayoría de sistemas de bases de datos actuales se basan en el modelo relacional.

El modelo relacional se encuentra a un nivel de abstracción inferior al modelo de datos E-R (Entidad-Relación). Los diseños de bases de datos a menudo se realizan en el modelo E-R, y después se traducen al modelo relacional.

Modelo Orientado a Objetos. El modelo orientado a objetos se puede observar como una extensión del modelo E-R con las nociones de encapsulación, métodos (funciones) e identidad de objeto. El modelo de datos relacional orientado a objetos combina las características del modelo de datos orientado a objetos y el modelo de datos relacional.

Los modelos de datos semiestructurados permiten la especificación de datos donde los elementos de datos individuales del mismo tipo pueden tener diferentes conjuntos de atributos.

Esto es diferente de los modelos de datos mencionados anteriormente, en los que cada elemento de datos de un tipo particular debe tener el mismo conjunto de atributos. El lenguaje de marcas extensible (XML, eXtensible Markup Language) se usa ampliamente para representar datos semi-estructurados.

Históricamente, otros dos modelos de datos, el modelo de datos de red y el modelo de datos jerárquico, precedieron al modelo de datos relacional. Estos modelos estuvieron ligados fuertemente a la implementación subyacente y complicaban la tarea del modelado de datos. Como resultado se usan muy poco actualmente, excepto en el código de bases de datos antiguo que aún está en servicio en algunos lugares.

1.4 Arquitectura del Sistema Gestor de Bases de datos

La mayoría de usuarios de un sistema de bases de datos no están situados actualmente junto al sistema de bases de datos, sino que se conectan a él a través de una red.

Se puede diferenciar entonces entre las máquinas cliente, en donde trabajan los usuarios remotos de la base de datos, y las máquinas servidor, en las que se ejecuta el sistema de bases de datos.

Las aplicaciones de bases de datos se dividen usualmente en dos o tres partes, como se ilustra en la Figura 1.2. En una arquitectura de dos capas, la aplicación se divide en un componente que reside en la máquina cliente, que llama a la funcionalidad del sistema de bases de datos en la máquina servidor mediante instrucciones del lenguaje de consultas. Los estándares de interfaces de programas de aplicación como ODBC y JDBC se usan para la interacción entre el cliente y el servidor.

En cambio, en una arquitectura de tres capas, la máquina cliente actúa simplemente como frontal y no contiene ninguna llamada directa a la base de datos. En su lugar, el cliente se comunica con un servidor de aplicaciones, usualmente mediante una interfaz de formularios.

El servidor de aplicaciones, a su vez, se comunica con el sistema de bases de datos para acceder a los datos.

La lógica de negocio de la aplicación, que establece las acciones a realizar bajo determinadas condiciones, se incorpora en el servidor de aplicaciones, en lugar de ser distribuida a múltiples clientes. Las aplicaciones de tres capas son más apropiadas para grandes aplicaciones, y para las aplicaciones que se ejecutan en World Wide Web.

1.5 Niveles de abstracción

Para que el sistema sea útil debe recuperar los datos eficientemente. Esta preocupación ha conducido al diseño de estructuras de datos complejas para la representación de los datos en la base de datos. Como muchos usuarios de sistemas de bases de datos no están familiarizados con computadores, los desarrolladores esconden la complejidad a los usuarios a través de varios niveles de abstracción para simplificar la interacción de los usuarios con el sistema, en la figura 1.3, se esquematizan los tres niveles de abstracción de base de datos. A continuación se definen los principales niveles de abstracción:

Nivel físico. El nivel más bajo de abstracción describe cómo se almacenan realmente los datos. En el nivel físico se describen en detalle las estructuras de datos complejas de bajo nivel.

En el nivel físico, un registro cliente, cuenta o empleado se puede describir como un bloque de posiciones almacenadas consecutivamente (por ejemplo, palabras o bytes). El compilador del lenguaje esconde este nivel de detalle a los programadores. Análogamente, el sistema de base de datos esconde muchos de los detalles de almacenamiento de nivel inferior a los programadores de bases de datos. Los administradores de bases de datos pueden ser conscientes de ciertos detalles de la organización física de los datos.

Nivel lógico. El siguiente nivel más alto de abstracción describe qué datos se almacenan en la base de datos y qué relaciones existen entre esos datos. La base de datos completa se describe así en términos de un número pequeño de estructuras relativamente simples. En el nivel lógico cada registro de este tipo se describe mediante una definición de tipo y se define la relación entre estos tipos de registros. Los programadores, cuando usan un lenguaje de programación, trabajan en este nivel de abstracción. De forma similar, los administradores de bases de datos trabajan habitualmente en este nivel de abstracción.

Nivel de vistas. El nivel más alto de abstracción describe sólo parte de la base de datos completa. Muchos usuarios del sistema de base de datos no necesitan toda esta información. En su lugar, tales usuarios necesitan acceder sólo a una parte de la base de datos. Para que su interacción con el sistema se simplifique, se define la abstracción del nivel de vistas.

En el nivel de vistas, los usuarios de computadoras ven un conjunto de programas de aplicación que esconden los detalles de los tipos de datos. Análogamente, en el nivel de vistas se definen varias vistas de una base de datos y los usuarios de la misma ven única y exclusivamente esas vistas. Además de esconder detalles del nivel lógico de la base de datos, las vistas también proporcionan un mecanismo de seguridad para evitar que los usuarios accedan a ciertas partes de la base de datos. Por ejemplo, los cajeros de un banco ven únicamente la parte de la base de datos que tiene información de cuentas de clientes; no pueden acceder a la información referente a los sueldos de los empleados.

1.6 Tipos de usuarios

Un objetivo principal de un sistema de bases de datos es recuperar información y almacenar nueva información en la base de datos. Las personas que trabajan con una base de datos se pueden catalogar como usuarios de bases de datos o como administradores de bases de datos, los cuales se describen a continuación.

1.6.1 Usuarios de bases de datos e interfaces de usuario

Hay cuatro tipos diferentes de usuarios de un sistema de base de datos, diferenciados por la forma en que ellos esperan interactuar con el sistema.

• Usuarios normales.
• Programadores de aplicaciones.
• Los usuarios sofisticados.
• Usuarios especializados.

Usuarios normales. Son usuarios no sofisticados que interactúan con el sistema mediante la invocación de alguno de los programas de aplicación. Por ejemplo considere que un usuario desea consultar su saldo a través de la web. Tal usuario únicamente puede acceder a un formulario donde introduce su número de cuenta y clave de autentificación, en ese momento un programa de aplicación en el servidor Web verifica su número de cuenta y clave, si son validos entonces recuera el saldo de la cuenta y muestra la información al usuario.

La interfaz de usuario para los usuarios normales en este caso es una interfaz de formularios, donde el usuario solo puede llenar y realizar las acciones que se le indiquen en el formulario. Los usuarios normales pueden también simplemente leer informes generados por la base de datos.

Programadores de aplicaciones. Son profesionales informáticos que escriben programas de aplicación. Los programadores de aplicación pueden elegir entre muchas herramientas para desarrollar interfases de usuario, las interfases desarrolladas son las que deben tener interacción con la base de datos.

Los usuarios sofisticados. Son los usuarios que interactúan con el sistema sin programas escritos, se encargan de formar sus consultas en un lenguaje de consulta de base de datos. Cada una de estas consultas se envía al procesador de consultas, cuya función es transformar que se encuentran en un lenguaje de manipulación de datos (LMD) a instrucciones que el gestor de almacenamiento entienda. Los analistas que envían las consultas para explorar los datos en la base de datos entran en esta categoría.

Existen herramientas de procesamiento analítico que le permiten a los analistas simplificar su trabajo, permitiendo una selección muy específica de registros, examinar datos con más detalle, recopilación de datos que les ayudan a encontrar ciertas clases de patrones de datos existentes dentro de la base de datos que pueden ser un auxiliar para la toma de decisiones en una empresa.

Usuarios especializados. Son usuarios sofisticados que escriben aplicaciones de base de datos especializadas que no son adecuadas en el marco de procesamiento de datos tradicional, dentro de estas están los sistemas de diseño asistido por computadora, sistemas de base de conocimientos y sistemas expertos, sistemas que almacenan los datos con tipos de datos complejos (por ejemplo, datos gráficos y datos de audio) y sistemas de modelado del entorno.

1.6.2 Administrador de la base de datos

Una de las principales razones de usar SGBDs (Sistemas Manejadores de Base de Datos) es tener un control centralizado tanto de los datos como de los programas que acceden a esos datos. La persona que tiene este control central sobre el sistema se llama administrador de la base de datos (ABD). Las funciones del ABD incluyen las siguientes:

Definición del esquema. El ABD crea el esquema original de la base de datos escribiendo un conjunto de instrucciones de definición de datos en el LDD.

Definición de la estructura y del método de acceso.

Modificación del esquema y de la organización física. Los ABD realizan cambios en el esquema y en la organización física para reflejar las necesidades cambiantes de la organización, o para alterar la organización física para mejorar el rendimiento.

Concesión de autorización para el acceso a los datos. La concesión de diferentes tipos de autorización permite al administrador de la base de datos determinar a qué partes de la base de datos puede acceder cada usuario. La información de autorización se mantiene en una estructura del sistema especial que el sistema de base de datos consulta cuando se intenta el acceso a los datos en el sistema.

Mantenimiento rutinario. Algunos ejemplos de actividades rutinarias de mantenimiento del administrador de la base de datos son:

• Copia de seguridad periódica de la base de datos, bien sobre cinta o sobre servidores remotos, para prevenir la pérdida de datos en caso de desastres como inundaciones.
• Asegurarse de que haya suficiente espacio libre en disco para las operaciones normales y aumentar el espacio en disco según sea necesario.
• Supervisión de los trabajos que se ejecuten en la base de datos y asegurarse de que el rendimiento no se degrada por tareas muy costosas iniciadas por algunos usuarios.

1.7 Tipos de lenguajes

Un sistema de bases de datos proporciona un lenguaje de definición de datos para especificar el esquema de la base de datos y un lenguaje de manipulación de datos para expresar las consultas a la base de datos y las modificaciones.

1.7.1 Lenguaje de definición de datos

Un esquema de base de datos se especifica mediante un conjunto de definiciones expresadas mediante un lenguaje especial llamado lenguaje de definición de datos (LDD).

Por ejemplo, la siguiente instrucción en el lenguaje SQL define la tabla clientes:

create table clientes ( clave_cliente char(10), nombre char(20) )

La ejecución de la instrucción LDD (Lenguaje de Definición de Datos) anterior crea la tabla clientes. Además, actualiza un conjunto especial de tablas denominado diccionario de datos o directorio de datos.

Un diccionario de datos contiene metadatos, es decir, datos acerca de los datos. El esquema de una tabla es un ejemplo de metadatos. Un sistema de base de datos consulta el diccionario de datos antes de leer o modificar los datos reales.

Especificamos el almacenamiento y los métodos de acceso usados por el sistema de bases de datos por un conjunto de instrucciones en un tipo especial de LDD denominado lenguaje de almacenamiento y definición de datos. Estas instrucciones definen los detalles de implementación de los esquemas de base de datos, que se ocultan usualmente a los usuarios.

1.7.2 Lenguaje de manipulación de datos

La manipulación de datos es:

La recuperación de información almacenada en la base de datos.

La inserción de información nueva en la base de datos.

El borrado de información de la base de datos.

La modificación de información almacenada en la base de datos.

Un lenguaje de manipulación de datos (LMD) es un lenguaje que permite a los usuarios acceder o manipular los datos organizados mediante el modelo de datos apropiado. Hay dos tipos básicamente:

• LMDs procedimentales. Requieren que el usuario especifique qué datos se necesitan y cómo obtener esos datos.

• LMDs declarativos (también conocidos como LMDs no procedimentales). Requieren que el usuario especifique qué datos se necesitan sin especificar cómo obtener esos datos.

Los LMDs declarativos son más fáciles de aprender y usar que los LMDs procedimentales. Sin embargo, como el usuario no especifica cómo conseguir los datos, el sistema de bases de datos tiene que determinar un medio eficiente de acceder a los datos. El componente LMD del lenguaje SQL es no procedimental. Una consulta es una instrucción de solicitud para recuperar información. La parte de un LMD que implica recuperación de información se llama lenguaje de consultas.

Aunque técnicamente sea incorrecto, en la práctica se usan los términos lenguaje de consultas y lenguaje de manipulación de datos como sinónimos.

Esta consulta en el lenguaje SQL encuentra el nombre del cliente cuyo identificador de cliente es 12345.

Esta consulta en el lenguaje SQL encuentra el nombre del cliente cuyo identificador de cliente es 12345.

select clientes.nombre from clientes where clientes.clave_cliente= '12345'

Lo que está haciendo la consulta anterior es seleccionando (select) el nombre del cliente (clientes.nombre) de (from) la tabla clientes, donde (where) la clave del cliente (clientes.clave_cliente) sea igual a '12345'.

2 Diseño de Bases de Datos y el modelo E-R.

2.1 El Proceso de Diseño.

Los diseñadores entrevistan a los futuros usuarios de la base de datos para recoger y documentar sus necesidades de información. En paralelo, conviene definir los requerimientos funcionales que consisten en operaciones (transacciones) que se aplicarán a la base de datos, e incluyen la obtención de datos y la actualización.

Diseño conceptual. Una vez recogidos todos los requerimientos, el siguiente paso es crear un esquema conceptual para la base de datos mediante un modelo de datos conceptual de alto nivel.

El esquema conceptual contiene una descripción detallada de los requerimientos de información de los usuarios, y contiene descripciones de los tipos de datos, relaciones entre ellos y restricciones.

Diseño lógico de la base de datos (transformación de modelo de datos) El siguiente paso en el proceso de diseño consiste en implementar de hecho la base de datos con un SGBD (Sistema Manejador de Base de Datos) comercial, transformando el modelo conceptual al modelo de datos empleados por el SGBD (entidad-relación, jerárquico, red o relacional).

Diseño físico de la base de datos En este paso se especifican las estructuras de almacenamiento internas y la organización de los archivos de la base de datos.

2.2 Modelo Entidad-Relación.

El modelo de datos entidad-relación (E-R) está basado en una percepción del mundo real consistente en objetos básicos llamados entidades y de relaciones entre estos objetos.

Se desarrolló para facilitar el diseño de bases de datos permitiendo la especificación de un esquema de la empresa que representa la estructura lógica completa de una base de datos.

El modelo E-R (Entidad-Relación) además de entidades y relaciones representan las uniones que los contenidos de la base de datos deben cumplir. Una unión es la correspondencia de cardinalidades, que expresan el número de entidades con las que otra entidad se puede asociar a través de un conjunto de relaciones.

Conceptos básicos: Existen tres conceptos fundamentales que se emplean en el modelo de datos E-R (Entidad-Relación): conjunto de entidades, conjunto de relaciones y atributos, las cuales se definen a continuación.

Entidad: Se puede definir cono Entidad a cualquier objeto, real o abstracto, que existe en un contexto determinado o puede llegar a existir y del cual deseamos guardar información. Una entidad tiene propiedades y valores que identifican a un sujeto u objeto el cual existe y es distinguible de otros objetos, se representan por un conjunto de atributos, ejemplo entidad cliente: rfc, nombre, dirección, teléfono.

Un conjunto de entidades es un conjunto de entidades del mismo tipo que comparten las mismas propiedades, o atributos.

Atributos: Los Atributos son características o propiedades asociadas a la entidad que toman valor en una instancia particular. Ejemplo: nombre, cédula, teléfono. Cada entidad tiene un valor para cada uno de sus atributos.

Dominio del atributo: Para cada atributo hay un conjunto de valores permitidos, llamados el dominio, o el conjunto de valores, de ese atributo.

Un atributo, como se usa en el modelo E-R, se puede caracterizar por los siguientes tipos de atributo:

• Atributos simples: Un atributo simple es aquel que no se puede subdividir, por ejemplo la edad y el sexo de una persona.

• Atributos compuestos: Un atributo compuesto, es un atributo que puede ser subdividido en otros atributos adicionales, por ejemplo la dirección de una persona, puede subdividirse en calle, número, código postal, etc.

• Atributos monovalorados y multivalorados.

• Atributos derivados.

Llave o clave de la relación: Es el identificador único de cada tupla.

Clave primaria: clave candidata que el diseñador elige de la base de datos como el medio principal de identificar entidades dentro de un conjunto de entidades.

Clave compuesta: Una clave compuesta de más de un atributo.

Clave candidata: Cualquier conjunto de atributos que puede ser elegido como clave de una relación.

Clave externa: Un conjunto de atributos o un atributo, en una relación que constituyen una clave en alguna otra relación, usada para establecer enlaces lógicos entre relaciones.

Tupla: Conjunto de atributos que representan a una unidad. Valor nulo: El valor dado a un atributo en una tupla si el atributo es inaplicable o su valor es desconocido.

Cardinalidad: Numero especifico de ocurrencias de una entidad, asociadas con una ocurrencia de la entidad relacionada, esto es el número máximo de instancias de un conjunto de objetos que puede estar relacionado con una sola instancia de otro conjunto de objetos.

Relación: Una relación es una asociación entre entidades, se denomina de igual modo a una tabla que se genera a partir de la relación o asociación de dos o más tablas o entidades existentes.

2.3 Restricciones.

Un esquema de desarrollo E-R puede definir ciertas restricciones a las que los contenidos de la base de datos se deben adaptar. En este apartado se examina la correspondencia de cardinalidades y las restricciones de participación, que son dos de los tipos más importantes de restricciones.

La correspondencia de cardinalidades, o razón de cardinalidad, expresa el número de entidades a las que otra entidad puede estar asociada vía un conjunto de relaciones.

Reglas de cardinalidad:

Cardinalidad de uno a uno: Una carnidalidad de la interrelación que es 1 en ambas direcciones. Cuando un registro de una tabla sólo puede estar relacionado con un único registro de la otra tabla y viceversa. En este caso la clave foránea se ubica en alguna de las 2 tablas.

Cardinalidad de uno a muchos: Cuando un registro de una tabla (tabla secundaria) sólo puede estar relacionado con un único registro de la otra tabla (tabla principal) y un registro de la tabla principal puede tener más de un registro relacionado en la tabla secundaria. En este caso la clave foránea se ubica en la tabla secundaria.

Cardinalidad de muchos a muchos: Cuando un registro de una tabla puede estar relacionado con más de un registro de la otra tabla y viceversa. En este caso las dos tablas no pueden estar relacionadas directamente, se tiene que añadir una tabla entre las dos (Tabla débil o de vinculación) que incluya los pares de valores relacionados entre sí.

El nombre de tabla débil deviene de que con sus atributos propios no se puede encontrar la clave, por estar asociada a otra entidad. La clave de esta tabla se conforma por la unión de los campos claves de las tablas que relaciona.

Reglas que determinan las interrelaciones (cardinalidad).

Regla 1. Si dos tablas tienen una interrelación de uno a uno (1 a 1), entonces el campo clave de una de las tablas debe aparecer en la otra tabla.

Regla 2. Si dos tablas tienen una interrelación de uno a muchos (1 a *), entonces el campo clave de la tabla del (1) debe aparecer en la tabla del muchos (*).

Regla 3. Si dos tablas tienen una interrelación de muchos a muchos (* a *), entonces debe crearse una tabla que tenga los campos claves de las dos tablas.

Ejemplos:

Las relaciones entre entidades se generan en dos direcciones, 1. Si se quiere definir la relación entre un empleado y un departamento se especifica de la siguiente manera:

• Un empleado pertenece a un departamento.

• En un departamento están asignados muchos empleados.

• Esta relación es de tipo 1:M

2. Para una interrelación entre un supervisor y un departamento, la cardinalidad es de una a una, en donde el 1 es representado por 1.

• Un supervisor, supervisa un departamento.

• Un departamento es supervisado por una persona.

• En este caso la relación es de uno a uno.

3. Para una interrelación entre un supervisor y empleados, la cardinalidad es de una a mucho, en donde el muchos puede ser representado por un (*), o la letra m.

• Un supervisor supervisa a muchos empleados.

• Un empleado es supervisado por un supervisor.

• En este caso la relación es de uno a muchos.

4. En una relación entre alumnos y materias cursadas, la cardinalidad es de muchos a muchos.

• Un alumno cursa muchas materias.

• Una materia la cursan muchos alumnos.

• En este caso es una interrelación de muchos a muchos.

Como en este ejemplo se tiene una relación de muchos a muchos, se genera una tercera entidad débil (Cursa), que se forma con las llaves primarias de la entidad Alumno y Materias.

2.4 Diagramas E-R.

La estructura lógica general de una base de datos se puede expresar gráficamente mediante un diagrama E-R. Los diagramas son simples y claros, cualidades que pueden ser responsables del amplio uso del modelo E-R. Tal diagrama consta de los siguientes componentes principales:

Rectángulos, que representan conjuntos de entidades. Elipses, que representan atributos. Rombos, que representan relaciones. Líneas, que unen atributos a conjuntos de entidades y conjuntos de entidades a conjuntos de relaciones. Elipses dobles, que representan atributos multivalorados. Elipses discontinuas, que denotan atributos derivados. Líneas dobles, que indican participación total de una entidad en un conjunto de relaciones. Rectángulos dobles, que representan conjuntos de entidades débiles.

Ejemplo de un diagrama Entidad-Relación:

En este modelo se representa a las entidades cliente y cuenta, además de una tabla generada por la relación denominada tiene.

La tabla cliente contiene los atributos: Id_cliente, Nombre, Dirección, Teléfono. La tabla cuenta contiene los atributos: Numero_cuenta, Saldo.

2.5 Diseño con diagramas E-R.

El modelo de datos E-R da una flexibilidad sustancial en el diseño de un esquema de bases de datos para modelar una empresa dada. En este apartado se considera cómo un diseñador de bases de datos puede seleccionar entre el amplio rango de alternativas. Entre las decisiones que se toman están las siguientes:

• Si se usa un atributo o un conjunto de entidades para representa un objeto.

• Si un concepto del mundo real se expresa más exactamente mediante un conjunto de entidades o mediante un conjunto de relaciones.

• Si se usa una relación ternaria o un par de relaciones binaras.

• Si se usa un conjunto de entidades fuertes o débiles; un conjunto de entidades fuertes y sus conjuntos de entidades débiles dependientes se pueden considerar como un objeto en la base de datos, debido a que la existencia de las entidades débiles depende de la entidad fuerte.

Un modelo de datos de alto nivel sirve al diseñador de la base de datos para proporcionar un marco conceptual en el que especificar de forma sistemática los requisitos de datos de los usuarios de la base de datos que existen, y cómo se estructurará la base de datos para completar estos requisitos. La fase inicial del diseño de bases de datos, por tanto, es caracterizar completamente las necesidades de datos esperadas por los usuarios de la base de datos. El resultado de esta fase es una especificación de requisitos del usuario. Esta estructura general se puede expresar gráficamente mediante un diagrama E-R.

A continuación, el diseñador elige un modelo de datos y, aplicando los conceptos del modelo de datos elegido, traduce estos requisitos a un esquema conceptual de la base de datos. El esquema desarrollado en esta fase de diseño conceptual proporciona una visión detallada del desarrollo. Debido a que sólo se ha estudiado el modelo E-R hasta ahora, se usará éste para desarrollar el esquema conceptual. En términos del modelo E-R, el esquema especifica todos los conjuntos de entidades, conjuntos de relaciones, atributos y restricciones de correspondencia.

El diseñador revisa el esquema para confirmar que todos los requisitos de datos se satisfacen realmente y no hay conflictos entre sí. También se examina el diseño para eliminar características redundantes. Lo importante en este punto es describir los datos y las relaciones, más que especificar detalles del almacenamiento físico.

Un esquema conceptual completamente desarrollado indicará también los requisitos funcionales de la empresa. En una especificación de requisitos funcionales los usuarios describen los tipos de operaciones (o transacciones) que se realizarán sobre los datos. Algunos ejemplos de operaciones son la modificación o actualización de datos, la búsqueda y recuperación de datos específicos y el borrado de datos. En esta fase de diseño conceptual se puede hacer una revisión del esquema para encontrar los requisitos funcionales.

El proceso de trasladar un modelo abstracto de datos a la implementación de la base de datos consta de dos fases de diseño finales. En la fase de diseño lógico, el diseñador traduce el esquema conceptual de alto nivel al modelo de datos de la implementación del sistema de base de datos que se usará. El diseñador usa el esquema resultante específico a la base de datos en la siguiente fase de diseño físico, en la que se especifican las características físicas de la base de datos.

2.6 Conjunto de entidades débiles.

Las entidades que no tienen atributos llave se conocen como entidades débiles. Las entidades de este tipo se identifican relacionándolas con otras entidades en combinación con algunos de sus atributos. Esa otra entidad se denomina entidad fuerte o propietaria.

Una entidad débil siempre tiene una dependencia de existencia (restricción de participación total) con respecto a la entidad fuerte.

Como ya se mencionaba anteriormente cuando se tiene una relación de muchos a muchos entre dos entidades se genera una tercera entidad denominada "débil", una entidad débil no tiene llave primaria y sus atributos principales son las llaves primarias de las entidades que se están relacionando.

2.7 Modelo E-R extendido.

Aunque los conceptos básicos de E-R pueden modelar la mayoría de las características de las bases de datos, algunos aspectos de una base de datos pueden ser más adecuadamente expresados mediante ciertas extensiones del modelo E-R básico. A continuación se definen las características E-R extendidas de especialización, generalización, conjuntos de entidades de nivel más alto y más bajo, herencia de atributos y agregación.

La especialización y la generalización definen una relación de contenido entre un conjunto de entidades de nivel más alto y uno o más conjuntos de entidades de nivel más bajo. La especialización es el resultado de tomar un subconjunto de un conjunto de entidades de nivel más alto para formar un conjunto de entidades de nivel más bajo. La generalización es el resultado de tomar la unión de dos o más conjuntos disjuntos de entidades (de nivel más bajo) para producir un conjunto de entidades de nivel más alto. Los atributos de los conjuntos de entidades de nivel más alto los heredan los conjuntos de entidades de nivel más bajo.

La agregación es una abstracción en la que los conjuntos de relaciones (junto con sus conjuntos de entidades asociados) se tratan como conjuntos de entidades de nivel más alto, y pueden participar en las relaciones.

2.8 Otros aspectos del diseño de bases de datos.

Al momento de diseñar un modelo de base de datos se deben considerar los siguientes aspectos:

• Obtener los Requisitos de datos.

• Designación de los conjuntos de entidades

• Designación de los conjuntos de relaciones

• Realizar el diseño del Diagrama E-R

2.9 La Notación E-R con UML.

Los diagramas entidad-relación ayudan a modelar el componente de representación de datos de un sistema software. La representación de datos, sin embargo, sólo forma parte de un diseño completo de un sistema.

Otros componentes son modelos de interacción del usuario con el sistema, especificación de módulos funcionales del sistema y su interacción, etc. El lenguaje de modelado unificado (UML, Unified Modeling Language) es un estándar propuesto para la creación de especificaciones de varios componentes de un sistema software. Algunas de las partes de UML son:

• Diagrama de clase. Un diagrama de clase es similar a un diagrama E-R.

• Diagrama de caso de uso. Los diagramas de caso de uso muestran la interacción entre los usuarios y el sistema, en particular los pasos de las tareas que realiza el usuario.

• Diagrama de actividad. Los diagramas de actividad describen el flujo de tareas entre varios componentes de un sistema.

• Diagrama de implementación. Los diagramas de implementación muestran los componentes del sistema y sus interconexiones tanto en el nivel del componente software como el hardware.

3 Diseño de bases de datos relacionales.

3.1 Características del diseño relacional.

El modelo relacional, está basado en las relaciones lógicas entre los datos, este modelo organiza y representa a los datos en forma de tablas de dos dimensiones, consistente en filas y columnas de datos.

El concepto de base de datos relacional fue escrito por primera vez por el Dr. Codd en 1970 el cual publico un artículo en que aplicaba los conceptos de una rama de las matemáticas llamada algebra relacional, a los problemas de almacenar enormes cantidades de datos. Este artículo dio inicio a un movimiento en la comunidad de las bases de datos que en muy poco tiempo condujo a la definición del modelo de base de datos relacionales.

El modelo relacional surge como un intento de simplificar la estructura de las bases de datos, eliminando estructuras padre/hijo del modelo jerárquico de la base de datos y en su lugar representar todos los datos en la base de datos como tablas conformada a su vez por renglones y columnas con valores de datos.

Este modelo, es un modelo simple, poderoso y formal de representar la realidad, que facilita la construcción de consultas de usuario.

El objetivo del diseño de las bases de datos relacionales es la generación de un conjunto de esquemas relacionales que nos permita almacenar la información sin redundancias innecesarias, pero que también nos permita recuperar fácilmente esa información.

Normalización:

La normalización de bases de datos relacionales toma un esquema relacional y le aplica un conjunto de técnicas para producir un nuevo esquema que representa la misma información pero contiene menos redundancias y evita posibles anomalías en las inserciones, actualizaciones y borrados. La técnica de normalización es semejante a lo que comúnmente se dice de que un párrafo debe tener un solo tema, si un párrafo tiene más de un tema, debe dividirse en tantos párrafos como temas se consideren. La lógica que se aplica a la normalización es cada afinidad normalizada tiene un solo tema, si tiene dos o más, deberá fragmentarse en afinidades, cada una de las cuales tendrá un solo tema.

Estas clases de afinidades y las técnicas para prevenir las anomalías son llamadas formas normales. Dependiendo de su estructura, una afinidad puede estar en primera forma normal, segunda forma normal o alguna otra. En su artículo Ted Codd, estableció la primera, segunda y tercera forma normal. Cada una de estas formas están anidadas, esto es una afinidad que está en tercera forma, debe estar en primera y segunda forma normal.

3.2 Dominios atómicos y la primera forma normal.

La primera de las formas normales que se van a estudiar, la primera forma normal, impone un requisito muy elemental a las relaciones; a diferencia de las demás formas normales, no exige información adicional como las dependencias funcionales.

Un dominio es atómico si se considera que los elementos del dominio son unidades indivisibles.

Una afinidad esta en primera forma normal, si la tupla tiene un campo definido como campo clave y todos sus valores son atómicos para cada atributo en la relación. Esto es que los valores de los atributos no pueden ser un conjunto de valores o un grupo repetitivo.

Cualquier tabla de datos que cumpla con la definición de una afinidad, se dice que está en primera forma normal.

Si en la tabla encontramos grupos repetitivos es necesario crear una tabla de relación que interrelacione a las tablas determinadas.

4 Modelo relacional.

El modelo relacional se ha establecido actualmente como el principal modelo de datos para las aplicaciones de procesamiento de datos. Ha conseguido la posición principal debido a su simplicidad, que facilita el trabajo del programador en comparación con otros modelos.

Una base de datos relacional consiste en un conjunto de tablas, a cada una de las cuales se le asigna un nombre exclusivo. Cada tabla tiene una estructura parecida a la presentada en la unidad 2, donde se representaron las bases de datos E-R mediante tablas.

4.1 Estructura básica.

Una tabla en el modelo relacional viene a ser como una de las listas descritas anteriormente. Una tabla o relación es una matriz rectangular que almacena líneas con una estructura concreta:

• La primera línea de una tabla, es una cabecera que indica el nombre de cada columna. O sea, cada columna tiene asignado un nombre único.

• Cada línea (excepto la primera) recibe el nombre de tupla, y almacena ítemes concretos para cada columna.

• Todas las filas deben ser diferentes entre sí.

• El orden de las filas y de las columnas carece de importancia a efectos del S.G.B.D. Este hecho es el que verdaderamente diferencia las tablas relacionales del concepto matemático de relación, en el que el orden de las columnas es fundamental.

Dominio de Valores. Los dominios a que puede pertenecer un atributo, suelen depender de los que proporcione el S.G.B.D. que empleemos. Suelen ser comunes dominios como: Texto, Número entero, Número decimal, Fecha, Hora, Sí/No, etc.

Por otro lado, un dominio como pueda ser Número entero, es un dominio cuyo conjunto de valores es infinito, y dado que trabajamos con ordenadores, es imprescindible poner un límite que permita almacenar un valor concreto debido a las limitaciones de memoria, y sobre todo al hecho de que toda tupla debe poseer el mismo tamaño.

4.2 Esquema de las bases de datos.

Un esquema de bases de datos, junto con las dependencias de clave primaria y externa, se puede mostrar gráficamente mediante diagramas de esquema.

Ejemplo de un esquema de base de datos:

4.3 Claves.

• Una clave es un atributo o conjunto de atributos cuyo valor es único y diferente para cada tupla.
• Tenemos dos claves potenciales, también llamadas claves candidatas.
• De entre todas las claves candidatas, el administrador, cuando define la tabla, debe decidir cuál de ellas va a ser la clave principal o clave primaria, mientras que el resto de las claves pasan a denominarse claves alternativas o claves alternas.

Si el esquema de una base de datos relacional se basa en las tablas derivadas de un esquema E-R es posible determinar la clave primaria del esquema de una relación a partir de las claves primarias de los conjuntos de entidades o de relaciones de los que se deriva el esquema:

Conjunto de entidades fuertes. La clave primaria del conjunto de entidades se convierte en la clave primaria de la relación.

Conjunto de entidades débiles. La tabla y, por tanto, la relación correspondientes a un conjunto de entidades débiles incluyen:

• Los atributos del conjunto de entidades débiles.

• La clave primaria del conjunto de entidades fuertes del que depende el conjunto de entidades débiles.

• La clave primaria de la relación consiste en la unión de la clave primaria del conjunto de entidades fuertes y el discriminante del conjunto de entidades débil.

Conjunto de relaciones. La unión de las claves primarias de los conjuntos de entidades relacionados se transforma en una superclave de la relación. Si la relación es de varios a varios, esta superclave es también la clave primaria.

4.4 Lenguajes de consulta.

Un lenguaje de consulta es un lenguaje en el que un usuario solicita información de la base de datos. Estos lenguajes suelen ser de un nivel superior que el de los lenguajes de programación habituales. Los lenguajes de consulta pueden clasificarse como procedimentales o no procedimentales. En los lenguajes procedimentales el usuario instruye al sistema para que lleve a cabo una serie de operaciones en la base de datos para calcular el resultado deseado. En los lenguajes no procedimentales el usuario describe la información deseada sin dar un procedimiento concreto para obtener esa información.

La mayor parte de los sistemas comerciales de bases de datos relacionales ofrecen un lenguaje de consulta que incluye elementos de los enfoques procedimental y no procedimental.