Архитектура банков данных. Внешний, концептуальный и внутренний уровень банка данных

5. Лингвистическое обеспечение

Это множество  языков используемых в системе управления базами данных

6. Организационное обеспечение

Комплекс  мероприятий, определяющий организацию повседневной жизни банка данных 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Архитектура СУБД

2.1 Архитектура ANSI - SPARC

     Архитектура ANSI — SPARC (также 3х-уровневая архитектура) определяет принцип, согласно которому рекомендуется строить системы  управления базами данных (СУБД).

     Проект архитектуры был выдвинут в 1975 году под-комитетом SPARC (Standards Planning and Requirements Committee) ANSI.

     3 уровня СУБД:

     -внешний (пользовательский)

     -промежуточный (концептуальный)

     -внутренний (физический)

     В основе архитектуры ANSI/SPARC лежит концептуальный уровень. В современных СУБД он может быть реализован при помощи представления. Концептуальный уровень описывает данные и их взаимосвязи с наиболее общей точки зрения, — концепции архитекторов базы, используя реляционную или другую модель.

     Внутренний  уровень позволяет скрыть подробности физического хранения данных (носители, файлы, таблицы, триггеры ...) от концептуального уровня. Отделение внутреннего уровня от концептуального обеспечивает так называемую физическую независимость данных.

     На  внешнем уровне описываются различные подмножества элементов концептуального уровня для представлений данных различным пользовательским программам. Каждый пользователь получает в свое распоряжение часть представлений о данных, но полная концепция скрыта. Отделение внешнего уровня от концептуального обеспечивает логическую независимость данных.

    Этапы проектирования данных

    Предметная  область - часть реального мира, подлежащая изучению с целью организации  управления и, в конечном счете, автоматизации. Предметная область представляется множеством фрагментов, например, предприятие - цехами, дирекцией, бухгалтерией и т.д. Каждый фрагмент предметной области характеризуется множеством объектов и процессов, использующих объекты, а также множеством пользователей, характеризуемых различными взглядами на предметную область.

    В теории проектирования информационных систем предметную область (или, если угодно, весь реальный мир в целом) принято  рассматривать в виде трех представлений:

    • представление предметной области в том виде, как она реально существует

    • как ее воспринимает человек (имеется в виду проектировщик базы данных)

    • как она может быть описана с помощью символов.

    Т.е. говорят, что мы имеем дело с реальностью, описанием (представлением) реальности и с данными, которые отражают это представление.

     Данные, используемые для описания предметной области, представляются в  виде трехуровневой схемы (так называемая модель ANSI/SPARC рис.1):

Рис.1 Модель ANSI/SPARC

    Архитектура СУБД включает три уровня: внутренний, концептуальный и внешний. В общих чертах они представляют собой следующее:

    - внутренний уровень – это уровень, наиболее близкий к физическому хранению, т.е. связанный со способами сохранения информации на физических устройствах хранения. Характеризует физический уровень представления информации в конкретной СУБД. Как и в любой другой схеме ей соответствует своя модель, которая должна быть описана на языке описания данных этой СУБД.;

     - внешний уровень наиболее близок к пользователям, т.е. он связан со способами представления данных для отдельных пользователей. Дает представление об информации о предметной области для прикладных программ и пользователей системы. С помощью концептуальной и внешней схемы СУБД дает возможность программам и пользователям осуществлять доступ к хранимым данным лишь по их именам, не заботясь о физическом расположении этих данных. Нужные данные отыскиваются СУБД на внешних запоминающих устройствах по описанию внутренней схемы;

    - концептуальный уровень – это "промежуточный" уровень между двумя другими. Описывает информацию о предметной области в терминах конкретной СУБД

    На  каждом уровне присутствует модель данных информации, которая специфицируется с помощью языка описания данного уровня. Модель каждого уровня, представленную на языке описания, принято называть СХЕМОЙ. Перевод моделей (описаний моделей) из одного уровня в другой осуществляется с помощью трансляции или интерпретации.

    Жизнеспособность  промышленных СУБД определяется, прежде всего, концептуальным уровнем, т.к. именно концептуальный уровень связывает  между собой внутренний и внешний  уровни и обеспечивает их независимость, т.е. изменение модели внутреннего уровня (например, вследствие необходимости увеличения скорости ответа на какой-либо запрос к системе) не приводит к переделке других прикладных программ, использующих этот же информационный фонд.

    Проблема  независимости данных является центральной, т.к. возможность ее решения во многом определяет устойчивость разработанного проекта к изменениям, происходящим в предметной области. Методы и способы, обеспечивающие принцип независимости данных, должны учитывать многие факторы, возникающие на всех этапах проектирования моделей.

    Например, задачи, решаемые на этапе инфологического  отображения предметной области, как  и задачи сетевого (или многозадачного) варианта функционирования системы (в  том числе, задачи связанные с  клиентской и серверной обработкой данных), так или иначе, связаны с проблемой независимости данных. Обеспечение независимости хранимых данных от использующих их программ позволяет при необходимости переписать хранимые данные на другие носители информации и (или) реорганизовать их физическую структуру, изменив лишь физическую модель данных. К системе можно подключить любое число новых пользователей (новых приложений), изменив, если надо, концептуальную модель. Указанные изменения должны быть "прозрачными" для существующих пользователей системы и их приложений. Теоретически, независимость данных призвана обеспечивать возможность развития системы баз данных без разрушения существующих приложений.

    Используемые  в промышленности СУБД имеют много  различий, но практически все они опираются на концепцию архитектуры ANSI/SPARC - американского института стандартов по проектированию баз данных. Согласно предложениям ANSI/SPARC, к исследованию разнотипных БД можно подходить с единых позиций, если придерживаться следующей архитектуры банка данных (рис. 2)

    Описание  архитектуры

    Представленная  на рис.2 архитектура банка данных является обобщенной, т.е. с ee помощью можно с единых позиций как рассмотреть общие принципы проектирования баз данных, так и выявить особенности структур конкретных систем. Важной особенностью рассматраваемой архитектуры является, то, что она согласуется со стандартом ANSI /SPARC.

    Архитектура представлена тремя уровнями: внутренним, концептуальным и внешним.

    

    Рис. 2. Архитектура банка данных

    Внутренний  уровень наиболее близок к физическим структурам хранимой информации. Именно внутренний уровень учитывает методы доступа операционной системы для манипулирования данными на физическом уровне, что в некоторой степени снижает независимость операций обработки данных от технических средств, однако, в идеале СУБД может располагать внутренним уровнем, который бы не опирался на средства ОС.

    Внешний уровень является уровнем пользователей  СУБД, т.к. он является уровнем восприятия каждого пользователя. В принципе для каждого пользователя создается свой внешний уровень (схема - модель с соответствующим языком описания данных). Типичным воплощением внешнего уровня является использование представлений (VIEW) в языке SQL [3].

    Концептуальный  уровень является обобщением локальных  представлений пользователей, т.е. является общим глобальным описанием предметной области в терминах (концептах) конкретной СУБД. Важно отметить, что концептуальный уровень исполняет роль некоторого стандарта пользователей, согласуя их представление о предметной области в единое целое.

    Банк  данных создается для удовлетворения информационных потребностей пользователя.

    Пользователи  подразделяются на прикладных программистов  и пользователей непрофессионалов. Для каждого пользователя используется свой язык общения с базой данных.

    Для прикладного программиста это обычный  язык программирования, например: Паскаль, Си, PL/1. Для пользователя-непрофессионала  – это специальный язык, разработанный  с учетом его потребностей, т.е. это  может быть специальное меню, реализованное с помощью языка типа SQL (Structured Query Language – структурированный язык запросов) или QBE (Query-By-Exemple – запросы на основе примеров) и т.п.

    Но  для взаимодействия с СУБД важно  понимать, что связь с базой  осуществляется с помощью специального языка - языка манипулирования данными (ЯМД). Пользователь-программист использует ЯМД как обычные подпрограммы, а пользователь-непрофессионал - как некоторую совокупность правил взаимодействия с базой.

    Передача  информации между базой данных (БД) и пользователями осуществляется через рабочую область (см. рис.1). Для пользователей программистов такой рабочей областью является область ввода-вывода, для непрофессионала эта область состоит из рабочей памяти выделенной терминалу. Т.к. отдельного пользователя, как правило, интересует только некоторая часть всей базы данных, то он взаимодействует с банком данных на уровне внешней модели (которая может не являться точной копией физической (хранимой) базы). Таким образом, внешняя модель является информационным содержанием базы данных в том виде, в каком его представляет конкретный пользователь (т.е. для этого пользователя внешняя модель есть собственно база данных, например: база даных отдела кадров).

    2.2 Внешний уровень

    Это индивидуальный уровень пользователя. Пользователь может быть прикладным программистом или конечным пользователем с любым уровнем профессиональной подготовки. Особое место среди пользователей занимает администратор БД.

    У каждого пользователя есть свой язык общения:

    - для  прикладного программиста это либо один из распространенных языков программирования, такой как С, COBOL или PL/I, либо специальный язык рассматриваемой системы. Такие оригинальные языки называют языками четвертого поколения на том основании, что машинный язык, язык ассемблера и такие языки, как COBOL, можно считать языками трех первых "поколений";

    - для  конечного пользователя это или  специальный язык запросов, или  язык специального назначения, возможно, основанный на формах и меню, созданный специально с учетом  требований и поддерживаемый некоторым оперативным приложением.

    Внешнее представление состоит из множества  экземпляров каждого типа внешней  записи, которые, в свою очередь, отнюдь не обязательно должны совпадать  в ранимыми надписями. Находящийся  в распоряжении пользователя подъязык данных определен в терминах внещних записей.

    Внешняя модель состоит из различных экземпляров  различных типов внешних записей (логических), причем такие записи могут  не совпадать с хранимыми записями. Пользователь через рабочую область  оперирует с базой данных на уровне внешних записей, например, по оператору SELECT [30] языка манипулирования данными будет происходить выборка внешней записи, а не экземпляра хранимой записи. Каждая внешняя модель задается (описывается) посредством внешней схемы, которая в основном состоит из описаний всех типов внешних записей этой внешней модели, например: запись о студенте. Помимо этого описания, должно быть определено отображение, связывающее внешнюю схему с концептуальной схемой.

    2.2 Концептуальный уровень

    Концептуальное представление – представление всей информации БД в несколько более абстрактной форме по сравнению с физическим способом хранения данных. Однако концептуальное представление существенно отличается от способа представления данных какому-либо отдельному пользователю. Т.е. это представление данных такими, какие "они есть на самом деле", а не такими, какими вынужден их видеть пользователь в рамках.

    Концептуальное  представление состоит из множества  экземпляров каждого типа концептуальной части.