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040107 정규화과정

정규화(Normalization) 개념과 정규화 과정(1NF, 2NF, 3NF, BCNF)

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정규화(Normalization) 개념과 정규화 과정(1NF, 2NF, 3NF, BCNF)

이번 포스팅에서는 데이터베이스 설계에서 매우 중요한 정규화의 개념과 정규화 과정에 대해 알아보겠습니다.

현실 세계를 데이터 논리 구조로 표현하는 관계 스키마 설계에는 몇 가지 원칙이 있습니다. 즉, 필요한 속성(Attribute), 개체(Entity), 관계성(Relationship)을 식별하여 릴레이션을 구성하고 불필요한 데이터의 중복이 발생하지 않도록 해야 하며, 속성 사이의 관계성과 데이터의 종속성을 고려해서 설계해야 합니다. 또한 효율적인 데이터 처리와 일관성 유지 방법 등도 고려해서 설계해야 하는 원칙이 있습니다.

정규화(Normalization)란 하나의 릴레이션에 하나의 의미만 존재할 수 있도록 릴레이션을 분해해 나가는 과정이라 할 수 있습니다. 정규화의 목적은 구성되는 모든 릴레이션이 중복되지 않게 효과적으로 데이터베이스 내에 표현이 가능하도록 하는 것이며 삽입, 삭제, 갱신 시 Anomaly 현상이 발생하지 않도록 하는 것입니다.

정규화를 함으로써 얻게 되는 효과는 자료의 저장 공간을 최소화하고 자료 불일치를 최소화하며 자료 구조를 안정화 시킴은 물론 이상( Anomaly) 현상을 방지하는 효과를 볼 수 있습니다.

정규화 과정은 제1정규형으로부터 제5 정규형까지의 과정이 있습니다.

그 과정을 하나의 표로 요약하자면 아래와 같습니다.

비정규형은 하나의 튜플에서 속성을 입력되는 도메인 값으로 여러 개의 값이 들어와서 원자성(Atomic)을 가지지 못한 경우입니다. 제1 정규형 과정을 통해 원자값이 아닌 도메인을 분해하여 어떤 릴레이션 R에 속한 모든 도메인이 원자값으로만 되어 있도록 설계합니다.

제1 정규형(First Normal Form : 1NF)을 예를 들어서 살펴보면 아래와 같습니다.
[비정규형 릴레이션]
회원번호 성명 연락처 001 이순신 010-1234-5678

031-123-4567 002 강감찬 010-1111-2222 003 을지문덕 02-111-2222

010-3333-3333

위 표를 살펴보면 연락처가 집전화번호와 휴대폰 번호로 되어 있는데 하나의 튜플에서 모든 도메인 값이 하나의 원자값만 가질 수 있도록 제1 정규형 과정을 거치면 아래와 같이 재구성할 수 있습니다.
[ 제1 정규형 릴레이션]
회원번호 성명 집전화 휴대폰 001 이순신 031-123-4567 010-1234-5678 002 강감찬 – 010-1111-2222 003 을지문덕 02-111-2222 010-3333-3333

제2 정규형(Second Normal Form : 2NF)은 어떤 릴레이션 R이 제1정규화에 속하고 기본키에 속하지 않는 모든 속성이 키본키에 완전 함수적 종속이면 충족하는 정규화입니다.

제2 정규형도 예를 들어서 살펴보겠습니다.

만일 학번과 과목 번호를 기본키로 가진 아래의 릴레이션이 있다면 제2정규화를 통해서 두 개의 릴레이션으로 분해할 수 있습니다.

기본키 학 년 성 적 학번 과목번호 001 A 1 85 001 B 1 90 002 A 2 92 003 B 3 95

성적 속성은 복합 속성(학번, 과목 번호)으로 이루어진 기본 키에 완전 함수적 종속 관계를 이루어 키에 대해 만족할 만한 종속 관계를 유지하고 있지만 학년 속성은 기본 키의 구성 속성인 학번에만 부분적으로 종속 관계를 이루고 있기 때문에 아래와 같이 2개의 릴레이션으로 분해하여 기본키에 속하지 않는 모든 속성이 기본 키에 완전 함수적 종속 상태가 되도록 해야 합니다.

학 번 과목번호 성 적 001 A 85 001 B 90 002 A 92 003 B 95

학 번 학 년 001 1 001 1 002 2 003 3

성적(학번, 과목 번호, 성적) => 기본키 : {학번, 과목 번호}, 외래키 : {학번}

학년(학번, 학년) => 기본키 : 학번

제3 정규형(Third Normal Form : 3NF)은 어떤 릴레이션 R이 제2정규화에 있으며 기본키에 속하지 않는 모든 속성이 기본키에 이행적 함수 종속이 아닌 상태의 관계를 말합니다.

예를 들어서 살펴보겠습니다.

학 번 지도교수 학 과

위와 같은 릴레이션이 있을 때 학과는 학번에 함수적 종속 관계를 형성하고 있으면서 지도교수를 통해 이행적 함수 종속이 되고 있습니다. 즉, 학생이 지도교수가 소속될 학과를 선택한 것이 아니라 학생이 지도교수를 선택하면 지도교수는 자신이 소속될 학과를 선택함으로써 학생이 지도교수가 소속될 학과를 선택한 것처럼 보입니다. 따라서 이행적 함수 종속을 제거하여 제3 정규형으로 릴레이션을 분해하면 아래와 같습니다.

학번(기본키) 지도교수(외래키)

지도교수(기본키) 학 과

보이스 코드 정규형(Boyce-Codd Normal Form : BCNF)은 릴레이션 R의 모든 결정자가 후보키이면 릴레이션 R은 Boyce-Codd 정규형에 속하는 상태를 말합니다. 즉, 비결정자에 의한 함수 종속 관계를 해결하는 것으로 모든 속성이 모든 후보키에 대해 만족할 만한 함수 종속 관계를 유지시키는 것을 말합니다.

예를 들어 살펴보겠습니다.
[학번 과목번호] 교수번호

학생이 어떤 교수가 강의하는 과목을 수강하였는지를 나타내는 수강신청 릴레이션에서 기본키를 [학번, 과목 번호]로 정의하고 교수 번호 속성으로 구성하였을 때 [학번, 과목 번호] -> 교수 번호가 성립하고 교수 또한 여러 과목을 가르칠 수 있으므로 교수 번호 -> 과목 번호도 성립하게 됩니다. 이를 함수 종속 다이어그램으로 나타내면 아래와 같습니다.

교수 번호 속성이 후보키가 아니기 때문에 BCNF에 속하지 않게 되어 결국 2개의 릴레이션으로 분해하여 아래와 같이 설계할 수 있습니다.

학 번 교수번호(외래키)

기본키 : {학번, 교수 번호}, 외래키 : 교수 번호

교수번호(기본키) 과목번호

기본키 : 교수 번호

참고로 BCNF 정규형에 속하는 릴레이션은 모두 제3 정규형에 속하지만 역으로는 성립되지 않는다는 점도 기억해 두어야 할 중요한 포인트입니다.

이번 포스팅에서는 정규화 개념과 정규화 과정의 보이스 코드 정규형까지 살펴보았습니다.

고급 정규화 과정에 속하는 제4 정규형과 제5 정규형은 다음 포스팅에서 살펴보도록 하겠습니다.

감사합니다.

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데이터베이스 정규화

Database Normalization

정규화를 거치지 않은 데이터베이스에서 발생할 수 있는 현상

데이터들이 불필요하게 중복되어 릴레이션 조작에 예기치 못한 문제 발생

애트리뷰트들의 종속관계를 하나의 릴레이션에 표현하기 때문에 발생

이상 종류 [ 편집 | 원본 편집 ]
삽입할때 잘못 삽입됨, 갱신할때 잘못 갱신됨 등의 일반적인 내용이다. 아래 정규화과정에서 예시 참고

삽입 이상(Insertion Anomaly) 데이터 삽입 시 의도와 다른 값들도 삽입됨

삭제 이상(Delete Anomaly) 데이터 삭제 시 의도와 다른 값들도 연쇄 삭제됨

갱신 이상(Update Anomaly) 속성값 갱신 시 일부 튜플만 갱신되어 모순 발생

정규화 목적 [ 편집 | 원본 편집 ]
중복을 배제하여 삽입, 삭제, 갱신 이상의 발생을 방지

각 릴레이션에 중복된 종속성을 여러개의 릴레이션에 분할

어떠한 릴레이션이라도 데이터베이스 내에서 표현 가능하게 함

데이터 삽입 시 릴레이션을 재구성할 필요성 감소

효과적인 검색 알고리즘 생성 가능

정규화 과정 [ 편집 | 원본 편집 ]
First Normal Form

1NF를 만족하려면 도메인이 원자값이어야 한다.

1NF를 만족하지 않는 릴레이션

수강과목 수강자 수학 홍길동 과학 임꺽정, 신사임당 사회 홍길동, 임꺽정

수강자 속성이 원자값이 아니다.

발생할 수 있는 이상(Anomaly)의 예 갱신이상 : 홍길동이 사회과목을 ‘역사’로 바꾸었다. 그럼 임꺽정이 듣고 있는 사회 과목도 바뀌어버린다. UPDATE 과목 SET 수강과목 = ‘역사’ WHERE 수강과목 = ‘사회’ AND 수강자 = ‘홍길동’ 삭제 이상 : 임꺽정이 ‘과학’ 과목을 수강취소했다. 그럼 신사임당의 수강 정보도 삭제된다. DELETE FROM 과목 WHERE 수강과목 = ‘과학’ AND 수강자 = ‘임꺽정’

1NF를 만족시키는 릴레이션

수강과목 수강자 일련번호 수학 홍길동 1 과학 임꺽정 2 과학 신사임당 3 사회 홍길동 4 사회 임꺽정 5

가장 간단한 것은 원자값으로 분해해 튜플로 구분하고 다른 키를 추가하는 것이다.

실제로 복잡한 테이블은 이렇게 단순하게 분해해버리면 다른 중복 문제들이 많이 생겨 테이블 구조를 따져봐야한다.

Second Normal Form 2NF를 만족하려면 부분적 함수 종속을 제거해야 한다.

즉 완전 함수 종속이 되도록 해야 한다.

2NF를 만족하지 않는 릴레이션

학번 이름 소속학과 학과장 1901 홍길동 컴퓨터과 김교수 1845 임꺽정 전자과 박교수 1706 신사임당 기계과 천교수 1925 장영실 컴퓨터과 김교수

학번 <-> 이름+소속+학과장은 종속 관계가 있다.(한 학과내의 이름은 중복되지 않는다고 가정)

하지만 사실 학과장은 소속학과 하나만에도 종속(소속학과 <-> 학과장)되므로 이는 부분적인 종속관계가 포함되어 있다.

즉 학과장은 꼭 이 릴레이션에 있어야 할 필요도 없고, 이 릴레이션에 있는 순간 ‘김교수’와 같이 계속 중복적재 될것이다.

지도교수 사무실도 학번에

발생할 수 있는 이상(Anomaly)의 예 삽입이상: 컴퓨터과, 전자과, 기계과 학생을 추가하고자 할 경우 더이상 불필요한 중복정보인 학과장 정보가 삽입되야 한다. 갱신이상: 컴퓨터과의 학과장이 변경되었다. 하나만 변경하면 모순이 발생하므로 다 찾아서 변경해야 한다. 삭제이상: 신사임당이 자퇴해서 삭제하고자 한다. 이 삭제로 인해 기계과 학과장의 정보가 사라져버린다.

2NF를 만족시키는 릴레이션

학번 이름 소속학과 1901 홍길동 컴퓨터과 1845 임꺽정 전자과 1706 신사임당 기계과 1925 장영실 컴퓨터과

학과 학과장 컴퓨터과 김교수 전자과 박교수 기계과 천교수

이와 같이 릴레이션을 구분하는 것이 바람직하다.

Third Normal Form 3NF를 만족하려면 이행적 함수 종속을 제거해야 한다.

이행적 함수 종속: A→B 이고 B→C 일 때 A→C 인 관계

3NF를 만족하지 않는 릴레이션 소속학과는 특정 대학에 속한다. 즉 대학은 소속학과에 종속된다. 홍길동 → 컴퓨터과이고 컴퓨터과→공대일 때, 홍길동→공대인 관계가 성립한다.

학번 이름 소속학과 대학 1901 홍길동 컴퓨터과 공대 1845 임꺽정 전자과 공대 1706 신사임당 경제 경상 1925 장영실 경영 경상

발생할 수 있는 이상(Anomaly)의 예 삽입이상 : 컴퓨터과, 전자과 학생을 추가하고자 할 경우 더이상 불필요한 중복정보인 대학 정보가 삽입되어야 한다. 갱신이상 : 컴퓨터과의 소속 대학이 ‘IT대학’으로 변경되었다. 하나만 변경하면 모순이 발생하므로 다 찾아서 변경해야 한다. 삭제이상 : 홍길동이 자퇴해서 삭제하고자 한다. 이 삭제로 인해 컴퓨터과의 대학 정보가 사라져 버린다.

3NF를 만족시키는 릴레이션

학번 이름 소속학과 1901 홍길동 컴퓨터과 1845 임꺽정 전자과 1706 신사임당 경제 1925 장영실 경영

소속학과 대학 컴퓨터과 공대 전자과 공대 경제 경상 경영 경상

Boyce and Codd Normal Form BCNF를 만족하려면 결정자이면서 후보키가 아닌 것을 제거해야 한다.

BCNF를 만족하지 않는 릴레이션

학번 과목 교수 100 데이터베이스 홍길동 100 자료구조 임꺽정 200 네트워크 장영실 300 인공지능 유관순

제약사항 한 학생은 동일한 과목에 대해 한교수에게만 수강가능 각 교수는 하나의 과목만 담당 한 과목은 여러 교수가 담당가능

분석 (학번 + 과목)은 교수를 결정 짓는다. 교수는 과목을 결정 짓는다. 즉, 교수 또한 결정자인데 교수는 학번을 결정 지을 수 없으므로 후보키는 아니다.

발생할 수 있는 이상(Anomaly)의 예 삽입이상 : 200학생이 데이터베이스를 수강하고자 할 경우, 현재 불필요한 홍길동 교수 정보가 한번 더 삽입된다. 갱신이상 : 홍길동의 담당 과목이 알고리즘으로 바뀌었다. 담당 과목을 변경할 경우, 학생의 수강 과목이 변경되어 버린다. 삭제이상 : 300학생이 자퇴해서 삭제하고자 한다. 이 삭제로 인해 인공지능 과목을 유관순 교수가 담당하고 있다는 정보가 사라진다.

BCNF를 만족시키는 릴레이션

학번 과목코드 100 DB01 100 DS01 200 NW01 300 AI01

과목코드 과목 교수 DB01 데이터베이스 홍길동 DS01 자료구조 임꺽정 NW01 네트워크 장영실 AI01 인공지능 유관순

Fourth Normal Form 4NF를 만족하려면 다치 종속성을 제거해야 한다.

4NF를 만족하지 않는 릴레이션

발생할 수 있는 이상(Anomaly)의 예

4NF를 만족시키는 릴레이션

Fifth Normal Form 5NF를 만족하려면 조인 종속성 제거해야 한다.

[Database] 정규화(Normalization) 쉽게 이해하기

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지난 포스팅에서 데이터베이스 정규화와 관련된 내용을 정리했었다. 하지만 해당 내용이 쉽게 이해되지 않는 것 같아서 정규화 관련 글을 풀어서 다시 한번 정리해보고자 한다.

1. 정규화(Normalization)
[ 정규화(Normalization)이란? ]
정규화(Normalization)의 기본 목표는 테이블 간에 중복된 데이타를 허용하지 않는다는 것이다. 중복된 데이터를 허용하지 않음으로써 무결성(Integrity)를 유지할 수 있으며, DB의 저장 용량 역시 줄일 수 있다.

이러한 테이블을 분해하는 정규화 단계가 정의되어 있는데, 여기서 테이블을 어떻게 분해되는지에 따라 정규화 단계가 달라지는데, 각각의 정규화 단계에 대해 자세히 알아보도록 하자.
[ 제1 정규화 ]
제1 정규화란 테이블의 컬럼이 원자값(Atomic Value, 하나의 값)을 갖도록 테이블을 분해하는 것이다. 예를 들어 아래와 같은 고객 취미 테이블이 존재한다고 하자.

위의 테이블에서 추신수와 박세리는 여러 개의 취미를 가지고 있기 때문에 제1 정규형을 만족하지 못하고 있다. 그렇기 때문에 이를 제1 정규화하여 분해할 수 있다. 제1 정규화를 진행한 테이블은 아래와 같다.
[ 제2 정규화 ]
제2 정규화란 제1 정규화를 진행한 테이블에 대해 완전 함수 종속을 만족하도록 테이블을 분해하는 것이다. 여기서 완전 함수 종속이라는 것은 기본키의 부분집합이 결정자가 되어선 안된다는 것을 의미한다.

예를 들어 아래와 같은 수강 강좌 테이블을 살펴보자.

이 테이블에서 기본키는 (학생번호, 강좌이름)으로 복합키이다. 그리고 (학생번호, 강좌이름)인 기본키는 성적을 결정하고 있다. (학생번호, 강좌이름) –> (성적)

그런데 여기서 강의실이라는 컬럼은 기본키의 부분집합인 강좌이름에 의해 결정될 수 있다. (강좌이름) –> (강의실)

즉, 기본키(학생번호, 강좌이름)의 부분키인 강좌이름이 결정자이기 때문에 위의 테이블의 경우 다음과 같이 기존의 테이블에서 강의실을 분해하여 별도의 테이블로 관리하여 제2 정규형을 만족시킬 수 있다.
[ 제3 정규화 ]
제3 정규화란 제2 정규화를 진행한 테이블에 대해 이행적 종속을 없애도록 테이블을 분해하는 것이다. 여기서 이행적 종속이라는 것은 A -> B, B -> C가 성립할 때 A -> C가 성립되는 것을 의미한다.

예를 들어 아래와 같은 계절 학기 테이블을 살펴보자.

기존의 테이블에서 학생 번호는 강좌 이름을 결정하고 있고, 강좌 이름은 수강료를 결정하고 있다. 그렇기 때문에 이를 (학생 번호, 강좌 이름) 테이블과 (강좌 이름, 수강료) 테이블로 분해해야 한다.

이행적 종속을 제거하는 이유는 비교적 간단하다. 예를 들어 501번 학생이 수강하는 강좌가 스포츠경영학으로 변경되었다고 하자. 이행적 종속이 존재한다면 501번의 학생은 스포츠경영학이라는 수업을 20000원이라는 수강료로 듣게 된다. 물론 강좌 이름에 맞게 수강료를 다시 변경할 수 있지만, 이러한 번거로움을 해결하기 위해 제3 정규화를 하는 것이다.

즉, 학생 번호를 통해 강좌 이름을 참조하고, 강좌 이름으로 수강료를 참조하도록 테이블을 분해해야 하며 그 결과는 다음의 그림과 같다.
[ BCNF 정규화 ]
BCNF 정규화란 제3 정규화를 진행한 테이블에 대해 모든 결정자가 후보키가 되도록 테이블을 분해하는 것이다. 예를 들어 다음과 같은 특강수강 테이블이 존재한다고 하자.

특강수강 테이블에서 기본키는 (학생번호, 특강이름)이다. 그리고 기본키 (학생번호, 특강이름)는 교수를 결정하고 있다. 또한 여기서 교수는 특강이름을 결정하고 있다.

그런데 문제는 교수가 특강이름을 결정하는 결정자이지만, 후보키가 아니라는 점이다. 그렇기 때문에 BCNF 정규화를 만족시키기 위해서 위의 테이블을 분해해야 하는데, 다음과 같이 특강신청 테이블과 특강교수 테이블로 분해할 수 있다.

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