[데이터베이스] ERD와 정규화 과정

ERD(Entity Relationship Diagram)는 데이터베이스를 구축할 때 가장 기초적인 뼈대 역할을 하며 릴레이션 간의 관계들을 정의한 것을 의미합니다. 만약 서비스를 구축한다면 가장 먼저 신경 써야 할 부분이며 이 부분을 신경 쓰지 않고 서비스를 구축한다면 단단하지 않은 골조로 건물을 짓는 것이나 다름없다고 합니다.

ERD의 중요성

ERD는 시스템의 요구 사항을 기반으로 작성되며 이 ERD를 기반으로 데이터베이스를 구축합니다. 데이터베이스를 구축한 이후에도 디버깅 또는 비즈니스 프로세스 재설계가 필요한 경우에 설계도 역할을 담당하기도 합니다.
하지만 ERD는 관계형 구조로 표현할 수 있는 데이터를 구성하는 데 유요할 수 있지만 비정형 데이터를 충분히 표현할 수 없다는 단점이 있습니다.

비정형 데이터
비구조화 데이터를 말하며 미리 정의된 데이터 모델이 없거나 미리 정의된 방식으로 정리되지 않은 정보를 의미합니다.

예제로 배우는 ERD

영업부서의 ERD

요구사항

• 영원사원은 0 ~ n명의 고객을 관리합니다.
• 고객은 0 ~ n개의 주문을 넣을 수 있습니다.
• 주문에는 1 ~ n개의 상품이 들어갑니다.

게임의 ERD

요구사항

• 선수들은 1명의 챔피언을 고를 수 있습니다.
• 챔피언은 한 개 이상의 스킬을 갖는다.
• 스킬은 한 개 이상의 특성을 갖는다.

정규화 과정

정규화 과정은 릴레이션 간의 잘못된 종속 관계로 인해 데이터베이스의 이상 현상이 일어나서 이를 해결하거나, 저장 공간을 효율적으로 사용하기 위해 릴레이션을 여러 개로 분리하는 과정입니다.

 

데이터베이스 이상 현상이란 회원이 한 개의 등급을 가져야 하는데 세 개의 등급을 갖거나 삭제할 때 필요한 데이터가 같이 삭제되고, 데이터를 삽입해야 하는데 하나의 필드 값이 NULL이 되면 안돼서 삽입하기 어려운 현상을 의미합니다.

 

정규화 과정은 정규형 원칙을 기반으로 정규형을 만들어가는 과정이며, 정규화된 정도는 정규형(NF, Normal Form)으로 표현합니다. 기본 정규형인 제1정규형, 제2정규형, 제3정규형, 보이스/코드(BCNF) 정규형이 있으며 고급 정규형인 제4정규형, 제5정규형이 있습니다. 이 중 기본 정규형인 제123정규형, 보이스/코드 정규형을 알아보겠습니다.

정규형 원칙

정규형 원칙이란 같은 의미를 표현하는 릴레이션이지만 좀 더 좋은 구조를 만들어서 하고, 자료의 중복성은 감소해야 하고, 독립적인 관계는 별개의 릴레이션으로 표현해야 하며, 각각의 릴레이션은 독립적인 표현이 가능해야 하는 것을 의미합니다.

제1정규형

릴레이션의 모든 도메인이 더 이상 분해될 수 없는 원자 값(Atomic value)만으로 구성되어야 합니다. 릴레이션의 속성 값 중에서 한 개의 기본키에 대해 두 개 이상의 값을 가지는 반복 집합이 있어서는 안 됩니다. 만약에 반복 집합이 있다면 제거해야 합니다.

제2정규형

릴레이션이 제1정규형이며 부분 함수의 종속성을 제거한 형태를 의미합니다. 부분 함수의 종속성 제거란 기본키가 아닌 모든 속성이 기본키에 완전 함수 종속적인 것을 의미합니다.

위 그림처럼 기본키인 {유저ID, 수강명}과 완전 종속된 유저번호 릴레이션과 '{유저, ID, 수강명}에 따른 성취도' 릴레이션으로 분리된 것을 볼 수 있습니다. 이때 주의할 점은 릴레이션을 분해할 때 동등한 릴레이션으로 분해해야 하고, 정보 손실이 발생하지 않는 무손실 분해로 분해되어야 한다는 것을 의미합니다.

제3정규형

제2정규형이고 기본키아 아닌 모든 속성이 이행적 함수 종속(transitive FD) 만족하지 않는 상태를 의미합니다.

이행적 함수 종속

이행적 함수 종속이란 A -> B와 B -> C가 존재하면 논리적으로 A -> C가 성립하는데, 이 때 집합 C가 집합 A에 이행적으로 함수 종속이 되었다고 합니다.

보이스/코드(BCNF) 정규형

보이스/코드 정규형(BCNF)은 제3정규형이고, 결정자가 후보키가 아닌 함수 종속 관계를 제거하여 릴레이션의 함수 종속 관계에서 모든 결정자가 후보키인 상태를 의미합니다.

 

결정자

• 함수 종속 관계에서 특정 종속자(dependent)를 결정짓는 요소, 'X'->'Y'일 때, X는 결정자, Y는 종속자이다.

요구사항

• 각 수강명에 대한 한 학생은 오직 한 강사의 강의만 수강합니다.
• 각 강사는 한 수강명만 담당합니다.
• 한 수강명은 여러 강사가 담당할 수 있습니다.

앞의 릴레이션을 보면 {학번, 수강명} 또는 {학번, 강사}가 후보키가 되며, 만약 범석이라는 강사가 '롤'이라는 수강명을 담당한다고 하였을 때 이를 삽입하면 학번이 NULL이 되는 문제점이 발생합니다. 또한, 이 릴레이션은 다음과 같은 함수 종속 다이어그램을 가집니다.

즉, 강사 속성이 결정자이지만 후보키가 아니므로 이 강사 속성을 분리해야 합니다.

앞의 그림처럼 롤-범석이 제대로 들어갔으며 학번-강사/수강명-강사로 잘 분해된 모습을 볼 수 있습니다.
이러한 정규형 과정을 거쳐 테이블을 나눈다고 해서 성능이 100% 좋아지는 것은 아닙니다. 성능이 좋아질 수도 있고 나빠질 수도 있습니다.
테이블을 나누게 되면 어떠한 쿼리는 조인을 해야하는 경우도 발생해서 오히려 느려질 수 있기 때문에 서비스에 따라 정규화 또는 비정규화 과정을 진행해야 합니다.