Название субд отвечающих разным архитектурам. Трехуровневая архитектура базы данных. Физический уровень базы данных
Третьим уровнем архитектуры является внутренний уровень. Внутреннее представление - это представление нижнего уровня всей БД; оно состоит из многих экземпляров каждого типа внутренней записи. Термин «внутренняя запись» принадлежит терминологии ANSI/SPARC и означает конструкцию, называемую хранимой записью. Внутреннее представление так же, как внешнее и концептуальное, не связано с физическим уровнем, так как в нем не рассматриваются физические области устройства хранения, такие как цилиндры и дорожки. Другими словами, внутреннее представление предполагает бесконечное линейное адресное пространство; подробности того, как адресное пространство отображено на физическое устройство хранения, очень зависят от системы и умышленно не включены в общую архитектуру.
Внутреннее представление описывается с помощью внутренней схемы, которая определяет не только различные типы хранимых записей, но также существующие индексы, способы представления хранимых полей, физическую последовательность хранимых записей и т.д. Внутренняя схема пишется с использованием еще одного языка определения данных - внутреннего.
В заключение отметим, что в некоторых исключительных ситуациях прикладные программы, в частности те, которые называют утилитами могут выполнять операции непосредственно на внутреннем, а не на внешнем уровне. Конечно, такой практикой пользоваться не рекомендуется; она определяет риск с точки зрения безопасности (правила безопасности игнорируются) и целостности (правила целостности тоже игнорируется), к тому же программа будет зависеть от загруженных данных; но иногда это может быть единственным способом достичь выполнения требуемой функции или добиться необходимого быстродействия - так же, как пользователю языка высокого уровня иногда по тем же причинам необходимо прибегнуть к языку ассемблера.
Приложения, использующие базы данных, обычно принято относить к одной из программных архитектур, имеющих свои плюсы и минусы.
Базы данных и программные средства их создания и ведения (СУБД) имеют многоуровневую архитектуру.
Различают концептуальный, внутренний и внешний уровни представления данных баз данных, которым соответствуют модели аналогичного назначения.
Концептуальный уровень соответствует логическому аспекту представления данных предметной области в интегрированном виде. Концептуальная модель состоит из множества экземпляров различных типов данных, структурированных в соответствии с требованиями СУБД к логической структуре базы данных.
Внутренний уровень отображает требуемую организацию данных в среде хранения и соответствует физическому аспекту представления данных. Внутренняя модель состоит из отдельных экземпляров записей, физически хранимых во внешних носителях.
Внешний уровень поддерживает частные представления данных, требуемые конкретным пользователям. Внешняя модель является подмножеством концептуальной модели. Возможно пересечение внешних моделей по данным. Частная логическая структура данных для отдельного приложения (задачи) или пользователя соответствует внешней модели или подсхеме БД. С помощью внешних моделей поддерживается санкционированный доступ к данным БД приложений (ограничен состав и структура данных концептуальной модели БД доступных в приложении, а также заданы допустимые режимы обработки этих данных: ввод, редактирование, удаление, поиск).
Появление новых или изменение информационных потребностей существующих приложений требуют определения для них корректных внешних моделей, при этом на уровне концептуальной и внутренней модели данных изменений не происходит. Изменения в концептуальной модели, вызванные появлением новых видов данных или изменением и структур, могут затрагивать не все приложения, т.е. обеспечивается определенная независимость программ от данных. Изменения в концептуальной модели должны отражаться и внутренней модели, и при неизменной концептуальной модели возможна самостоятельна модификация внутренней модели БД с целью улучшения ее характеристик (время доступа данным, расхода памяти внешних устройств и др.). Таким образом, БД реализует принцип относительной независимости логической и физической организации данных.
Говоря о том, каким должен быть столь сложный программный продукт, как СУБД, прежде всего необходимо четко обусловить основную концепцию системы, определяющую все последующие этапы ее разработки.
архитектура СУБД должна обеспечивать, в первую очередь, разграничение пользовательского и системного уровней;
необходимо дать возможность каждому пользователю иметь свое, отличное от других представление о свойствах хранимых данных.
Тогда начальной стадией проектирования любой конкретной информационной системы должны являться абстрактные описания информационных потребностей каждой группы пользователей, на основе которых генерируется также абстрактное, но уже общее для всей организации описание структур хранимых данных, а СУБД, посредством которой эта ИС будет создаваться и поддерживаться, обязана иметь для этого определенные возможности.
Трехуровневая архитектура базы данных
Одним из важнейших аспектов развития СУБД является идея отделения логической структуры БД и манипуляций данными, необходимыми пользователям, от физического представления, требуемого компьютерным оборудованием.
Одна и та же БД в зависимости от точки зрения может иметь различные уровни описания. По числу уровней описания данных, поддерживаемых СУБД, различают одно-, двух- и трехуровневые системы. В настоящее время чаще всего поддерживается трехуровневая архитектура описания БД (рис. 2.1), с тремя уровнями абстракции, на которых можно рассматривать базу данных.
Такая архитектура включает:
· внешний уровень, на котором пользователи воспринимают данные, где отдельные группы пользователей имеют свое представление (ПП) на базу данных;
· внутренний уровень, на котором СУБД и операционная система воспринимают данные;
· концептуальный уровень представления данных, предназначенный для отображения внешнего уровня на внутренний уровень, а также для обеспечения необходимой их независимости друг от друга; он связан с обобщенным представлением пользователей.
Описание структуры данных на любом уровне называется схемой. Существует три различных типа схем базы данных, которые определяются в соответствии с уровнями абстракции трехуровневой архитектуры. 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.
Основным назначением трехуровневой архитектуры является обеспечение независимости от данных. Суть этой независимости заключается в том, 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 15 без необходимости внесения изменений в уже существующие внешние схемы для других групп пользователей.
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.
Внешний уровень - это пользовательский уровень. Пользователем может быть программист, или конечный пользователь, или администратор базы данных. Представление базы данных с точки зрения пользователей называется внешним представлением. Каждая группа пользователей выделяет в моделируемой предметной области, общей для всей организации, те сущности, атрибуты и связи, которые ей интересны. Эти частичные или переопределенные описания БД для отдельных групп пользователей или ориентированные на отдельные аспекты предметной области называют подсхемой.
Концептуальный уровень является промежуточным уровнем в трехуровневой архитектуре и обеспечивает представление всей информации базы данных в абстрактной форме. Описание базы данных на этом уровне называется концептуальной схемой, которая является результатом концептуального проектирования.
Концептуальное проектирование базы данных включает анализ информационных потребностей пользователей и определение нужных им элементов данных. Таким образом, концептуальная схема - это единое логическое описание всех элементов данных и отношений между ними, логическая структура всей базы данных. Для каждой базы данных имеется только одна концептуальная схема.
Концептуальная схема должна содержать:
· сущности и их атрибуты;
· связи между сущностями;
· ограничения, накладываемые на данные;
· семантическую информацию о данных;
· обеспечение безопасности и поддержки целостности данных.
Внутренний уровень является третьим уровнем архитектуры БД. Внутреннее представление не связано с физическим уровнем, так как физический уровень хранения информации обладает значительной индивидуальностью для каждой системы.
На нижнем уровне находится внутренняя схема, которая является полным описанием внутренней модели данных. Для каждой базы данных существует только одна внутренняя схема.
Внутренняя схема описывает физическую реализацию базы данных и предназначена для достижения оптимальной производительности и обеспечения экономного использования дискового пространства. На внутреннем уровне хранится следующая информация:
· распределение дискового пространства для хранения данных и индексов;
· описание подробностей сохранения записей (с указанием реальных размеров сохраняемых элементов данных);
· сведения о размещении записей;
· сведения о сжатии данных и выбранных методах их шифрования.
СУБД отвечает за установление соответствия между всеми тремя типами схем разных уровней, а также за проверку их непротиворечивости.
Ниже внутреннего уровня находится физический уровень, который контролируется операционной системой, но под руководством СУБД. Физический уровень учитывает, каким образом данные будут представлены в машине. Он обеспечивает физический взгляд на базу данных: дисководы, физические адреса, индексы, указатели и т. д. За этот уровень отвечают проектировщики физической базы данных, которые работают только с известными операционной системе элементами. Область их интересов: указатели, реализация последовательного распределения, способы хранения полей внутренних записей на диске. Однако функции СУБД и операционной системы на физическом уровне не вполне четко разделены и могут варьироваться от системы к системе.
Функции СУБД
Система управления базами данных (СУБД) Oracle предназначена для одновременного доступа к большим объемам хранимой информации и манипуляции с ними. В СУБД есть два основных понятия, которые необходимо усвоить для понимания некоторых последующих моментов с точки зрения безопасности и защиты СУБД, – это база данных и экземпляр. Если в двух словах, то база данных – это набор файлов в ОС, а экземпляр – процессы и память, причем одна база данных может быть доступна в нескольких экземплярах, а экземпляр единовременно обеспечивает доступ только к одной базе данных. Теперь рассмотрим эти понятия подробнее.
База данных Oracle
В базе данных Oracle есть два уровня представления данных: физический и логический. Физический уровень включает файлы баз данных, которые хранятся на диске, а логический уровень включает в себя табличное пространство, схемы пользователей. Рассмотрим эти уровни более подробно.
Физический уровень базы данных
База данных и экземпляр на физическом уровне представлены шестью типами файлов. К экземпляру относятся файлы параметров, в которых прописываются его характеристики. Основной файл – это файл init.ora, отвечающий за параметры инициализации экземпляра, такие как имя базы данных, ссылку на управляющие файлы и пр. Пример файла инициализации представлен на рис. 1
Файлы базы данных
База данных как таковая представлена набором файлов разных типов, в которых собственно хранятся различные данные. Ниже кратко рассказано о том, что представляют собой эти типы файлов и чем файлы каждого типа могут быть нам полезны:
- Файлы данных . В этих файлах хранятся собственно сами данные в виде таблиц, индексов, триггеров и прочих объектов. Файлы данных являются наиболее важными во всей базе данных. В стандартной базе должно присутствовать минимум два файла данных: для системных данных (табличное пространство SYSTEM) и для пользовательских данных (табличное пространство USER). В табличном пространстве SYSTEM хранятся пароли всех пользователей в зашифрованном виде.
- Файлы журнала повторного выполнения (redo logs) . Файлы журнала повторного выполнения очень важны для базы данных Oracle. В них записываются все транзакции базы данных. Они используются только для восстановления данных в самой базе при сбое экземпляра. В журналах повторного выполнения можно обнаружить множество критичной информации, о существовании которой рядовой администратор мог и не задуматься, в том числе и пароли пользователей.
- Управляющие файлы . В этих файлах определено местонахождение файлов данных и другая информация о состоянии базы данных. Управляющие файлы должны быть хорошо защищены. Наиболее важным является файл параметров инициализации экземпляра, потому что без него не удастся запустить экземпляр. Остальные файлы, такие как LISTENER.ORA, SQLNET.ORA, PROTOCOL.ORA, NAMES.ORA и пр., связаны с поддержкой сети и так же очень важны. В этих файлах можно обнаружить множество полезной информации для проникновения в СУБД.
- Временные файлы . Временные файлы используются для хранения промежуточных результатов действий над большим объемом данных в случае, если в оперативной памяти для этого не хватает места. Во временных файлах можно обнаружить содержимое временных таблиц и построенных по ним индексов. Временные файлы могут оказаться полезными в процессе расследования инцидентов или при восстановлении важной информации, удаленной из базы данных.
- Файлы паролей . Используются для аутентификации пользователей, выполняющих удаленное администрирование СУБД по сети. Более детально о них мы будем говорить позже.
Как видно, с точки зрения безопасности каждый приведенный выше тип файлов имеет большое значение.
Логический уровень базы данных
На логическом уровне находятся табличные пространства и схема БД, состоящая из таблиц, индексов, представлений, хранимых процедур и пр.
База данных разделяется на несколько логических частей, называемых табличными пространствами. Табличные пространства используются для логической группировки данных между собой для упрощения администрирования.
Каждое табличное пространство состоит из одного или более файлов данных, которые физически могут располагаться на разных дисках.
В табличных пространствах, в свою очередь, находятся схемы – это своеобразные контейнеры хранимых в БД объектов. Каждая схема однозначно ассоциируется с определенным пользователем – владельцем этой схемы. В этих схемах уже находятся такие логические единицы, как таблицы, индексы, представления и хранимые процедуры.
Программное обеспечение, предназначенное для работы с базами данных, называется система управления базами данных (СУБД). СУБД используются для упорядоченного хранения и обработки больших объемов информации.
СУБД организует хранение информации таким образом, чтобы ее было удобно:
просматривать,
пополнять,
изменять,
искать нужные сведения,
делать любые выборки,
осуществлять сортировку в любом порядке.
Основные функции СУБД:
управление данными во внешней памяти(на дисках);
управление данными в оперативной памятис использованиемдискового кэша;
журнализация изменений,резервное копированиеивосстановление базы данныхпосле сбоев;
поддержка языков БД (язык определения данных,язык манипулирования данными).
Обычно современная СУБД содержит следующие компоненты:
ядро, которое отвечает за управление данными во внешней и оперативной памяти и журнализацию,
процессор языка базы данных, обеспечивающий оптимизацию запросов на извлечение и изменение данных, и создание, как правило, машинно-независимого исполняемого внутреннего кода,
подсистему поддержки времени исполнения, которая интерпретирует программы манипуляции данными, создающие пользовательский интерфейс с СУБД
а также сервисные программы (внешние утилиты), обеспечивающие ряд дополнительных возможностей по обслуживанию информационной системы.
Классификации СУБД
По модели данных:
Реляционные
Объектно-ориентированные
Объектно-реляционные
Иерархические
3 уровня СУБД:
Рис.1.4. Уровни представления данных
Концептуальный уровень архитектуры ANSI/SPARC служит для поддержки единого взгляда на базу данных, общего для всех её приложений и независимого от них. Концептуальный уровень представляет собой формализованную информационно-логическую модель ПО. Описание этого представления называется концептуальной схемой .
Внутренний уровень архитектуры поддерживает представление БД в среде хранения – хранимую базу данных. На этом архитектурном уровне БД представлена в полностью “материализованном” виде, тогда как на других уровнях идёт работа на уровне отдельных экземпляров или множества экземпляров записей. Описание БД на внутреннем уровне называется внутренней схемой или схемой хранения.
Внешний уровень архитектуры БД предназначен для различных групп пользователей. Описания таких представлений называются внешними схемами. В системе БД могут одновременно поддерживаться несколько внешних схем для различных групп пользователей или задач.
Совокупность схем всех уровней называется схемой базы данных.
Каждый из этих уровней может считаться управляемым, если он обладает внешним интерфейсом, который поддерживает возможности определения данных. В этом случае становится возможными формирование и системная поддержка независимого взгляда на БД для какой-либо группы персонала или пользователей, взаимодействующих с БД через интерфейс данного уровня.
В архитектурной модели ANSI/SPARC предполагается наличие в СУБД механизмов, обеспечивающих междууровневое отображение данных “внешний – концептуальный” и “концептуальный – внутренний”. Функциональные возможности этих механизмов обеспечивают абстракцию данных и определяют степень независимости данных на всех уровнях.
| Наименование параметра | Значение |
| Тема статьи: | Архитектура СУБД |
| Рубрика (тематическая категория) | Компьютеры |
Основные положения
Системы управления базами данных (СУБД)
Основные идеи современной информационной технологии базируются на концепции баз данных (БД). Согласно этой концепции основой информационной технологии являются данные, организованные в БД, адекватно отражающие реалии действительности в какой-либо предметной области. Первые БД появились уже при 1-м поколении ВТ, представляя собой отдельные файлы данных или их простые совокупности. В конце 60-х годов появились первые коммерческие СУБД, поддерживающие организацию и ведение БД.
БД представляют из себясовокупность взаимосвязанных файлов данных определенной организации. Каждый файл, входящий в БД, содержит определенное число однотипных записей , отражающих ту или иную сторону предметной области, на которую ориентирована БД. Записи, в свою очередь, состоят из полей , представляющих определенные типы информации об объектах. Поле является наименьшей информационной единицей, непосредственно доступной в записи.
Пользователями БД являются четыре основные категории потребителей ее информации и/или поставщиков информации для нее:
· конечные пользователи;
· программисты или системные аналитики;
· персонал поддержки БД в рабочем состоянии;
· администратор БД.
Конечным пользователям для обеспечения доступа к информации БД предоставляется графический интерфейс в виде системы окон с функциональными меню, позволяющими легко получать необходимую информацию на экран и/или принтер в виде удобно оформленных отчетов.
Для определения и обращения к файловой совокупности используются средства системы управления БД (СУБД). Она представляет собой совокупность лингвистических и программных средств, предназначенных для создания, ведения и совместного использования БД многими пользователями. СУБД является средством обработки на языке базы данных обращений к БД от прикладных программ и/или конечных пользователей. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, СУБД имеет свойства, характерные как для компиляторов, так и для ОС.
Большинство современных СУБД включает пять базовых компонент:
1. Языки описания данных – описание структур файлов БД, записей файлов и их полей данных;
2. Языки работы с БД - получение ответа на санкционированный
запрос пользователей или БД-приложения;
3. Общие утилиты для БД – выполнение общих процедур по
поддержанию БД в актуальном состоянии;
4. Генераторы БД-приложений – создание модульных систем
решения задач пользователя по работе с БД;
5. Генераторы отчетов – вывод результатов работы в виде отчетов
Каждая СУБД поддерживает определенные типы даталогических моделей (модели данных).
Архитектура СУБД - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Архитектура СУБД" 2017, 2018.
