3.Трёхуровневая архитектура системы баз данных.
Внутренний (или физический , способы хранения информации на физ. устройствах)
Низкоуровневое представление всей БД, состоящей из некоторого множества экземпляров каждого из существующих внутренних записей. Другими словами внутреннее представление – предполагает наличие линейного адресного пространства. Специальные особенности методов хранения в этом адресном пространстве зависит от ОС, и не входят в архитектуру.
Концептуальный (логический, промежуточный , обобщенное представление)
Представление данных такими, какими они являются на самом деле, а не такими какими их видит пользователь в рамках определённого языка. Концептуальное представление состоит из некоторого множества экземпляров записей. Она может не совпадать как и с внешней записью, так и с физической.
Концептуальное представление определяется с помощью концептуальной схемы, включающей определения для каждого существующего типа концептуальной записи.
Концептуальное представление– представление всего содержимого БД, аконцептуальная схемаэто определение такого представления.
Внешний(пользовательский, способ представления данных для пользователей)
Индивидуальный уровень пользователя(программист или конечный пользователь).
Для прикладного программиста— С++ ,Java.
Для конечного пользователя— это или специальный запросов, разработан специально с учетом требований пользователя.
Все эти языки включают подъязык данных, т.е. подмножество операторов всего языка, связанное с объектами данных и операциями над ними. Иначе говоря подъязык встроен в базовый язык, который дополнительно обеспечивает различные несвязанные с базами данных возможности.SQL– можно использовать как самостоятельный, так и посредством внедрения операторов в другие языки.
Если язык и подъязык сильно связаны между собой и неразличимы – сильно связанные, если нетслабо связанные.
Любой подъязык делится на язык определения данных(DDL) иязык обработки данных(DML).
DDL– описательный структуры языкаPL/I, для объявления объектов БД.
DML– состоит из тех операторов языкаPL/I, которые передают информацию в БД из неё.
Внешняя схема– определение внешнего представления , которая состоит из определений записей каждого из типов, присутствующих в этом внешнем представлении.
4.Архитектура клиент-сервер
На высоком уровне систему БД можно рассматривать состоящей из двух частей:
Сервера (машина БД)
Клиенты – внешний интерфейс
БД – Сервер – Приложения (Клиенты: пользовательские & встроенные) – Конечные пользователи
«Локальная архитектура» — на одной машине и клиент, и сервер (MAccess)
Защита и целостность данных
Когда клиенты и сервер разнесены по разным машинам:
Машина #1: приложения & пользователь
Машина #2: БД & СУБД
Машина#1 – связь через удаленный доступ – Машина#2
+: различные машины → различные свойства машин → различные способности
Много клиентов, сервер один:
БД – СУБД – коммуникационная сеть –
В распределенной СУБД запрос выполняется к любому количеству серверов одновременно, в отличие от доступа к данным с какого-то определенного сервера.
Лекции / Трехуровневая модель организации баз данных
Технологии баз данных и знаний
Разработчик: доц. Бородина А.И.
1. Трехуровневая модель организации баз данных
2. Иерархические и сетевые модели данных
3. Реляционная модель данных
4. Постреляционная, многомерная, объектно-ориентированная
и объектно-реляционная модели данных Литература Глоссарий
1. ТРЕХУРОВНЕВАЯ МОДЕЛЬ ОРГАНИЗАЦИИ БАЗ ДАННЫХ
После того, как была выработана концепция базы данных и системы управления ее, специалисты, начиная с 1971 года, стали работать над общей архитектурой и терминологией базы данных. Вопросы, касающиеся того, как должна быть устроена база данных, были решены не сразу. В течение ряда лет велись научные исследования в этом направлении, предлагались различные способы реализации. В результате многократных обсуждений предлагаемых решений в 1978 году учеными была принята трехуровневая система организации данных, предложенная Национальным Институтом стандартизации –
ANSI (American National Standards Institute) и Комитетом по планированию выпуска стандартов и технических условий – SPARC Соединенных штатов Америки. В соответствии с принятой концепцией предлагается выделять три уровня абстракции представления данных: внешний, концептуальный и внутренний (рис. 1). Хотя идеология ANSI/SPARС не стала стандартом, она представляет основу для понимания основных функциональных особенностей баз данных и систем управления базами данных (СУБД).
Лекции / Трехуровневая модель организации баз данных
Рис. 1. Трехуровневая модель организации баз данных
Основное внимание в этом подходе сконцентрировано на необходимости воплощения независимости каждого уровня для изоляции программ от особенностей представления данных на более низком уровне. То есть цель этого представления – отделение пользовательского представления базы данных от ее физического представления. Фундаментальным моментом в этом подходе является выделение трех уровней абстракции, то есть трех различных уровней абстракции описания элементов данных:
§ внешний уровень – это тот, на котором представляют данные пользователи;
§ концептуальный уровень служит для отображения данных внешнего уровня на внутренний и обеспечивает необходимую независимость данных разных уровней друг от друга;
§ на внутреннем уровне данные воспринимаются СУБД и операционной
Внешний уровень – это самый верхний уровень, который отражает представление конечного пользователя о конфигурации данных (более подробно о типах пользователей баз данных будет изложено в последней лекции). Каждый пользователь представляет реальный мир по-своему, исходя из того вида работы, которую он выполняет. Остальная часть реального мира его не интересует. Некоторые представления пользователя не являются исходными, а потому в базе данных их не следует сохранять, так как они могут быть вычислены, например, вместо данных о возрасте, которые надо часто менять, следует внести в базу данные о дате рождения, и из них вычислять возраст.
Конечные пользователи часто оперируют с приложениями. Каждое приложение видит и обрабатывает только те данные, которые необходимы именно ему. Например, системе отдела кадров нужны сведения о возрасте, домашнем адресе сотрудника, а система расчета зарплаты учитывает квалификацию работника, стаж его работы.
Концептуальный уровень – это объединяющее представление данных, используемых всеми пользовательскими приложениями, работающими с данной базой. На этом уровне база данных представляет собой общий взгляд пользователя на данные проектируемой
Лекции / Трехуровневая модель организации баз данных
базы. Это, например, представление с точки зрения менеджера высшего уровня о
данных всего предприятия. Здесь описывается: какие данные хранятся в базе, и каковы связи между ними. Этот уровень отражает логическую структуру всей базы с точки зрения администратора базы данных. В действительности концептуальный уровень отражает обобщенную модель предметной области (объектов реального мира), для которой создается база данных.
Концептуальный уровень – это попытка представить требования к базе со стороны организации. И этот уровень не должен содержать никаких сведений о методах хранения данных. Здесь должны быть отражены:
§ все сущности, включаемые в базу, их атрибуты и связи;
§ накладываемые на данные ограничения;
§ семантическая информация о данных;
§ информация о мерах обеспечения безопасности и поддержки целостности
База данных на концептуальном уровне имеет высокую степень абстракции и
характеризуется аппаратной и программной независимостью . Создаваемая на этом уровне концептуальная модель служит основой для идентификации и описания основных объектов данных.
Внутренний уровень служит для адаптации концептуальной модели к конкретной СУБД. Другими словами, внутренняя уровень – это представление базы данных со стороны СУБД, и на этом уровне описывается, как данные должны храниться в компьютере. А потому на этом уровне требуется, чтобы проектировщик привел свойства и ограничения концептуальной модели в соответствие с выбранной моделью реализации базы данных. Внутренний уровень предназначен для достижения оптимальной производительности и обеспечения оптимального использования дискового пространства. На этом уровне осуществляется взаимодействие СУБД с методами доступа операционной системы. Здесь хранится такая информация:
§ распределение дискового пространства для хранения данных и индексов;
§ описание подробностей хранения данных;
§ сведения о размещении записей;
§ сведения о сжатии данных и методах их шифрования.
База данных, создаваемая на этом уровне, имеет средний уровень абстракции и
характеризуется аппаратной независимостью и программной зависимостью , то есть она зависит от программного обеспечения базы данных. А потому любые изменения в программном обеспечении СУБД потребуют изменений во внутренней модели, для того чтобы она соответствовала требованиям СУБД.
В действительности ниже внутреннего уровня находится еще уровень физического представления данных, то есть физический уровень, на котором описываются способы хранения информации на носителях, например, на винчестерах. Другими словами, физический уровень – это собственно данные, хранящиеся на внешних носителях информации и расположенные в файлах или страничных структурах. Этот уровень контролируется операционной системой, но под управлением СУБД. Здесь требуется определить, как устройства физического хранения, так и методы доступа, необходимые для извлечения данных с физического носителя. База данных, создаваемая на этом уровне, имеет самый низкий уровень абстракции и характеризуется аппаратной и программной зависимостью .
Предложенная архитектура позволяет обеспечить логическую и физическую независимость при работе с данными. Логическая независимость предполагает возможность изменения одного приложения без корректировки других, работающих с этой же базой данных. А физическая независимость предполагает возможность переноса хранимой информации с одних носителей на другие при сохранении работоспособности
Лекции / Трехуровневая модель организации баз данных
всех приложений, работающих с конкретной базой. Логическая независимость
устанавливается между 1 и 2 уровнями, а физическая между 2 и 3. Именно этого не хватало при использовании файловых систем.
В соответствии с трехуровневой архитектурой существует три различных типа схем базы данных. На самом высоком уровне имеется несколько внешних схем данных, которые соответствуют разным представлениям пользователей. На концептуальном уровне описываются все элементы и связи между ними. Для каждой базы данных имеется только одна концептуальная схема. Внутренняя схема является полным описанием данных внутреннего уровня и содержит определение хранимых записей: методы представления, описание полей данных, сведения об индексах и схемах хеширования данных. СУБД отвечает за установление соответствия между этими тремя типами схем, а также за проверку их непротиворечивости.
Три уровня архитектуры баз данных
Разработчик: доц. Бородина А.И.
План лекции
1. Трехуровневая модель организации баз данных
1. ТРЕХУРОВНЕВАЯ МОДЕЛЬ ОРГАНИЗАЦИИ БАЗ ДАННЫХ
После того, как была выработана концепция базы данных и системы управления ее, специалисты, начиная с 1971 года, стали работать над общей архитектурой и терминологией базы данных. Вопросы, касающиеся того, как должна быть устроена база данных, были решены не сразу. В течение ряда лет велись научные исследования в этом направлении, предлагались различные способы реализации. В результате многократных обсуждений предлагаемых решений в 1978 году учеными была принята трехуровневая система организации данных, предложенная Национальным Институтом стандартизации – ANSI ( American National Standards Institute ) и Комитетом по планированию выпуска стандартов и технических условий – SPARC Соединенных штатов Америки. В соответствии с принятой концепцией предлагается выделять три уровня абстракции представления данных: внешний, концептуальный и внутренний (рис. 1). Хотя идеология ANSI / SPAR С не стала стандартом, она представляет основу для понимания основных функциональных особенностей баз данных и систем управления базами данных (СУБД).
Рис. 1. Трехуровневая модель организации баз данных
Основное внимание в этом подходе сконцентрировано на необходимости воплощения независимости каждого уровня для изоляции программ от особенностей представления данных на более низком уровне. То есть цель этого представления – отделение пользовательского представления базы данных от ее физического представления. Фундаментальным моментом в этом подходе является выделение трех уровней абстракции, то есть трех различных уровней абстракции описания элементов данных:
§ внешний уровень – это тот, на котором представляют данные пользователи;
§ концептуальный уровень служит для отображения данных внешнего уровня на внутренний и обеспечивает необходимую независимость данных разных уровней друг от друга;
§ на внутреннем уровне данные воспринимаются СУБД и операционной системой.
Внешний уровень – это самый верхний уровень, который отражает представление конечного пользователя о конфигурации данных (более подробно о типах пользователей баз данных будет изложено в последней лекции). Каждый пользователь представляет реальный мир по-своему, исходя из того вида работы, которую он выполняет. Остальная часть реального мира его не интересует. Некоторые представления пользователя не являются исходными, а потому в базе данных их не следует сохранять, так как они могут быть вычислены, например, вместо данных о возрасте, которые надо часто менять, следует внести в базу данные о дате рождения, и из них вычислять возраст.
Конечные пользователи часто оперируют с приложениями. Каждое приложение видит и обрабатывает только те данные, которые необходимы именно ему. Например, системе отдела кадров нужны сведения о возрасте, домашнем адресе сотрудника, а система расчета зарплаты учитывает квалификацию работника, стаж его работы.
Концептуальный уровень – это объединяющее представление данных, используемых всеми пользовательскими приложениями, работающими с данной базой. На этом уровне база данных представляет собой общий взгляд пользователя на данные проектируемой базы. Это, например, представление с точки зрения менеджера высшего уровня о данных всего предприятия. Здесь описывается: какие данные хранятся в базе, и каковы связи между ними. Этот уровень отражает логическую структуру всей базы с точки зрения администратора базы данных. В действительности концептуальный уровень отражает обобщенную модель предметной области (объектов реального мира), для которой создается база данных.
Концептуальный уровень – это попытка представить требования к базе со стороны организации. И этот уровень не должен содержать никаких сведений о методах хранения данных. Здесь должны быть отражены:
§ все сущности, включаемые в базу, их атрибуты и связи;
§ накладываемые на данные ограничения;
§ семантическая информация о данных;
§ информация о мерах обеспечения безопасности и поддержки целостности данных.
База данных на концептуальном уровне имеет высокую степень абстракции и характеризуется аппаратной и программной независимостью. Создаваемая на этом уровне концептуальная модель служит основой для идентификации и описания основных объектов данных.
Внутренний уровень служит для адаптации концептуальной модели к конкретной СУБД. Другими словами, внутренняя уровень – это представление базы данных со стороны СУБД, и на этом уровне описывается, как данные должны храниться в компьютере. А потому на этом уровне требуется, чтобы проектировщик привел свойства и ограничения концептуальной модели в соответствие с выбранной моделью реализации базы данных. Внутренний уровень предназначен для достижения оптимальной производительности и обеспечения оптимального использования дискового пространства. На этом уровне осуществляется взаимодействие СУБД с методами доступа операционной системы. Здесь хранится такая информация:
§ распределение дискового пространства для хранения данных и индексов;
§ описание подробностей хранения данных;
§ сведения о размещении записей;
§ сведения о сжатии данных и методах их шифрования.
База данных, создаваемая на этом уровне, имеет средний уровень абстракции и характеризуется аппаратной независимостью и программной зависимостью, то есть она зависит от программного обеспечения базы данных. А потому любые изменения в программном обеспечении СУБД потребуют изменений во внутренней модели, для того чтобы она соответствовала требованиям СУБД.
В действительности ниже внутреннего уровня находится еще уровень физического представления данных, то есть физический уровень, на котором описываются способы хранения информации на носителях, например, на винчестерах. Другими словами, физический уровень – это собственно данные, хранящиеся на внешних носителях информации и расположенные в файлах или страничных структурах. Этот уровень контролируется операционной системой, но под управлением СУБД. Здесь требуется определить, как устройства физического хранения, так и методы доступа, необходимые для извлечения данных с физического носителя. База данных, создаваемая на этом уровне, имеет самый низкий уровень абстракции и характеризуется аппаратной и программной зависимостью.
Предложенная архитектура позволяет обеспечить логическую и физическую независимость при работе с данными. Логическая независимость предполагает возможность изменения одного приложения без корректировки других, работающих с этой же базой данных. А физическая независимость предполагает возможность переноса хранимой информации с одних носителей на другие при сохранении работоспособности всех приложений, работающих с конкретной базой. Логическая независимость устанавливается между 1 и 2 уровнями, а физическая между 2 и 3. Именно этого не хватало при использовании файловых систем.
В соответствии с трехуровневой архитектурой существует три различных типа схем базы данных. На самом высоком уровне имеется несколько внешних схем данных, которые соответствуют разным представлениям пользователей. На концептуальном уровне описываются все элементы и связи между ними. Для каждой базы данных имеется только одна концептуальная схема. Внутренняя схема является полным описанием данных внутреннего уровня и содержит определение хранимых записей: методы представления, описание полей данных, сведения об индексах и схемах хеширования данных. СУБД отвечает за установление соответствия между этими тремя типами схем, а также за проверку их непротиворечивости.