Трьохрівнева архітектура ANSI-SPARC

Перша спроба створення стандартної термінології і загальної архітектури СКБД була почата в 1971 році групою, називаної DBTG. Вона була створена після конференції CODASYL (Conference on Data Systems and Languaguages — Конференція по мовах і системам даних), що пройшла в цьому ж році. Група DBTG визнала необхідність використання дворівневого підходу, побудованого на основі використання системного представлення, тобто схеми (schema), і користувальницьких представлень, тобто підсхем (subschema). Подібні термінологія й архітектура були запропоновані в 1975 році Комітетом планування стандартів і норм SPARC (Standards Planning and Requirements Committee) Національного Інституту Стандартизації США (American National Standard Institute — ANSI), ANSI/X3/SPARC (ANSI, 1975). Комітет ANSI/SPARC визнав необхідність використання трьохрівневого підходу. У цих матеріалах відбиті пропозиції, що були зроблені організаціями Guide/Share, що складаються з користувачів продуктів корпорації IBM, і опубліковані за кілька років до цього. Основна увага в них було сконцентровано на необхідності втілення незалежного рівня для ізоляції програм від особливостей представлення даних на більш низькому рівні (Guide/Share,1970). Хоча модель ANSI/SPARC не стала стандартом, проте вона усе ще являє собою основу для розуміння деяких функціональних особливостей СКБД.

У даному випадку для нас найбільш фундаментальним моментом у цих і наступних звітах дослідницьких груп є ідентифікація трьох рівнів абстракції, тобто трьох різних рівнів опису елементів даних. Ці рівні формують трьохрівневуархітектуру, що охоплює зовнішній, концептуальний і внутрішній рівні, як показано на мал.2.1. Мета трьохрівневої архітектури полягає у відділенні користувальницького представлення бази даних від її фізичного представлення. Нижче перераховано кілька причин, по яких бажано виконувати такий поділ.

Кожен користувач повинний мати можливість, звертатися до тим самим даних, використовуючи своє власне представлення про їх. Кожен користувач повинний мати можливість змінювати своє представлення про дані, причому ця зміна не повинна впливати на інших користувачів.

Користувачі не повинні безпосередньо мати справу з такими подробицями фізичного збереження даних у базі, як індексування і хешування. Інакше кажучи, взаємодія користувача з базою не повинне залежати від особливостей збереження в ній даних.

Адміністратор бази даних (АБД) повинний мати можливість змінювати структуру збереження даних у базі, не роблячи впливу на користувальницькі представлення.

Внутрішня структура бази даних не повинна залежати від такихзмін фізичних аспектів збереження інформації, як переключення на новий пристрій збереження.

АБД повинний мати можливість змінювати концептуальну чи глобальну структуру бази даних без будь-якого впливу на всіх користувачів.

 

Рис. 2.1. Трьохрівнева архітектура ANSI-SPARC

 

Рівень, на якому сприймають дані користувачі, називається зовнішнім рівнем (external level), тоді як СКБД і операційна система сприймають дані на внутрішньому рівні (internal level). Концептуальний рівень (conceptual level) представлення даних призначений длявідображення зовнішнього, рівня на внутрішній і забезпечення необхідної незалежності друг від друга.

Зовнішній рівень

Зовнішній рівень - Представлення бази даних з погляду користувачів. Цей рівень описує ту частину бази даних, що відноситься до кожного користувача.

Зовнішній рівень складається з декількох різних зовнішніх представлень бази даних. Кожен користувач має справу з представленням "реального світу", вираженим у найбільш зручній для нього формі. Зовнішнє представлення містить тільки ті сутності, атрибути і зв'язки "реального світу", що цікаві користувачу. Інші сутності, чи атрибути зв'язку, що йому нецікаві, також можуть бути представлені в базі даних, але користувач може навіть не підозрювати про їх існування.

Крім цього, різні представлення можуть по-різному відображати ті самі дані. Наприклад, один користувач може переглядати дати у форматі (день, місяць, рік), а інший — у форматі (рік, місяць, день). Деякі представлення можуть включати похідні чи обчислюванні дані, що не зберігаються в базі даних як такі, а створюються в міру потреби. Наприклад, у проекті DreamHome можна було б організувати перегляд даних про вік співробітників. Однак, навряд чи варто зберігати ці зведення в базі даних, оскільки в такому випадку їх довелося б щодня обновляти. Замість цього в базі даних зберігаються дати народження співробітників, а вік, обчислюється засобами СКБД по виявленні відповідної посилання. Представлення можуть також включати комбіновані чи похідні дані з декількох об'єктів.

Концептуальний рівень

Концептуальний рівень - узагальнююче представлення бази даних. Цей рівень описує, які дані зберігаються в базі даних, а також зв'язку, що існують між ними.

Проміжним рівнем в трьохрівневій архітектурі є концептуальний рівень. Цей рівень містить логічну структуру всієї бази даних (з погляду АБД). Фактично, це повне представлення вимог до даних з боку організації, що не залежить від будь-яких розумінь щодо способуїхзбереження. На концептуальному рівні представлені наступні компоненти:

· усі сутності, їхні атрибути і зв'язки;

· накладаються на дані обмеження;

· семантична інформація про дані;

· інформація про міри забезпечення безпеки і підтримки цілісності даних.

Концептуальний рівень підтримує кожне зовнішнє представлення, у тім змісті, що будь-які доступні користувачу дані повинні міститися (чи можуть бути обчислені) на цьому рівні. Однак цей рівень не містить ніяких зведень про методи збереження даних. Наприклад, опис сутності повинен містити зведення про типи даних атрибутів (цілочислений, дійсний чи символьний) і їх довжині (кількості значущих цифр чи максимальній кількості символів), але не повинно включати зведень про організацію збереження даних, наприклад про обсяг зайнятого простору в байтах.

Внутрішній рівень

Внутрішній рівень Фізичне представлення бази даних у комп'ютері. Цей рівень описує, як інформація зберігається в базі даних.

Внутрішній рівень описує фізичну реалізацію бази даних і призначений для досягнення оптимальної продуктивності і забезпечення ощадливого використання дискового простору. Він містить опис структур даних і організації окремих файлів, використовуваних для збереження даних у запам'ятовуючих пристроях. На цьому рівні здійснюється взаємодія СКБД із методами доступу операційної Системи (допоміжними функціями збереження і витягу записів даних) з метою розміщення даних на запам'ятовуючих пристроях, створення індексів, витягу даних і т.д. На внутрішньому рівні зберігається наступна інформація:

· розподіл дискового простору для збереження даних і індексів;

· опис подробиць збереження записів (із указівкою реальних розмірів елементів даних, що зберігаються);

· зведення про розміщення записів;

· зведення про стиск даних і обраних методах їхнього шифрування.

Нижче внутрішнього рівня знаходиться фізичний рівень (physical level), що контролюється операційною системою, але під керівництвом СКБД. Однак функції СКБД і операційної системи на фізичному рівні не цілком чітко розділені і можуть варіюватися від системи до системи. В одних СКБД використовуються багато передбачені в даній операційній системі методи доступу, тоді як в інших застосовуються тільки самі основні і реалізована власна файлова організація. Фізичний рівень доступу до даних нижче СКБД складається тільки з відомих операційній системі елементів (наприклад, покажчиків, як реалізоване послідовний розподіл і чи зберігаються полючи внутрішніх записів на диску у виді безупинної послідовності байтів).