Уровни представления базы данных

Итак, для конечных пользователей база данных – хранилище сведений о клиентах и счетах, договорах и поставках, дисциплинах и оценках. Однако для внутренних пользователей (коллектива специалистов) эта же система выступает в виде элементов данных, записей, файлов. Ясно, что и углы зрения на систему самих внутренних пользователей также различны. Прикладные программисты оперируют элементами данных, записями, структурными связями, не имея, как правило, представления о физической организации данных, что, в свою очередь, является прерогативой администратора и системных программистов. Иными словами, в информационной системе поддерживается несколько уровней представления (абстракций). Их разновидности принято ассоциировать с понятием архитектуры информационной системы.

Впервые в общем виде концепция многоуровневой архитектуры базы данных была сформулирована и достаточно детально проработана в рабочем отчете группы по базам данных Американского Национального Института Стандартов ANSI/X3/SPARC в 1975 г. В отчете была предложена обобщенная архитектурная модель систем баз данных, включающая три уровня: уровень внешних схем данных, уровень концептуальной схемы данных и уровень схемы физического хранения данных.

В соответствии с этой архитектурой определялись три роли АБД: администратор концептуальной схемы, администратор внешних схем и администратор хранения данных. Эти роли в случае очень маленькой системы мог играть один человек, в большой системе для выполнения каждой роли могла назначаться группа людей, в совокупности эти группы и выполняли функции АБД.

В отчете ANSI/X3/SPARC были даны определения следующим понятиям.

 

1. Модели предметной области:

· Концептуальная. Ограниченная модель реального мира, поддерживаемая для всех приложений системы баз данных.

· Внешняя Упрощенная модель реального мира, разработанная для поддержки одного или нескольких приложений системы баз данных. Чаще всего представляет собой некоторое подмножество концептуальной модели предметной области. Эту модель можно отождествить с локальными представлениями конечных пользователей.

· Внутренняя. Структура хранимых данных, представляющих концептуальную модель предметной области, а так же данных, необходимых для обеспечения эффективных технологий использования ресурсов аппаратно-программной платформы рассматриваемой системы баз данных.

1. Модели данных:

· Концептуальная. Поддерживаемая используемой СУБД модель данных концептуального уровня архитектуры систем баз данных. В терминах этой модели описываются концептуальные схемы конкретных баз данных.

· Внешняя. Поддерживаемая используемой СУБД модель данных внешнего уровня архитектуры систем баз данных. В терминах этой модели описываются внешние схемы конкретных баз данных.

· Внутренняя. Поддерживаемая используемой СУБД модель данных внутреннего уровня архитектуры систем баз данных. В терминах этой модели описываются внутренние схемы конкретных баз данных.

1. Схемы:

· Схема концептуальная. Описание концептуальной модели предметной области средствами языка определения данными концептуального уровня архитектуры используемой СУБД.

· Схема внешняя. Описание внешней модели предметной области средствами языка определения данными внешнего уровня архитектуры используемой СУБД. В одной системе баз данных СУБД может одновременно поддерживаться несколько внешних схем.

· Схема внутренняя. Описание внутренней модели предметной области средствами языка определения хранимых данных выбранной СУБД. Иначе говоря, это описание организации базы данных в среде хранения данных используемой СУБД.

В терминах перечисленных понятий рассмотрим схему одного из ранних (70-е – 80-е годы прошлого века) подходов в определении архитектуры информационной системы (рис. 7). На этой схеме выделены следующие уровни абстракции.

ЛПП (локальные пользовательские представления) - начальный уровень абстракции; соответствует представлениям о предметной области конечных пользователей на уровне руководителей подразделений (главный бухгалтер, начальник отдела кадров и т.п.).

Инфологический (информационно-логический) – второй уровень. Представляет собой интеграцию ЛПП, соответствующую ”взгляду” на предметную область ее администратора (директора, президента фирмы, ректора вуза и т.п.). Администратор предметной области (не путать с администратором базы данных!) обозревает все множество информационных объектов, все возможные ассоциации между ними, в то время как каждый конечный пользователь просматривает лишь ограниченный фрагмент предметной области (бухгалтерия, цех, кадры и т.п.).

Инфологическая модель предметной области - это описание структуры и поведения (динамики) предметной области в терминах, естественных и понятных пользователям разрабатываемой системы баз данных и учитывающих характер их информационных потребностей. Таким образом, ЛПП и инфологическое представление о предметной области определяет лишь информационные потребности разрабатываемой системы, отражает особенности предметной области, не затрагивая вопроса о способах отображения соответствующих данных в памяти ЭВМ. Инфологическая модель существует независимо от реализации системы, в частности, от выбора инструментария СУБД.

 

 

 

Рис. 7. Уровни представления информационной системы

 

Обычно это описание выражается в терминах не отдельных объектов ПО и связей между ними, а их типов, связанных с ними ограничений целостности и тех процессов ПО, которые приводят к переходу ее из одного состояния в другое.

Такое описание представляется в любом виде, допускающем однозначную интерпретацию. В простейших случаях описание создается на естественном языке, в более сложных используется также математический аппарат: таблицы, диаграммы, графы и т.п.

Поэтому инфологическое представление можно считать бумажной моделью, существующей в виде диаграмм и текстовых описаний. Одной из наиболее популярных моделей данных подобного рода является модель сущностей-связей (Entity-Relationship, ER-модель) П. Чена.

Концептуальный уровень абстракции соответствует представлению о логической организации данных администратора базы данных. Этот уровень абстракции очень схож с инфологическим; его отличие состоит в привязке к средствам реализации, инструментарию СУБД, то есть модель предметной области разрабатываемой системы должна быть представлена в терминах (на языке описания данных) модели данных концептуального уровня (концептуальной модели) выбранной конкретной СУБД. Эту стадию называют логическим проектированием базы данных, а ее результатом является концептуальная схема базы данных.

Таким образом, описание БД на концептуальном уровне задается на языке описания данных используемой СУБД в терминах и ограничениях, принятых в этой системе. Поскольку каждая СУБД поддерживает свою модель данных (свой инструментарий), описание единой инфологической модели предметной области в рамках разных СУБД приводит к разным (но, в идеале, эквивалентным) концептуальным схемам.

Внешние представления данных отражают взгляд на предметную область прикладных программистов.

Внешние схемы базы данных конструируются на стадии разработки приложений и их главная функция – отобразить форму представления данных для приложений.

Внутренний (физический) уровень абстракции представляет способы организации хранения данных во внешней памяти ЭВМ и отражает взгляд на разрабатываемую информационную систему администраторов и системных программистов. Очевидно, что параметры внутреннего уровня существенно влияют на эффективность эксплуатации БД (например, требуемый объем внешней памяти, время ответа системы на запрос данных).

Стадия физического проектирования базы данных заключается в выборе желаемого способа организации базы данных в среде хранения выбранной СУБД, в разработке спецификаций внутренней схемы средствами внутреннего уровня модели данных (ее внутренней модели).

Замечание. Нетрудно видеть, что в терминах трехуровневой модели этапы проектирования первого и второго уровней, представленные на рис. 7., объединяются в процесс проектирования концептуальной модели предметной области (логического проектирования).

Уже на ранней стадии разработок систем баз данных в качестве одного из основополагающих принципов построения таких систем был принят принцип независимости данных. В соответствии с этим принципом, в системе должны поддерживаться раздельные представления данных для пользователя («логическое представление») и для системных механизмов среды хранения базы данных («физическое представление»). Такое разделение избавляет пользователя от необходимости знания принятого способа хранения базы данных и, вместе с тем, при условии поддержки управляемого отображения между этими представлениями, позволяет динамически в процессе эксплуатации системы оптимизировать способ хранения базы данных для обеспечения более высокой производительности системы и/или более рационального использования ресурсов памяти. В соответствии с таким подходом, стали различать логический и физический архитектурные уровни системы (системные механизмы, поддерживающие такие представления данных). Связанные с ними модели данных и схемы базы данных также стали называть логическими и физическими.

Замечание. В отличие от ранних СУБД, многие современные системы не предоставляют разработчику какого-либо выбора на стадии физического проектирования. Способ хранения базы данных определяется механизмами СУБД автоматически «по умолчанию» на основе спецификаций концептуальной схемы базы данных, и внутренняя схема в явном виде в таких системах не используется.

Разновидности моделей данных будут рассмотрены в разделах 5. и 8.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ПО ТРЕТЬЕМУ РАЗДЕЛУ

1. Приведите схему общей структуры банка данных.

2. Приведите общую схему коллектива специалистов. Перечислите основные функции аналитиков, системных программистов, прикладных программистов.

3. Перечислите функции администратора базы данных.

4. Перечислите функции словаря-справочника.

5. Приведите схему уровней представления (абстракций) информационной системы.

6. Дайте понятие инфологической модели. В чем отличие инфологической модели от концептуальной.

7. Опишите понятия, сформулированные в отчете ANSI/SPARC:

· Модель предметной области (концептуальная, внешняя, внутренняя).

· Модель данных (концептуальная, внешняя, внутренняя).

· Схема (концептуальная, внешняя, внутренняя).

8. Сформулируйте отличие в определении ANSI/SPARC понятия модели предметной области от понятия модели данных (безотносительно уровня абстракции).

ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ БАЗ ДАННЫХ