Что такое ER-диаграмма (диаграмма «сущность-связь»)?

ER-диаграммы (диаграммы «сущность-связь») показывают отношения между различными сущностями в системе. Они особенно полезны для быстрого обзора информации, содержащейся в системе, и связей внутри нее. Такие диаграммы помогают командам детально продумать взаимодействие пользователей, программного обеспечения и баз данных в реальных сценариях.

Узнайте больше об ER-диаграммах: об истории их создания, сферах применения, примерах, компонентах и о том, как построить их с помощью нашего инструмента для создания ER-диаграмм.

Что такое ER-диаграмма?

ER-диаграмма (диаграмма «сущность-связь») — это разновидность блок-схемы, которая наглядно показывает, как сущности (люди, объекты или концепты) связаны друг с другом внутри системы. ER-диаграммы чаще всего применяются для проектирования и отладки реляционных баз данных в таких областях, как разработка ПО, бизнес-информационные системы, образование и научные исследования. Эти схемы, также известные как модели «сущность-связь», используют определенный набор символов (прямоугольники, ромбы, овалы и соединительные линии) для отображения взаимосвязи сущностей, связей и их атрибутов. По своей структуре они напоминают грамматику языка, где сущности выступают в роли существительных, а связи — в роли глаголов.

ER-диаграммы родственны диаграммам структуры данных (DSD), которые фокусируются на связях элементов внутри самих сущностей, а не на отношениях между ними. Кроме того, ER-диаграммы часто используются в сочетании с диаграммами потоков данных (DFD), отображающими движение информации в процессах или системах.

История моделей «сущность-связь»

Разработка ER-моделирования для проектирования баз данных в 1970-х годах принадлежит Питеру Чену, специалисту по компьютерным наукам и прикладному математику. Корни графического изображения взаимосвязей уходят глубоко в историю Древней Греции — к трудам Аристотеля, Сократа и Платона, задолго до появления компьютерных наук. В более близкую к нам эпоху эта концепция прослеживается в работах философов-логистов XIX и XX веков, таких как Чарльз Сандерс Пирс и Готлоб Фреге.

 В 1960-х и 1970-х годах Чарльз Бахман и А. П. Дж. Браун создавали предшественников подхода Чена. Бахман разработал тип диаграммы структуры данных, названный диаграммой Бахмана. Браун опубликовал работы по моделированию реальных систем. Джеймс Мартин усовершенствовал структуру ERD. Труды Чена, Бахмана, Брауна, Мартина и других исследователей также внесли вклад в развитие унифицированного языка моделирования (UML), который сейчас широко применяется в проектировании ПО.

Сферы применения ER-диаграмм

Проектирование баз данных

ER-диаграммы используются для моделирования и проектирования реляционных баз данных. Логическая модель данных применяется для описания логики и бизнес-правил, а физическая — для технологической реализации. В программной инженерии построение ER-диаграммы часто становится первым шагом при определении требований к проекту информационной системы. Позже она применяется для моделирования конкретных баз данных. Реляционная база данных имеет эквивалентную реляционную таблицу и при необходимости представляется в таком виде.

 ER-диаграммы часто используются на старте проекта новой базы данных для описания требований. Они помогают команде построить модель, отражающую потоки информации между пользователем, ПО, базой данных и другими сущностями. Поскольку ER-диаграммы позволяют наглядно показать допущения и зависимости на ранних этапах, они повышают эффективность планирования и принятия решений до начала реализации.

 Основные преимущества раннего этапа включают своевременное обнаружение проблем, устранение путаницы в сложных системах и снижение рисков.

 Устранение неисправностей в базах данных

ER-диаграммы применяются для анализа существующих баз данных с целью поиска и решения проблем с логикой или развертыванием. Построение диаграммы помогает наглядно увидеть, что именно работает некорректно.

 Бизнес-информационные системы

Диаграммы служат для проектирования или анализа реляционных баз данных в бизнес-процессах. Любой бизнес-процесс, использующий структурированные данные с участием сущностей, действий и их взаимодействия, выигрывает от внедрения реляционной базы данных. Это позволяет оптимизировать процессы, упростить поиск информации и улучшить результаты.

 Реинжиниринг бизнес-процессов (BPR)

ER-диаграммы помогают анализировать базы данных, задействованные в реинжиниринге бизнес-процессов, и моделировать структуру новых баз данных.

 Образование

Базы данных сегодня служат основным методом хранения структурированной информации для образовательных целей и последующего извлечения, поэтому ER-диаграммы незаменимы при планировании таких структур данных.

Научные исследования

Поскольку в научных исследованиях фокус часто направлен на структурированные данные, ER-диаграммы играют ключевую роль в создании удобных баз данных для их последующего анализа.

Компоненты и особенности ER-диаграммы

ER-диаграммы состоят из сущностей, связей и атрибутов. Они также отображают кардинальность, которая определяет числовые характеристики связей. Ниже приведен глоссарий основных терминов:

Сущность

Сущность — это любой объект данных. Это могут быть компьютеры, принтеры, сотрудники, клиенты, места, события, концепты и так далее.

Тип сущности: тип сущности — это группа определяемых объектов (например, клиенты или продукты), в то время как сама сущность — это конкретный клиент или продукт.

Набор сущностей: набор сущностей аналогичен типу сущности, но определяется в конкретный момент времени (например, клиенты, совершившие покупку в прошлом месяце). Связанный термин — экземпляр, где конкретный клиент является экземпляром набора сущностей.

Категории сущностей: категории сущностей включают сильные, слабые и ассоциативные. Сильная сущность определяется исключительно собственными атрибутами, а слабая — нет. Ассоциативная сущность связывает сущности (или элементы) внутри набора сущностей.

Ключи сущности: ключ сущности — это атрибут, который уникально определяет сущность в наборе сущностей. Ключи сущностей делятся на суперключи, потенциальные и первичные ключи. Суперключ — это набор атрибутов (один или несколько), которые вместе определяют сущность в наборе сущностей. Потенциальный ключ — это минимальный суперключ, то есть он содержит наименьшее возможное количество атрибутов, достаточное для выполнения роли суперключа. Набор сущностей включает один или несколько потенциальных ключей. Первичный ключ — это потенциальный ключ, выбранный проектировщиком базы данных для уникальной идентификации набора сущностей.

Связь

Связи определяют, как сущности взаимодействуют или ассоциируются друг с другом. Относитесь к связям как к глаголам. Например, конкретный клиент покупает продукт. В данном случае сущностями выступают клиент и продукт, а отображаемая связь — это акт покупки, соединяющий их. Связи обычно изображаются в виде ромбов или меток непосредственно на соединительных линиях.

Рекурсивная связь: в рекурсивной связи одна и та же сущность участвует в отношении более одного раза.

Атрибут

Атрибуты определяют свойства сущностей в базе данных. Например, у набора сущностей «Клиент» могут быть различные значения для имени, адреса, платежной информации и т. д.

Дескриптивный (описательный) атрибут: дескриптивный атрибут — это свойство или характеристика связи (в отличие от атрибута сущности).

 Категории атрибутов: категории атрибутов включают простые, составные, производные, а также однозначные или многозначные. Простой атрибут является атомарным и не делится на части (например, номер телефона). Составной атрибут — это податрибут, вытекающий из основного атрибута. Производный атрибут вычисляется или выводится из другого атрибута (например, возраст из даты рождения). Многозначный атрибут содержит несколько значений (например, несколько номеров телефона у одного человека). Однозначный атрибут имеет только одно значение. Эти типы комбинируются между собой: например, бывают простые однозначные или составные многозначные атрибуты.

Кардинальность (мощность связи)

Кардинальность определяет числовые параметры связи между двумя сущностями или наборами сущностей. Выделяют три основных типа кардинальности: «один к одному», «один ко многим» и «многие ко многим». Примером связи «один к одному» служит один клиент, связанный с одним почтовым адресом. Пример отношения «один ко многим» (или «многие к одному», в зависимости от направления связи) — один клиент, покупающий несколько продуктов, где все эти продукты ведут обратно к одному клиенту. В случае связи «многие ко многим» группа клиентов ассоциируется с несколькими продуктами, а продукты, в свою очередь, связаны с несколькими клиентами.

Варианты отображения кардинальности: кардинальность отображается на противоположной (look-across) или на той же стороне (same-side), в зависимости от места размещения символов.

 Ограничения кардинальности: это минимальные или максимальные числовые значения, применимые к связи.

Сопоставление с естественным языком

Компоненты ER-модели можно сопоставить с частями речи. Ниже показано, как ER-диаграмма соотносится со схемой разбора предложения:

• Имя нарицательное (пример типа сущности): клиент

• Имя собственное (пример сущности): Салли Смит

• Глагол (пример типа связи): покупает

• Имя прилагательное (пример атрибута сущности): новый

• Наречие (пример атрибута связи): в цифровом формате

Язык запросов к базам данных ERROL имитирует конструкции естественного языка. ERROL основан на модифицированной реляционной алгебре (RRA) и работает с ER-моделями, отражая их лингвистические аспекты.

Символы и нотации ER-диаграмм

Ниже приведены примеры различных систем нотации ERD. Дополнительную информацию можно найти на странице «Символы и нотации ER-диаграмм».

Нотация Чена

Нотация «Воронья лапка» (Мартина / инженерии информационных систем)

Нотация Бахмана

Нотация IDEF1X

Нотация Баркера

Некоторые команды используют нотацию UML, когда хотят выразить связи в стиле ER с помощью объектно-ориентированных соглашений. Это не превращает ERD в разновидность UML-диаграммы. Это лишь означает, что нотация UML применяется для описания сущностей, связей и кардинальности. В нотации UML связи отображаются в виде сплошной линии, соединяющей две сущности. Кардинальность указывается прямо на линии (например, 1..1 означает «один к одному», а 1..* — «один ко многим»), а для определения характера связи между сущностей добавляются глагольные фразы (например, «создано кем-то» или «заказано кем-то»).

Примеры

Ниже приведены примеры ER-диаграмм, построенных в каждой из систем.

Концептуальные, логические и физические модели данных

ER-модели и модели данных обычно создаются на трех уровнях детализации:

Концептуальная модель данных

Эта модель предоставляет наиболее общий взгляд на систему с минимальной детализацией. Ее ценность заключается в фиксации общего масштаба модели и отображении архитектуры системы. Если масштаб системы невелик, начните с логической модели.

Логическая модель данных

Данная модель содержит больше деталей, чем концептуальная, и определяет операционные и транзакционные сущности. Логическая модель не зависит от конкретных технологий реализации.

Физическая модель данных

На основе одной логической модели разрабатывается одна или несколько физических моделей. Физические модели содержат достаточный объем технических деталей для непосредственного создания и развертывания реальной базы данных.

По мере масштабирования систем бывает трудно уместить все операционные детали на одной читаемой схеме. При необходимости распределяйте информацию по нескольким диаграммам и создавайте разные уровни ERD. Небольшие системы, напротив, легко представить на одном холсте.

Ограничения ER-диаграмм и моделей

ER-диаграммы и модели подходят не для всех типов баз данных. Вот несколько причин, почему этот визуальный формат не всегда оптимален:

• Только для реляционных данных: единственная цель ER-диаграмм — показывать связи между сущностями, поэтому они не подходят для проектирования нереляционных баз данных.

• Не для неструктурированных данных: если данные четко не разнесены по полям, строкам или столбцам, польза от ER-диаграмм будет минимальной. Это относится и к полуструктурированным данным, так как для моделирования подойдет лишь их часть.

• Сложность интеграции с существующей базой данных: использование ER-моделей для интеграции с уже созданной базой данных бывает затруднительным из-за различий в архитектуре.

Соответственно, если ваш основной уровень хранения данных является нереляционным, вам потребуется другой подход к моделированию, отличный от классической ER-диаграммы.

Как создать базовую ER-диаграмму

1. Цель и масштаб: определите цель и масштаб анализируемого или моделируемого объекта.

2. Сущности: определите задействованные сущности. Нарисуйте их в виде прямоугольников (или других фигур в соответствии с выбранной нотацией) и подпишите именами существительными.

3. Связи: определите, как сущности связаны друг с другом. Проведите линии между ними для обозначения связей и подпишите их. Отсутствие связей у некоторых сущностей — это абсолютно нормально. В разных системах нотации связи обозначаются внутри ромба, прямоугольника или прямо поверх соединительной линии.

4. Атрибуты: добавьте детализации, указав ключевые атрибуты сущностей. Атрибуты чаще всего изображаются в виде овалов.

5. Кардинальность: укажите тип связи («один к одному», «один ко многим» или «многие ко многим»).

При создании схемы крупной системы разделите работу на несколько диаграмм (например, один концептуальный обзор и одна или несколько физических моделей), чтобы сохранить читаемость визуальных материалов.

Как создать ER-диаграмму в Lucidchart

1. Откройте новый документ Lucidchart

Создайте диаграмму с нуля или сэкономьте время, выбрав один из готовых шаблонов ER-диаграмм в Lucidchart. Главное — обеспечить уровень детализации, соответствующий вашим целям. В зависимости от задачи выберите концептуальную, логическую или физическую модель.

2. Включите библиотеки фигур для ER-диаграмм

Нажмите «Другие фигуры» в левой части редактора и убедитесь, что в списке библиотек фигур отмечен пункт «Сущность-связь» (Entity Relationship).

3. Перетаскивайте фигуры на холст

Добавляйте фигуры на холст для обозначения всех сущностей и связей: кликните по нужной фигуре и перетащите ее на рабочее поле. Убедитесь, что все сущности и связи подписаны, а диаграмма охватывает весь объем данных, необходимых для хранения.

4. Соединяйте фигуры

Нажмите на любую фигуру и потяните линию из появившихся точек (кругов), чтобы соединить ее с другой фигурой и показать связь между сущностями. Следите за тем, чтобы не было избыточных сущностей или связей. Если вы ищете неисправности в базе данных, обращайте внимание на разрывы в связях, а также на отсутствующие сущности или атрибуты.

5. Поделитесь своей ER-диаграммой

Поскольку ER-диаграммы наглядны и стандартизированы, они служат отличным инструментом для совместной работы, который команды могут просматривать и улучшать вместе. Вы легко можете поделиться своей диаграммой по электронной почте, через Slack или с помощью ссылки. Нажмите «Поделиться» в правом верхнем углу экрана — появится всплывающее окно. Выберите удобный способ отправки диаграммы и настройте соответствующий уровень прав доступа.