Для обеспечения вышеуказанных свойств предлагались различные архитектуры автоматических банков данных, но наиболее жизнеспособной из них оказалась трехуровневая система организации базы данных.

Рассмотрим эту структуру.

Рис. 2.4.2. Трёхуровневая модель(архитектура ANSI/SPARC)

Внешнее представление — это содержимое БД, каким видит его определенный пользователь. Для таких пользователей БД — это хранилище сведений (о стипендии, об оценках, ценах,…), т.е. о тех объектах предметной области, с которыми они взаимодействуют или о которых они обрабатывают информацию при реализации своих служебных функций.

Например, в рамках АИС университета пользователями могут быть: диспетчер деканата, бухгалтер стипендиального отдела и т.д. (рис 2.4.3.а).

Рис 2.4.3. Пример представления данных на различных уровнях.

 

Концептуальное представление данных (рис. 2.4.3.б) соответствует представлению проектировщика АИС о логической организации данных или о структуре данных. Этот уровень во многом совпадает со внешним представлением, но:

во-первых, на этом уровне БД должна быть представлена в наиболее общем виде, который позволяет объединить данные, используемые внешними пользователями;

во-вторых, концептуальное представление формируется с помощью концептуальной схемы, в которой должны быть заданы, например, типы данных, размеры полей и т.д.;

в-третьих, концептуальное представление обычно строится из множества экземпляров т.н. концептуальных записей;

в-четвертых, описание создается с учетом ориентации на тип системы управления базами данных(СУБД);

в-пятых, концептуальный уровень хотя и близок к внешнему уровню, но, фактически, он является переходным мостом к внутреннему представлению данных.

Благодаря ему, внешние представления могут быть трансформированы во внутренние представления.

Внутренний уровень представления (абстрагирования). Этот уровень представления отображает или должен позволять отображать базу данных в виде множества экземпляров каждого типа хранимых записей.

Множество экземпляров хранимых записей образуют хранимый файл. Хранимая запись состоит из набора хранимых полей.

На внутреннем уровне представления не должны учитываться конкретные характеристики и типы ЗУ, а память как бы представляет линейное бесконечное адресное пространство(рис. 2.4.3.в).

Внутренние представления обычно описываются с помощью внутренней схемы, которая определяет различные типы хранимых записей, существующие индексы, способы представления хранимых полей, последовательность хранимых записей и т.д.

Каждому уровню при разработке БД ставится в соответствие т.н. схемы организации данных(рис. 2.4).

Рис. 2.4. Взаимосвязь схем БД различных уровней.

Основное назначение трехуровневой архитектуры представления данных является обеспечение независимости представления данных на одном уровне от изменения представления данных на других уровнях(независимость данных).

Различают два типа независимости данных:

- логическая (между Вш.Ур. и К.У.);

- физическая (между К.У. и Вн.Ур).

Логическая независимость данных означает защищенность(иммунитет) внешних схем или приложений от изменений, вносимых в концептуальную схему. Например, такие изменения в КС, как добавление новых атрибутов, сущностей или связей между ними для новых приложений должны осуществляться без внесения изменений в уже существующие внешние схемы, а так же без изменения уже используемых прикладных программам(приложений).

Логическая независимость дает возможность изменения одного приложения или введения нового приложения осуществить без корректировки других приложений, работающих с той же БД.

Физическая независимость означает защищенность(иммунитет) концептуальной схемы от изменений, вносимых во внутреннюю схему. Т.е. введение таких изменений внутренней схемы, как:

а) использование новых файловых структур;

б) использование новых устройств хранения данных;

не должно приводить к изменению концептуальной схемы.

 

2.4.2. СУБД.

СУБД — специальный пакет программ, посредством которого реализуется централизованное управление БД и обеспечивается доступ к ним.

СУБД – это совокупность языковых и программных средств, предназначенных для создания и совместного использования БД многочисленными пользователями.

Упрощенно функции СУБД:

1. Пользователь(приложение) выдает запрос на доступ к тем или иным данным. Запрос обычно может быть сформирован либо выбором какого-то пункта меню, либо в виде набора операторов на языке запросов SQL), либо в виде фрагмента прикладной программы.

2. СУБД воспринимает этот запрос и анализирует.

3. СУБД в зависимости от варианта запроса:

3.1. просматривает внешнюю схему данного пользователя.

3.2. отображает внешнюю схему на КСх.

3.3. просматривает КСх.

3.4. отображает КСх на внутреннюю схему.

3.5. просматривает внутреннюю схему.

 

4. После этого СУБД выполняет или стимулирует выполнение необходимых операций преобразования данных от одного уровня к другому и в результате инициирует через ОС передачу данных между физическим уровнем и пользователем (рис. 2.4.5.).

Рис. 2.4.5. Схема взаимодействия СУБД с другими компонентами АИС.

 

В качестве примера рассмотрим, как реализуется запрос на выборку определенного количества экземпляров внешних записей(строк таблицы).

В этом случае:

1. СУБД анализирует схемы внешних записей данных приложения, схемы концептуальных записей и внутренних(хранимых) записей для того, чтобы определить, какие же конкретно экземпляры хранимых записей требуется выбрать.

2. На основе найденных хранимых записей формируются экземпляры концептуальных записей.

3. На основе концептуальных записей формируются экземпляры внешних записей.

4. Найденные внешние записи передаются в рабочую область ввода/вывода прикладных программ и далее пользователю.

К СУБД предъявляются следующие основные требования:

1. СУБД должна обеспечить возможность описания данных (внешние схемы, концептуальные схемы в виде внутренних схем) и обеспечить возможность преобразования этих описаний из одного уровня в другой. А для этого СУБД должна включать компоненты т.н. языкового процессора или компоненты языка описания данных(ЯОД).

2. СУБД должна уметь обрабатывать запросы пользователя на выборку, изменение, удаление существующих записей или на добавление новых данных в базу, или другими словами СУБД должна включать в себя компоненты языка(процессора) манипулирования данными(ЯМД или ПМД).

3. СУБД должна уметь контролировать пользовательские запросы и не допускать попытки нарушения правил обеспечения безопасности и целостности информации.

4. СУБД должна обеспечивать возможность восстановления утерянных данных(в частности за счет хранения резервных копий и т.д.).

5. Должна обеспечивать функции словаря данных(должна содержать метаданные, т.е. в таких метаданных должны храниться сведения о структуре, аппаратных средствах и т.д.

6. СУБД должна выполнять все функции, с требуемыми скоростью(производительностью), точностью и т.д.

Ретроспектива.

1. Сначала создавались СУБД для больших ЭВМ для решения задач обработки информации в крупных предприятиях и организациях(АСУ НЭВЗ или АСУ НПИ). Эти СУБД были сложны для изучения и эксплуатации, т.к. требовали специалистов различных профессий.

2. По мере распространения ПЭВМ были созданы СУБД имеющие более простую архитектуру, более простые для изучения и эксплуатации и они получили широкое распространение в лабораториях и у отдельных пользователей.

3. В дальнейшем, при появлении вычислительных сетей, стали создаваться и распределенные БД, а для них и распределенные СУБД. Такие СУБД являются более сложными с точки зрения программной и аппаратной реализации, но тем не менее получают все большее распространение.