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데이터 모델링 단계는 개념데이터 모델링, 논리데이터 모델링, 물리데이터 모델링 등 3단계로 나눌 수 있다. 개념데이터 모델링 단계에서는 주제별로 분류 가능한 업무를 분석한 후 핵심 엔티티를 추출하고 그들 간의 관계를 정의하여 전체 데이터 모델의 골격을 만든다. 논리데이터 모델링 단계에서는 엔티티와 엔티티간 관계를 바탕으로 속성을 정의하고 식별자를 확정하며 정규화와 같은 상세화 과정을 수행한다. 물리데이터 모델링 단계는 논리데이터 모델을 기반으로 일정한 기준과 규칙에 의해 데이터구조를 구성하고, 테이블 및 컬럼 등을 정의한다. 또한 데이터 사용량을 분석 예측하여 인덱스 정의 및 역정규화 작업을 수행한다. 3단계에서 모두 개체-관계 다이어그램(ERD, Entity-Relationship Diagram)을 통해 표현할 수 있다.
데이터 모델링 3단계는 전체 모델 골격을 만드는 개념데이터 모델링, 상세화를 수행하는 논리데이터 모델링, 테이블·컬럼 정의 및 인덱스 정의 및 역정규화의 물리데이터 모델링이고, 개체-관계 다이어그램으로 표현 가능하다.