Мир ПК - Linux - Архитектура базы данных

Архитектура БД. Модели данных, используемые на различных этапах проектирования БД.

Основной целью любой СУБД является возможность предложить обычному пользователю базы данных абстрактное представление данных, скрыв от пользователя особенности хранения и управления ими. Поскольку база данных, как правило, разрабатывается как общий ресурс для большого количества пользователей, то каждому пользователю может потребоваться своё, отличное от других пользователей представление о данных, хранимых в БД. Это вызвано следующими причинами:
— каждый пользователь иметь право обращаться к общим данным, используя своё представление о них;
— взаимодействие пользователя с БД не должно зависеть от особенностей её физической организации;
— администратор базы данных (АБД) должен иметь возможность изменять структуру и формат данных, не оказывая влияния на пользовательские представления;
— внутренняя структура БД не должна зависеть от таких изменений физических аспектов хранения информации, как переключение на новое устройство хранения;
— АБД должен иметь возможность изменять концептуальную или глобальную структуру данных без какого—либо влияния на всех пользователей.
Для удовлетворения этих потребностей архитектура большинства современных коммерческих СУБД, существующих на рынке программного обеспечения, в той или иной мере, строится на базе так называемой архитектуры ANSI—SPARC. Название произошло по названию комитета планирования стандартов и норм (Standards Planning and Requirements Committee SPARC) национального института стандартизации (American National Standard Institute— ANSI) США. Комитет признал необходимость использования трехуровневого подхода к организации БД. Этот подход отделяет пользовательские представления базы данных от её физического представления посредством создания независимого уровня, изолирующего программы от особенностей представления данных на низком уровне.
Архитектура БД представлена на рисунке 1.
Внешний уровень – это индивидуальное представление БД с точки зрения отдельного пользователей. Пользователи могут быть разные, с разным уровнем подготовки. Каждый пользователь представляет данные в соответствии с формами различных документов, присущих данной предметной области. При этом одни и те же данные могут иметь различную форму представления — формат (тип), длину. Например, сведения о зарплате – их можно увидеть в виде итоговой суммы в записи ведомости, либо в виде перечня составляющих – различных начислений и удержаний.

ПП1 – представление 1—го пользователя, ППк – представление к—того пользователя

Рисунок 1 — Трехуровневая архитектура БД

Некоторые представления могут включать производные или вычисляемые данные, которые не хранятся в БД, а создаются по мере необходимости пользователя.
Индивидуальное внешнее представление называют подсхемой.
Концептуальный уровень отображает обобщенное представление пользователей. Это промежуточный уровень в трехуровневой архитектуре БД, представляющий данные такими, какими они есть на самом деле, а не такими, какими их вынужден видеть пользователь в рамках какого—то инструментального средства или на формах приложений. Концептуальный уровень поддерживает каждое внешнее представление, однако не содержит сведений о методах хранения данных. Этот уровень интересен администратору БД и может быть представлен концептуальными схемами.
Внутренний уровень на языке определения данных (ЯОД) выбранной СУБД представляет, в каком виде информация хранится в БД, описывает структуры объектов БД. Внутреннее представление не связано с физическим уровнем, так как в нем не рассматривается организация физических записей (блоков и страниц памяти), физические области хранения.
Необходимо заметить, что описание уровней архитектуры БД можно представить в виде некоторого технического описания (бумажном или электронном), разработанного с помощью различных средств и правил.

В соответствии с архитектурой БД, существуют несколько внешних схем или подсхем, каждая из которых соответствует разным представлениям данных, одна концептуальная схема БД и одна внутренняя схема БД. Каждая внешняя схема связана с концептуальной с помощью внешне концептуального отображения. Концептуальная схема связана с внутренней посредством концептуально внутреннего отображения. Схемы и отображения создаются администратором БД средствами СУБД.

Основным назначением трехуровневой архитектуры БД является обеспечение независимости описаний базы данных (схем БД), получаемых на различных уровнях, следовательно, независимость прикладных программ от данных, что является одним из основных достоинств базы данных.

Различают логическую и физическую независимость данных.

Логическая независимость данных поддерживает защищенность внешних схем от изменений, вносимых на концептуальном уровне. Так, например, при функциональном развитии АИС проводится дообследование предметной области и в концептуальную схему добавляется описание новых данных предметной области. При этом некоторые внешние схемы даже не замечают этих изменений, часть пользователей работает с БД в прежнем виде.

Физическая независимость поддерживает защищенность концептуальной схемы от изменений, вносимых на физическом уровне. Например, добавление индексов, создание триггеров не требуют внесения изменений в концептуальную схему. Также, возможен перевод физической модели БД на ЯОД другой СУБД без внесения изменений во внешние схемы. Пользователь сможет заметить только увеличение производительности системы.
Для того чтобы создать БД необходимо осуществить проектирование схем каждого уровня архитектуры БД.

Модели данных

Одним из важнейших моментов в процессе проектирования БД является понимание концепций, лежащих в основе моделей данных, используемых как в качестве инструмента проектирования, так и в качестве результата проектирования. В сложившейся терминологии БД и инструменты проектирования, и его результаты рассматриваются как модели. Необходимо различать назначение каждой используемой в процессе проектирования модели данных.

В современной трактовке термин «модель данных» обозначает инструмент моделирования. Модель базы данных (схема данных) или модель предметной области являются результатами моделирования.

Модель данных это интегрированный набор понятий для описания данных, связей между ними и ограничений, накладываемых на данные на предприятии.

Для реализации успешного проектирования БД необходимо для каждой модели – инструмента знать три её основных компонента:
— набор правил, определяющих структуру данных;
— определение типов допустимых операций с данными;
— набор ограничений поддержки целостности данных.

Исходя из трехуровневой архитектуры БД, различают три, связанных между собой, модели данных, получаемых в результате проектирования и отображающие результаты проектирования.
1. Внешняя модель данных, отображает обобщенное представление всех пользователей. Эту модель называют описанием предметной области, формируемым на естественном языке. Представить внешнюю модель можно как в формализованном (схемы, рисунки, таблицы), так и в неформализованном (словесное описание на языке проектировщиков) виде.
2. Концептуальная модель. Она может быть выражена в виде диаграммы, схемы, рисунка, отображающего обобщенное логическое представление информации предметной области (концептуальная информационно логическая модель предметной области) или в виде рисунка, схемы, отображающего обобщенное логическое представление данных (концептуальная логическая модель данных), не зависимое от выбранной СУБД.
3. Внутренняя модель. Является результатом отображения концептуальной модели средствами языка определения данных выбранной СУБД.

В литературе по БД предложено и опубликовано достаточно много различных моделей данных, используемых при проектировании БД как инструментальное средство. Модели, отображающие уровни архитектуры БД, строятся по правилам этих моделей.

Модели данных, как инструменты, делятся на 3 основные категории:

1. Объектные модели данных. В этих моделях используются такие понятия как: классы объектов (типы сущностей), объекты (экземпляры сущностей), свойства классов объектов (атрибуты сущностей), связи между классами объектов. В скобках приведена исторически ранняя терминология, используемая в теории баз данных.
Среди объектных моделей выделяют наиболее общие типы:
— семантические модели. Их назначение – обеспечение возможности выражения семантики (смыла) предметной области. Это, например, модели типа «сущность—связь» (ER—модели — Entity Relationship model), отображающие семантику предметной области в виде ER—диаграмм;
— функциональные модели, дающие представление о функциях автоматизируемого предприятия, о распределении ответственности за их выполнение. Результаты использования функциональных моделей могут быть представлены в виде диаграмм бизнес—функций, диаграмм потоков данных;
—объектно—ориентированные модели. Эти модели расширяет определение класса объектов (сущности) предметной области с целью включения в определение не только свойств, описывающих состояние объекта, но и действий, которые с ним связаны, т.е. его поведение. Это, например, модели, основанные на использовании языка UML (Unified Modeling Language — унифицированного языка моделирования). Описание предметной области получают в виде различных диаграмм — диаграмм вариантов использования, диаграмм деятельности, диаграмм классов.
В настоящее время для проектирования БД, получения концептуальной инфологической модели предметной области, широко используются семантические модели «сущность—связь».
2. Модели на основе физических записей. Такие модели позволяют описывать логическую структуру БД в виде записей, фиксированного формата. Каждый тип записи определяет фиксированное количество полей, каждое из которых имеет фиксированную длину. Существует три основных типа логических моделей данных на основе записей:
— иерархическая (hierarchical data model);
— сетевая (network data model);
— реляционная (relational data model).
3. Физические модели данных. Модель содержит всю информацию, необходимую для реализации конкретной БД в среде выбранной (целевой) СУБД. В физической модели в виде описания содержится информация обо всех объектах БД. В описании объектов БД определяется физический формат данных, реализуются ограничения предметной области, бизнес—логика автоматизируемого предприятия, уровни доступа пользователей. Описание создается на языке определения данных (ЯОД) выбранной (целевой) СУБД. В состав ЯОД входят операторы, позволяющие создать или удалить объект БД, модифицировать его структуру. Физическая модель данных не затрагивает вопросы физического размещения данных на машинных носителях, в настоящее время это максимально реализуется средствами СУБД.
Модели первых двух групп используются для формирования концептуального уровня архитектуры БД, третьей – для описания БД на внутреннем уровне.
Модель данных, полученная в результате проектирования, должна представлять автоматизируемое предприятие в таком виде, который позволит проектировщикам и пользователям БД обмениваться конкретными недвусмысленными мнениями.

Читать еще: Архитектура x86 64

Оптимальная модель данных, полученная в результате проектирования, должна удовлетворять следующим критериям:
— обладать структурной достоверностью – способы определения информации в модели данных должны соответствовать организации информации на рассматриваемом предприятии;
— быть относительно простотой, легко понимаемой, как профессионалами в области разработки БД, так и обычными пользователями;
— обладать выразительностью — представлять отличия между разными типами данных, связями и ограничениями;
— обладать отсутствием избыточности, любая часть данных должна быть представлена только один раз;
— обладать возможностью совместного использования, не принадлежать к какому—то особому приложению или технологии;
— быть целостной, согласованной со способами использования и управления информацией внутри предприятия;
— обладать расширяемостью, эволюционировать с целью включения новых требований с минимальным влиянием на уже существующих пользователей;
— иметь возможность представления в виде диаграмм.

В таблице 1 представлены модель, которые будем использовать при проектировании базы данных

Таблица 1 — Модели данных

Модель данных, как инструмент, используемый для формирования схемы БД

Функциональные модели, модели на основе языка UML.

Архитектура баз данных

Введение в базы данных. Базы данных, системы управления базами данных, банки данных. Организация баз данных: иерархическая, сетевая, реляционная и объектная.

База данных – это некоторый набор перманентных (постоянных) данных, используемых прикладными системами какого-либо предприятия [Ошибка! Источник ссылки не найден.].

База данных – это средство для рационального и эффективного хранения информации [Ошибка! Источник ссылки не найден.].

База данных – это самодокументированное собрание интегрированных записей [Ошибка! Источник ссылки не найден.]. База данных является самодокументированной, так как она содержит в дополнение к исходным данным пользователя, описание собственной структуры.

В целом, база данных обеспечивает хранение информации, а также удобный и быстрый доступ к данным. БД представляет собой совокупность данных различного характера, организованных по определенным правилам.

СУБД является совокупностью языковых и программных средств, предназначенных для создания, ведения и использования БД. Концептуально работу СУБД можно описать следующим образом (рис.3.1) [Ошибка! Источник ссылки не найден.]:

· пользователь формирует запрос на доступ к данным, применяя определенный язык манипулирования данными (обычно это SQL);

· СУБД получает этот запрос и анализирует его;

· СУБД выполняет необходимые операции в хранимой базе данных;

· СУБД возвращает приложению данные, удовлетворяющие поставленному запросу.

В целом назначением СУБД является предоставление пользовательского интерфейса с системой баз данных. Пользовательский интерфейс может быть определен как существующий в системе ограничительный уровень, ниже которого для пользователя все остается невидимым.

По характеру использования СУБД разделяют на:

Персональная СУБД обеспечивает возможность создания локальных БД, работающих на одном компьютере. К персональным СУБД относятся Рагаdох, dBase, FохРго, Ассеss (ранних версий) и др.

Уровень архитектуры БД

Рисунок 3.1 – Концепция работы СУБД

Многопользовательские СУБД позволяют создавать информационные системы, функционирующие в архитектуре «клиент-сервер». К многопользовательским СУБД относятся Огас1е, Informiх, SyBase, Мiсгоsoft SQL Server, InterBasе и другие.

В состав языковых средств современных СУБД входят:

· язык описания данных, предназначенный для описания логической структуры данных (DDL Data Definition Language);

· язык манипулирования данными, обеспечивающий выполнение основных операций над данными – ввод, модификацию и выборку (DML Data Manipulation Language);

· язык структурированных запросов (SQL Structured Query Language), обеспечивающий управление структурой БД и манипулирование данными, а также являющийся стандартным средством доступа к удаленным БД;

· язык запросов по образцу (QВЕ – Query Ву Ехаmp1е), обеспечивающий визуальное конструирование запросов к БД.

Обычно на СУБД возлагается выполнение следующих функций:

· манипулирование данными (хранение, извлечение и обновление);

· сервис (поддержание целостности, справочные функции, восстановление базы).

Прикладные программы, или приложения, служат для обработки данных, содержащихся в БД. Пользователь осуществляет управление БД и работу с ее данными именно с помощью приложений, которые также называют приложениями БД.

Термин «Банк данных» в литературе трактуется по-разному. В нашем рассмотрении под банком данных (БнД) будет подразумеваться информационная система, в которой база данных выступает как информационное ядро. В этой трактовке БнД можно определить как систему языковых, алгоритмических, программных, организационных и технических средств, обеспечивающих централизованное создание и поддержку совокупности коллективно используемых данных, а также сами данные, существующие в форме одной или нескольких баз данных.

Архитектура баз данных

В зависимости от организации данных различают следующие основные модели представления данных в БД:

В иерархической модели данные представляются в виде древовидной (иерархической) структуры (рис.3.2).

Рисунок 3.2 – Иерархическая модель БД

Подобная организация данных удобна для работы с иерархически упорядоченной информацией, однако при оперировании данными со сложными логическими связями иерархическая модель оказывается слишком громоздкой.

В сетевой модели данные организуются в виде произвольного графа (рис.3.3). Недостатком сетевой модели является жесткость структуры и высокая сложность организации.

Рисунок 3.3 – Сетевая модель БД

Кроме того, значительным недостатком иерархической и сетевой моделей является также то, что структура данных задается на этапе проектирования БД не может быть изменена при организации доступа к данным.

В объектно-ориентированной модели отдельные записи базы данных представляются в виде объектов. Между записями базы данных и функциями их обработки устанавливаются взаимосвязи с помощью механизмов, подобных соответствующим средствам в объектно-ориентированных языках программирования. Объектно-ориентированные модели сочетают особенности сетевой реляционной моделей и используются для создания крупных БД со сложными структурами данных.

Основные понятия и определения

Современные авторы часто употребляют термины » банк данных » и » база данных » как синонимы, однако в общеотраслевых руководящих материалах по созданию банков данных Государственного комитета по науке и технике (ГКНТ), изданных в 1982 г., эти понятия различаются. Там приводятся следующие определения банка данных, базы данных и СУБД :

Банк данных (БнД) — это система специальным образом организованных данных — баз данных, программных, технических, языковых, организационно-методических средств, предназначенных для обеспечения централизованного накопления и коллективного многоцелевого использования данных.

База данных ( БД ) — именованная совокупность данных, отражающая состояние объектов и их отношений в рассматриваемой предметной области .

Система управления базами данных ( СУБД ) — совокупность языковых и программных средств, предназначенных для создания, ведения и совместного использования БД многими пользователями.

Сухой канцелярский язык труден для восприятия, но эти определения четко разграничивают назначение всех трех базовых понятий, и мы можем принять их за основу.

Программы, с помощью которых пользователи работают с базой данных, называются приложениями. В общем случае с одной базой данных могут работать множество различных приложений. Например, если база данных моделирует некоторое предприятие, то для работы с ней может быть создано приложение , которое обслуживает подсистему учета кадров, другое приложение может быть посвящено работе подсистемы расчета заработной платы сотрудников, третье приложение работает как подсистемы складского учета, четвертое приложение посвящено планированию производственного процесса. При рассмотрении приложений, работающих с одной базой данных, предполагается, что они могут работать параллельно и независимо друг от друга, и именно СУБД призвана обеспечить работу множества приложений с единой базой данных таким образом, чтобы каждое из них выполнялось корректно, но учитывало все изменения в базе данных, вносимые другими приложениями.

Архитектура базы данных. Физическая и логическая независимость

Терминология в СУБД , да и сами термины » база данных » и » банк данных » частично заимствованы из финансовой деятельности . Это заимствование — не случайно и объясняется тем, что работа с информацией и работа с денежными массами во многом схожи, поскольку и там и там отсутствует персонификация объекта обработки: две банкноты достоинством в сто рублей столь же неотличимы и взаимозаменяемы, как два одинаковых байта (естественно, за исключением серийных номеров). Вы можете положить деньги на некоторый счет и предоставить возможность вашим родственникам или коллегам использовать их для иных целей. Вы можете поручить банку оплачивать ваши расходы с вашего счета или получить их наличными в другом банке, и это будут уже другие денежные купюры, но их ценность будет эквивалентна той, которую вы имели, когда клали их на ваш счет.

В процессе научных исследований, посвященных тому, как именно должна быть устроена СУБД , предлагались различные способы реализации. Самым жизнеспособным из них оказалась предложенная американским комитетом по стандартизации ANSI (American National Standards Institute) трехуровневая система организации БД , изображенная на рис. 2.1:

Уровень внешних моделей — самый верхний уровень, где каждая модель имеет свое «видение» данных. Этот уровень определяет точку зрения на БД отдельных приложений. Каждое приложение видит и обрабатывает только те данные, которые необходимы именно этому приложению. Например, система распределения работ использует сведения о квалификации сотрудника, но ее не интересуют сведения об окладе, домашнем адресе и телефоне сотрудника, и наоборот, именно эти сведения используются в подсистеме отдела кадров.
Концептуальный уровень — центральное управляющее звено, здесь база данных представлена в наиболее общем виде, который объединяет данные, используемые всеми приложениями, работающими с данной базой данных. Фактически концептуальный уровень отражает обобщенную модель предметной области (объектов реального мира), для которой создавалась база данных. Как любая модель, концептуальная модель отражает только существенные, с точки зрения обработки, особенности объектов реального мира.
Физический уровень — собственно данные, расположенные в файлах или в страничных структурах, расположенных на внешних носителях информации.

Эта архитектура позволяет обеспечить логическую (между уровнями 1 и 2) и физическую (между уровнями 2 и 3) независимость при работе с данными. Логическая независимость предполагает возможность изменения одного приложения без корректировки других приложений, работающих с этой же базой данных. Физическая независимость предполагает возможность переноса хранимой информации с одних носителей на другие при сохранении работоспособности всех приложений, работающих с данной базой данных. Это именно то, чего не хватало при использовании файловых систем.

Выделение концептуального уровня позволило разработать аппарат централизованного управления базой данных.

Процесс прохождения пользовательского запроса

Рисунок 2.2 иллюстрирует взаимодействие пользователя, СУБД и ОС при обработке запроса на получение данных. Цифрами помечена последовательность взаимодействий:

Пользователь посылает СУБД запрос на получение данных из БД.
Анализ прав пользователя и внешней модели данных, соответствующей данному пользователю, подтверждает или запрещает доступ данного пользователя к запрошенным данным.
В случае запрета на доступ к данным СУБД сообщает пользователю об этом (стрелка 12) и прекращает дальнейший процесс обработки данных, в противном случае СУБД определяет часть концептуальной модели, которая затрагивается запросом пользователя.
СУБД запрашивают информацию о части концептуальной модели.
СУБД получает информацию о запрошенной части концептуальной модели.
СУБД запрашивает информацию о местоположении данных на физическом уровне (файлы или физические адреса).
В СУБД возвращается информация о местоположении данных в терминах операционной системы.
СУБД вежливо просит операционную систему предоставить необходимые данные, используя средства операционной системы.
Операционная система осуществляет перекачку информации из устройств хранения и пересылает ее в системный буфер.
Операционная система оповещает СУБД об окончании пересылки.
СУБД выбирает из доставленной информации, находящейся в системном буфере, только то, что нужно пользователю, и пересылает эти данные в рабочую область пользователя.

БМД — это База Метаданных,именно здесь и хранится вся информация об используемых структурах данных, логической организации данных, правах доступа пользователей и, наконец, физическом расположении данных. Для управления БМД существует специальное программное обеспечение администрирования баз данных, которое предназначено для корректного использования единого информационного пространства многими пользователями.

Всегда ли запрос проходит полный цикл? Конечно, нет. СУБД обладает достаточно развитым интеллектом, который позволяет ей не повторять бессмысленных действий. И поэтому, например, если этот же пользователь повторно обратится к СУБД с новым запросом, то для него уже не будут проверяться внешняя модель и права доступа , а если дальнейший анализ запроса покажет, что данные могут находиться в системном буфере, то СУБД осуществит только 11 и 12 шаги в обработке запроса.

Разумеется, механизм прохождения запроса в реальных СУБД гораздо сложнее, но и эта упрощенная схема показывает, насколько серьезными и сложными должны быть механизмы обработки запросов, поддерживаемые реальными СУБД .

Пользователи банков данных

Как любой программно-организационно-техничеcкий комплекс, банк данных существует во времени и в пространстве. Он имеет определенные стадии своего развития:

Проектирование.
Реализация.
Эксплуатация.
Модернизация и развитие.
Полная реорганизация.

На каждом этапе своего существования с банком данных связаны разные категории пользователей.

Определим основные категории пользователей и их роль в функционировании банка данных:

Конечные пользователи.Это основная категория пользователей, в интересах которых и создается банк данных . В зависимости от особенностей создаваемого банка данных круг его конечных пользователей может существенно различаться. Это могут быть случайные пользователи, обращающиеся к БД время от времени за получением некоторой информации, а могут быть регулярные пользователи. В качестве случайных пользователей могут рассматриваться, например, возможные клиенты вашей фирмы, просматривающие каталог вашей продукции или услуг с обобщенным или подробным описанием того и другого. Регулярными пользователями могут быть ваши сотрудники, работающие со специально разработанными для них программами, которые обеспечивают автоматизацию их деятельности при выполнении своих должностных обязанностей. Например, менеджер, планирующий работу сервисного отдела компьютерной фирмы, имеет в своем распоряжении программу, которая помогает ему планировать и распределять текущие заказы, контролировать ход их выполнения, заказывать на складе необходимые комплектующие для новых заказов. Главный принцип состоит в том, что от конечных пользователей не должно требоваться каких-либо специальных знаний в области вычислительной техники и языковых средств.
Администраторы банка данных.Это группа пользователей, которая на начальной стадии разработки банка данных отвечает за его оптимальную организацию с точки зрения одновременной работы множества конечных пользователей, на стадии эксплуатации отвечает за корректность работы данного банка информации в многопользовательском режиме. На стадии развития и реорганизации эта группа пользователей отвечает за возможность корректной реорганизации банка без изменения или прекращения его текущей эксплуатации.
Разработчики и администраторы приложений.Это группа пользователей, которая функционирует во время проектирования, создания и реорганизации банка данных. Администраторы приложений координируют работу разработчиков при разработке конкретного приложения или группы приложений, объединенных в функциональную подсистему. Разработчики конкретных приложений работают с той частью информации из базы данных, которая требуется для конкретного приложения.

Не в каждом банке данных могут быть выделены все типы пользователей. Мы уже знаем, что при разработке информационных систем с использованием настольных СУБД администратор банка данных, администратор приложений и разработчик часто существовали в одном лице. Однако при построении современных сложных корпоративных баз данных, которые используются для автоматизации всех или большей части бизнес-процессов в крупной фирме или корпорации, могут существовать и группы администраторов приложений, и отделы разработчиков. Наиболее сложные обязанности возложены на группу администратора БД .

Рассмотрим их более подробно.

В составе группы администратора БД должны быть:

системные аналитики;
проектировщики структур данных и внешнего по отношению к банку данных информационного обеспечения;
проектировщики технологических процессов обработки данных;
системные и прикладные программисты;
операторы и специалисты по техническому обслуживанию.

Если речь идет о коммерческом банке данных, то важную роль здесь играют специалисты по маркетингу.

Архитектура базы данных: понятие, определение, уровни

Как называется совокупность основных структурных, функциональных компонентов различных БД, СУБД (систем управления базами данных)? Этот комплекс в информационной науке принято называть архитектурой базы данных, СУБД. Предлагаем вам досконально разобрать это понятие, типы подобных комплексов, их трехуровневое разбиение.

Что это?

Архитектура базы данных — комплекс структурных компонентов БД, а также средств, обеспечивающих их взаимодействие как друг с другом, так и с конечным пользователем, системным персоналом.

Данное определение отражает одну из важнейших функций хранилищ информации — обеспечение возможности абстракции сведений БД. Она и формирует сложившийся в наши дни подход к архитектуре данных.

Отсюда возникает новый вопрос: в чем суть, предназначение абстракции данных? Предоставляемые системой, они (абстракции) будут основным средством поддержки независимости ведения хранилищ информации (другими словами, БД) разными группами конечных пользователей. По-иному это называется независимостью данных системы.

Виды БД

Архитектура систем управления базами данных будет различной в зависимости от разновидности последних. На сегодня выделяется два вида БД:

централизованный;
распределенный.

С особенностями каждой из разновидностей мы предлагаем читателю ознакомиться далее.

Централизованные базы данных

Главное отличие этих БД: они хранятся в памяти одной вычислительной системы. Но если база, в свою очередь, будет компонентом сетей ЭВМ, то становится возможным распределенный доступ к базам данных. То есть БД будет открытой для пользователей электронно-вычислительных машин, подключенных к данной сети. Подобное использование характерно для локальных систем ЭВМ, создаваемых на базе организаций, компаний.

Распределенные базы данных

Что важно знать об архитектуре распределенных баз данных? Такие БД состоят из нескольких частей, хранящихся в различных ЭВМ одной сети. Возможно, информация тут будет дублироваться, пересекаться. Что удобно, пользователю распределенной базы данных не нужно знать, каким образом элементы хранилища информации размещены в узлах подобной сети. Чаще всего он воспринимает этот комплекс сведений как единое целое.

Как осуществляется работа с подобной БД? С помощью системы управления распределенными базами данных (СУРБД). Ее системный справочник будет описывать информацию, содержащуюся в хранилище данных, основы ее размещения в сети. В свою очередь, сам справочник может быть декомпозирован, размещен в различных узлах общей сети.

Составные части распределенной БД размещаются на отдельных подключенных к ней ЭВМ. Ими управляют уже собственные (локальные) СУБД электронно-вычислительных устройств. Что важно отметить, подобные локальные системы управления хранилищами информации необязательно должны быть одинаковыми в различных узлах общей сети. Однако объединение таковых различных локальных баз данных в единую систему — весьма сложная научно-техническая задача. Для ее успешного решения потребовался целый комплекс экспериментальных мероприятий, теоретических разработок.

Типы БД по способу доступа к ним

Архитектура базы данных также будет различаться по способу доступа к находящейся в хранилище информации:

Доступ локальный.
Доступ удаленный (сетевой).

Последний тип доступа предполагает разделение архитектуры подобных систем еще на две вариации:

Снова предлагаем читателю разобраться с представленными разновидностями подробнее.

БД «файл-сервер»

Подобная архитектура комплексов баз данных предполагает выделение одного из устройств сети ЭВМ в качестве центрального. Оно будет считаться сервером файлов. На главной машине хранится совместно используемая централизованная база данных. Другие же устройства сети выступают рабочими станциями, которые поддерживают пользовательский доступ к основной БД.

В системе «файл-сервер» каждый пользователь имеет возможность запускать приложение, находящееся на главной машине. Притом на его устройстве будет открываться только копия данной программы.

По пользовательским запросам файлы центральной базы данных (находящейся на сервере) передаются на компьютеры — рабочие станции. Там и происходит обработка информации. У пользователей, работающих с общей БД, на компьютерах появляется локальная ее копия. Последняя периодически обновляется по мере наполнения основного хранилища на сервере свежей информацией.

Подобная архитектура систем БД более всего характерна для сетей, к которым подключено небольшое число пользователей. Для ее реализации типично использование персональных СУБД (к примеру, Paradox, DBase). Недостатком архитектуры является критически низкая производительность системы при одновременном доступе нескольких пользователей к одним и тем же данным.

БД «клиент-сервер»

Здесь также предполагается наличие машины в сети, которая будет являться главной. Однако архитектура базы данных «клиент-сервер» имеет и собственную особенность. Главный компьютер не только хранит централизованную БД, но и обеспечивает основную часть обработки требуемых пользователю данных.

Технология разделяет систему на две части: серверную и клиентскую. Последняя будет обеспечивать интерактивный сервис, а серверная — разделение информации, управление данными, безопасность и администрирование.

Что предполагает архитектура клиент-серверных баз данных? Клиентское приложение здесь оформляет и отправляет запрос удаленному компьютеру-серверу, где расположено централизованное хранилище информации. Он (запрос) составлен на специальном языке SQL — стандарте доступа к серверу при использовании реляционных БД.

После получения запроса удаленный сервер перенаправляет его SQL-серверу. Так называется программа, ответственная за управление удаленной базой данных. Она обеспечивает выполнение запроса, предоставляет клиенту требуемые результаты по нему.

Таким образом, вся обработка запросов здесь будет проходить на удаленном сервере. Чтобы реализовать подобную архитектуру, необходимо задействовать многоуровневые СУБД. Второе их название — промышленные. Такие СУБД способны организовать масштабную инфосистему, состоящую из большого числа пользователей.

Три уровня архитектуры БД

Архитектура баз данных подразделяется на три основных уровня — три степени описания элементов БД:

Внешний. На данном уровне информация воспринимается пользователями.
Внутренний. На этом уровне информация воспринимается операционными системами, СУБД (системами управления базами данных).
Концептуальный. Здесь осуществляется отображение внешнего уровня архитектуры системы баз данных на внутренний, обеспечение необходимой их независимости друг от друга.

Предлагаем читателю более подробно познакомиться с каждой из вышепредставленных степеней.

Внешний уровень

Внешний уровень архитектуры систем баз данных — это предоставление информации с позиции людей-пользователей.

Что из этого следует? Уровень описывает пользовательскую часть баз данных (относящихся к каждому пользователю). В свою очередь, она будет состоять из нескольких внешних представлений хранилищ информации, БД.

Что удобно, каждый пользователь здесь имеет дело с таким образом «реального мира», который более всего адаптирован под него. Внешнее представление будет содержать в себе только те сущности, связи и атрибуты, что интересны и полезны конкретному «юзеру».

Не стоит полагать, что ненужные для пользователя атрибуты, сущности и связи не существуют в базе данных. Они есть, но «юзер» чаще всего не подозревает об их существовании.

Если обратиться к терминологии ANSI/SPARC (Американского национального института стандартов), то представление каждого отдельного пользователя здесь будет называться внешним. В него будет входить содержимое БД — такое, каким его видит конкретный «юзер». Каждое такое внешнее представление определяется посредством внешней системы. Она же состоит из определения записи каждого типа, присутствующего во внешнем представлении.

Концептуальный уровень

Продолжаем разбирать архитектуру сервера, баз данных. Следующий ее уровень — концептуальный. Он включает в себя обобщающее представление о хранилище информации. Будет описывать, какие именно сведения хранятся в базе данных, а также каковы связи, их объединяющие.

С точки зрения администратора, хранилище содержит в себе логическую структуру БД. Данный уровень архитектуры базы данных — это фактически полное представление требований информации со стороны компании, предприятия, которое не будет зависеть от любых соображений относительно способа, методики ее (информации) хранения.

Элементы концептуального уровня

Перечислим компоненты, представленных на концептуальном уровне архитектуры:

Совокупность сущностей, их атрибутов, связей между ними.
Ограничения, что могут быть наложены на данные.
Семантическая информация о сведениях в БД (связанная с их смыслом и значением).
Информация по мерам обеспечения безопасности хранения данных, общей поддержки их целостности.

Концептуальный уровень призван поддерживать каждое из внешних представлений. Любая доступная пользователю информация из БД должна содержаться (или может быть вычислена) именно на данном уровне. Однако следует помнить, что информация о методах хранения данных в системе здесь не хранится.

Внутренний уровень

И последняя ступень трехуровневой архитектуры базы данных. Тут находится физическое представление в компьютере БД. Что это значит? Уровень предназначен для описания физической реализации базы данных. Кроме того, с его помощью достигается оптимальная производительность, обеспечивается экономное использование дискового пространства компьютерной системы.

Содержит в себе описание структур данных, организации конкретных файлов, которые используются для реализации хранения информации на дисковых пространствах, запоминающих устройствах. Здесь, на внутреннем уровне, СУБД взаимодействует с методами, способами доступа операционных систем, вспомогательным функционалом хранения и извлечения записей сведений. Цель всего перечисленного: размещать информацию на запоминающих устройствах, извлекать данные, создавать индексы и проч.

Ниже данного будет находиться физический уровень. Его контролирует уже операционная система, однако все же под контролем СУБД.

Элементы внутреннего уровня

Внутренний уровень архитектуры приложения, базы данных хранит в себе следующую информацию:

О распределении дискового пространства для сохранения индексов и сведений.
Подробное описание сохранения записи (где указываются реальные объемы сохраняемых данных).
Информация о размещении записей.
Сведения о сжатии данных, избранных методик их шифрования.

Вы познакомились с распространенными типами, видами архитектур систем баз данных. Также мы представили уровни архитектуры СУБД — внешний, внутренний и концептуальный, их характеристики и элементы.

Архитектура базы данных — Мир ПК