تطبيع قاعدة البيانات

يمكن توسيع قاعدة البيانات المُنمذجة بالكامل لاستيعاب أنواع جديدة من البيانات مع الحد الأدنى من التغييرات في بنيتها الحالية. ونتيجة لذلك، تتأثر التطبيقات التي تتفاعل مع قاعدة البيانات بشكل طفيف.

تعكس العلاقات المعيارية والعلاقات بينها مفاهيم العالم الحقيقي وعلاقاتها المتبادلة.

لنفترض وجود جدول قاعدة بيانات بالبنية التالية، يصف كتابًا: ^{[ 10 ]}

في هذا المثال، يُفترض أن لكل كتاب مؤلف واحد فقط.

يحتوي الجدول الذي يتوافق مع النموذج العلائقي على مفتاح أساسي يُعرّف كل صف بشكل فريد. في مثالنا، المفتاح الأساسي هو مفتاح مركب من {العنوان، التنسيق} ، ويُشار إليه بالتسطير.

في النموذج الطبيعي الأول، يحتوي كل حقل على قيمة واحدة. لا يجوز أن يحتوي الحقل على مجموعة من القيم أو سجل متداخل. يحتوي حقل "الموضوع" على مجموعة من قيم الموضوعات، مما يعني أنه لا يفي بالمتطلبات. لحل هذه المشكلة، يتم استخراج الموضوعات إلى جدول موضوعات منفصل : ^{[ 10 ]}

بدلاً من جدول واحد في شكل غير مُنظّم ، يوجد الآن جدولان يتوافقان مع النموذج الطبيعي الأول (1NF).

تذكر أن جدول الكتب أدناه يحتوي على مفتاح مركب {العنوان، التنسيق} ، والذي لن يحقق الصيغة الثانية للنموذج الطبيعي (2NF) إذا كانت مجموعة فرعية من هذا المفتاح مُحدِّدًا. في هذه المرحلة من تصميمنا، لم يتم اعتماد المفتاح كمفتاح أساسي ، لذا يُسمى مفتاحًا مرشحًا . انظر إلى الجدول التالي:

تعتمد جميع السمات التي لا تُشكّل جزءًا من المفتاح المرشح على العنوان ، بينما يعتمد السعر فقط على التنسيق . وللتوافق مع النموذج الثاني للتطبيع (2NF) وإزالة التكرارات، يجب أن تعتمد كل سمة غير مُدرجة ضمن المفتاح المرشح على المفتاح المرشح بأكمله، وليس على جزء منه فقط.

لتطبيع هذا الجدول، اجعل {Title} مفتاحًا مرشحًا (بسيطًا) (المفتاح الأساسي) بحيث تعتمد كل سمة غير مرشحة على المفتاح المرشح بالكامل، وقم بإزالة Price إلى جدول منفصل بحيث يمكن الحفاظ على اعتماده على Format :

الآن، يتوافق كل من جدولي الكتب والأسعار مع الصيغة الثانية للنموذج الطبيعي (2NF) .

لا يزال جدول الكتب يعاني من تبعية وظيفية متعدية (تعتمد جنسية المؤلف على المؤلف، الذي يعتمد بدوره على العنوان). وتوجد مخالفات مماثلة لجدول الناشر (يعتمد بلد الناشر على الناشر، الذي يعتمد بدوره على العنوان) ولجدول النوع الأدبي (يعتمد اسم النوع الأدبي على معرّف النوع الأدبي، الذي يعتمد بدوره على العنوان). لذا، فإن جدول الكتب ليس في النموذج الثالث للتطبيع. ولحل هذه المشكلة، يمكننا وضع جنسية المؤلف، وبلد الناشر، واسم النوع الأدبي في جداول منفصلة، ​​مما يزيل التبعيات الوظيفية المتعدية.

يقع نموذج المفتاح الأساسي الطبيعي (EKNF) بين النموذج الثالث الطبيعي (3NF) ونموذج BCNF، ولا يُناقش كثيرًا في المراجع العلمية. يهدف هذا النموذج إلى "استخلاص الخصائص البارزة لكل من 3NF وBCNF" مع تجنب مشاكلهما (أي أن 3NF "متساهل جدًا" وBCNF "عرضة للتعقيد الحسابي"). ولأنه نادرًا ما يُذكر في المراجع، لم يُدرج في هذا المثال.

لنفترض أن قاعدة البيانات مملوكة لسلسلة متاجر لبيع الكتب بالتجزئة، ولديها عدة فروع تمتلك متاجر في مواقع مختلفة. ولذلك، قررت سلسلة المتاجر إضافة جدول يحتوي على بيانات حول توافر الكتب في مختلف المواقع.

بما أن بنية هذا الجدول تتكون من مفتاح أساسي مركب ، فإنه لا يحتوي على أي سمات غير مفتاحية، وهو بالفعل في صيغة BCNF (وبالتالي يستوفي جميع الصيغ الطبيعية السابقة ). مع ذلك، بافتراض أن جميع الكتب المتاحة معروضة في كل منطقة، فإن العنوان غير مرتبط بشكل قاطع بموقع محدد ، وبالتالي فإن الجدول لا يستوفي الصيغة الطبيعية الرابعة (4NF ).

وهذا يعني أنه لتحقيق الشكل الطبيعي الرابع ، يجب تفكيك هذا الجدول أيضًا:

الآن، يتم تحديد كل سجل بشكل لا لبس فيه بواسطة مفتاح فائق ، وبالتالي يتم استيفاء 4NF .

لنفترض أن بإمكان أصحاب الامتياز طلب الكتب من موردين مختلفين. ولنفترض أن هذه العلاقة تخضع أيضاً للقيد التالي:

• إذا قام مورد معين بتوريد عنوان معين
• ويتم تسليم سند الملكية إلى صاحب الامتياز
• ويتم تزويد صاحب الامتياز من قبل المورد،
• ثم يقوم المورد بتزويد صاحب الامتياز بسند الملكية . ^{[ 12 ]}

هذا الجدول في النموذج الرابع للتطبيع (4NF) ، لكن مُعرّف المورّد يساوي مجموع إسقاطاته: {{مُعرّف المورّد، اللقب}، {اللقب، مُعرّف صاحب الامتياز}، {مُعرّف صاحب الامتياز، مُعرّف المورّد}} . لا يوجد أي عنصر من عناصر هذا الربط مفتاحًا فائقًا (المفتاح الفائق الوحيد هو العنوان بأكمله)، لذا لا يستوفي الجدول متطلبات النموذج الرابع للتطبيع (ETNF) ويمكن تفكيكه بشكل أكبر: ^{[ 12 ]}

ينتج عن التحلل الامتثال لمعايير ETNF.

للكشف عن جدول لا يفي بالنموذج الخامس للصيغة الطبيعية (5NF) ، عادةً ما يكون من الضروري فحص البيانات بدقة. لنفترض الجدول من مثال النموذج الرابع للصيغة الطبيعية (4NF) مع تعديل طفيف في البيانات، ولنفحص ما إذا كان يفي بالنموذج الخامس للصيغة الطبيعية (5NF) :

يؤدي تقسيم هذا الجدول إلى تقليل التكرار، مما ينتج عنه الجدولان التاليان:

سيؤدي الاستعلام الذي يربط هذه الجداول إلى إرجاع البيانات التالية:

تُرجع عملية الربط ثلاثة صفوف إضافية عما ينبغي؛ إضافة جدول آخر لتوضيح العلاقة ينتج عنه ثلاثة جداول منفصلة:

ماذا ستُرجع عملية الربط الآن؟ في الواقع، لا يمكن ربط هذه الجداول الثلاثة. هذا يعني أنه لم يكن من الممكن فصل جدول الامتياز – السجل – الموقع دون فقدان البيانات، وبالتالي فإن الجدول يُلبي بالفعل معيار 5NF .

تنويه : البيانات المستخدمة توضح المبدأ، ولكنها لا تضمن صحته. في هذه الحالة، يُفضل تقسيم البيانات إلى ما يلي، مع مفتاح بديل سنسميه "معرف المتجر":

ستُعيد عملية الربط الآن النتيجة المتوقعة:

جادل سي جيه ديت بأن قاعدة البيانات التي تتبع النموذج الخامس للتطبيع (5NF) هي فقط التي تُعتبر "مُطَبَّعة" حقًا. ^{[ 13 ]}

دعونا نلقي نظرة على جدول الكتب من الأمثلة السابقة ونرى ما إذا كان يفي بالصيغة الطبيعية للمفتاح الخاص بالمجال :

منطقياً، يتحدد سُمك الكتاب بعدد صفحاته. وهذا يعني أنه يعتمد على عدد الصفحات ، وهو ليس عاملاً أساسياً. لنفترض مثلاً أن الكتاب الذي يصل عدد صفحاته إلى 350 صفحة يُعتبر "رفيعاً"، بينما يُعتبر الكتاب الذي يزيد عدد صفحاته عن 350 صفحة "سميكاً".

هذا الاتفاق هو قيد من الناحية الفنية ولكنه ليس قيدًا على المجال ولا قيدًا على المفتاح؛ لذلك لا يمكننا الاعتماد على قيود المجال وقيود المفتاح للحفاظ على سلامة البيانات.

بمعنى آخر - لا شيء يمنعنا من وضع، على سبيل المثال، "سميك" لكتاب يحتوي على 50 صفحة فقط - وهذا يجعل الجدول ينتهك DKNF .

لحل هذه المشكلة، يتم إنشاء جدول يحتوي على تعداد يحدد السماكة ، ويتم إزالة هذا العمود من الجدول الأصلي:

وبهذه الطريقة، تم القضاء على انتهاك سلامة المجال، وأصبح الجدول في صيغة DKNF .

لا يمنع التوحيد جميع حالات المخرجات المستحيلة/المتضاربة/غير المتوقعة. في هذا المثال، ستؤدي صفحات الحد الأدنى/الأقصى التي تبلغ 1/350 و200/999,999,999,999 إلى نتائج غير متوقعة. لذلك، من الأفضل تحديد صفحات الحد الأدنى واستخدامها فقط.

التعريف البسيط والبديهي للشكل الطبيعي السادس هو أن "الجدول يكون في 6NF عندما يحتوي الصف على المفتاح الأساسي، وسمة واحدة أخرى على الأكثر".[ ^{14 ]​}

وهذا يعني، على سبيل المثال، جدول الناشر المصمم أثناء إنشاء النموذج الطبيعي الأول (1NF) :

يجب تقسيمها بشكل أكبر إلى جدولين:

يتمثل العيب الواضح للنموذج السادس للتطبيع (6NF) في كثرة الجداول اللازمة لتمثيل المعلومات المتعلقة بكيان واحد. فإذا كان جدول في النموذج الخامس للتطبيع (5NF) يحتوي على عمود مفتاح أساسي واحد وعدد N من السمات، فإن تمثيل المعلومات نفسها في النموذج السادس للتطبيع (6NF) سيتطلب عددًا N من الجداول؛ كما أن تحديثات الحقول المتعددة لسجل مفاهيمي واحد ستتطلب تحديثات لجداول متعددة؛ وبالمثل، ستتطلب عمليات الإضافة والحذف إجراء عمليات عبر جداول متعددة. لهذا السبب، لا يُنصح باستخدام النموذج السادس للتطبيع (6NF) في قواعد البيانات المصممة لتلبية احتياجات معالجة المعاملات الفورية (OLTP).

مع ذلك، في مستودعات البيانات ، التي لا تسمح بالتحديثات التفاعلية والمخصصة للاستعلام السريع عن كميات كبيرة من البيانات، تستخدم بعض أنظمة إدارة قواعد البيانات تمثيلًا داخليًا من المستوى السادس (6NF) يُعرف باسم مخزن البيانات العمودي . في الحالات التي يكون فيها عدد القيم الفريدة لعمود ما أقل بكثير من عدد الصفوف في الجدول، يتيح التخزين العمودي توفيرًا كبيرًا في المساحة من خلال ضغط البيانات. كما يسمح التخزين العمودي بتنفيذ سريع لاستعلامات النطاق (مثل عرض جميع السجلات التي تقع فيها قيمة عمود معين بين X و Y، أو أقل من X).

في جميع هذه الحالات، لا يحتاج مصمم قاعدة البيانات إلى إجراء عملية التطبيع وفقًا للنموذج السادس (6NF) يدويًا عن طريق إنشاء جداول منفصلة. تستخدم بعض أنظمة إدارة قواعد البيانات المتخصصة في مستودعات البيانات، مثل Sybase IQ ، التخزين العمودي افتراضيًا، لكن المصمم لا يزال يرى جدولًا واحدًا متعدد الأعمدة فقط. بينما تتيح أنظمة إدارة قواعد بيانات أخرى، مثل Microsoft SQL Server 2012 والإصدارات الأحدث، تحديد "فهرس تخزين عمودي" لجدول معين. ^{[ 15 ]}