Архитектура базы данных. Физическая и логическая независимость
Терминология в СУБД, да и сами термины "база данных" и "банк данных" частично заимствованы из финансовой деятельности. Это заимствование — не случайно и объясняется тем, что работа с информацией и работа с денежными массами во многом схожи, поскольку и там и там отсутствует персонификация объекта обработки: две банкноты достоинством в сто рублей столь же неотличимы и взаимозаменяемы, как два одинаковых байта (естественно, за исключением серийных номеров). Вы можете положить деньги на некоторый счет и предоставить возможность вашим родственникам или коллегам использовать их для иных целей. Вы можете поручить банку оплачивать ваши расходы с вашего счета или получить их наличными в другом банке, и это будут уже другие денежные купюры, но их ценность будет эквивалентна той, которую вы имели, когда клали их на ваш счет.
В процессе научных исследований, посвященных тому, как именно должна быть устроена СУБД, предлагались различные способы реализации. Самым жизнеспособным из них оказалась предложенная американским комитетом по стандартизации ANSI (American National Standards Institute) трехуровневая система организации БД, изображенная на рис. 2.1:
Рис. 2.1. Трехуровневая модель системы управления базой данных, предложенная ANSI
Уровень внешних моделей — самый верхний уровень, где каждая модель имеет свое "видение" данных. Этот уровень определяет точку зрения на БД отдельных приложений. Каждое приложение видит и обрабатывает только те данные, которые необходимы именно этому приложению. Например, система распределения работ использует сведения о квалификации сотрудника, но ее не интересуют сведения об окладе, домашнем адресе и телефоне сотрудника, и наоборот, именно эти сведения используются в подсистеме отдела кадров.
Концептуальный уровень — центральное управляющее звено, здесь база данных представлена в наиболее общем виде, который объединяет данные, используемые всеми приложениями, работающими с данной базой данных. Фактически концептуальный уровень отражает обобщенную модель предметной области (объектов реального мира), для которой создавалась база данных. Как любая модель, концептуальная модель отражает только существенные, с точки зрения обработки, особенности объектов реального мира.
Физический уровень — собственно данные, расположенные в файлах или в страничных структурах, расположенных на внешних носителях информации.
Эта архитектура позволяет обеспечить логическую (между уровнями 1 и 2) и физическую (между уровнями 2 и 3) независимость при работе с данными. Логическая независимость предполагает возможность изменения одного приложения без корректировки других приложений, работающих с этой же базой данных. Физическая независимость предполагает возможность переноса хранимой информации с одних носителей на другие при сохранении работоспособности всех приложений, работающих с данной базой данных. Это именно то, чего не хватало при использовании файловых систем.
Выделение концептуального уровня позволило разработать аппарат централизованного управления базой данных.
Схема управления данными в СУБД
Рассмотрим примерную последовательность операций обеспечивающих чтение прикладной программой из базы данных представленную на рисунке
(1) – прикладная программа(клиентское приложение) формирует и выдает СУБД запрос на чтение необходимых данных, содержащихся в базе.
(2-3) – СУБД оттискивает описание затребованных данных в структуре описания данных прикладного уровня
(4-5) – СУБД по глобальному описанию БД(концептуальная схема) необходимые данные на логическом уровне
(6-7) СУБД по описанию физической структуры БД(физическая модель - определяет физическую запись или совокупность записей) которую необходимо считать для выборки данных затребованных прикладной программой
(8-9) СУБД через подсистему управления потоками данных выдает ОС запрос на чтение хранимой записи.
(10-11) – подсистема управления вводом – выводом ОС осуществляет физическое чтение записи в системный буфер ОС.
(12-13) – СУБД выделяет необходимую логическую запись, осуществляет форматные преобразования, обусловленные различиями описаний на глобальном и прикладном уровнях и передает для функциональной обработки буфер выделяемый прикладной программой или самой СУБД.
Процесс прохождения пользовательского запроса
Рисунок 2.2 иллюстрирует взаимодействие пользователя, СУБД и ОС при обработке запроса на получение данных. Цифрами помечена последовательность взаимодействий:
Рис. 2.2. Схема прохождения запроса к БД
1.Пользователь посылает СУБД запрос на получение данных из БД.
2.Анализ прав пользователя и внешней модели данных, соответствующей данному пользователю, подтверждает или запрещает доступ данного пользователя к запрошенным данным.
3.В случае запрета на доступ к данным СУБД сообщает пользователю об этом (стрелка 12) и прекращает дальнейший процесс обработки данных, в противном случае СУБД определяет часть концептуальной модели, которая затрагивается запросом пользователя.
4.СУБД запрашивают информацию о части концептуальной модели.
5.СУБД получает информацию о запрошенной части концептуальной модели.
6.СУБД запрашивает информацию о местоположении данных на физическом уровне (файлы или физические адреса).
7.В СУБД возвращается информация о местоположении данных в терминах операционной системы.
8.СУБД вежливо просит операционную систему предоставить необходимые данные, используя средства операционной системы.
9.Операционная система осуществляет перекачку информации из устройств хранения и пересылает ее в системный буфер.
10.Операционная система оповещает СУБД об окончании пересылки.
11.12.СУБД выбирает из доставленной информации, находящейся в системном буфере, только то, что нужно пользователю, и пересылает эти данные в рабочую область пользователя.
БМД — это База Метаданных, именно здесь и хранится вся информация об используемых структурах данных, логической организации данных, правах доступа пользователей и, наконец, физическом расположении данных. Для управления БМД существует специальное программное обеспечение администрирования баз данных, которое предназначено для корректного использования единого информационного пространства многими пользователями.
Всегда ли запрос проходит полный цикл? Конечно, нет. СУБД обладает достаточно развитым интеллектом, который позволяет ей не повторять бессмысленных действий. И поэтому, например, если этот же пользователь повторно обратится к СУБД с новым запросом, то для него уже не будут проверяться внешняя модель и права доступа, а если дальнейший анализ запроса покажет, что данные могут находиться в системном буфере, то СУБД осуществит только 11 и 12 шаги в обработке запроса.
Разумеется, механизм прохождения запроса в реальных СУБД гораздо сложнее, но и эта упрощенная схема показывает, насколько серьезными и сложными должны быть механизмы обработки запросов, поддерживаемые реальными СУБД.