Modelo entidad-relación

Un modelo entidad-relación (o modelo ER ) describe elementos interrelacionados de interés en un dominio de conocimiento específico. Un modelo ER básico se compone de tipos de entidades (que clasifican los elementos de interés) y especifica las relaciones que pueden existir entre las entidades (instancias de esos tipos de entidades).

En ingeniería de software , un modelo ER se suele crear para representar elementos que una empresa necesita recordar para llevar a cabo sus procesos de negocio . En consecuencia, el modelo ER se convierte en un modelo de datos abstracto , ^{[ 1 ]} que define una estructura de datos o información que puede implementarse en una base de datos , normalmente una base de datos relacional .

El modelado entidad-relación fue desarrollado para bases de datos y diseño por Peter Chen y publicado en un artículo de 1976, ^{[ 2 ]} con variantes de la idea que existían previamente. ^{[ 3 ]} Hoy en día se usa comúnmente para enseñar a los estudiantes los fundamentos de la estructura de bases de datos. Algunos modelos ER muestran entidades de supertipo y subtipo conectadas por relaciones de generalización-especialización, ^{[ 4 ]} y un modelo ER también puede usarse para especificar ontologías específicas de dominio .

Un modelo ER suele ser el resultado de un análisis sistemático para definir y describir los datos creados y necesarios para los procesos en un área de negocio. Típicamente, representa registros de entidades y eventos monitoreados y dirigidos por los procesos de negocio, en lugar de los procesos en sí. Generalmente se representa gráficamente mediante cajas ( entidades ) conectadas por líneas ( relaciones ) que expresan las asociaciones y dependencias entre entidades. También puede expresarse verbalmente; por ejemplo: un edificio puede dividirse en cero o más apartamentos, pero un apartamento solo puede estar ubicado en un edificio. ^{[ 5 ]}

Las entidades pueden definirse no solo por relaciones, sino también por propiedades adicionales ( atributos ), que incluyen identificadores llamados "claves primarias". Los diagramas creados para representar atributos, así como entidades y relaciones, pueden denominarse diagramas entidad-atributo-relación, en lugar de modelos entidad-relación. ^{[ 6 ]}

Un modelo ER se implementa típicamente como una base de datos . En una implementación simple de base de datos relacional, cada fila de una tabla representa una instancia de un tipo de entidad, y cada columna representa un tipo de atributo. En una base de datos relacional, la relación entre entidades se implementa almacenando la clave primaria de una entidad como un puntero o "clave foránea" en la tabla de otra entidad.

Existe la tradición de construir modelos ER/de datos en dos o tres niveles de abstracción. La jerarquía conceptual-lógica-física que se muestra a continuación se utiliza en otros tipos de especificaciones y es diferente del enfoque de tres esquemas de la ingeniería de software .

Modelo de datos conceptual

Este es el modelo ER de nivel más alto, ya que contiene el menor nivel de detalle, pero establece el alcance general de lo que se incluirá en el conjunto del modelo. El modelo ER conceptual normalmente define las entidades de datos de referencia maestras que la organización utiliza habitualmente. Desarrollar un modelo ER conceptual a nivel empresarial es útil para documentar la arquitectura de datos de una organización.

Un modelo ER conceptual puede servir de base para uno o más modelos de datos lógicos (véase más adelante). El objetivo del modelo ER conceptual es establecer metadatos estructurales comunes para las entidades de datos maestras entre el conjunto de modelos ER lógicos. El modelo de datos conceptual puede utilizarse para crear relaciones comunes entre los modelos ER, como base para la integración de modelos de datos.

Modelo de datos lógico

Un modelo ER lógico no requiere un modelo ER conceptual, especialmente si el alcance del modelo ER lógico se limita al desarrollo de un sistema de información específico. El modelo ER lógico contiene más detalles que el modelo ER conceptual. Además de las entidades de datos maestros, ahora se definen entidades de datos operacionales y transaccionales. Se desarrollan los detalles de cada entidad de datos y se establecen las relaciones entre ellas. Sin embargo, el modelo ER lógico se desarrolla independientemente del sistema de gestión de bases de datos específico en el que se implementará.

Modelo de datos físicos

A partir de cada modelo ER lógico, se pueden desarrollar uno o más modelos ER físicos. El modelo ER físico se suele desarrollar para su instanciación como base de datos. Por lo tanto, cada modelo ER físico debe contener suficiente detalle para generar una base de datos y depende de la tecnología, ya que cada sistema de gestión de bases de datos es diferente.

El modelo físico se instancia normalmente en los metadatos estructurales de un sistema de gestión de bases de datos como objetos relacionales, tales como tablas , índices ( por ejemplo , índices de clave única ) y restricciones (por ejemplo, restricciones de clave externa o de coincidencia). El modelo ER también se utiliza habitualmente para diseñar modificaciones en los objetos relacionales y para mantener los metadatos estructurales de la base de datos.

La primera etapa del diseño de sistemas de información utiliza estos modelos durante el análisis de requisitos para describir las necesidades de información o el tipo de información que se almacenará en una base de datos . La técnica de modelado de datos puede utilizarse para describir cualquier ontología (es decir, una descripción general y clasificaciones de los términos utilizados y sus relaciones) para un área de interés específica . En el caso del diseño de un sistema de información basado en una base de datos, el modelo de datos conceptual se mapea, en una etapa posterior (generalmente denominada diseño lógico), a un modelo de datos lógico , como el modelo relacional . Este, a su vez, se mapea a un modelo físico durante el diseño físico. En ocasiones, ambas fases se denominan "diseño físico".

Una entidad puede definirse como algo capaz de existir de forma independiente, que puede identificarse de manera unívoca y que puede almacenar datos. ^{[ 7 ]} Una entidad es una abstracción de las complejidades de un dominio. Cuando hablamos de una entidad, normalmente nos referimos a algún aspecto del mundo real que puede distinguirse de otros aspectos del mundo real. ^{[ 8 ]}

Una entidad es algo que existe física o lógicamente. Puede ser un objeto físico, como una casa o un coche (existen físicamente); un evento, como la venta de una casa o un servicio de coche; o un concepto, como una transacción o un pedido de un cliente (existen lógicamente, como concepto). Aunque el término «entidad» es el más común, según Chen, conviene distinguir entre entidades y tipos de entidad. Un tipo de entidad es una categoría. Una entidad, en sentido estricto, es una instancia de un tipo de entidad determinado. Generalmente, existen muchas instancias de un tipo de entidad. Dado que el término «tipo de entidad» resulta algo engorroso, la mayoría de la gente tiende a usar «entidad» como sinónimo.

Las entidades pueden considerarse sustantivos . ^{[ 9 ]} Algunos ejemplos son una computadora, un empleado, una canción o un teorema matemático.

Una relación describe cómo se relacionan las entidades entre sí. Las relaciones pueden considerarse verbos que vinculan dos o más sustantivos. ^{[ 9 ]} Algunos ejemplos incluyen una relación de propiedad entre una empresa y una computadora, una relación de supervisión entre un empleado y un departamento, una relación de ejecución entre un artista y una canción, y una relación de demostración entre un matemático y una conjetura.

El aspecto lingüístico del modelo descrito anteriormente se utiliza en el lenguaje de consulta declarativo de bases de datos ERROL, que imita las construcciones del lenguaje natural . La semántica y la implementación de ERROL se basan en el álgebra relacional reformulada (RRA), un álgebra relacional adaptada al modelo entidad-relación que captura su aspecto lingüístico.

Tanto las entidades como las relaciones pueden tener atributos. Por ejemplo, una entidad de empleado podría tener un atributo de número de seguro social (SSN), mientras que una relación verificada podría tener un atributo de fecha .

Todas las entidades, excepto las entidades débiles, deben tener un conjunto mínimo de atributos de identificación únicos que puedan usarse como clave única / primaria .

Los diagramas entidad-relación (DER) no muestran entidades individuales ni instancias individuales de relaciones. En cambio, muestran conjuntos de entidades (todas las entidades del mismo tipo) y conjuntos de relaciones (todas las relaciones del mismo tipo). Por ejemplo, una canción en particular es una entidad, la colección de todas las canciones en una base de datos es un conjunto de entidades, la relación entre un niño y su almuerzo es una relación individual, y el conjunto de todas estas relaciones niño-almuerzo en una base de datos es un conjunto de relaciones. En otras palabras, un conjunto de relaciones corresponde a una relación en matemáticas , mientras que una relación corresponde a un miembro de la relación.

También pueden indicarse ciertas restricciones de cardinalidad en los conjuntos de relaciones.

Las vistas físicas muestran cómo se almacenan realmente los datos.

Cardinalidades

Las modificaciones a la especificación original pueden ser beneficiosas. Chen describió las cardinalidades de búsqueda cruzada . Cabe mencionar que la notación Barker-Ellis , utilizada en Oracle Designer, emplea la misma cara para la cardinalidad mínima (análoga a la opcionalidad) y el rol, pero la búsqueda cruzada para la cardinalidad máxima (la pata de gallo).

Las investigaciones de Merise , Elmasri y Navathe y otros han demostrado que existe una preferencia por el mismo lado para los roles y cardinalidades mínimas y máximas, ^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]} y los investigadores (Feinerer, Dullea et al.) han demostrado que esto es más coherente cuando se aplica a relaciones n-arias de orden mayor que  2. ^{[ 15 ] [ 16 ]}

Dullea et al. afirman: "Una notación de 'mirada transversal' como la que se usa en UML no representa eficazmente la semántica de las restricciones de participación impuestas a las relaciones donde el grado es superior al binario."

Feinerer afirma: «Surgen problemas si operamos bajo la semántica de búsqueda cruzada utilizada para las asociaciones UML. Hartmann ^{[ 17 ]} investiga esta situación y muestra cómo y por qué fallan las diferentes transformaciones». (Aunque la «reducción» mencionada es espuria, ya que los diagramas 3.4 y 3.5 son, de hecho, idénticos) y también: «Como veremos en las próximas páginas, la interpretación de búsqueda cruzada introduce varias dificultades que impiden la extensión de mecanismos simples de asociaciones binarias a n-arias».

La notación de Chen para el modelado entidad-relación utiliza rectángulos para representar conjuntos de entidades y rombos para representar relaciones apropiadas para objetos de primera clase : estos pueden tener atributos y relaciones propias. Si un conjunto de entidades participa en un conjunto de relaciones, se conectan mediante una línea.

Los atributos se representan como óvalos y se conectan mediante una línea a una única entidad o conjunto de relaciones.

Las restricciones de cardinalidad se expresan de la siguiente manera:

• Una línea doble indica una restricción de participación , totalidad o sobreyectividad : todas las entidades del conjunto de entidades deben participar en al menos una relación del conjunto de relaciones;
• Una flecha desde un conjunto de entidades a un conjunto de relaciones indica una restricción clave , es decir, inyectividad : cada entidad del conjunto de entidades puede participar como máximo en una relación en el conjunto de relaciones;
• Una línea gruesa indica ambas cosas, es decir, biyectividad : cada entidad en el conjunto de entidades está involucrada en exactamente una relación.
• El nombre subrayado de un atributo indica que es una clave : dos entidades o relaciones diferentes con este atributo siempre tendrán valores diferentes para este atributo.

Los atributos suelen omitirse, ya que pueden recargar el diagrama. Otras técnicas de diagramación suelen incluir los atributos de las entidades dentro de los rectángulos dibujados para los conjuntos de entidades.

• notación de Bachman
• Notación de Barker
• EXPRESAR
• IDEF1X
• §  Notación de pata de gallo (también notación de Martin )
• Notación (mín., máx.) de Jean-Raymond Abrial en 1974
• Diagramas de clases UML
• Merise
• Modelado de roles de objetos

Los usuarios de una base de datos modelada pueden encontrarse con dos problemas conocidos en los que los resultados devueltos difieren de lo que el autor de la consulta supuso. Estos problemas se conocen como la trampa del abanico y la trampa del abismo , y pueden provocar resultados de consulta inexactos si no se gestionan adecuadamente durante el diseño del modelo entidad-relación (modelo ER).

Tanto la trampa del abanico como la trampa del abismo subrayan la importancia de garantizar que los modelos ER no solo sean técnicamente correctos, sino que también reflejen de forma completa y precisa las relaciones del mundo real que pretenden representar. Identificar y resolver estas trampas al inicio del proceso de diseño ayuda a evitar problemas importantes posteriormente, especialmente en bases de datos complejas destinadas a la inteligencia empresarial o al apoyo a la toma de decisiones.

• Un modelo ER es principalmente conceptual, una ontología que expresa predicados en un dominio de conocimiento.
• Los modelos ER se utilizan habitualmente para representar estructuras de bases de datos relacionales (siguiendo a Codd y Date), pero no con tanta frecuencia para representar otros tipos de estructuras de datos (como almacenes de datos y bases de datos documentales).
• Algunas notaciones de modelos ER incluyen símbolos para mostrar relaciones de super-subtipo y exclusión mutua entre relaciones; otras no.
• Un modelo ER no muestra el historial de vida de una entidad (cómo cambian sus atributos y/o relaciones con el tiempo en respuesta a eventos). Para muchos sistemas, estos cambios de estado son lo suficientemente importantes como para justificar una especificación explícita.
• Algunos investigadores han extendido el modelado ER con constructos para representar cambios de estado, un enfoque respaldado por el autor original; ^{[ 27 ]} un ejemplo es el modelado de anclaje .
• Otros modelan los cambios de estado por separado, utilizando diagramas de transición de estados o alguna otra técnica de modelado de procesos .
• Se dibujan muchos otros tipos de diagramas para modelar otros aspectos de los sistemas, incluidos los 14 tipos de diagramas que ofrece UML . ^{[ 28 ]}
• Hoy en día, incluso donde el modelado ER podría ser útil, es poco común porque muchos utilizan herramientas que admiten modelos similares, en particular diagramas de clases para programación orientada a objetos y modelos de datos para sistemas de gestión de bases de datos relacionales . Algunas de estas herramientas pueden generar código a partir de diagramas y realizar ingeniería inversa de diagramas a partir de código.
• En un estudio, Brodie y Liu ^{[ 29 ]} no encontraron ningún ejemplo de modelado entidad-relación en una muestra de diez empresas Fortune 100. Badia y Lemire ^{[ 30 ]} atribuyen esta falta de uso a la falta de orientación, pero también a la falta de beneficios, como la falta de soporte para la integración de datos.
• El modelo entidad-relación mejorado (modelado EER) introduce varios conceptos que no pertenecen al modelado ER, pero que están estrechamente relacionados con el diseño orientado a objetos , como las relaciones "es un ".
• Para modelar bases de datos temporales , se han considerado numerosas extensiones del modelo ER. ^{[ 31 ]} De manera similar, se encontró que el modelo ER no era adecuado para bases de datos multidimensionales (utilizadas en aplicaciones OLAP ); aún no ha surgido un modelo conceptual dominante en este campo, aunque generalmente giran en torno al concepto de cubo OLAP (también conocido como cubo de datos dentro del campo). ^{[ 32 ]}

• Entidad asociativa : término en la teoría relacional y de la relación entidad-relación. 
• Mapa conceptual : diagrama que muestra las relaciones entre conceptos. 
• Diseño de bases de datos : Diseñar cómo se almacenan los datos en una base de datos. 
• Diagrama de estructura de datos : representación visual de un determinado tipo de modelo de datos. 
• Modelo entidad-relación mejorado : versión extendida del modelo entidad-relación para el diseño de bases de datos. 
• Marco de arquitectura empresarial : Marco en el que se define la arquitectura de una empresa. 
• Modelo de datos de entidad : marco de mapeo objeto-relacional de código abierto. Páginas que muestran breves descripciones de destinos de redirección. 
• Diagramas de estructura de rango de valores
• Comparación de herramientas de modelado de datos : comparación de herramientas de modelado de datos destacadas 
• Grafo de conocimiento : tipo de base de conocimiento 
• Ontología – Especificación de una conceptualización 
• Modelado de roles de objetos : técnica de programación. Páginas que muestran descripciones breves de los destinos de redireccionamiento. 
• Enfoque de tres esquemas : Enfoque para la construcción de sistemas de información. Páginas que muestran descripciones breves de los destinos de redireccionamiento. 
• Modelo estructurado de relación entre entidades
• Bases de datos independientes del esquema

• Chen, Peter (2002). «Modelado entidad-relación: eventos históricos, tendencias futuras y lecciones aprendidas» (PDF) . Pioneros del software . Springer-Verlag. pp. 296–310 . ISBN  978-3-540-43081-0.
• Barker, Richard (1990). Método CASE: Modelado de relaciones entre entidades . Addison-Wesley. ISBN 978-0201416961.
• Barker, Richard (1990). Método CASE: Tareas y entregables . Addison-Wesley. ISBN 978-0201416978.
• Mannila, Heikki ; Räihä, Kari-Jouko (1992). El diseño de bases de datos relacionales . Addison-Wesley. ISBN 978-0201565232.
• Thalheim, Bernhard (2000). Modelado entidad-relación: Fundamentos de la tecnología de bases de datos . Springer. ISBN 978-3-540-65470-4.
• Bagui, Sikha; Earp, Richard Walsh (2022). Diseño de bases de datos mediante diagramas entidad-relación . Auerbach Publications . ISBN 978-1-032-01718-1.

• "El modelo entidad-relación: hacia una visión unificada de los datos"
• Modelado de relaciones entre entidades
• Estructuras de datos lógicas (EDL) - Introducción, por Tony Drewry.
• Notación de pata de gallo
• Tipos de modelos de datos y cómo nombrarlos. Presentación de David Hay.