데이터베이스 정규화: 1차부터 5차 정규형까지

DB 중복과 탐색 성능을 증가하기 위한 정규화

SQLD, 정보처리기사 자격증시험에 나오는 주제이므로 숙지 하셔야 할 중요한 내용입니다.

 

데이터베이스를 설계하고 관리할 때 **정규화(Normalization)**는 매우 중요한 개념입니다. 정규화는 데이터 중복을 줄이고 무결성을 향상시키며, 데이터 삽입, 삭제, 갱신 시 발생할 수 있는 이상(Anomaly) 현상을 방지하는 데 목적이 있습니다. 이 블로그 포스트에서는 1차 정규형부터 5차 정규형까지 각 단계별 개념과 예시를 통해 정규화의 모든 것을 알아보겠습니다.

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1. 1차 정규형 (First Normal Form, 1NF)

 

1차 정규형은 정규화의 가장 기본적인 단계로, 다음 두 가지 조건을 만족해야 합니다.

1. 모든 도메인(컬럼)이 원자값(Atomic Value)을 가져야 합니다. 즉, 하나의 컬럼에는 더 이상 분해할 수 없는 하나의 값만 존재해야 합니다.
2. 모든 레코드(행)가 고유해야 합니다. 기본 키(Primary Key)를 통해 각 레코드를 유일하게 식별할 수 있어야 합니다.

 

예시:

아래는 정규화되지 않은 주문 테이블입니다. '상품명' 컬럼에 여러 상품이 쉼표로 구분되어 저장되어 있고, '전화번호' 컬럼에도 여러 전화번호가 포함되어 있습니다.

주문번호	고객명	전화번호	상품명	수량
101	김철수	010-1234-5678, 02-123-4567	노트북, 마우스	1, 1
102	이영희	010-9876-5432	키보드	2

 

1차 정규형 적용 후: '상품명'과 '전화번호'를 원자값으로 분리하고, 각 레코드가 고유하도록 새로운 테이블로 구성합니다.

 

주문_상품 테이블:

주문번호	상품명	수량
101	노트북	1
101	마우스	1
102	키보드	2

 

고객_전화번호 테이블:

고객명	전화번호
김철수	010-1234-5678
김철수	02-123-4567
이영희	010-9876-5432

 

 

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2. 2차 정규형 (Second Normal Form, 2NF)

 

2차 정규형은 1차 정규형을 만족하면서 다음 조건을 추가로 만족해야 합니다.

• 부분 함수 종속성(Partial Functional Dependency)이 없어야 합니다. 즉, 기본 키가 복합 키(Composite Key)로 이루어져 있을 때, 기본 키의 일부분에만 종속되는 속성이 없어야 합니다. 모든 비키(Non-key) 속성은 기본 키 전체에 종속되어야 합니다.

예시:

주문_상품 테이블에서 '주문번호'와 '상품명'이 복합 기본 키라고 가정합니다. 이때 '상품가격'은 '상품명'에만 종속됩니다.

주문번호	상품명	수량	상품가격
101	노트북	1	1,000,000
101	마우스	1	50,000
102	키보드	2	80,000

 

 

2차 정규형 적용 후:

'상품가격'은 '상품명'에만 종속되므로, 이를 분리하여 새로운 테이블을 생성합니다.

주문_상품 테이블 (기본 키: 주문번호, 상품명):

주문번호	상품명	수량
101	노트북	1
101	마우스	1
102	키보드	2

 

상품 테이블 (기본 키: 상품명):

상품명	상품가격
노트북	1,000,000
마우스	50,000
키보드	80,000

 

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3. 3차 정규형 (Third Normal Form, 3NF)

3차 정규형은 2차 정규형을 만족하면서 다음 조건을 추가로 만족해야 합니다.

• 이행적 함수 종속성(Transitive Functional Dependency)이 없어야 합니다. 즉, 기본 키가 아닌 속성이 다른 비키 속성에 종속되는 경우가 없어야 합니다.

예시:

주문 테이블에서 '주문번호'가 기본 키이고, '고객ID'가 '주문번호'에 종속되며, '고객이름'과 '고객주소'는 '고객ID'에 종속됩니다. 이는 '주문번호' → '고객ID' → '고객이름', '고객주소'와 같은 이행적 함수 종속성이 존재함을 의미합니다.

 

주문번호	고객ID	고객이름	고객주소
101	C001	김철수	서울시
102	C002	이영희	부산시

 

3차 정규형 적용 후:

'고객이름'과 '고객주소'가 '고객ID'에 종속되므로, 이를 분리하여 새로운 테이블을 생성합니다.

주문 테이블 (기본 키: 주문번호):

주문번호	고객ID
101	C001
102	C002

 

고객 테이블 (기본 키: 고객ID):

고객ID	고객이름	고객주소
C001	김철수	서울시
C002	이영희	부산시

 

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4. 보이스-코드 정규형 (Boyce-Codd Normal Form, BCNF)

BCNF는 3차 정규형보다 더 엄격한 정규형으로, 다음과 같은 조건을 만족해야 합니다.

• 모든 결정자(Determinant)는 후보 키(Candidate Key)여야 합니다. 즉, 어떤 속성이 다른 속성을 결정한다면(함수 종속성을 가진다면), 그 속성은 반드시 후보 키여야 합니다. BCNF는 다중 후보 키가 존재하고, 그 후보 키들이 서로 겹치는 부분이 있을 때 발생할 수 있는 이상 현상을 해결하는 데 유용합니다.

예시:

수강 테이블에 '학생ID', '과목명', '교수명'이 있습니다. '학생ID'와 '과목명'은 복합 후보 키이고, '교수명'은 '과목명'에 종속되며, 한 과목을 여러 교수가 가르칠 수 있고 한 교수가 여러 과목을 가르칠 수 있습니다. 하지만 어떤 특정 과목은 특정 교수만 가르칠 수 있다고 가정해 봅시다.

 

학생ID	과목명	교수명
1	데이터베이스	김교수
2	데이터베이스	김교수
1	알고리즘	이교수

 

여기서 '과목명' → '교수명' 이라는 함수 종속성이 존재합니다 (특정 과목은 특정 교수만 가르침). 하지만 '과목명'은 후보 키가 아닙니다. 이 경우 BCNF를 위반합니다.

 

BCNF 적용 후:

수강 테이블을 '학생ID'와 '과목명'의 관계를 나타내는 테이블과 '과목명'과 '교수명'의 관계를 나타내는 테이블로 분리합니다.

 

수강 테이블 (기본 키: 학생ID, 과목명):

학생ID	과목명
1	데이터베이스
2	데이터베이스
1	알고리즘

 

과목_교수 테이블 (기본 키: 과목명):

과목명	교수명
데이터베이스	김교수
알고리즘	이교수

 

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5. 4차 정규형 (Fourth Normal Form, 4NF)

4차 정규형은 BCNF를 만족하면서 다음 조건을 추가로 만족해야 합니다.

• 다치 종속성(Multi-valued Dependency, MVD)이 없어야 합니다. MVD는 한 릴레이션에 두 개 이상의 독립적인 다치 종속성이 존재할 때 발생합니다. 즉, A →→ B (A는 B를 다치 종속시킨다)이고 A →→ C (A는 C를 다치 종속시킨다)일 때, B와 C가 서로 독립적이라면 4NF를 위반할 수 있습니다.

예시:

학생_취미_과외 테이블에서 한 학생은 여러 취미를 가질 수 있고, 여러 과외를 받을 수 있다고 가정합니다. 이때 '취미'와 '과외'는 서로 독립적인 관계입니다.

학생ID	취미	과외
1	축구	수학
1	음악	수학
1	축구	영어

 

여기서 '학생ID' →→ '취미' (학생ID는 여러 취미를 가질 수 있음) 이고 '학생ID' →→ '과외' (학생ID는 여러 과외를 받을 수 있음) 입니다. '취미'와 '과외'는 서로 독립적입니다.

 

4차 정규형 적용 후:

다치 종속성을 분리하여 독립적인 테이블로 나눕니다.

 

학생_취미 테이블 (기본 키: 학생ID, 취미):

학생ID	취미
1	축구
1	음악

 

학생_과외 테이블 (기본 키: 학생ID, 과외):

학생ID	과외
1	수학
1	영어

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5차 정규형 (Fifth Normal Form, 5NF)

5차 정규형은 4차 정규형을 만족하면서 다음 조건을 추가로 만족해야 합니다.

• 조인 종속성(Join Dependency)이 없어야 합니다. 5차 정규형은 테이블을 더 이상 분해할 수 없는 조인 종속성이 존재하지 않도록 합니다. 즉, 하나의 테이블을 여러 개의 작은 테이블로 분해했을 때, 이들을 다시 조인해도 원래 테이블과 동일한 데이터를 복원할 수 있어야 합니다. 만약 분해된 테이블들을 조인했을 때 원래 테이블에 없던 튜플이 생성된다면(Join Anomaly), 5NF를 위반한 것입니다. 현실적으로 5차 정규형까지 적용하는 경우는 드뭅니다.

예시:

공급업체_부품_프로젝트 테이블에서 특정 공급업체는 특정 부품을 특정 프로젝트에만 공급한다고 가정합니다.

공급업체	부품	프로젝트
A	CPU	X
A	RAM	Y
B	CPU	Y

 

이 테이블은 특정 조인 종속성을 가지고 있을 수 있습니다. 만약 이 테이블을 공급업체_부품, 부품_프로젝트, 공급업체_프로젝트로 분해한 후 다시 조인했을 때 원본 테이블에 없던 조합이 생긴다면 5NF를 위반한 것입니다. 5NF는 이러한 다대다(Many-to-Many) 관계가 세 개 이상의 엔티티에 걸쳐 복잡하게 얽혀 있을 때 고려됩니다.

 

5차 정규형 적용 후:

조인 종속성을 제거하기 위해 더 이상 분해할 수 없는 테이블로 나눕니다.

공급업체_부품 테이블:

공급업체	부품
A	CPU
A	RAM
B	CPU

 

 

부품_프로젝트 테이블:

부품	프로젝트
CPU	X
RAM	Y
CPU	Y

 

공급업체_프로젝트 테이블:

공급업체	프로젝트
A	X
A	Y
B	Y

 

이렇게 3개의 테이블로 분해하여 각 관계의 최소 집합을 나타냄으로써 조인 종속성을 제거하고 데이터 무결성을 극대화합니다.

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정규화는 언제까지 해야 할까요?

정규화는 데이터베이스의 효율성을 높이고 이상 현상을 방지하는 데 필수적이지만, 과도한 정규화는 조인(Join) 연산의 증가로 인해 쿼리 성능 저하를 야기할 수 있습니다. 일반적으로 3차 정규형 또는 BCNF까지 정규화를 수행하는 것이 일반적입니다. 시스템의 요구 사항과 성능을 고려하여 적절한 정규화 수준을 결정하는 것이 중요합니다.

데이터베이스 정규화에 대한 이해가 여러분의 데이터베이스 설계에 큰 도움이 되기를 바랍니다! 궁금한 점이 있다면 언제든지 댓글로 남겨주세요.