Архитектура систем БД. Три уровня информационной архитектуры систем БД. Концептуальный уровень БД.

Для понимания принципов функционирования систем баз данных необходимо рассмотреть архитектурные особенности такой системы. Следует принимать во внимание, что архитектура систем БД, их пространственную и информационную архитектуру. Свойства пространственной и информационной архитектуры поддерживаются средствами функциональной архитектуры системы.

Информационная архитектура системы БД характеризует поддерживаемые в системе представления информационных ресурсов, их свойства и взаимосвязи. Концепции многоуровневой архитектуры стали основой современной технологии БД. Была предложена обобщенная трехуровневая модель информационной архитектуры системы БД, включающая концептуальный, внутренний и внешний уровни. Такая модель описывает архитектуру любой системы с той лишь оговоркой, что кое-какие ее компоненты или функции в конкретной СУБД могут иметь вырожденный характер. Концептуальный уровень архитектуры служит для поддержки единого взгляда на базу данных, общего для всех ее приложений. Именно в среду концептуального уровня при проектировании БД отображается модель предметной области системы.

20. Для чего служат механизмы СУБД, поддерживающие внутренний уровень архитектуры? Что такое внешние БД и что обозначают внешние схемы?

Механизмы СУБД, поддерживающие внутренний уровень архитектуры, служат для поддержки представления БД в среде хранения. Это единственный уровень информационной архитектуры, где БД в действительности представлена полностью в «материализованном» виде. Описание представления БД на внутреннем уровне архитектуры называется внутренней схемой или схемой хранения.

Поскольку все уровни модели информационной архитектуры должны отражать разные точки зрения на одну и туже единственную БД, материализованную в среде хранения на МД, необходимо в составе функциональной архитектуры СУБД иметь такие механизмы, которые обеспечивали бы соответствие между представлениями БД на разных уровнях информационной архитектуры системы. В архитектурной модели для этих целей служат механизмы междууровневого отображения данных «внешний - концептуальный» и «концептуальный - внутренний». Именно функцио­нальные возможности этих механизмов обеспечивают абстракцию данных в системе, определяют ту степень свободы, которая предоставляется на связанных ими уровнях для выбора представления БД, и, тем самым, достижимую в системе степень независимости данных.

Пользователи имеют дело с представлениями БД на внешнем уровне, с так называемыми внешними базами данных. Описания таких представлений называются внешними схемами. В системе БД может одновременно поддер­живаться несколько внешних схем для различных групп пользователей или приложений. Такая архитектурная модель является универсальной в том смысле, что в ее рамки укладывается информационная архитектура любой системы БД. Различия архитектуры конкретных систем определяются лишь тем, какие модели данных поддерживаются на архитектурных уровнях используемых в них СУБД, какими возможностями обладают их механизмы междууровневого отображения данных, являются ли управляемыми механизмы их уровней и механизмы междууровневого отображения данных.

21. Какими ресурсами управляет внутренний уровень архитектуры БД?

Важным функциональным компонентом СУБД являются механизмы внут­реннего уровня информационной архитектуры системы, реализующие функции сре­ды хранения БД. БД в действительности представлена полностью в «материа­лизованном» виде только в среде хранения. На всех остальных уровнях архитектуры системы имеются «метаданные».

Механизмы среды хранения БД в СУБД служат для управления двумя группами ресурсов системы – это ресурсами хранимых данных и ресурсами пространства памяти среды хранения.

Механизмы среды хранения должны выполнять целый ряд операций:

- определение места размещения новых данных в пространстве памяти на МД;

- выделение необходимого ресурса памяти и запоминание адресов;

- формирование и разрушение связей с другими данными;

- удаление хранимых данных с освобождением занимаемой ими памяти;

- поиск данных в пространстве памяти по заданным их атрибутам или по «адресу»;

- выборка хранимых данных для обработки.

Все указанные операции выполняются по запросам механизмов концептуального уровня данной СУБД. Многоуровневый подход к архитектуре СУБД предлагает независимость организации среды хранения данных от модели данных концептуального уровня – т.е. физическую независимость данных.

Нужно учитывать, что ряд объектов среды хранения данных СУБД поддерживаются файловой системой (ОС), в обстановке которой работает данная СУБД. И хотя среда хранения БД должна располагать более тонкими механизмами, чем файловая система, специфика файловой системы также оказывает на ее организацию значительное влияние. Пример глубоко проработанной концепции управления средой хранения БД представляет собой язык определения хранимых данных разработанный CODASYL. Если запись концептуального уровня разбивается в среде хранения на несколько частей, то ее фрагмент представляется экземплярами хранимых записей каких-либо типов. Все они связываются указателями или размещаются по специальному закону так, чтобы механизмы междууровневого отображения данных могли опознать все компоненты и осуществить сборку полной записи по запросу механизмов концептуального уровня.

Каждой хранимой записи в пространстве памяти ставится в соответствие ее адрес, определяющий место размещения записи. Существуют два вида адресации хранимых записей – прямая (непосредственная) и косвенная.

Прямая адресация предусматривает указание непосредственного местоположения записи в пространстве памяти, т.е. адрес. Прямая адресация не позволяет, однако, перемещать записи внутри области хранения без изменения их непосредственного адреса. Такие изменения привели бы к необходимости коррекции различных указателей на записи в среде хранения, что было бы чрезвычайно трудоемкой процедурой, поэтому перемещать записи при прямой адресации нецелесообразно. Подобная ситуация особенно часто возникает при работе с записями переменной длины. Для преодоления указанных трудностей применяется другой вид адресации – косвенная адресация.

Часть пространства каждой страницы отводится для индекса страницы. Число статей в нем одинаково для всех страниц. Адресом записи в пространстве памяти на МД служит номер этой записи в области. С помощью простых операций можно по номеру записи определить номер нужной страницы и номер в индексе этой страницы. Найденный индекс будет содержать указатель на соответствующую запись – непосредственный адрес ее местоположения. Если запись после ее модификации не вмещается на прежнее место, то она помещается на специально отведенные в данной области памяти страницы переполнения, и соответствующий индекс по-прежнему указывает новое место ее размещения. Номер записи сохраняется, а меняется в индексе только адрес нового места размещения.

22. Какими важнейшими характеристиками должны обладать СУБД для разработки информационной системы? Основная цель логического проекти­ро­­вания БД. Главная задача физического проектирования БД.

Выбор СУБД является важным этапом проектирования БД. Проблема выбора СУБД, а также оценки характеристик их функционирования злободневны на всех стадиях развития технологий БД, когда речь идет о требованиях к производительности, ресурсам памяти, надежности. В наиболее критических случаях производится сравнительный анализ характеристик различных СУБД.

Оценка производительности СУБД для некоторых типов приложений может выполняться с помощью эталонных тестов, разработанных консорциумом TCP (Transaction Processing Performance Council).

Проектировщики очень часто руководствуются лишь собственными интуитивными экспертными оценками требований к выбираемой системе по нескольким важнейшим количественным и качественным характеристикам. К числу таких характеристик относятся:

- тип модели данных, которую поддерживает данная СУБД, ее адекватность потребностям рассматриваемой предметной области;

- масштабы разрабатываемой системы – количество пользователей, объем данных, интенсивность потока запросов;

- аппаратно-программная платформа;

- характеристики производительности системы;

- наличие в данной СУБД средств разработки приложений;

- запас функциональных возможностей для дальнейшего развития системы;

- степень оснащенности системы инструментарием для АБД;

- удобство и надежность СУБД в эксплуатации.

Этап логического проектирования БД состоит в отображении концептуальной модели предметной области в модель данных, поддерживаемую СУБД, выбранной для реализации системы. В результате выполнения этого этапа создаются схемы БД концептуального и внешнего уровней архитектуры, специфицированные на языках описания данных конкретной СУБД.

Этап физического проектирования БД требует поиска проектных решений, обеспечивающих эффективную поддержку построенной «логической» структуры БД в среде хранения. В ряде современных реляционных БД организация хранения данных в значительной степени определяется по умолчанию на основе концептуальной схемы БД.

23. Какие технологии существуют, которые поддерживают проекти­рование БД и разработку программного кода приложений ИС?

Проектирование БД – это одна из наиболее ответственных и трудных задач, связанных с созданием системы базы данных. В результате ее решения должны быть определены и содержание БД, и эффективный, с точки зрения всего сообщества будущих пользователей, способ ее организации в среде СУБД, выбранной для ИС.

В крупных системах проектирование БД требует особой тщательности, поскольку цена допущенных на этой стадии просчетов и ошибок особенно велика.

Проектирование БД не может быть полностью автоматизированным. Значительное место в нем отводится интуиции и опыту специалиста-проектировщика.

Сформировался рынок коммерческих программных инструментальных средств, на котором представлен широкий спектр таких инструментов. Они предназначены для создания и поддержания разрабатываемых систем на протяжении всего их жизненного цикла, т.е. периоде от принятия решения о создании системы до снятия ее с эксплуатации, либо только для поддержки отдельных этапов. Эти инструменты CASE-технологий базируются на различных разновидностях структурных или объектно-ориентированных методов.

Существуют программные продукты CASE-технологий, которые поддерживают проектирование баз данных и разработку программного кода приложений. Некоторые из этих программных продуктов ориентированы на довольно широкий набор СУБД. Другие предназначены для конкретных СУБД.

Важное достоинство использования CASE-технологий в том, что в процессе разработки системы осуществляется автоматическое документирование проекта.

24. Сколько и какие этапы включает процесс проектирования БД?

Для понимания принципов функционирования систем баз данных необходимо рассмотреть архитектурные особенности такой системы. Следует принимать во внимание, что архитектура систем БД это её пространственная и информационная архитектура. Свойства пространственной и информационной архитектуры поддерживаются средствами функциональной архитектуры системы.

Информационная архитектура системы БД характеризует поддерживаемые в системе представления информационных ресурсов, их свойства и взаимосвязи. Три этапа включает процесс проектирования БД. Концепции многоуровневой архитектуры стали основой современной технологии БД. Была предложена обобщенная трехуровневая модель информационной архитектуры системы БД, включающая концептуальный, внутренний и внешний уровни. Такая модель описывает архитектуру любой системы с той лишь оговоркой, что кое-какие ее компоненты или функции в конкретной СУБД могут иметь вырожденный характер. Концептуальный уровень архитектуры служит для поддержки единого взгляда на базу данных, общего для всех ее приложений. Именно в среду концептуального уровня при проектировании БД отображается модель предметной области системы.

Механизмы СУБД, поддерживающие внутренний уровень архитектуры, служат для поддержки представления БД в среде хранения. Это единственный уровень информационной архитектуры, где БД в действительности представлена полностью в «материализованном» виде. Описание представления БД на внутреннем уровне архитектуры называется внутренней схемой или схемой хранения.

Наконец, пользователи БД имеют дело с представлениями БД на внешнем уровне, с так называемыми внешними базами данных. Описания таких представлений называются внешними схемами. В системе БД может одновременно поддерживаться несколько внешних схем для различных групп пользователей или приложений.

Поскольку все уровни модели информационной архитектуры должны отражать разные точки зрения на одну и туже единственную БД, материализованную в среде хранения на МД, необходимо в составе функциональной архитектуры СУБД иметь такие механизмы, которые обеспечивали бы соответствие между представлениями БД на разных уровнях информационной архитектуры системы. В архитектурной модели для этих целей служат механизмы междууровневого отображения данных «внешний - концептуальный» и «концептуальный - внутренний». Именно функциональные возможности этих механизмов обеспечивают абстракцию данных в системе, определяют ту степень свободы, которая предоставляется на связанных ими уровнях для выбора представления БД, и, тем самым, достижимую в системе степень независимости данных.

Такая архитектурная модель является универсальной в том смысле, что в ее рамки укладывается информационная архитектура любой системы БД. Различия архитектуры конкретных систем определяются лишь тем, какие модели данных поддерживаются на архитектурных уровнях используемых в них СУБД, какими возможностями обладают их механизмы междууровневого отображения данных, являются ли управляемыми механизмы их уровней и механизмы междууровневого отображения данных.