Трехуровневая архитектура ansi-sparc
Первая попытка создания стандартной терминологии и общей архитектуры СУБД была предпринята в 1971 году группой, называемой DBTG(data base technology group).
Она была создана после конференции СОDASYL (Conference on Data System and Languages – Конференция по языкам и системам, данных), прошедшей в этом же году.
Группа DBTG признала необходимость использования двухуровневого подхода, построенного на основе использования системного представления, т.е. схемы (schema), и пользовательских представлений, т.е. подсхем (subschema).
Сходные терминология и архитектура были предложены в 1975 году Комитетом планирования стандартов и норм SPARC (Standards Planning and Requirements Committee ) Национального Института Стандартизации США , АNSI/ХЗ/SPARC (ANSI, 1975).
Комитет ANSI/SPARC признал необходимость использования трехуровневого подхода.
В этих материалах отражены предложения, которые были сделаны организациями GUIDE/SHARE,состоящими из пользователей продуктов корпорации IBM, и опубликованы за несколько лет до этого. Основное внимание в них было сконцентрировано на необходимости воплощения независимого уровня для изоляции программ от особенностей представления данных на более низком уровне (Guide/Share, 1970). Хотя модель ANSI/SPARC не стала стандартом, тем не менее, она все еще представляет собой основу для понимания некоторых функциональных особенностей СУБД.
Наиболее фундаментальным моментом в этих и последующих отчетах исследовательских групп является идентификация трех уровней абстракции, т е трех различных уровней описания элементов данных. Эти уровни формируют трехуровневую архитектуру, которая охватывает внешний, концептуальный и внутренний уровни, как показано на рис. 6.1.
Цель трехуровневой архитектуры заключается в отделении пользовательского представления базы данных от ее физического представления.
Причины разделения на три уровня;.
Каждый пользователь должен иметь возможность обращаться к одним и тем же данным, используя свое собственное представление о них. Каждый пользователь должен иметь возможность изменять свое представление о данных, причем это изменение не должно оказывать влияния на других пользователей.
Пользователи не должны непосредственно иметь дело с такими подробностями физического хранения данных в базе, как индексирование и хеширование, т.е. взаимодействие пользователя с базой не должно зависеть от особенностей хранения в ней данных.
Администратор базы данных (АБД) должен иметь возможность изменять структуру хранения данных в базе, не оказывая влияния на пользовательские представления.
Внутренняя структура базы данных 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 базы данных без какого-либо влияния на всех
пользователей.
Уровень, на котором воспринимают данные пользователи, называется внешним уровнем (external level), тогда как СУБД и операционная система воспринимают данные на внутреннем уровне (internal level).
Именно на внутреннем уровне данные реально cохраняются с использованием конкретных структур хранения данных и файловой организации.
Концептуальный уровень (conceptual level) представления данных предназначен для отображения внешнего уровня на внутренний и обеспечения необходимой независимости друг от друга.
Рис.
6.1. Трехуровневая архитектура ANSI-SPARC.
Внешний уровень
Внешний уровень – представление базы данных с точки зрения пользователей, описывает ту часть базы данных, которая относится к каждому пользователю.
Внешний уровень состоит из нескольких различных внешних представлений базы данных, имеет дело с представлением "реального мира", выраженным в наиболее удобной для него форме.
Внешнее представление содержит только те сущности, атрибуты и связи "реального мира", которые интересны пользователю.
Другие сущности, атрибуты или связи, которые ему неинтересны, также могут быть представлены в базе данных, но пользователь может даже не подозревать об их существовании.
Помимо этого, различные представления могут по-разному отображать одни и те же данные. Например, один пользователь может просматривать даты в формате (день, месяц, год) а другой – в формате (год, месяц, день).
Некоторые внешние представления могут включать производные или вычисляемые данные, которые не хранятся в базе данных как таковые, а создаются по мере надобности.
Представления могут также включать комбинированные или производные данные из нескольких объектов.
Концептуальный уровень
Концептуальный уровень – обобщающее представление базы данных, описывает то, какие данные хранятся в базе данных, а также связи, существующие между ними.
Промежуточным уровнем в трехуровневой архитектуре является концептуальный уровень.
Этот уровень содержит логическую структуру всей базы данных (с точки зрения АБД), это полное представление требований к данным со стороны организации, которое не зависит от любых соображений относительно способа их хранения.
На концептуальном уровне представлены следующие компоненты:
все сущности, их атрибуты и. связи;
накладываемые на данные ограничения;
семантическая информация о данных;
информация о мерах обеспечения безопасности и поддержки целостности данных.
Концептуальный уровень поддерживает каждое внешнее представление, в том смысле, что любые доступные пользователю данные должны содержаться (или могут быть вычислены) на этом уровне.
Этот уровень не содержит никаких сведений о методах хранения данных.
Например, описание сущности должно содержать сведения о типах данных атрибутов (целочисленный, действительный или символьный) и их длине (количестве значащих цифр или максимальном количестве символов), но не должно включать сведений об организации хранения данных, например об объеме занятого пространства в байтах.
Внутренний уровень
Внутренний уровень – это низкоуровневое представление всей базы данных как базы, состоящей из некоторого множества экземпляров каждого из существующих типов внутренних записей.
Внутреннее представление, так же как вшешнее и концептуальное, отделено от физического уровня, поскольку в нем не рассматриваются физические записи, обычно называемые блоками или страницами, и физические области устройства хранения, такие как цилиндры и дорожки.
Блоки (или страницы) устройства ввода-вывода – это количество данных, передаваемых из вторичной памяти (памяти накопителя) в основную (оперативную) память за одну операцию ввода-вывода.
Другими словами, внутреннее представление предполагает наличие бесконечного линейного адресного пространства.
Внутреннее представление описывается с помощью внутренней схемы. Внутренняя схема определяет не только различные типы хранимых записей, но также существующие индексы, способы представления хранимых полей, физическую упорядоченность хранимых записей и т.д., внутренняя схема формируется с использованием еще одного языка определения данных – внутреннего.
Ниже внутреннего уровня находится физический уровень (physical level), который контролируется операционной системой, но под руководством СУБД.
Независимость от данных
Основным назначением трехуровневой архитектуры является обеспечение независимости от данных, которая означает, что изменения на нижних уровнях никак не влияют на верхние уровни.
Различают два типа независимости от данных: логическую и физическую.
Логическая независимость от данных означает полную защищенность внешних схем от изменений, вносимых в концептуальную схему.
Такие изменения концептуальной схемы, как добавление или удаление новых сущностей, атрибутов или связей, должны осуществляться без необходимости внесения изменений в уже существующие внешние схемы или переписывания прикладных программ.
Физическая независимость от данных означает защищенность концептуальной схемы от изменений, вносимых во внутреннюю схему.
Такие изменения внутренней схемы, как использование различных файловых систем или структур хранения, разных устройств хранения, модификация индексов или хеширование, должны осуществляться без необходимости внесения изменений в концептуальную или внешнюю схемы.
Пользователем могут быть замечены изменения только в общей производительности системы.
На самом деле наиболее распространенной причиной внесения изменений во внутреннюю схему является именно недостаточная производительность выполнения операций. На рис. 6.2 показано место перечисленных выше типов независимости от данных в трехуровневой архитектуре СУБД.
Рис
2.2. Реализация независимости от данных
в трехуровневой архитектуре ANSI-SPARC
Рис. 6.2. Реализация независимости от данных в трехуровневой архитектуре ANSI-SPARC.
Отображения
Архитектура системы баз данных, кроме элементов самих трех уровней, включает определенные отображения: отображения концептуального уровня на внутренний и несколько отображений внешних уровней на концептуальный.
Отображение «концептуальный-внутренний» устанавливает соответствие между концептуальным представлением и хранимой базой данных, т.е. описывает, как концептуальные записи и поля представлены на внутреннем уровне.
При изменении структуры хранимой базы данных отображение «концептуальный-внутренний» также изменяется, с учетом того, что концептуальная схема остается неизменной.
Отображение «внешний-концептуальный» определяет соответствие между некоторым внешним представлением и концептуальным представлением. В целом, различия, которые могут существовать между этими двумя уровнями, подобны различиям между концептуальным представлением хранимой базой данных.
Очевидно, что отображение «концептуальный-внутренний» служит основой физической независимости от данных, а отображения «внешний-концептуальный» являются ключом к логической независимости от данных.
Следует отметить, что большинство систем позволяет выражать одно определение внешнего представления через другое, не требуя обязательного явного определения отображения каждого внешнего представления на концептуальный уровень. Эта возможность очень полезна, если несколько представлений подобны друг другу. В частности, аналогичная возможность предусмотрена во многих реляционных СУБД.
Схемы
Общее описание базы данных называется схемой базы данных.
Существует три различных типа схем базы данных, которые определяются в соответствии с уровнями абстракции трехуровневой архитектуры, как показано на рис. 6.1.
На самом высоком уровне имеется несколько внешних схем или подсхем, которые соответствуют разным представлениям данных.
На концептуальном уровне описание базы данных называют концептуальной схемой, а на самом низком уровне абстракции – внутренней схемой.
Концептуальная схема описывает все элементы данных и связи между ними, с указанием необходимых ограничений поддержки целостности данных.
Для каждой базы данных имеется только одна концептуальная схема. На нижнем уровне находится внутренняя схема, которая является полным описанием внутренней модели данных, содержит определения хранимых записей, методы представления, описания полей данных, сведения об индексах и выбранных схемах хеширования. Для каждой базы данных существует только одна внутренняя схема.
СУБД отвечает за установление соответствия между этими тремя типами схем, а также за проверку их непротиворечивости.
СУБД должна убедиться в том, что каждую внешнюю схему можно вывести на основе концептуальной схемы.
Для установления соответствия между любыми внешней и внутренней схемами СУБД должна использовать информацию из концептуальной схемы.
Примеры различных уровней приведены на рис. 6.3. На нем показаны два различных внешних представления информации о студенте: одно состоит из ФИО студента (FIO), возраста (Age), адреса студента(Address), среднего бала (Sr.Ball). Другое представление включает номер группы (Group_No), номер стедента в группе (Student_No), ФИО (FIO) студента. Эти внешние представления сливаются воедино в одном концептуальном представлении. Особенностью данного процесса слияния является то, что поле возраста студента (Аgе) преобразуется, в поле даты его рождения (DOВ). Затем концептуальный уровень отображается на внутренний уровень, который содержит физическое описание структуры записи концептуального представления. На этом уровне определение структуры формулируется на языке высокого уровня. Эта структура содержит указатель (Next), который позволяет физически связать все записи о студентах в единую цепочку. Обратите внимание, что порядок полей на внутреннем уровне отличается от порядка атрибутов, принятого на концептуальном уровне. Таков механизм, с помощью которого СУБД осуществляет концептуально внутреннее отображение.
Рис.
5.3. Различия между тремя уровнями
представления данных.
Важно различать описание базы данных и саму базу данных. Описанием базы данных является схема базы данных, которая создается в процессе ее проектирования, причем предполагается, что она изменяется достаточно редко.
Содержащаяся в базе данных информация меняеться часто.
Например, всякий раз при вставке сведений о новом сотруднике или новом объекте сдаваемой в аренду недвижимости.
Совокупность информации, хранящейся в базе данных в любой определенный момент времени, называется состоянием базы данных.
Одной и той же схеме базы данных может соответствовать множество ее различных состояний.
Схема базы данных иногда называется содержанием базы данных, а ее состояние – детализацией.