Исследовательской группой ANSI-SPARC (ANSI - American National Standard Institute и SPARC - Standards Planning and Requirements Committee) были предложены три уровня абстракции для организации структуры базы данных. Это внешний , концептуальный и внутренний уровни описания данных.

Именно на основе архитектуры ANSI-SPARC базируется архитектура большинства современных СУБД.

Определение Внешний уровень - это уровень, на котором данные воспринимаются пользователем или уровень пользователя. Он состоит из ряда различных внешних пользовательских представлений базы данных. При этом различные представления могут по-разному отображать дни и те же данные.

Определение Концептуальный уровень _ это общее представление БД, описывающее все данные, которые хранятся в ней. Этот уровень содержит логическую структуру всей базы данных. Именно на этом уровне представлены следующие компоненты:

• - сущности, атрибуты и связи
• - ограничения на данные
• - семантическая информация о данных
• - информация о том, как обеспечивается безопасность и целостность данных.

Важно отметить, что представление данных на концептуальном уровне не зависит от способа их хранения, но на этом уровне поддерживается любое внешнее представление.

Определение Внутренний уровень - это физическое представление информации в компьютере. Этот уровень содержит описание структур данных и организации отдельных файлов для хранения данных на физических устройствах.

Определение Схемой базы данных называется ее описание. В соответствии с уровнями абстракции определяются и типы схем базы данных: совокупность внешних схем (соответствующих отдельным представлениям данных), концептуальная и внутренняя схемы. Именно концептуальная схема описывает все сущности, атрибуты и связи между ними. Наконец, внутренняя схема есть полное описание физической структуры данных.

СУБД отвечает за взаимное соответствие перечисленных схем и за проверку их непротиворечивости. В рамках СУБД реализованы так называемые концептуально внутреннее и концептуально-внешнее отображения . Первое связывает концептуальную схему с внутренней и позволяет находить в памяти компьютера фактические записи, отвечающие логическим записям в концептуальной схеме. Второе позволяет СУБД отображать пользовательские представления на соответствующие части концептуальной схемы.

Подчеркнем, что изменения, вносимые на нижних уровнях абстракции, не влияют на верхние уровни. Так, внешние схемы защищены от изменений, производимых на концептуальном уровне, а концептуальная схема защищена от изменений, вносимых во внутреннюю схему. Таким образом трехуровневая архитектура определения данных обеспечивает независимость программ от данных .

Основной интерес применения СУБД заключается в том, чтобы предложить пользователю (или прикладным процессам) абстрактное представление данных, скрыв особенности хранения и управления ими. СУБД должна представлять доступ к данным посредством прикладных процессов любым пользователям, в том числе не имеющим представления:

О физическом размещении в памяти данных и их описаний;

О механизме поиска запрашиваемых данных;

О проблемах, возникающих при одновременном запросе одних и тех же данных большим числом пользователей (прикладных программ);

О способах защиты данных от некорректных обновлений и (или) несанкционированного доступа;

О поддержании базы данных в актуальном состоянии.

Обобщенная структура связей программ и данных при использовании СУБД показана на рисунке 6.6.

При выполнении основных из этих функций СУБД должна использовать различные описания данных, в которых должны быть учтены:

Сущности интересующей предметно области;

Атрибуты, характеризующие неотъемлемые свойства каждой сущности;

Связи, ассоциирующие выделенные сущности.

Рис. 6.6. Обобщенная структура связей программ и данных в СУБД

Подход к архитектуре и описанию данных предложен комитетом ANSISPARC (Комитет планирования Стандартов и норм

национального института стандартизации США) и имеет целью отделение пользовательского представления о БД от ее физической организации. В соответствии с этим предложением архитектура СУБД должна быть трехуровневой и должна содержать внешний, концептуальный и внутренний уровни (рис. 6.7).

Рис. 6.7. Трехуровневая архитектура ANSI-SPARC

Такое отделение по уровням обеспечивает независимость хранимых данных, что необходимо по следующим причинам:

1. Каждый пользователь должен иметь возможность обращаться к данным, используя свое представление о них, изменять свое представление о данных без влияния на представление других пользователей.

2. Пользователи не должны иметь дело с деталями физической организации данных, т.е. не должны зависеть от особенностей физического хранения данных.

3. Администратор базы данных должен иметь возможность изменять структуру хранения данных так, чтобы эти изменения оставались прозрачными для остальных пользователей.

4. Структура БД не должна зависеть от физических аспектов хранения, например, при переключении на новое внешнее устройство памяти.

Внешний уровень - это представление БД с точки зрения конкретных пользователей. Указанный уровень может включать несколько различных представлений БД со стороны различных групп пользователей. При этом каждый пользователь имеет дело с представлением предметной области, выраженным в наиболее понятной и удобной для него форме. Такое представление содержит только те сущности, атрибуты и связи, которые интересны ему при решении профессиональных задач. Различные представления на внешнем уровне могут пересекаться, т.е. использовать общие описания абстракций предметной области. На внешнем уровне создается инфологическая модель БД, полностью независимая от платформы (вычислительной системы, на которой будет использоваться).

Инфологическая модель является человеко-ориентированной: средой ее хранения может быть память человека, а не ЭВМ. Ин- фологическая модель не изменяется до тех пор, пока какие-то изменения в реальном мире не потребуют изменения некоторых определений, чтобы эта модель продолжала отражать предметную область.

Концептуальный уровень - обобщающее представление БД, описывающее то, какие данные хранятся в БД, а также связи, существующие между ними. Концептуальный уровень является промежуточным в трехуровневой архитектуре. Содержит логическую структуру всей базы данных. Фактически это полное представление требований к данным со стороны организации, которая не зависит от соображений относительно способов их хранения. На концептуальном уровне необходимо выделить:

1) сущности, их атрибуты и связи;

2) ограничения, накладываемые на данные;

3) семантическую информацию о данных;

4) информацию о мерах обеспечения безопасности.

Концептуальный уровень поддерживает каждое внешнее представление. Поэтому на этом уровне содержатся любые доступные пользователю данные, за исключением сведений о методах хранения этих данных. На концептуальном уровне создается даталогическая модель.

Даталогическая модель представляет собой описание инфо- логической модели на языке определения данных конкретной СУБД. Эта модель является компьютерно-ориентированной (зависит от применяемой на компьютере СУБД и операционной системы).

Внутренний уровень - физическое представление БД, описывающее методы ее хранения в вычислительной системе. Данный уровень описывает физическую реализацию БД и предназначен для достижения оптимальной производительности и обеспечения экономного использования дискового пространства.

Содержит описание структур данных и отдельных файлов, используемых для хранения на запоминающих устройствах.

На внутреннем уровне осуществляется взаимодействие СУБД с методами доступа операционной системы с целью эффективного размещения данных на носителях, создания индексов и т.д. На этом уровне используются:

Карта распределения дискового пространства для хранения данных и индексов;

Описание подробностей сохранения записей (с указанием реальных размеров сохраняемых элементов данных);

Сведения о размещении записей;

Сведения о возможности сжатия данных и выбранных методов шифрования.

Реализация перечисленной информации производится на физическом уровне вычислительной системы, который контролируется операционной системой. В настоящее время функции СУБД и операционной системы строго не разграничиваются. Имеются СУБД, использующие все методы доступа, предусмотренные в данной операционной системе, в других используются только некоторые из методов либо реализована своя файловая система.

На внутреннем уровне создается физическая модель.

Физическая модель дает возможность СУБД представлять программам и пользователям доступ к хранимым данным по именам, не заботясь об их физическом расположении. Является компьютерно-ориентированной (зависит от СУБД и операционной системы). По этой модели СУБД отыскивает данные на внешних запоминающих устройствах.

В соответствии с предложениями ANSI-SPARC можно представить соответствующую трехуровневую модель данных (рис. 6.8):

Рис. 6.8. Уровни моделей данных

СУБД строится по модульному принципу, т.к. это достаточно сложный программный продукт. Состав и взаимосвязь модулей реальных СУБД сильно различаются, однако можно выделить ряд обобщенных компонентов (рис. 6.9):

Рис. 6.9. Основные компоненты СУБД

Рассмотрим основные компоненты СУБД.

Процессор запросов - основной компонент СУБД, преобразующий запросы в последовательность низкоуровневых инструкций для контроллера БД.

Контроллер базы данных взаимодействует с запущенными пользовательскими программами и запросами. Контроллер БД принимает запросы и проверяет внешние и концептуальные схемы для определения тех концептуальных записей, которые необходимы для удовлетворения требований запроса. Контроллер БД вызывает контроллер файлов для выполнения поступившего запроса.

Контроллер файлов манипулирует предназначенными для хранения данных файлами и отвечает за распределение доступного дискового пространства. Он создает и поддерживает список структур и индексов, определенных во внутренней схеме. (Контроллер файлов не управляет физическим вводом - это функция операционной системы).

Препроцессор языка DML преобразует внедренные в прикладные программы DML операторы в вызовы стандартных функций базового языка. Для генерации соответствующего кода препроцессор языка DML должен взаимодействовать с процессором запросов. Язык манипулирования данными (Data Manipulation Language - DML) - совокупность языковых средств организации доступа к данным в некоторой модели данных и в соответствующих ей СУБД.

Компилятор языка DDL преобразует DDL команды в набор таблиц, содержащих метаданные. Затем эти таблицы сохраняются в системном каталоге, а управляющая информация - в заголовках файлов с данными. Язык определения данных (Data Definition Language - DDL) - формальный закон, используемый в некоторой модели данных для определения структуры данных.

Контроллер словаря управляет доступом к системному каталогу и обеспечивает работу с ним. Системный каталог доступен большинству компонентов СУБД.

Контроллер базы данных, как и другие компоненты СУБД, содержит большое количество программных единиц. Например, в контроллер базы данных входят следующие программные компоненты (рис. 6.10):

1. Контроль прав доступа (пользователь имеет или не имеет права на затребованную операцию).

2. Процессор команд (для выполнения запроса управление передается процессору команд).

3. Средства контроля целостности (при выполнении операций, связанных с изменением содержимого базы данных, проверяется целостность ключей).

4. Оптимизатор запросов определяет наилучшую стратегию выполнения запроса.

5. Контроллер транзакций осуществляет требуемую обработку операций, поступающих в процессе выполнения транзакций.

6. Планировщик отвечает за бесконфликтное выполнение параллельных с базой данных операций.

7. Контроллер восстановления обеспечивает восстановление данных до непротиворечивого состояния после сбоя.

8. Контроллер буферов отвечает за перенос данных между ОЗУ и внешними носителями.

Рис. 6.10. Компоненты контроллера базы данных

Три уровня архитектуры.

Архитектура ANSI/SPARC включает три уровня: внутренний, концептуальный и внешний. В общих чертах они представляют собой следующее:

Внутренний уровень-это уровень, наиболее близкий к физическому хранению, т.е. связанный со способами сохранения информации на физических устройствах хранения.

Внешний уровень наиболее близок к пользователям, т.е. он связан со способами представления данных для отдельных пользователей.

Концептуальный уровень-это «промежуточный» уровень между двумя первыми.

Внешний уровень (индивидуальные представления пользователей).Концептуальный уровень (обобщенное представление пользователей).

Внутренний уровень (представление в памяти).

Если внешний уровень с индивидуальными представлениями пользователей, то концептуальный уровень связан с обобщенным представлением пользователей.

Иначе говоря, может быть несколько внешних представлений, каждое из которых состоит из более или менее абстрактного представления определенной части БД, и может быть только одно концептуальное представление, состоящее из абстрактного представления БД в целом.

Внешний уровень-это индивидуальный уровень пользователя. Пользователь может быть прикладным программистом или конечным пользователем с любым уровнем профессиональной подготовки. Особое место среди пользователей занимает администратор БД. (В отличие от остальных пользователей его интересует также концептуальный и внутренний уровень.)

У каждого пользователя есть свой язык общения .

Для прикладного программиста это либо один из распространенных языков программирования, такой как C, COBOL или PL/1, либо специальный язык рассматриваемой системы. Такие оригинальные языки называют (неформально!) языками четвертого поколения на том основании, что машинный код, язык ассемблера и такие языки, как COBOL, можно считать языками трех первых «поколений», а оригинальные языки модернизированы по сравнению с языками третьего поколения так же, как языки третьего поколения улучшены по сравнению с языком ассемблера.

Для конечного пользователя это или специальный язык запросов, или язык специального назначения, возможно, основанный на формах и меню, созданный специально с учетом требований и поддерживаемый некоторым оперативным приложением.

Хотя с точки зрения архитектуры удобно различать подъязык данных ивключающий его базовый язык, на практике они могут быть неразличимыми настолько, насколько это имеет отношение к пользователю. Безусловно, сточки зрения пользователя, предпочтительнее, чтобы они неразличимы или трудно различимым, их называют сильно связанными. Если они ясно и легко различаются, говорят, что они слабо связаны. Большинство систем на сегодняшний день поддерживает лишь слабую связь. Система с сильной связь могли бы предоставить пользователю более унифицированный набор возможностей, но, очевидно, требуют больше усилий со стороны системных проектировщиков и разработчиков (которые, вероятно, рассчитывают на статус-кво); однако есть основания предполагать, что на протяжении следующих нескольких лет будет происходить постепенное продвижение к более сильно связанным системам.

Язык обработки данных состоит из таких выполняемых операторов PL/1, которые передают информацию в и из БД; опять же, возможно, включая, новые специальные операторы.

В общем, внешнее представление состоит из множества экземпляров каждого типа внешней записи, которые, в свою очередь, отнюдь не обязательно должны совпадать с ранимыми записями. Находящийся в распоряжении пользователя подъязык данных определен в терминах внешних записей; например, операция выборки языка обработки данных будет проводить выборку из экземпляров внешних, а не хранимых записей.

Концептуальный уровень.

Концептуальное представление - это представление всей информации БД в несколько более абстрактной форме (как и случае внешнего представления) по сравнению с физическим способом хранения данных. Однако концептуальное представление существенно отличается от способа представления данных какому-либо отдельному пользователю. Вообще говоря, концептуальное представление - это представление данных такими, какие «они есть на самом деле», а не такими, какими вынужден их видеть пользователь в рамках, например, определенного языка или используемого аппаратного обеспечения.

Концептуальное представление состоит из множества экземпляров каждого типа концептуальной записи. Например, оно может состоять из набора экземпляров записей, содержащих информацию об отдельных, плюс набор экземпляров, содержащих информацию о деталях и т.д. Концептуальная запись вовсе не обязательно должна совпадать с внешней записью, с одной стороны, и с хранимой записью- с другой.

Концептуальное представление определяется с помощью концептуальной схемы, которая включает определения каждого типа концептуальных записей.

Концептуальная схема использует другой язык определения данных - концептуальный. Концептуальное представление - это представление всего содержимого базы данных, а концептуальная схема - это определение такого представления. Однако было бы ошибкой полагать, что концептуальная схема - это не более чем набор определений, больше напоминающих простые отношения записей в программе на языке COBOL (или каком-либо другом).

Теперь перейдем к более детальному исследованию трех уровней архитектуры.

Внутренний уровень.

Третьим уровнем архитектуры является внутренний уровень. Внутреннее представление - это представление нижнего уровня всей БД; оно состоит из многих экземпляров каждого типа внутренней записи. Термин «внутренняя запись» принадлежит терминологии ANSI/SPARC и означает конструкцию, называемую хранимой записью. Внутреннее представление так же, как внешнее и концептуальное, не связано с физическим уровнем, так как в нем не рассматриваются физические области устройства хранения, такие как цилиндры и дорожки. Другими словами, внутреннее представление предполагает бесконечное линейное адресное пространство; подробности того, как адресное пространство отображено на физическое устройство хранения, очень зависят от системы и умышленно не включены в общую архитектуру.

Внутреннее представление описывается с помощью внутренней схемы, которая определяет не только различные типы хранимых записей, но также существующие индексы, способы представления хранимых полей, физическую последовательность хранимых записей и т.д. Внутренняя схема пишется с использованием еще одного языка определения данных - внутреннего.

В заключении отметим, что в некоторых исключительных ситуациях прикладные программы, в частности те, которые называют утилитами могут выполнять операции непосредственно на внутреннем, а не на внешнем уровне. Конечно, такой практикой пользоваться не рекомендуется; она определяет риск с точки зрения безопасности (правила безопасности игнорируются) и целостности (правила целостности тоже игнорируется), к тому же программа будет зависеть от загруженных данных; но иногда это может быть единственным способом достичь выполнения требуемой функции или добиться необходимого быстродействия - так же, как пользователю языка высокого уровня иногда по тем же причинам необходимо прибегнуть к языку ассемблера.

Приложения, использующие базы данных, обычно принято относить к одной из программных архитектур, имеющих свои плюсы и минусы.

Локальная архитектура.

И программа, и база данных расположены на одном компьютере. В такой архитектуре работает большинство настольных приложений.

Файл - серверная архитектура.

База данных расположена на мощном выделенном компьютере (сервере), а персональные компьютеры подключены к нему по локальной сети. На этих компьютерах установлены клиентские программы, обращающиеся к базе данных по сети. Преимущество такой архитектуры заключается в возможности одновременной работы нескольких пользователей с одной базой данных.

Недостаток такого подхода - большие объемы информации, передаваемой по сети. Вся обработка выполняется на клиентских местах, где фактически формируется копия базы данных. Это приводится к ограничению максимально возможного числа пользователей и большим задержкам при работе с базой. Эти задержки вызываются тем, что на уровне конкретной таблицы одновременный доступ невозможный. Пока программа на одном из клиентских мест не закончит работу с таблицей (например, не выполнит модификацию записей), другие программы не могут обращаться к этой таблице. Это называется блокировкой на уровне таблицы и исключает возникновение путаницы в ее содержимом.

Клиент - серверная архитектура.

В такой архитектуре на сервере не только хранится БД, но и работает программа СУБД, обрабатывающая запросы пользователей и возвращающая им наборы записей. При этом программы пользователей уже не работают, например, с БД как набором физических фалов, а обращаются к СУБД, которая выполняет операции. Нагрузка с клиентских мест при этом снимается, так как большая часть работы происходит на сервере. СУБД автоматически следит за целостностью и сохранностью БД, а также контролирует доступ к информации с помощью службы паролей. Клиент - серверные СУБД допускают блоки на уровне записи и даже отдельного поля. Это означает, что с таблицей может работать любое число пользователей, но доступ к функции изменения конкретной записи или одного из ее полей обеспечен только одному из них.

Основной недостаток этой архитектуры не очень высокая надежность. Если сервер выходит из строй, вся работа останавливается.

Распределенная архитектура.

В сети работает несколько серверов, и таблицы баз данных распределены между ними для достижения повышенной эффективности. На каждом сервере функционирует своя копия СУБД. Кроме того, в подобной архитектуре обычно используются специальные программы, так называемые серверы приложений. Они

позволяют оптимизировать обработку запросов большого числа пользователей и равномерно распределить нагрузку между компьютерами в сети.

Недостаток распределенной архитектуры заключается в довольно сложном и дорогостоящем процессе ее создания и сопровождения (администрирования), а также а высоких требованиях к сервером компьютерам.

Интернет - архитектура.

Доступ к базе данных и СУБД (распространенных на одном компьютере или в сети) осуществляется из броузера по стандартному протоколу. Это предъявляет минимальные требования к клиентскому оборудованию. Такие программы называют «тонкими клиентами», потому что они способны работать даже на ПК с процессором 80386. Благодаря стандартизации всех протоколов и внедрять. Например, можно не организовывать локальную сеть, а обращаться к серверу через Интернет в локальной сети (в таком случае говорят о технологиях интранет). В этом случае не требуется разрабатывать специальные клиентские программы или придумывать собственные спецификации обмена данными между сервером и клиентскими местами. Достаточно использовать готовые броузера и программные решения.

По способу организации взаимодействия с базой данных через сеть , СУБД делятся на:

СУБД с централизованной архитектурой;

СУБД с архитектурой файл-сервер;

СУБД с архитектурой клиент-сервер;

СУБД с трехуровневой архитектурой: «тонкий клиент» - сервер приложений – сервер базы данных.

В СУБД с централизованной архитектурой , СУБД и сама база данных размещается и функционирует на центральном миникомпьютере (мэйнфрейме), а пользователи получают доступ к базе данных при помощи обычных терминалов – компьютер рассматривается просто как устройство ввода и отображения информации: на мэйнфрейм передаются нажатия клавиш, в обратном направлении передаются данные, отображаемые непосредственно на мониторе пользователя. Примерами СУБД с централизованной архитектурой являются ранние версии СУБД DB2, ранние версии СУБД Oracle и Ingres.

В СУБД с архитектурой файл-сервер база данных хранится на сервере, а копии СУБД устанавливаются на компьютерах пользователей. Файл базы данных находящийся на сервере, совместно используется всеми пользователями одновременно, при помощи сетевого программного обеспечения и самой операционной системы. Ярким примером такой архитектуры является СУБД MS Access: копии СУБД установлены на компьютере каждого пользователя, а сам файл базы данных находится на сервере в сетевой папке.

Архитектура файл-сервер позволяет добиться приемлемой производительности, т.к. в распоряжении каждой копии СУБД находятся все ресурсы компьютера пользователя. С другой стороны, производительность такой схемы для каждого пользователя, напрямую зависит от характеристик компьютера пользователя. Кроме того, такая схема работы значительно загружает сеть.

Допустим, что пользователю необходимо отобрать строки таблицы с товарами, по которым объем продаж не превышает 100 тыс. рублей. Поскольку строки в таблице не упорядочены, то скорее всего по сети будут переданы все строки таблицы, из которых СУБД уже «на месте» (на компьютере пользователя) отберет нужные.

Очевидно, что такая схема нерациональна при больших объемах обрабатываемой информации или большем числе пользователей базы данных. Поэтому, для таких БД целесообразнее применять архитектуру клиент-сервер.

При архитектуре клиент-сервер база данных хранится на сервере, а СУБД подразделяется на две части: клиентскую и серверную . Клиентская часть СУБД выполняется на стороне клиента и обеспечивает интерактивное взаимодействие с пользователем и формирование запросов к базе данных (на языке SQL).

Серверная часть работает на сервере и взаимодействует с базой данных, обеспечивая выполнение запросов клиентской части, т.е. если провести аналогию с рассмотренным выше примером, то клиентская часть сформирует и отправит серверной части запрос «Отбери меня для строки таблицы с товарами, по которым объем продаж не превышает 100 тыс. рублей», серверная часть выполнил данный запрос и отошлет клиентской части те строки, которые необходимо, не передавая по сети все строки.

Большинство современных СУБД реализованы по архитектуре клиент-сервер: Oracle, MS SQL Server, PostgreSQL, MySQL, Informix, DB2 и др.

Однако и архитектура клиент-сервер не лишена недостатков.

Если деловая логика взаимодействия с базой данных (логика, определяющая порядок работы предприятия: какие таблицы и в каком порядке заполнять, что делать при добавлении нового сотрудника и т.д.) изменяется, то приходится заново переписывать клиентские программы (водить новые формы, менять порядок их заполнения и т.д.).

Если изменения происходят слишком часто, а количество рабочих мест велико, то постоянная переустановка программного обеспечения (которая, кстати, должна осуществляться достаточно быстро) становится серьезной проблемой.

В таких случаях следует переходить к трехуровневой архитектуре: «тонкий клиент» - сервер приложений – сервер базы данных.

При трехуровневой архитектуре в функции клиентской части («тонкий клиент») входит только интерактивное взаимодействие с пользователем, а вся деловая логика вынесена на сервер приложений, который собственно и обеспечивает формирование запросов к базе данных, передаваемых на выполнение серверу базы данных.

«Тонкий клиент» находится на компьютере пользователя и чаще всего представляет собой Web-браузер (например, Internet Explorer) с применением соответствующей HTML-странице апплетов Java или компонентов ActiveX.

Сервер приложений находится на сервере и может являться специализированной программой (например, Oracle Forms Server) или обычным Web-сервером, вызывающим для обработки HTTP-запроса внешнюю программу через интерфейс CGI (рис. 33).

Рис. 33. Трехуровневая архитектура БЗ.

Преимущества трехуровневой архитектуры очевидны: при необходимости изменений в деловой логике, изменения вносятся только один раз – на сервере приложений. Изменять или переустанавливать клиентские программы нет никакой необходимости.

Рис. 1.3. Архитектура СУБД

Архитектура СУБД.

В современных системах БД выделяют 3 уровня представления данных: внешний, концептуальный и внутренний (рис. 1.3). Внешний уровень отражает представление пользователей на БД. Внутренний уровень отражает представление, на котором СУБД и ОС воспринимают данные. Концептуальный (логический) уровень – связан с обобщенным представлением всех пользователей БД (это взгляд администратора БД).

Этот подход является общепризнанным и существует уже более 30 лет. Первые предложения по многоуровневой архитектуре были выдвинуты рабочей группой CODACYL в 1971 г. В 1975 г. Комитет планирования стандартов и норм SPARC (Standarts Planning and Requirements Committee) Американского национального института стандартов FNSI (American National Stsndsrt Institute) предложил обобщенную 3-х уровневую структуру СУБД, которая была официально признана в 1978 г и получила название ANSI SPARC.

Первая попытка создания стандартной терминологии и общей архитектуры СУБД была предпринята в 1971 году группой DBTG, признавшей необходимость использования двухуровневого подхода, построенного на основе использования системного представления, т.е. схемы, и пользовательских представлений, т.е. подсхем. Сходные терминология и архитектура были предложены в 1975 году Комитетом планирования стандартов и норм SPARC. Комитет ANSI/SPARC признал необходимость использования трехуровневого подхода. Хотя модель ANSI/SPARC не стала стандартом, тем не менее она все еще представляет собой основу для понимания некоторых функциональных особенностей СУБД.

В данном случае наиболее важным моментом в этих и последующих разработках является идентификация трех уровней абстракции, т.е. трех различных уровней описания элементов данных. Эти уровни формируют трехуровневую архитектуру, которая охватывает внешний, концептуальный и внутренний уровни. Цель трехуровневой архитектуры заключается в отделении пользовательского представления базы данных от ее физического представления. Ниже перечислено несколько причин, по которым желательно выполнять такое разделение.

· Каждый пользователь должен иметь возможность обращаться к одним и тем же данным, используя свое собственное представление о них. Каждый пользователь должен иметь возможность изменять свое представление о данных, причем это изменение не должно оказывать влияния на других пользователей.

· Пользователи не должны непосредственно иметь дело с подробностями физического хранения данных в базе

· Администратор базы данных должен иметь возможность изменять структуру хранения данных в базе, не оказывая влияния на пользовательские представления.

· Внутренняя структура базы данных не должна зависеть от таких изменений физических аспектов хранения информации, как переход на новое устройство хранения.

· АБД должен иметь возможность изменять концептуальную или глобальную структуру базы данных без какого-либо влияния на всех пользователей.

Уровень, на котором воспринимают данные пользователи, называется внешним уровнем (external level), тогда как СУБД и операционная система воспринимают данные на внутреннем уровне (internal level). Именно на внутреннем уровне данные реально сохраняются с использованием всех тех структур и файловой организации. Концептуальный уровень (conceptual level) представления данных предназначен для отображения внешнего уровня на внутренний и обеспечения необходимой независимости друг от друга.

Основным назначением такой архитектуры является обеспечение независимости данных, суть которого заключается в том, что изменения на нижних уровнях архитектуры не влияют на верхние уровни.

Внешний уровень – это пользовательский уровень. Пользователем может быть программист, конечный пользователь или администратор БД. Представление с точки зрения пользователя называется внешним представлением. Оно отражает представление пользователя о данных в БД в удобной для него форме (например, для бухгалтерии - это данные о студентах, которым начисляется стипендия, при этом не важно, какие у них оценки. Для деканата данные о тех же студентах будут содержать сведения об их оценках в сессию и т.п.) . Эти частичные представления пользователей о БД называют подсхемой БД. При этом каждый пользователь может использовать свои языковые и программные средства для работы с БД.

Концептуальный уровень является промежуточным уровнем и обеспечивает представление всей БД в абстрактной форме. Описание БД на этом уровне называют концептуальной схемой, которая является результатом концептуального проектирования. Концептуальная схема отражает интересы всех пользователей и представляет собой единое логическое описание всех элементов данных и отношений между ними, образуя логическую структуру всей БД.

Концептуальная схема должна содержать:

· объекты и атрибуты предметной области;

· связи между объектами;

· ограничения, накладываемые на данные;

· семантическую информацию о данных;

· обеспечение безопасности данных;

· поддержку целостности данных.

Концептуальный уровень поддерживает каждое внешнее представление, в том смысле, что любые доступные пользователю данные должны содержаться (или могут быть вычислены) на этом уровне. Однако на этом уровне не содержаться сведения о методах хранения данных.

Внутренний уровень характеризует внутреннее представление. Оно не связано с физическим уровнем, т.к. физический уровень хранения информации обладает существенной индивидуальностью для каждой системы. На внутреннем уровне все эти особенности не учитываются, а вся область хранения представляется как бесконечное линейное адресное пространство. На нижнем уровне находится внутренняя схема, которая является полным описанием внутренней модели данных. Для каждой БД она только одна. Внутренняя схема описывает физическую реализацию и предназначена для достижения оптимальной производительности и обеспечения экономного использования дискового пространства. На внутреннем уровне хранится следующая информация:

· распределение дискового пространства для хранения данных и индексов;

· описание подробностей сохранения записей (типы, размеры элементов данных и др.);

· сведение о размещении записей;

· сведения о сжатии записей и выбранных методах шифрования.

СУБД отвечает за установление соответствия между всеми тремя уровнями и поддержку их непротиворечивости.

СУБД является сложным программным продуктом и должна обеспечивать выполнение всех определенных ранее функций. Следует отметить, что некоторые функции могут выполняться ОС. Поэтому при проектировании СУБД следует учитывать особенности интерфейса СУБД с ОС.

В структуре СУБД выделяют ядро СУБД (рис. 1.4), которое включает транслятор с языка БД (ЯОД И ЯМД), подсистему поддержки времени выполнения (управление данными во внешней памяти, управление собственными буферами оперативной памяти, управление журнализацией), подсистему управления транзакциями. Кроме того в состав СУБД входит набор утилит, который существенно зависит от выбранной СУБД. В некоторых СУБД эти части явно не выделены, но логически присутствуют всегда.

Ядро СУБД отвечает за управление данными во внешней памяти, управление буферами ОП, управление транзакциями и ведение журналов. Каждая функция реализуется в виде соответствующего менеджера (менеджер транзакций, менеджер буферов и т.д.). Эти функции взаимосвязаны и должны работать под управлением четко проверенных протоколов. Ядро СУБД обладает собственным интерфейсом, недоступным пользователю напрямую и является резидентной частью СУБД. При использовании архитектуры «клиент-сервер» оно является основной составляющей серверной части. Поэтому программа, обеспечивающая выполнение функций СУБД называется машина БД.

В структуре программного комплекса СУБД можно выделить:

Процессор запросов – преобразует запросы в последовательность низкоуровневых инструкций для контроллера БД.

Транслятор с ЯОД – преобразует его команды в набор таблиц, содержащих метаданные. Эта информация хранится в системном каталоге, а управляющая информация – в заголовке файлов.

Транслятор с ЯМД – преобразует внедренные в прикладные программы операторы в вызовы стандартных функций базового языка. Взаимодействует с процессором запросов.