Modélisation et Modèles

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1 NFE113 Administration et configuration des bases de données Modélisation et Modèles Eric Boniface

2 Sommaire Modélisation conceptuelle Modèle Entité / Association Modèle Relationnel 2/73

3 Modélisation conceptuelle La conception de base de données Pourquoi la modélisation conceptuelle? 3/73

4 Modélisation conceptuelle Cycle de vie du S.I. 4/73

5 Modélisation conceptuelle Système d'information SI Collection d'activités qui définissent le partage et la distribution de l'information et le stockage des données Système de Gestion de Bases de Données SGBD Logiciel pour stocker, manipuler et retrouver les données sur ordinateur Le système d'information contient les bases de données : composante essentielle mais aussi les programmes les interfaces utilisateurs les procédures manuelles 5/73

6 Modélisation conceptuelle Préalable indispensable à l'implantation de la base de données Consensus sur le découpage en phases et sur les objectifs de chaque phase Beaucoup de bases ont été développées sans méthode Conséquences Sous estimation du temps/des ressources nécessaires Développement de Bases de données inadéquates et inefficaces Documentation limitée Maintenance difficile 6/73

7 Modélisation conceptuelle Un processus complexe qui implique des décisions à différents niveaux. décomposer le problème en sous-problèmes à résoudre indépendamment en utilisant des méthodes et des techniques spécifiques Schéma conceptuel : description de haut niveau de la structure de la base de données décrit le contenu en information et non les structures de stockage Schéma logique : description de la structure de la base de données qui puisse être comprise par le SGBD dépend du modèle logique choisi (relationnel, objet ou XML) Schéma physique : description de l'implantation de la BD en mémoire secondaire (structure de stockage et méthodes d'accès) => dépend du SGBD cible (Oracle, DB2, ) 7/73

8 Modélisation conceptuelle La plupart des problèmes de BD est due à une mauvaise compréhension des données à un niveau abstrait ou conceptuel Il faut une compréhension structurelle des données, indépendante de l'implantation physique C'est le rôle de l'étape de modélisation conceptuelle des données 8/73

9 Pourquoi la modélisation? Ne peut pas être automatisée c'est la phase critique Opération à conduire en coopération avec les utilisateurs les utilisateurs décrivent leurs besoins et expliquent la sémantique des données les concepts des modèles sont simples et peu techniques : ne nécessitent pas la connaissance des SGBD la coopération améliore le schéma conceptuel : le processus converge plus vite 9/73

10 Pourquoi la modélisation? Indépendance du SGBD le schéma conceptuel "survit" à un changement de SGBD différentes bases de données décrites par leurs schémas conceptuels peuvent être comparées et intégrées en un ensemble connu cf. bases de données fédérées le schéma conceptuel n'est pas seulement un document intermédiaire mais un élément important de la documentation du S.I. il facilite la compréhension, l'évolution et la maintenance 10/73

11 Pourquoi la modélisation? Les modèles conceptuels ont émergé à la fin des années 1970 les plus connus modèle entité-relation (E-R) modèle standard choisi par l'ansi pour l'irds (Information Resource Dictionary System) diagramme de classe UML Tous s'appuient sur les mêmes mécanismes d'abstraction 11/73

12 Pourquoi la modélisation? Modèle de données Langage pour décrire la réalité Schéma Description d une réalité suivant un modèle 12/73

13 Modèle Entité Association Historique et principes Présentation Le modèle 13/73

14 Modèle Entité Association LE MODELE E-A ou E-R Un modèle conceptuel de données Modèle Entité-Relation ou Entité-Association (en anglais : Entity Relationship) Proposé par P. Chen (1976) Différentes extensions ont été proposées L'ANSI choisit le modèle ER comme standard (1988) 14/73

15 Modèle Entité Association Utilisé universellement pour la conception de bases de données (relationnelles) La conception d un schéma correct est essentielle pour le développement d une application viable Simple et suffisamment puissant pour représenter des structures relationnelles Repose sur une représentation graphique qui facilite sa compréhension 15/73

16 Modèle Entité Association De nombreuses insuffisances ne propose que des structures Pas d opération permettant de manipuler les données Pas (ou peu) de moyen d exprimer des contraintes Certaines ambiguïtés pour des schémas complexes Objectif de ce chapitre Utiliser le modèle E/A Savoir interpréter et comprendre un modèle Exemple d une base de données de films, accessible par le Web, notation possible par les internautes 16/73

17 Modèle E/A : schéma titre année nommes prénommes Age Alien 1979 Scott Ridley 66 Vertigo 1958 Hitchcock Alfred 110 Psychose 1960 Hitchcock Alfred 110 Kagemusha 1980 Kurosawa Akira 99 Volte-face 1997 Woo John 63 Pulp Fiction 1995 Tarantino Quentin 46 Titanic 1997 Cameron James 55 Sacrifice 1986 Tarkovski Andrei 77 Table FilmSimple (MES = Metteur en scène) Ce schéma comporte tout un ensemble de problèmes Tous ou presque découlent d un grave défaut de la table ci-dessus : il est possible de représenter la même information plusieurs fois 17/73

18 Modèle E/A : schéma Anomalies dans l insertion Il est possible de représenter x fois le même film Qu est-ce qui distingue deux films l un de l autre? Anomalies lors d une modification Redondance = des anomalies de mise à jour Les mêmes questions que précédemment se posent existe-t-il un seul réalisateur nommé Hitchcock? est-ce qu il ne doit donc y avoir qu une seule année de naissance? 18/73

19 Modèle E/A : schéma Anomalies lors d une destruction Suppression d un film = suppression du metteur en scène Ex. suppression de Titanic = suppression des informations sur James Cameron Avoir une valeur trop «variable» L age va évoluer chaque année! Stocker l age plutôt que l année de naissance 19/73

20 Modèle E/A : la bonne méthode Être capable de représenter individuellement les films et les réalisateurs, de manière à ce qu une action sur l un n entraîne pas systématiquement une action sur l autre Définir une méthode d identification d un film ou d un réalisateur, qui permette d assurer que la même information est représentée une seule fois Préserver le lien entre les films et les réalisateurs, mais sans introduire de redondance 20/73

21 Modèle E/A : la bonne méthode titre annéeidmes Alien Vertigo Psychose Kagemusha Volte-face Pulp Fiction Titanic Sacrifice Table des films Plus de redondance, grâce à une clé étrangère Les anomalies citées avant sont résolues id nommes prénommes annéenaiss 1 Scott Ridley Hitchcock Alfred Hitchcock Alfred Kurosawa Akira Woo John Tarantino Quentin Cameron James Tarkovski Andrei 1932 Table des réalisateurs La modélisation avec un graphique Entité / Association = une méthode simple pour arriver au résultat ci-dessus, et ce même dans des cas beaucoup plus complexes 21/73

22 Modèle E/A : présentation Un schéma E/A décrit l application visée, c est-à-dire une abstraction d un domaine d étude, pertinente relativement aux objectifs visés Notre base Films contient uniquement ce qui est pertinent Entités Clé (en gras) Attributs Association Cardinalité Contraintes de participation 22/73

23 Modèle E/A : présentation La modélisation conceptuelle est indépendante de toute implantation Aucun système identifié Pas d algorithme ou de langage précisés Partie la plus stable d une application Mais est-ce que toutes les informations sont représentées? est-ce que les clés choisies sont pertinentes? Attention, certaines évolutions futures du schéma seront très complexes : changement de clé de Film, le passage à plusieurs réalisateurs, etc. 23/73

24 Entités, attributs et identifiants Définition : nous désignons par entité tout objet identifiable et pertinent pour l application identifiable = un identifiant ou une clé va permettre de distinguer les entités pertinence = ne prendre en compte que les informations nécessaires Attributs : les entités sont caractérisées par des propriétés (le titre du film par exemple), ce sont les attributs défini par un nom valeurs dans un domaine énumérable 24/73

25 Entités, attributs et identifiants Entités manipulables ou physiques une table, un avion, un livre, etc. Entités non manipulables ou conceptuelles un compte client, un service Nous nous limitons aux entités utiles pour la modélisation, ie celles qui vérifient Nous en connaissons plusieurs unités Nous souhaitons que la B.D. contienne des informations sur ces unités 25/73

26 Entités, attributs et identifiants Soit un nom d attribut A = fonction définie sur un ensemble E d entités, prenant ses valeurs sur un domaine D. A(e) = valeur de l attribut A pour e E Par exemple : soit un ensemble de films {f 1,, f n } et les attributs titre et année. Si f 1 est le film Impitoyable, tourné par Clint Eastwood en 1992 alors : titre(f 1 ) = Impitoyable; année(f 1 ) = 1992 Un attribut est une relation, au sens mathématique, entre un ensemble d entités et un ensemble de valeurs 26/73

27 Entités, attributs et identifiants Propriétés des attributs Ils sont atomiques on ne sait pas définir un attribut téléphones Certaines méthodes acceptent des constructions complexes attributs multivalués : ensemble de valeurs d un même domaine attributs composés : agrégation d autres attributs. Ex. d un attribut adresse Si la fonction est injective : attribut-clé ou identifiant 27/73

28 Types d entités Définition : le type d une entité est composé des éléments suivants Son nom La liste de ses attributs avec, optionnellement le domaine où l attribut prend ses valeurs : les entiers, les chaînes de caractères L indication du (ou des) attribut(s) permettant d identifier l entité : ils constituent la clé. On dit qu une entité e est une instance de son type E 28/73

29 Types d entités : clé Définition : Soit E un type d entité et l ensemble des attributs de E. Une clé de E est un sous-ensemble minimal de A permettant d identifier de manière unique une entité parmi n importe quelle extension de E Exemple : l internaute possède plusieurs attributs, dont son courriel, son nom, son prénom, etc. Le courriel constitue une clé naturelle. Le nom, voire le nom et le prénom ne suffise pas S il y a plusieurs clés possibles, en choisir une en clé primaire, les autres en clés secondaires 29/73

30 Types d entités : clé Caractéristiques d une clé primaire Sa valeur est connue pour toute entité Il ne faudrait jamais devoir la modifier Sa taille de stockage doit être la plus petite possible = performance Dans le cas de la table Films, le titre pourrait être une clé primaire, mais pour cela nous supposons que le titre est unique. Il n est pas facile de trouver une clé primaire sinon pour cette relation Ajout d un attribut abstrait id = numéro séquentiel unique

31 Types d entités : représentation Caractéristiques d une clé primaire Sa valeur est connue pour toute entité Il ne faudrait jamais devoir la modifier Sa taille de stockage doit être la plus petite possible = performance Dans le cas de la table Films, le titre pourrait être une clé primaire, mais pour cela nous supposons que le titre est unique. Il n est pas facile de trouver une clé primaire sinon pour cette relation Ajout d un attribut abstrait id = numéro séquentiel unique

32 Types d entités : représentation Ci-dessous l exemple des types Internaute et Film. L attribut formant la clé est en gras Distinction types d entités et entités : la même qu entre schéma et base, entre type et valeur en programmation Souvent, nous parlons d entité à la place de type d entité et d occurrence ou de tuple pour une entité

33 Associations Définition : une association binaire entre les ensembles d entités E 1 et E 2 est un ensemble de couples (e 1,e 2 ), avec e 1 E 1 et e 2 E 2 Une relation caractérise un lien entre plusieurs entités Deux niveaux de discours Au niveau type : la relation Réalise entre un Artiste et un Film Au niveau occurrence : Hitchcock réalise le Film Psychose Relation classique de relation en théorie des ensembles

34 Associations : exemple de graphe L utilisation d un graphe aide à visualiser les associations Prendre des exemples les plus généraux possibles

35 Associations : cardinalité Définition : soit une association (E 1,E 2 ) entre deux types d entité. La cardinalité de l association pour E i, i {1,2}, est une paire [min, max] telle que : Le symbole max (cardinalité maximale) désigne le nombre maximal de fois où une entité e i de E i peut intervenir dans l association. En général, ce nombre est 1 (au plus une fois) ou n (plusieurs fois, indéterminées), noté par le symbole «*» Le symbole min (cardinalité minimale) désigne le nombre minimal de fois où une entité e i de E i peut intervenir dans la relation. En général, ce nombre est 1 (au moins une fois) ou 0

36 Associations : cardinalité Les cardinalités maximales doivent être établies avec précaution car difficiles à modifier ultérieurement La notation «*» tirée d UML correspond à «0..*» La notation «1» équivaut à «1..1» Les cardinalités minimales peuvent être désignées par le terme «contraintes de participation» Il s agit de choix de conception Valides par rapport à un besoin exprimé

37 Associations : cardinalité Plusieurs façons de noter une association entre types d entités Nous utilisons la notation UML, très proche de la méthode OMT (cf.

38 Associations : cardinalité En faisant le graphe de l association Réalise, nous voyons qu un metteur en scène peut être un acteur Regroupement des deux types d entité en un seul : Artiste L association Joue a un attribut Rôle Seules les associations à cardinalités multiples de chaque côté peuvent avoir des attributs

39 Associations : clé Définition : la clé d une association (binaire) entre un type d entité E 1 et un type d entité E 2 est le couple constitué de la clé c 1 de E 1 et de la clé c 2 de E 2 En pratique, trop contraignant car nous souhaitons autoriser 2 entités à être liées plus d une fois dans une association. Ex. qu un internaute puisse noter à plusieurs reprises un film avec historique Impossible en l état avec une association binaire Association ternaire identifiée par un triplet (id, , date)

40 Associations : clé Un même internaute peut noter plusieurs fois le même film, pourvu que ce ne soit pas à la même date. Réciproquement un internaute peut noter des films différents le même jour, et un même film peut être noté plusieurs fois à la même date, à condition que ce ne soit pas par le même internaute.

41 Associations : clé La représentation précédente n est pas bonne : introduit une entité artificielle Rajouter l attribut date dans l association, et le mettre en gras pour indiquer qu il est dans la clé

42 Entités faibles Dans certains cas, des entités ne peuvent être vu indépendamment d une autre : entité faible Ex. : un cinéma et ses salles Chaque salle a ses propres attributs Mais une salle est forcément liée à un cinéma L association a un attribut «no», numéro de salle La cardinalité côté cinéma est implicitement «1..1» L entité «salle» a une identification relative au cinéma

43 Entités faibles : contraintes L utilisation d entités faibles implique des contraintes L insertion d une salle dans la base => l association à un cinéma La destruction d un cinéma => destruction de toutes ses salles La modification de la clé d un cinéma => la modification sur toutes ses salles Une stratégie doit être mise en place Les SGBD fournissent les outils nécessaires

44 Associations n-aires Définition : une association n-aire entre n types d entités E 1,, E n est un ensemble de n-uplets (e 1,, e n ) où chaque e i appartient à E i En théorie pas de limite sur le degré d une association En pratique, rarement au-delà de 3 entités

45 Associations n-aires Exemple de l association pour les projections de films Association ternaire entre les entités Film, Salle et Horaire Soulève de nouveaux problèmes Impossibilité de dire qu une entité ne participe qu une fois Détermination de la clé de l association difficile La clé [nomcinéma, nosalle, idfilm, idhoraire] peut être volumineuse Ne permet pas de spécifier certaines contraintes, telles que : dans une salle, pour un horaire il n y a qu un seul film

46 Associations n-aires Les associations de degré supérieur à deux sont difficiles à manipuler et à interpréter Toujours possible de remplacer cette association pour un type d entité Règle : soit A une association entre les types d entité {E 1,, E n }. La transformation de A en type d entité s effectue en trois étapes : Nous attribuons un identifiant autonome à A Nous créons une association A i de type 1..n entre A et chacun des E i. La contrainte minimale, du côté de A, est toujours 1

47 Associations n-aires L association précédente va être transformée en type d entité Séance, avec un identifiant idséance et des associations 1..n

48 48/73 Comment modéliser?

49 Comment modéliser? Faire la liste des entités Pour chaque entité, Faire la liste des propriétés Définir les propriétés identifiantes Faire la liste des relations entre les entités Pour chaque relation, Faire la liste des propriétés propres Vérifier la dimension (binaire, ternaire, etc.) Définir les cardinalités

50 Comment modéliser? Vérifier le schéma obtenu, notamment Supprimer les transitivités S assurer qu il répond aux demandes Valider avec les utilisateurs Ne pas confondre le concept de données et celui de traitement La modélisation conceptuelle de données exclut la représentation des traitements sur ces données Pourtant la connaissance des traitements est requise

51 Avantages et inconvénients Le modèle E/A est simple et pratique 3 concepts à manipuler : entités, associations et attributs Approprié à une représentation graphique intuitive Permet de modéliser rapidement des structures pas trop complexes Pauvreté du modèle : difficulté à exprimer les contraintes d intégrité ou des structures complexes

52 Avantages et inconvénients Non déterministe : pas de règle absolue pour déterminer ce qui est entité, attribut ou relation Est-il préférable de représenter le metteur en scène (MES) comme un attribut de Film ou comme une association avec Artiste? comme une association Est-il indispensable de gérer une entité Horaire? Ne pas attribuer à une relation les attributs des entités participantes

53 Avantages et inconvénients Il faut essayer en général de se ramener à des associations entre 2 entités : au-delà, on a probablement intérêt a transformer l association en entité d éviter toute redondance : une information doit se trouver en un seul endroit enfin et surtout de privilégier la simplicité et la lisibilité, notamment en ne représentant que ce qui est strictement nécessaire

54 Exercices Exercice 1 : soit le schéma E/A représentant des visites dans un centre médical. Répondez aux questions suivantes en fonction des caractéristiques de ce schéma (autrement dit, indiquez si la situation décrite est représentable, indépendamment de sa vraisemblance) 1. Un patient peut-il effectuer plusieurs visites? 2. Un médecin peut-il recevoir plusieurs patients dans la même consultation? 3. Peut-on prescrire plusieurs médicaments dans une même consultation? 4. Deux médecins différents peuvent-ils prescrire le même médicament?

55 Exercices Exercice 1 : schéma

56 Exercices Exercice 2 : Le second schéma représente des rencontres dans un tournoi de tennis. 1. Peut-on jouer des matchs de double? 2. Un joueur peut-il gagner un match sans y avoir participé?

57 Retour sur la représentation Attention à la représentation officielle Personne UML Voiture E/R Propriétaire Possède Possédée Personne Propriétaire Possède Voiture Possédée Date Prix Date Prix Buveurs Vins Abus Abus Estbu Buveurs Abus Abus Estbu Vins Date Quantité Date Quantité

58 Modèle E/A étendu Il existe plusieurs extensions au modèle E/A L objectif est de compléter les manques du modèle de base Nous allons voir le modèle Entité Association Etendu ou Extended Entity-Relationship Proposé par Peter Chen

59 Modèle EE/A : généralisation Définition : une entité E est une généralisation d un groupe d entités E 1,,E n si tout objet de E i est aussi un objet de E. Film Type entité générique Un film fantastique est un film Lien IS_A Fantastique Animation Documentaire S.F. Horreur Historique Animalier Type entité spécifique Nous parlons de généralisation et de spécialisation

60 Modèle EE/A : généralisation Contraintes Disjonction : a priori, les films de type fantastique n ont pas d instance commune avec les films documentaires Couverture : tout film appartient à l un des sous-types Il s agit d une partition En fait, un film d animation peut être fantastique (ex. Final Fantasy) => couverture mais non disjonction

61 Modèle EE/A : sous-ensemble Sous-ensemble : cas particulier de généralisation avec une seule sous-classe Attribut composé : groupement d attributs ayant une affinité, soit par leur sens, soit par leur utilisation Exemple attribut Adresse : rue, ville, code postal Identifiants ou clés ou clés candidates : comme vu précédemment, un ensemble d attributs ou d entités reliées à E permettant de déterminer de façon unique toutes les instances de E. Peut être héritée dans les généralisations

62 Modèle EE/A : abstraction Définition : processus de compréhension, de classification et de modélisation de la réalité Classer les objets du monde réel Modéliser les relations entre les objets Processus mental de sélection de certaines caractéristiques d un ensemble d objets d exclusion d autres caractéristiques non pertinentes

63 Modèle EE/A : abstraction 3 mécanismes Classification Agrégation Généralisation

64 Modèle EE/A Classification Agrégation Généralisation Regrouper dans une classe les objets du monde réel caractérisés par des propriétés communes Définir une classe à partir d autres classes composantes Définir une relation d inclusion entre deux classes (n est pas utilisé dans les modèles classiques E-R de base)

65 Modèle EE/A : classification Définition : regrouper dans une classe les objets du monde réel ayant des propriétés communes Exemple : classe Film classe Acteur Un même objet peut être classé de plusieurs façons Film fantastique et d animation Film documentaire et d animation Classification multiple

66 Modèle EE/A : agrégation Définition : définir une classe à partir d autres classes composantes Exemples La classe cinéma peut être décrite à partir des classes Salles, Films, Horaires La classe Cours peut être décrite à partir des classes Professeur, Etudiant, Horaire, etc.

67 Modèle EE/A : généralisation Définition : une généralisation est une inclusion entre deux classes Exemples La classe Film est une généralisation de film documentaire La classe Personne (nom, âge, prénom) et la classe Employé (salaire, grade). Employé hérite de Personne La généralisation permet une description plus compacte des structures

68 Modèle EE/A : généralisation Définition : une généralisation est une inclusion entre deux classes Exemples La classe Film est une généralisation de film documentaire La classe Personne (nom, âge, prénom) et la classe Employé (salaire, grade). Employé hérite de Personne La généralisation permet une description plus compacte des structures

69 Modèle EE/A : mathématique Les 3 abstractions sont indépendantes Fondement mathématique Classification : appartient à Relation entre un élément et un ensemble Agrégation : est une partie de Composition (produit cartésien) d ensembles Généralisation : est inclus dans, sous ensemble de Inclusion d ensemble

70 Modèle EE/A : Contrainte interrelations INCLUSION (I): si une occurrence de l Individu1 participe à la relation A, elle participe à la relation B ( mais pas réciproquement) SIMULTANEITE(S): toute occurrence de l Individu1 participant à la relation A participe simultanément à B EXCLUSION(X): si une occurrence de l Individu1 participe à la relation A, elle ne peut pas participer à B (avec possibilité d orientation de cette exclusion) TOTALITE(T) : toute occurrence de l Individu1 participe au moins à l une des deux relations A ou B EXCLUSION et TOTALITE(XT): toute occurrence de l Individu1 participe au moins soit à A, soit à B, mais pas aux deux à la fois

71 Modèle EE/A : Contrainte interrelations Formalisme Individu impliqué dans la contrainte INDIVIDU 2 INDIVIDU 1 A B Tiré du cours d E. Abou Chakra Type de contrainte INDIVIDU 3

72 Modèle EE/A : conclusion CLASSIFICATION une entité est une classe d'objets du monde réel ayant des propriétés semblables une association est une classe de faits élémentaires qui relient 2 (ou +) entités un attribut est une classe de valeurs représentant les propriétés des entités ou associations AGREGATION une entité est une agrégation d'attributs une association est une agrégation d'entités et d'attributs un attribut composé est une agrégation d'attributs GENERALISATION hiérarchies de généralisation et sous-ensembles

73 Et après Le monde Le concepteur Schéma conceptuel Utilisateurs BD Schéma logique relationnel Table Films Table Cinéma 73/73