Módulo II. Modelo Relacional

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1 Base de Datos 311 Módulo II Modelo Relacional El modelo relacional es actualmente el principal modelo para la aplicación del procesamiento de datos, debido a su simplicidad, en comparación a los otros dos modelos estudiados anteriormente: el jerárquico y el de redes. En este módulo se estudian tres tipos de lenguaje formales de consulta para el modelo relacional, el primero es el álgebra relacional, el cual forma la base del lenguaje de consulta SQL 1 y los otros dos lenguajes son : el cálculo relacional de tuplas y el cálculo relacional de dominio, que son lenguajes declarativos de consultas basados en la lógica matemática. Otra aspecto que se ilustra en este módulo es la técnica de normalización, que según lo propuesto por Codd (1972) en este proceso el esquema de relación se somete a una serie de pruebas para certificar si pertenece o no a una cierta forma normal, es decir, los atributos se van agrupando en relaciones según su afinidad, con la finalidad de poseer ciertas características deseables. Por último se expone lo referente a la Seguridad e Integridad de los datos, con el propósito de garantizar la coherencia de los datos, comprobando que sólo los usuarios autorizados puedan efectuar las operaciones correctas sobre la base de datos. Objetivo del Modulo II: Resolver problemas de manera analítica y lógica, de Álgebra Relacional y/o Calculo Relacional, de Normalización y de seguridad y/o integridad en sistemas de bases de datos. El módulo II está constituido por tres unidades, especificadas de la siguiente manera: Unidad 4: Álgebra Relacional y Cálculo Relacional Unidad 5: Normalización en bases de datos relacional Unidad 6: Seguridad e Integridad UNIDAD 4: Álgebra Relacional y Cálculo Relacional El objetivo de esta unidad consiste en adquirir los conocimientos necesarios relacionados a la manipulación del modelo relacional, es decir, lo que se denomina Álgebra Relacional y Cálculo Relacional, comenzando por explicar las operaciones básicas del modelo relacional: Seleccionar, Proyectar y Renombrar, seguidamente las operaciones de la teoría matemática de conjuntos: Unión, intersección, la diferencia y el producto cartesiano, además se definirán algunas operaciones adicionales de álgebra relacional. Por otra parte se presentan los conceptos básicos del cálculo relacional, analizando la sintaxis de las consultas, empleando variables de tuplas y de dominio. 1 SQL (Structured Query Languaje, Lenguaje estructurado de consulta). SQL se a establecido como el lenguaje estándar de bases de datos relacionales.

2 Base de Datos 311 Objetivo de la Unidad 4: Aplicar operaciones de Álgebra Relacional o Cálculo Relacional sobre la base de una situación dada. Contenido de la Unidad 4: Se contempla el estudio de los siguientes puntos: Introducción. Semántica. Operaciones básicas del álgebra relacional. Operaciones relacionales adicionales. Ejemplos de consultas en álgebra relacional Cálculo Relacional orientado a tuplas Cálculo relacional orientado a dominio Recomendaciones para el estudio del contenido de la unidad En esta sección se presentará inicialmente un lenguaje procedimental (el álgebra relacional) y luego un leguaje no procedimental (el cálculo relacional). Es por ello que a continuación se muestra la tabla 4.1 que lo situará en el contenido de este tema, bien sea en la lectura y en el capítulo 7 del libro-texto de la asignatura.

3 Base de Datos 311 Tabla 4.1 TEMA MATERIAL DE REFERENCIA CÁPI- TULO SEC- CIÓN TÍTULO PÁGINAS Álgebra Relacional Cálculo Relacional y Lectura Nº 4.1 Libro-texto: Fundamentos de Sistemas de Bases de Datos Introducción del álgebra relacional Operaciones básicas de álgebra relacional Operaciones relacionales adicionales Ejemplos de consultas en álgebra relacional El cálculo relacional orientado a tuplas El relacional orientado dominios cálculo a Proceda con el estudio del contenido de la lectura 4.1 y del capítulo 7, una vez comprendido los conceptos relacionados con el álgebra relacional y el cálculo relacional, usted estará en capacidad de responder las siguientes preguntas: Cómo define el álgebra relacional? Cómo define el cálculo relacional? En qué sentido difiere el cálculo relacional del álgebra relacional y en que sentido es similar? 3.- Si usted respondió las preguntas anteriores, continúe con este punto donde se le presenta un cuestionario que le servirá de ayuda para ejercitarse en el conocimiento de algunos conceptos que aplicará posteriormente en la resolución de problemas del álgebra o cálculo relacional sobre la base de una situación dada. Cuáles son las operaciones del álgebra relacional y el propósito de cada una de ellas? Por qué se dice que el álgebra relacional es un lenguaje procedimental? Por qué se dice que el cálculo relacional es un lenguaje no procedimental? Qué diferencia hay entre el cálculo relacional de tuplas y el cálculo relacional de dominios?

4 Base de Datos 311 Cómo define los siguientes términos con respecto al cálculo de tuplas: La variable de tupla, la relación de rango, átomo, fórmula, expresión? Cómo define los siguientes términos con respecto al cálculo de dominio: Variable de dominio, relación de rango, átomo, fórmula, expresión? Cómo expresaría lo que quiere decir con expresión segura en el cálculo relacional? 3.- Se sugiere elaborar un mapa conceptual que lo ayudará a organizar los puntos estudiados y obtener así una mejor comprensión de ellos, además se recomienda estudiar los ejemplos y realizar los ejercicios de autoevaluación, a objeto de resolver los ejercicios o actividades propuestas que se presentan en este material instruccional. 4.- Una vez aclarado el contenido de este tema, estudie el siguiente ejemplo, donde se ejecutan operaciones de la teoría de conjuntos del algebra relacional. Ejemplo 4.1 Suponga que se tienen las dos relaciones que representan todos los vendedores que están subordinados a otros vendedores (VENDEDOR- SUBORDINADO) y todos los vendedores que son jefes de otros vendedores (VENDEDOR-JEFE). Obviamente existe redundancia de datos, como se muestra a continuación: VENDEDOR-SUBORDINADO CÓDIGO- VENDEDOR NOMB- VENDEDOR CÓDIGO-JEFE OFICINA COMISIÓN % 10 Rodney Jones 27 Chicago Masaji Matsu 44 Tokyo Francois Moire 35 Brussels 9 37 Elena hermana 12 Buenos Aires Goro Azuma 44 Tokyo Albert Ige 27 Tokyo Brigit Bovary 27 Brussels Búster Sánchez 27 Buenos Aires 10 VENDEDOR-JEFE CÓDIGO- VENDEDOR NOMB- VENDEDOR CÓDIGO-JEFE OFICINA COMISIÓN % 17 Terry Cardon 12 Chicago Albert Ige 27 Tokyo Brigit Bovary 27 Brussels Búster Sánchez 27 Buenos Aires 10

5 Base de Datos 311 Si se desea obtener una relación que contenga todos los vendedores, se debe realizar la operación UNION. El resultado de esta operación, es una relación que incluye todas las tuplas que están en VENDEDOR- SUBORDINADO o en VENDEDOR-JEFE o en ambas, es decir: VENDEDOR VENDEDOR-SUBORDINADO VENDEDOR-JEFE VENDEDOR CÓDIGO- VENDEDOR NOMB- VENDEDOR CÓDIGO-JEFE OFICINA COMISIÓN % 10 Rodney Jones 27 Chicago Masaji Matsu 44 Tokyo Francois Moire 35 Brussels 9 37 Elena hermana 12 Buenos Aires Goro Azuma 44 Tokyo Terry Cardon 12 Chicago Albert Ige 27 Tokyo Brigit Bovary 27 Brussels Búster Sánchez 27 Buenos Aires 10 En la relación resultante se observa que existen tres tuplas del atributo CÓDIGO-VENDEDOR las cuales son: 44, 35, 12 que se encuentran en ambas relaciones anteriores, pero cada una de estas tuplas aparecerá sólo una vez en la relación resultante VENDEDOR. 5.- Examine el siguiente ejemplo, en el cual se presenta la aplicación de la operación Proyectar Ejemplo 4.2 Si queremos hacer una lista con la cédula, apellido, nombre y la especialidad de todos los médicos de una clínica, podemos usar la siguiente operación PROYECTAR: πcédula, APELLIDO, NOMBRE, ESPECIALIDAD (MÉDICO) y la relación resultante quedará de la siguiente manera: Cédula Apellido Nombre Especialidad Smith Jhon Oftalmólogo Wong Franklin Cirujano Zelaya Alicia Cardiólogo Narayan Jennifer Ginecólogo Jabbar James Internista

6 Base de Datos Lea los ejemplos que se presentan en la sección 9.3 y 9.4 con respectos al cálculo relacional orientado a tuplas y a dominio. 7.- A continuación se le proporciona algunos aspectos que debe resaltar después que ha adquirido los conocimientos relacionados a este tema: Recordatorio El álgebra relacional consta de un conjunto de operaciones para manipular relaciones tomando como entrada una o dos de ellas y produce como resultado una nueva relación. El cálculo relacional de dominio utiliza variables que toman sus valores del dominio de un atributo, en vez de tomarlos de una tupla completa, sin embargo ambos cálculos; dominio y tuplas se hayan estrechamente relacionados. El cálculo relacional usa un enfoque completamente diferente al álgebra relacional. No obstante, los dos lenguajes son lógicamente equivalentes. Esto significa que cualquier consulta que pueda resolverse en un lenguaje puede resolverse en el otro. Será más breve en el cálculo relacional, debido a que el lenguaje en si mismo tiene menos construcciones. 8.- Para obtener más información sobre los temas de álgebra y cálculo relacional, puede hacer búsqueda en Internet, a través de las siguiente dirección electrónica: Consulta en la web Contiene las operaciones relacionados a las operaciones del álgebra relacional. Contiene información referente al calculo relacional 9.- Si desea profundizar en los aspectos involucrados en esta unidad 4, se sugiere que consulte los siguientes textos que se encuentran en la biblioteca de la UNA: Consulta de libros

7 Base de Datos 311 Introducción a los Sistemas de bases de datos (1998), Quinta edición, C. J. Date. Fundamentos y modelos de Base de datos (1999), Adoración de Miguel y Mario Piattini Proceda a realizar el Ejercicio de Autoevaluación presentado a continuación y así podrá evidenciar que ha entendido el material estudiado, luego compruebe sus respuestas con la dada en la Respuesta a los Ejercicios de Autoevaluación, en caso de no coincidir, estudie nuevamente el tópico en el cual desacertó. Ejercicio de Autoevaluación Una empresa internacional que vende productos alimenticios tiene un sistema de base de datos llamada VENTAS, cuyo fin es controlar las ventas realizadas por cada vendedor y saber en que lugar se encuentran localizados. A continuación se presenta un esquema de esta base de datos: VENDEDOR CÓDIGO- NOMB- CÓDIGO-JEFE OFICINA COMISIÓN % VENDEDOR VENDEDOR 10 Rodney Jones 27 Chicago Masaji Matsu 44 Tokyo Francois Moire 35 Brussels 9 37 Elena hermana 12 Buenos Aires Goro Azuma 44 Tokyo Albert Ige 27 Tokyo Brigit Bovary 27 Brussels Búster Sánchez 27 Buenos aires 10 Se quiere que aplique operaciones en álgebra relacional y realice los siguientes procedimientos: a) Seleccionar las tuplas de VENDEDOR que trabajan en la oficina de Tokio. b) Seleccionar las tuplas de VENDEDOR que tiene una comisión menor que 14 c) Seleccionar las tuplas de todos los vendedores que trabajan en la oficina Buenos Aires y que tienen un jefe con CÓDIGO mayor a 20. d) Preparar una lista con el nombre, oficina y comisión de todos los empleados.

8 Base de Datos Proceda a realizar el ejercicio propuesto que se da a continuación: Ejercicio o Actividad Propuesta Una empresa transportista encargada de enviar encomiendas a diferentes regiones de Venezuela requiere implantar un sistema de base de datos con la finalidad de registrar los envíos de paquetes que se han realizado a un determinado cliente. Usando el siguiente esquema relacional: CLIENTE (CODIGO-CLIENTE, NOV-CLIENTE, SALDO) EMBARQUE (NUM-EMBARQUE, CODIGO-CLIENTE, PESO, NUM- CAMIÓN, DESTINO) Se quiere aplicar operaciones de álgebra relacional. Responda las siguientes consultas: a) Cuál es el nombre del cliente 433? b) Cuál es la ciudad destino del transporte Nº 3244? c) Qué camión ha transportado paquetes con un peso mayor a 100 toneladas? d) Cuáles son los nombres de los clientes que han enviado paquetes a la ciudad de BARQUISIMETO? e) A qué destinos han enviado paquetes los clientes con un saldo igual Bs ,00? Una vez desarrollado el Ejercicio de Autoeveluación, podrá comparar su repuesta con la dada a continuación: Respuesta al Ejercicio de Autoevaluación a) σ (VENDEDOR) OFICINA = TOKIO CÓDIGO- NOMB- CÓDIGO-JEFE OFICINA COMISIÓN % VENDEDOR VENDEDOR 14 Masaji Matsu 44 Tokyo Goro Azuma 44 Tokyo Albert Ige 27 Tokyo 12

9 Base de Datos 311 b) σcomisión% < 14 (VENDEDOR) C) σoficina = Buenos Aire y ID-JEFE > 20 (VENDEDOR) CÓDIGO- NOMB- CÓDIGO-JEFE OFICINA COMISIÓN % VENDEDOR VENDEDOR 10 Rodney Jones 27 Chicago Francois Moire 35 Brussels 9 39 Goro Azuma 44 Tokyo Búster Sánchez 27 Buenos Aires 10 CÓDIGO- VENDEDOR NOMB- VENDEDOR CÓDIGO-JEFE OFICINA COMISIÓN % 12 Búster Sánchez 27 Buenos Aires 10 d) πnom-venededor, OFICINA, COMISIÓN % (VENDEDOR) NOMB- OFICINA COMISIÓN % VENDEDOR Rodney Jones Chicago 10 Masaji Matsu Tokyo 11 Francois Moire Brussels 9 Elena hermana Buenos Aires 13 Goro Azuma Tokyo 10 Albert Ige Tokyo 12 Brigit Bovary Brussels 11 Búster Sánchez Buenos Aires 10

10 Base de Datos 311 UNIDAD 5: Normalización en base de datos relacionales El objetivo del diseño de una base de datos relacional es la concepción de un conjunto de esquemas relacionales que permita almacenar la información sin redundancia innecesaria, por lo tanto con la propuesta original de Boyce-Codd (1972), un esquema de relación se somete a una serie de pruebas para "certificar si pertenece o no a una cierta forma normal y así alcanzar las propiedades deseables de 1) minimizar la redundancia 2) minimizar las anomalías de inserción, eliminación y actualización en una base de datos 2. En un principio, Boyce-Codd propuso tres formas normales, a las cuales llamó primera, segunda y tercera formas normales (1FN, 2FN, 3FN). Posteriormente, planteó una definición más estricta de 3FN, a la que se conoce como forma normal de Boyce-Codd (FNBC). Todas estas formas normales se basan en las dependencias funcionales entre los atributos de una relación. Más adelante se propusieron una cuarta forma normal (4FN) y una quinta (5FN), con fundamento en los conceptos de dependencias multivaluadas y dependencias de reunión, respectivamente. En esta unidad se presenta lo referente a la dependencia funcional y luego se expone la primera, segunda y tercera forma normal. Por último se enfoca lo relacionado a una cuarta y una quinta forma normal (4FN y 5FN). Objetivo de la Unidad 5: Aplicar las técnica de Normalización en el diseño de una base de datos relacional Contenido de la Unidad 5: El contenido contempla el estudio de los siguientes puntos: Dependencias funcionales. Formas normales basadas en claves primarias. Definiciones generales de la segunda y tercera forma normal Forma normal de Boyce Codd. Algoritmos para el diseño de esquemas de base de datos relacionales Dependencia multivaluadas y cuarta forma normal Dependencia de reunión y quinta forma normal Dependencia de inclusión Otras dependencias y formas normales Recomendaciones para el estudio del contenido de la unidad 5 2 Este punto de anomalías de actualización se pueden estudiar en el capítulo 14 sección del libro texto UNA: Fundamento de sistemas de Bases de datos.

11 Base de Datos Esta sección comienza con un análisis de algunos criterios para distinguir si los esquemas de relación poseen ciertas características deseables, de manera que ayude a los usuarios a comprender con claridad el significado de los datos en el diseño de la base de datos. Luego se definen y se analizan las propiedades de la dependencia funcional, que es la primera herramienta para medir formalmente la idoneidad de las agrupaciones de atributos en los esquemas de relaciones. Seguidamente se expondrá el uso de las dependencias funcionales para agrupar atributos en esquema de relación para que estén en una forma normal, conduciendo de esta manera a estudiar el proceso de normalización, presentando para este proceso las tres primeras formas normales y la forma normal de Boyce- Codd. Posteriormente se explican varios algoritmos de normalización basados sólo en dependencias funcionales, de igual manera, se estudiarán las dependencias multivaluadas empleadas para definir la cuarta forma normal y las dependencias de reunión que dan lugar a la definición de la quinta forma normal. 2.- La siguiente tabla lo guiará en la lectura que debe realizar para la comprensión del tema tratados en esta unidad, donde hace referencia a los capítulos, secciones, títulos y páginas correspondiente al libro-texto de la asignatura.

12 Base de Datos 311 TEMA MATERIAL DE REFERENCIA CÁPI- TULO SEC- CIÓN TÍTULO PÁGINAS Normalización en base de datos relacional Libro-Texto: Fundamentos de Sistemas de Bases de Datos Dependencias funcionales Formas normales basadas en claves primarias Definiciones generales de la segunda y tercera formas normales Forma normal de Boyce_Codd Algoritmos para el diseño de esquemas de bases de datos relacionales Dependencias multivaluadas y cuarta forma normal Dependencia de reunión y quinta forma normal Dependencia inclusión de Otras dependencias y formas normales Con el objeto de tener una visión conceptual de lo que significa Normalización y poder definirlo con sus propias palabras, estudie la sección donde se expone una introducción a la normalización. 4.- Es importante entender la incidencia de los procesos de normalización en las bases de datos relacional, para ello responda las siguientes preguntas: Por qué la teoría de normalización es un método que se aplica en el diseño de una base de datos relacional? Cuál es el objetivo y las ventajas de usar el proceso de normalización en una base de datos relacional? En que consiste el proceso de normalización?

13 Base de Datos 311 Confronte sus respuestas con sus compañeros de estudio y en caso de dudas consulte al asesor de su Centro local. 5.- Estudie los capítulos Nº 14 y 15 del libro-texto de la asignatura y luego lo invitamos a responder las preguntas que se le presentan a continuación: De las preguntas de repaso, que se encuentran al final de los capítulos Nº 14 y 15 del libro-texto de la asignatura, responda las siguientes: 14.6 al del capítulo a la del capítulo 15 Explique qué establece la regla de la primera, segunda, tercera y cuarta forma normal? Explique con un ejemplo sencillo como se lleva una relación a la primera, segunda tercera y cuarta forma normal? 6.- De los ejercicios que se encuentran al final de los capítulos Nº 14 y 15, resuelva los siguientes: y al del capítulo , al del capítulo Se recomienda usar un mapa conceptual como estrategia de aprendizaje, para una mejor comprensión y asimilación de los conceptos, a fin de aplicarlos en la resolución de los procesos de normalización. 8.- Para avanzar un poco más a continuación le presentamos algunos puntos que le servirán de ayuda para ampliar lo estudiado hasta hora. La teoría de la Normalización La teoría de normalización consiste en realizar un conjunto de restricciones para evitar: La redundancia de los datos: repetición de datos en un sistema. La anomalías de actualización 3, las cuales son: o Anomalías de inserción: imposibilidad de adicionar datos en la base de datos debido a la ausencia de otros datos. o Anomalías de eliminación: pérdidas no intencionadas de datos debido a que se han borrado otros datos. 3 Un ejemplo de cada anomalía de actualización se presenta en el capítulo 14 del libro-texto: Fundamento de sistemas de Bases de datos.

14 Base de Datos 311 o Anomalías de modificación: inconsistencias de los datos como resultado de datos redundantes y actualizaciones parciales. La teoría de normalización tiene como fundamento el concepto de formas normales y estas son definidas como las técnicas empleadas para prevenir las anomalías en las relaciones (tablas). Dependiendo de su estructura, una relación (tabla) puede estar en primera forma normal, segunda forma normal o en cualquier otra, pero siempre cumpliendo ciertas condiciones preestablecidas. Por ejemplo decimos que una relación está en segunda forma normal (2FN) si y solo si está en primera forma normal (1FN) y estará en tercera forma normal si y solo si está en 2FN. Relación entre las formas normales: 9.- A continuación se presentan algunos ejemplos para ilustrar las formas normales, cuando se aplica operaciones de Normalización: Ejemplo 5.1 Primera forma normal (1FN): Se dice que una relación se encuentra en primera forma normal (1FN) si y solo si cada uno de los dominios de un atributo contiene solo valores atómicos es decir, los elementos del dominio solo son unidades simples e indivisibles. Por ejemplo consideremos el siguiente esquema de relación CURSO: CÓDIGO-PARTICIPANTE NOMBRE-PARTICIPANTE NOMBRE-CURSO 1 Marcos Inglés 2 Lucas Contabilidad, Informática 3 Marta Inglés, Contabilidad Se puede observar que el registro código 1 si cumple la primera forma normal, cada atributo del registro contiene un único dato, pero no ocurre así con la tupla

15 Base de Datos y 3 ya que el atributo NOMBRE-CURSO contiene más de un dato cada uno. La solución en este caso es crear dos tablas del siguiente modo: Tabla A CÓDIGO-PARTICIPANTE NOMBRE-PARTICIPANTE 1 Marcos 2 Lucas 3 Marta Tabla B CÓDIGO-PARTICIPANTE NOMBRE-CURSO 1 Inglés 2 Contabilidad 2 Informática 3 Inglés Informática 3 Como se puede comprobar ahora todos los registros de ambas tablas contienen valores únicos en sus atributos, por lo tanto ambas tablas cumplen la Primera Forma Normal (1FN). Una vez normalizada la tabla en 1FN, podemos pasar a la segunda forma normal. Ejemplo 5.2 Segunda forma normal (2FN) Una relación R se encuentra en Segunda Forma Normal, cuando cumple con las reglas de la primera forma normal y todos sus atributos que no son claves dependen por completo de la clave definida. Antes de proceder a realizar el proceso de normalización a una relación (tabla) lo primero que se debe definir es la clave, esta clave deberá contener un valor único para cada registro (no podrán existir dos valores iguales en toda la tabla) y podrá estar formado por un único atributo o por un grupo de atributos. Si todos los atributos de la entidad dependen directamente de la clave se dice que la relación está en 2FN. Supongamos que construimos una tabla con los años que cada empleado ha estado trabajando en cada departamento de una empresa:

16 Base de Datos 311 CÓDIGO-EMPLEADO CÓDIGO-DPTO. NOMBRE DEPARTAMENTO AÑOS 1 6 Juan Contabilidad Pedro Sistemas Sonia Venta Verónica Sistemas Pedro Contabilidad 5 Tomando como punto de partida que la clave de esta tabla está formada por los atributos CÓDIGO-EMPLEADO y CÓDIGO-DPTO y podemos observar que la tabla se encuentra en primera forma normal, por tanto vamos a estudiar la 2FN: El atributo NOMBRE no depende funcionalmente de toda la clave, sólo depende del CÓDIGO-EMPLEADO. El atributo DEPARTAMENTO no depende funcionalmente de toda la clave, sólo del CÓDIGO-DPTO. El atributo AÑOS (representa el número de años que cada empleado ha trabajado en cada departamento) depende funcionalmente de la clave CÓDIGO-EMPLEADO y del CÓDIGO-DPTO Por tanto, al no depender de la clave todos los atributos, la tabla no está en segunda forma normal, la solución es la siguiente: Tabla A CÓDIGO-EMPLEADO NOMBRE 1 Juan 2 Pedro 3 Sonia 4 Verónica Tabla B CÓDIGO-DPTO DEPARTAMENTO 2 Ventas 3 Sistemas 6 Contabilidad Tabla C CÓDIGO-EMPLEADO CÓDIGO-DPTO AÑOS

17 Base de Datos 311 Podemos observar que ahora si se encuentran las tres tabla en segunda forma normal, considerando que la tabla A tiene como clave el campo CÓDIGO- EMPLEADO, la tabla B CÓDIGO-DPTO y la tabla C una clave compuesta por los atributos CÓDIGO-EMPLEADO y CÓDIGO-DPTO. Ejemplo 5.3 Tercera Forma Normal (3FN) Se dice que una tabla está en tercera forma normal si y solo si está en 2FN y los atributos de la tabla dependen únicamente de la clave, dicho en otras palabras los atributos de las tablas no dependen unos de otros. Tomando como referencia el primer ejemplo, supongamos que cada alumno sólo puede realizar un único curso a la vez y que deseamos guardar en que aula se imparte el curso, se puede plantear la siguiente estructura: CÓDIGO-ESTUDIANTE NOMBRE-ESTUDIANTE NOMBRE-CURSO AULA 1 Marcos Informática Aula A 2 Lucas Inglés Aula B 3 Marta Contabilidad Aula C Estudiemos la dependencia de cada campo con respecto a la clave CÓDIGO- ESTUDIANTE: NOMBRE-ESTUDIANTE depende directamente del CÓDIGO-ESTUDIANTE. NOMBRE-CURSO depende de igual modo del CÓDIGO-ESTUDIANTE. El AULA, aunque en parte también depende del CÓDIGO-ALUMNO, está mas ligado al NOMBRE-CURSO que el estudiante está realizando. Por esta última razón se dice que la tabla no está en 3FN. La solución sería la siguiente: Tabla A CÓDIGO-ESTUDIANTE NOMBRE-ESTUDIANTE NOMBRE-CURSO 1 Marcos Informática 2 Lucas Inglés 3 Marta Contabilidad

18 Base de Datos 311 Tabla B NOMBRE-CURSO AULA Informática Aula A Inglés Aula B Contabilidad Aula C Una vez conseguida la Segunda Forma Normal (2FN), se puede estudiar la cuarta forma normal (4FN). Ejemplo 5.4 Cuarta forma normal (4FN) Una tabla está en 4FN si y sólo si para cualquier combinación clave - atributo no existen valores duplicados. Veamos con un ejemplo: Geometría FIGURA COLOR TAMAÑO Cuadrado Rojo Grande Cuadrado Azul Grande Cuadrado Azul Mediano Círculo Blanco Mediano Círculo Azul Pequeño Círculo Azul Mediano Comparemos ahora la clave FIGURA con el atributo TAMAÑO, podemos observar que Cuadrado y Grande están repetidos; igual pasa con Círculo y Azul, entre otras. Estas repeticiones son las que se deben evitar para tener una tabla en 4NF. La solución en este caso sería la siguiente:

19 Base de Datos 311 Tamaño FIGURA TAMAÑO Cuadrado Grande Cuadrado Mediano Círculo Mediano Círculo Pequeño Color FIGURA COLOR Cuadrado Rojo Cuadrado Azul Círculo Blanco Círculo Azul Ahora si tenemos nuestra base de datos en 4FN. 8.- Si desea profundizar en los aspectos involucrados en esta unidad 5, se sugiere que consulte los siguientes textos que se encuentran en la biblioteca de la UNA: Consulta de libros Fundamentos de bases de datos (1998). Tercera edición, de Henry F. Korth, S. Sudarshan y Abraham Silberschatz.. Introducción a los Sistemas de bases de datos (1998), Quinta edición, C. J. Date. 9.- Una vez culminado el estudio de la unidad 5, proceda a realizar el siguiente ejercicio, luego compruebe sus respuestas con la dada en la Respuesta a los Ejercicios de Autoevaluación, en caso de no coincidir, estudie nuevamente el tópico en el cual desacertó. Ejercicio de autoevaluación Suponga que se tiene la siguiente relación para una base de datos, la cual corresponde al registro de vuelo de una agencia de viaje: VUELO NÚMEROV CÓDIGOA CÓD-AVIÓN NOMBREA UBICACIÓNA CLASEA SIGLAA HORAP HORALL Donde: NÚMEROV = número de vuelo CÓDIGOA = Código del aeropuerto CÓD-AVIÓN = Código del Avión NOMBREA = Nombre del aeropuerto UBICACIÓNA = Ubicación del aeropuerto

20 Base de Datos 311 CLASEA = Clase de Avión SIGLAA = Sigla del avión HORAP = Hora de partida HORALL = Hora de llegada Aplique la técnica de normalización y lleve la siguiente relación a la segunda forma normal (2FN): Muestre los esquemas de las relaciones resultantes. Especifique los atributos claves de cada relación 10.- Resuelva la actividad propuesta que se presenta a continuación: Ejercicio o actividad propuesta Considere la relación para libros publicados: LIBRO (Título-libro, NombreAutor, Tipo-libro, ListaPrecios, Afil-autor, Editor) Afil-autor se refiere a la afiliación del autor, suponga que se dan las siguientes dependencias: Título-libro Editor, Tipo-libro Tipo-libro ListaPrecio NombreAutor Afil-autor a) Aplique la normalización hasta que ya no puedan descomponerse las relaciones, Explique las razones para cada descomposición. VUELO Respuesta al Ejercicio de autoevaluación NÚMEROV CÓDIGOA CÓD- AVIÓN HORAP HORALL AVIÓN CLAVE AEROPUERTO CÓDIGOA NOMBREA UBICACIÓNA CLAVE CÓD-AVIÓN CLAVE CLASEA SIGLAA

21 UNIDAD 6: Seguridad e Integridad Los datos que se encuentran en una base de datos deben ser protegidos contra usuarios no autorizados o autorizados, por lo que se debe garantizar que estos usuarios tengan permiso al acceso de cierta o toda información, asegurando que el manejo de esta información se haga en forma correcta. En esta unidad se presentarán varias estrategias que se pueden utilizar para proteger la base de datos de alteraciones intencionada o daños accidentales, es decir lo concerniente a la Seguridad y Autorización 4 de los datos en una base de datos. Objetivo de la Unidad 6: Resolver en situaciones dadas, problemas de Seguridad y/o Integridad en bases de datos relacional. Contenido de la Unidad 6: El contenido de la unidad contempla el estudio de los siguientes puntos: Introducción a los problemas de seguridad en las bases de datos. Control de acceso discrecional basado en concesión o revocación de privilegios. Control de acceso obligatorio para seguridad multinivel. Introducción a la seguridad en las bases de datos estadísticas. Seguridad y Autorización. Recomendación para el estudio del contenido de la unidad En esta sección se comenzará por dar una introducción a los problemas de seguridad, luego se estudiarán mecanismos utilizados para conceder y revocar privilegios en los sistemas de base de datos relacionales y en SQL, seguidamente se expondrán los mecanismos para imponer múltiples niveles de seguridad (Control de acceso obligatorio), de igual manera se estudia el problema de controlar el acceso a las bases de datos estadísticas. Por último se examinará el modo en que se pueden utilizar mal los datos, hacerlos inconsistentes de manera intencionada, así como una explicación de los mecanismos y limitaciones para la definición de autorizaciones que proporciona el lenguaje SQL. 2.- A continuación se presenta la tabla 6.1, en ella puede ubicar en el material de referencia, los tópicos referentes a la unidad 6. 4 El termino Autorización se refiere a Integridad. 21

22 TEMA MATERIAL DE REFERENCIA CÁPI- TULO SEC- CIÓN TÍTULO PÁGINAS Seguridad y Autorización en base de datos Libro-Texto: Fundamentos de Sistemas de Bases de Datos Introducción a los problemas de Seguridad en las bases de datos Control de acceso discrecional basado en concesión/revocación de privilegio Control de acceso obligatorio para seguridad multinivel Introducción a la seguridad en base de datos estadísticas Lectura 6.1 Lectura 6.2 Seguridad Autorización Autorización en SQL y 3.- Para comenzar con el estudio de esta unidad lea el capítulo 22 del Librotexto: Fundamentos de Sistemas de Bases de datos correspondiente a Seguridad y autorización en bases de datos y luego responda las preguntas de repaso que se encuentran al final de este capitulo Organice los puntos estudiados mediante el uso de un mapa conceptual 5. Efectúe una revisión del ejemplo presentado en el libro-texto de la asignatura para luego realizar el ejercicio o actividad propuesta. 6.- A continuación se presentan algunos aspectos que lo ayudarán a ampliar los conocimientos adquiridos hasta ahora. Seguridad e integridad (autorización) en los sistemas de bases de datos Aspectos que debe reflexionar con respecto a lo estudiado en esta unidad: El termino seguridad de los datos se asocia frecuentemente con integridad, pero ambos conceptos son diferentes. La Seguridad se refiere a la protección de los datos almacenados en la base de datos, frente accesos no autorizados y alteraciones o destrucción malintencionada, mientras que la Integridad se refiere a la validez de 22

23 esos datos, es decir proporcionar un medio que asegure que las modificaciones hechas a la base de datos por los usuarios autorizados no provoquen la perdida de la consistencia de los datos, protegiéndolo contra los daños accidentales. En la Seguridad e Integridad (autorización) el sistema de base de datos necesita estar al tanto de ciertas restricciones que deben ser especificadas (generalmente por el Administrador de bases de datos) en un lenguaje adecuado. Por otro lado el sistema de gestión de bases de datos (SGBD) debe detectar las operaciones del usuarios para asegurar que se cumplan estas restricciones. Características que apoyan la seguridad en los Sistemas de Bases de Datos: Los tópicos que se incluyen a continuación tienen que ver con la exactitud, consistencia y confiabilidad de la información y con la privacidad y confidencialidad de los datos. Claves Primarias Esta definición determina que para un valor llave primaria solo existirá una tupla o registro en la tabla. Esta situación garantiza que no se tenga información repetida o discordante para un valor de clave y puede ser usada como control, para evitar la inclusión de información inconsistente o repetida en las tablas. Dominio de los atributos El dominio de un atributo define los valores posibles que puede tomar este atributo. Además de los dominios "naturales", usados como tipos de datos, el administrador del sistema puede generar sus propios dominios definiendo el conjunto de valores permitidos. Esta característica, usada en forma correcta, se convierte en mecanismo de control, restricción y validación de los datos a ingresar. Hay que resaltar que estas restricciones siempre serán evaluadas en forma automática por el SGBD. Reglas de integridad Cada base de datos funciona en forma diferente y tiene reglas asociadas a su actividad que pueden ser definidas como restricciones en la Base de Datos. Esto implicaría que cualquier operación que se realice debe respetar estas limitantes. Por ejemplo, condicionar que solo se otorgan descuentos en ventas superiores a Bs ,00. Estas son condiciones que la administración coloca a la operación y como principio en el desarrollo de una aplicación, deben ser respetadas por esta. Vistas Sirve como mecanismo para compartir la información almacenada, permitiendo presentar a diferentes usuarios parte del universo, según se considere necesario. Según las políticas de seguridad, es usual que gran parte de los usuarios nunca tengan acceso directamente a las tablas completas, sino que lo hagan a través de las vistas, las cuales, por ser un objeto, son sujetas de otras medidas de seguridad. Perfiles de usuario y Acceso a la Base de Datos Asignación de nombres de usuarios, con su respectiva clave de acceso (password) y perfiles asociados. Pueden también ser creados roles que serán concedidos a los usuarios según sus funciones. 23

24 Auditoría En situaciones en que los datos sean críticos, se debe contar con el riesgo de violación de la seguridad por una persona no autorizada, además de errores involuntarios que igual pueden causar inconsistencias o falta de veracidad de la información. Para estos casos es interesante mantener un archivo de auditoría (log), donde son registradas todas las operaciones realizadas por los usuarios de las bases de datos. En caso de sospecha de falla en la seguridad, este archivo puede ser consultado para conocer los daños causados e identificar a los responsables de las operaciones irregulares. Criptografía de Datos Como recurso de seguridad, se puede mezclar o codificar los datos de modo que, al momento de ser almacenados en disco duro o trasmitidos por alguna línea de comunicación, no sean más que bits ininteligibles para aquellos que los accedan por un medio no oficial. La criptografía es de gran importancia en las bases de datos pues la información esta almacenada por largos periodos de tiempo en medios de fácil acceso, como discos duros. Disparadores o Triggers Siendo un Triggers o disparador una rutina asociada con una tabla o vista que automáticamente realiza una acción cuando una fila en la tabla o la vista se inserta (INSERT), se actualiza (UPDATE), o borra (DELETE), permiten vigilar y registrar acciones especificas según las condiciones propias de las reglas establecidas; permitiendo crear log de auditoria a la medida. Como se puede apreciar, los Sistemas de Bases de Datos ofrecen a los desarrolladores, administradores y usuarios, una gama muy completa de herramientas que permiten garantizar la integridad, consistencia, confidencialidad y en general, la seguridad de la información almacenada y con un elemento muy importante a favor: Las líneas de código que se requieren por parte del diseñador de la base de datos son muy pocas, en ocasiones solo basta con una sencilla sentencia para obligar al SGBD controlar y mantener las restricciones necesarias. 7.- Una vez comprendido el contenido del capítulo 24 y el de las lectura 6.1 y 6.2, te invitamos a leer los siguientes ejemplos que muestra la manera de especificar autorizaciones utilizando vistas Ejemplo En una relación PROYECTOS se quiere restringir a un usuario en particular, López Javier, a tener una autorización de acceso solamente de lectura, a los atributos NUMPROY y LOCALIDAD, entonces se puede definir una contraseña para el acceso solo en lectura para una relación que la llamaremos NUMPROY_LOC : GRANT READ ACCESS ON NUMPROY-LOC TO LÓPEZ JAVIER 24

25 Donde la forma general para la autorización en lenguaje SQL se especifica de la siguiente manera: GRANT < lista de privilegios > ON < nombre de relación o de vista > TO < lista de usuario > La lista de privilegios permite otorgar varios privilegios (de lectura, de eliminación o de actualización) en una sola instrucción Consideremos la relación base PERSONAL que tiene el esquema PERSONAL (CÉDULA, NOMBRE, DIRECCIÓN, HSALARIO, NUMDEPT). De este esquema se quiere limitar el acceso del usuario U1 únicamente puede tener acceso a los empleados del departamento 35 de la tabla PERSONAL. Esta vista se podría expresar como: CREATE VIEW DEP_35 AS SELECT CÉDULA, NOMBRE, DIRECCIÓN, HSALARIO, NUMDEPT FROM PERSONAL WHERE NUMDEPT = Si desea profundizar en los aspectos involucrados en esta unidad 5, se sugiere que consulte el siguiente texto que se encuentran en la biblioteca de la UNA: Consulta de libros Si desea profundizar sobre este tema se sugiere que consulte el texto Introducción a los Sistemas de Bases de Datos (1998), Quinta edición del autor C. J. Date. 9.- Una vez culminado el estudio de la unidad 6, proceda a realizar el siguiente ejercicio, luego compruebe sus respuestas con la dada en la Respuesta a los Ejercicios de Autoevaluación, en caso de no coincidir, estudie nuevamente el tópico en el cual desacertó. Ejercicio de autoevaluación Una institución gubernamental requiere de un sistema de base de datos, que presente en forma oportuna y veraz información relacionada a una población, por ejemplo: datos estadísticos basados en grupos de edad, niveles de ingreso, tamaño de la familia, nivel de educación y otros criterios. Al realizar las pruebas para la puesta en marcha de este sistema de base de datos se detectó el siguiente problema: cualquier actuario gubernamental o usuario de empresas de investigación de mercados, pueden tener acceso a información confidencial detallada sobre individuos 25

26 como por ejemplo el ingreso de una persona específica, la dirección exacta de su domicilio, etc. Con base al problema planteado usted deberá responder la siguiente pregunta qué tipo de problema se presenta en la situación planteada y como lo resolvería? Resuelva la siguiente actividad propuesta: Ejercicio o actividad propuesta Una empresa desea procesar la nomina del personal para fin de mes, pero ésta presenta inconveniente al momento del cuadre de la distribución de asignaciones, cabe destacar que algunas de estas asignaciones están contenidas en varios archivos de la base de datos y en algún momento del proceso no fue actualizado uno de ellos. Con base al problema planteado usted deberá responder la siguiente pregunta: qué tipo de problema cree usted que se presenta en esta base de datos y como lo solucionaría? 11- Una vez desarrollado el Ejercicio de Autoeveluación, podrá comparar su repuesta con la dada a continuación: Respuesta al Ejercicio de autoevaluación En el sistema de base de datos multiusuario de la institución gubernamental se presenta un problema de seguridad; debido a que se debe prohibir el acceso de información confidencial a personas no autorizadas, por lo tanto es necesario la existencia de un control de acceso, con la finalidad de que el sistema de gestión de base de datos (SGBD) chequee cada operación que se realice, con el propósito de validar cualquier restricción de seguridad y suprimir el acceso a datos no permitidos. Por lo general el SGBD cuenta con un subsistema de seguridad y autorización de la base de datos que se encarga de velar por la seguridad de la base de datos y controlar el acceso no autorizado. 26

27 Módulo III Diseño de Base de Datos Relacional El propósito del modulo III está orientado a que el estudiante adquiera los conocimientos necesarios en cuanto proceso de diseño conceptual de la base de datos relacional y el proceso de diseño lógico y físico de la base de datos utilizando un SGBDR, con la finalidad de atender las necesidades de información de los usuarios de una organización. Para una base de datos pequeña, donde existe un número reducido de usuarios, el diseño no necesita ser muy complicado, sin embargo, cuando se diseñan bases de datos medianas o grandes, este proceso se vuelve complejo, ya que el sistema debe satisfacer los requerimientos de numerosos usuarios y por consiguiente aplicaciones de una gran cantidad de transacciones. Es por ello que se hace indispensable el seguimiento de varias fases o etapas de diseños que aseguren procedimientos ordenados y metódicos. Podemos identificar cincos fase para el diseño de la base de datos, sin llegar a la implementación, las cuales se especifican a continuación: 1. Obtención y análisis de requisitos 2. Diseño conceptual de la base de datos 3. Elección de un SGBD 4. Transformación al modelo de datos (llamado también diseño lógico de la base de datos) 5. Diseño físico de la base de datos Objetivo del Modulo III: Diseñar en forma analítica y lógica una base de datos relacional. El módulo III está constituido por dos unidades, especificadas de la siguiente manera: Unidad 7: Proceso de Diseño Conceptual de la base de datos relacional. Unidad 8: Proceso de Diseño Lógico y Físico de la Base de Datos Relacional utilizando un SGBDR. UNIDAD 7: Proceso de Diseño Conceptual de la base de datos relacional. En esta unidad 7 al igual que la siguiente unidad, tiene como estrategia de evaluación un trabajo práctico. El estudiante podrá adquirir los conocimientos necesarios que lo conduzca a realizar varias tareas para la elaboración del diseño de la base de datos relacional. En primer lugar se analizará la fase 1, relacionado a la Obtención y análisis de requisitos, luego se expondrá la fase 2 donde se describen las actividades que deben desarrollarse para realizar el diseño conceptual de la base de datos, posteriormente se explicará la tercera fase Elección de un Sistema de Gestión de Base de Datos" y por último la fase 4 donde se analizarán los procesos para el diseño lógico de la base de datos. 27

28 Objetivo de la Unidad 7: Diseñar conceptualmente una base de datos bajo el modelo de organización relacional Contenido de la Unidad 7: Se contempla el estudio de los siguientes puntos: Obtención y análisis de requisitos. Diseño conceptual de la base de datos Recomendaciones para el estudio del contenido de la unidad A continuación se dará a conocer la tabla 7.1 en la que se puede ubicar en el material de referencia los contenidos de la unidad en el libro-texto: Fundamentos de Sistema de Bases de Datos. Tabla 7.1 TEMA MATERIAL DE REFERENCIA CÁPI- TULO SEC- CIÓN TÍTULO PÁGINAS El proceso de diseño de bases de datos relacional Libro-Texto: Fundamentos de Sistemas de Bases de Datos Fase 1: Obtención y análisis de requisitos Fase 2: Diseño conceptual de la base de datos Para organizar los puntos estudiados y obtener una mejor comprensión de ellos se sugiere hacer uso de los mapas mentales, además de efectuar una revisión del ejemplo mostrado en el material instruccional, que le servirá de guía para que pueda desarrollar su trabajo práctico. 3.- Se sugiere seguir el siguiente orden para el estudio de la unidad: Lea la fase de prediseño donde se exponen los requerimientos y necesidades de los usuarios, después la fase del diseño del esquema conceptual, usando el modelo E-R (Entidad-Relación), para describir los datos, tales como las entidades, los vínculos (relaciones) y los atributos, cabe destacar que este modelo es independiente de un SGBD específico. Continuando con el orden para el estudio de la unidad se sugiere leer la explicación que presenta el libro-texto de la asignatura sobre cómo elegir el SGBD. Por último se debe estudiar la fase del diseño lógico, que consiste en transformar el modelo conceptual al modelo de datos empleado por el SGBD (jerárquico, red o relacional). 28

29 NOTA: Para el estudio de esta unidad se utilizará en el diseño un SGBD relacional (SGBDR), por ser el modelo más utilizado por las empresas en la actualidad. 5.- Para avanzar un poco más, a continuación le presentamos algunos puntos que le servirán de ayuda para ampliar lo estudiado hasta ahora. El diseño conceptual de una base de datos (modelo de datos de alto Nivel) Primeramente vamos a establecer cuales son los objetivos del diseño de BD: Satisfacer requisitos de contenido de información de usuarios y aplicaciones. Proporcionar una estructuración de los datos, fácil de entender. Soportar los requisitos de procesamiento y objetivos de rendimiento; como tiempo de respuesta, tiempo de procesamiento, espacio de almacenamiento, etc.. Conseguir un esquema flexible de BD, es decir que sea posible modificarlo (como consecuencia de cambios en los requisitos del sistema) fácilmente una vez implementada la Base de Datos. El objetivo de cada fase de diseño lo plantean de la siguiente manera los autores Adoración y Piattini (1999): Diseño conceptual: El objetivo es obtener una buena representación de los recursos de información de la empresa u organización, con independencia de usuarios o aplicaciones en particular y fuera de consideración sobre la eficiencia del computador. Diseño lógico: El objetivo es transformar el esquema conceptual obtenido en la etapa anterior, adaptándolo al modelo de datos que se va a utilizar en el SGBD. En este curso para el diseño de la base de datos, nos referiremos al modelo relacional, pero de forma análoga se podrá adaptar esta etapa de diseño lógico a otro modelo de datos que se ha estudiado en la Unidad 3 del Modulo I. Esta fase se estudiará en la próxima unidad Diseño físico: Esta fase se estudiará en la próxima unidad. Para el diseño de una base de datos se pueden identificar varios tipos de usuarios. En primer lugar, los usuarios finales, que hacen uso limitado de las capacidades del sistema, normalmente referentes a introducción, manipulación y consulta de los datos. Los usuarios finales pueden ser especializados o con pocos conocimientos, dependiendo de su nivel de interacción con el sistema. En segundo lugar hay que citar a los programadores de base de datos, encargados de escribir 29

30 aplicaciones limitadas, mediante el lenguaje de programación, facilitado por el SGBD. Por último, el administrador de base de datos (DBA, Data Base Administrator) cumple las importantes funciones de crear y almacenar las estructuras de la bases de datos, definir las estrategias de respaldo y recuperación, vincularse con los usuarios y responder a los cambios de requerimientos, y definir los controles de autorización y los procedimientos de validación. Antes de comenzar a diseñar una base de datos, lo primero que se debe hacer es conocer y analizar las expectativas de los usuarios y los usos que se piensa dar a la base de datos con el mayor detalle posible, este proceso es lo que se llama obtención y análisis de requisitos, el cual se presenta en la primera fase del diseño. Es importante cumplir con esta fase inicial porque usualmente se presentan problemas en el momento de la comunicación entre el informático (conocedor de las técnicas de estructuración de los datos pero no poseedor del dominio de la aplicación) y los usuarios; ocurriendo que este último no expresa en forma correcta o precisa la perspectiva que quiere darle a la base de datos, es por esto, que una vez que se han tomado todos los requisitos, se procede a realizar el diseño del esquema conceptual de alto nivel. En la segunda fase del diseño existen dos actividades paralelas a desarrollar: el diseño del esquema conceptual, que contiene una descripción detallada de los requerimientos de información de los usuarios (obtenido de la fase 1) produciendo un esquema conceptual independiente del SGBD y el diseño de transacción y aplicación, donde muchas transacciones se ejecutarán una vez que se implante la base de datos, pero parte importante del diseño es especificar las características funcionales de estas transacciones en esta etapa temprana del proceso del diseño, garantizando que el esquema de la base de datos incluirá toda la información requerida por dichas transacciones. Para crear el esquema conceptual en una base de datos se deben establecer estrategias 5, existen varias de ellas, donde la mayoría seguirán un enfoque incremental; es decir, parten de ciertas construcciones de esquemas derivadas de los requisitos y luego modifican, refinan o desarrollan sobre ella. Como punto de partida para la fase 2 en el diseño del esquema conceptual lo primero que hay que hacer es identificar los componentes básicos del esquema: los tipos de entidades, los tipos de relaciones y sus atributos, como se presenta en el ejemplo proporcionado en la unidad 2 del modulo I. También se especifican los atributos claves, las restricciones de cardinalidad, y las entidades débiles. En paralelo se 5 Las estrategias para el diseño de esquemas se encuentran en el capítulo 16 del libro-texto de la asignatura 30