1.3. Архитектура базы данных. Физическая и логическая независимость данных

База данных – именованная совокупность данных, отражающая состояние объектов и их отношений в рассматриваемой предметной области. База данных – совокупность связанных данных, описание, хранение и манипулирование которыми осуществляется по общим правилам.

Цель любой информационной системы – обработка данных об объектах реального мира. В широком смысле слова база данных – это совокупность сведений о конкретных объектах реального мира в какой–либо предметной области.

Данные, организованные в базу, имеют минимальную избыточность и могут быть использованы оптимальным образом при решении различных задач. Для добавления новых и модификации существующих данных, а также для их поиска применяют общий управляемый способ. Данные структурируются таким образом, чтобы была обеспечена возможность дальнейшего наращивания приложений.

Самая жизнеспособная схема организации базы данных была предложена американским комитетом по стандартизации ANSI (American National Standarts Institute). Схема предлагает трехуровневую систему организации базы данных (рис.1.1).

Рис.1.1. Трехуровневая система организации базы данных

Таким образом, существуют три уровня абстракции в представлении базы данных: представление (внешняя модель данных), концептуальная база данных (КБД) и физическая база данных (ФБД). Реально существует только физическая база данных.

Представления и КБД необходимы для реализации процесса проектирования базы данных, для определения структуры данных, используемых при решении локальных задач и для функционирования банка данных в целом.

Представление (внешняя модель данных) – абстрактная информационная модель некоторой части предметной области. Это часть концептуальной базы данных, описание с помощью набора абстракций структуры данных, необходимых для удовлетворения информационных потребностей отдельных групп пользователей и для решения локальных или взаимосвязанных задач.

Этот уровень определяет точку зрения на базу данных 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.

Концептуальная база данных – информационная модель предметной области банка данных. Это описание с помощью набора абстракций структуры всех данных, необходимых для решения всего комплекса задач в рамках предметной области конкретного банка данных.

Концептуальная база данных определяет концептуальное представление данных в системе. Это представление должно быть по возможности стабильным. В то время как представления отдельных групп пользователей о данных и физическое хранение и организация данных меняются, концептуальная база данных остается неизменной или увеличивается с целью включения дополнительных типов данных. Концептуальная база данных определяет общую организацию данных, на основании которой могут быть получены различные внешние организации данных (представления) для отдельных групп пользователей. Общее и внешние логические представления данных являются полностью не зависимыми от физической организации данных.

На концептуальном уровне 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.

Физическая база данных – физическое представление данных и расположение их на запоминающихся устройствах. Это собственно данные, расположенные в файлах или в страничных структурах на внешних носителях информации. Она зависит от используемых средств физического поиска записей. Физическая база данных возникает при решении задач рациональной организации базы данных на запоминающих устройствах.

Организация данных в виде базы обеспечивает логическую и физическую независимость данных. Общая логическая структура данных, являясь величиной относительно постоянной, тем не менее, может меняться.

Логическая независимость данных означает, что изменение общей логической структуры данных (т.е. КБД) не влияет на работу приложений и пользователей. Это обеспечивается тем, что приложения и пользователи работают с базой данных на уровне представлений. Появление новых представлений не затрагивает старых.

Возможны изменения, которые заключаются в удалении данных из базы. В этом случае меняются некоторые представления и требуется коррекция работающих приложений и пользовательских запросов и отчетов. Итак, логическая независимость данных существует между первым и вторым уровнями и означает, что возможно изменение одного приложения без корректировки других приложений, работающих с этой же базой данных.

Физическая независимость данных означает, что физическое расположение и организация данных могут изменяться, не вызывая при этом изменений ни общей логической структуры данных, ни представлений, а значит, и приложений и работы пользователей. Пользователи баз данных не занимаются проблемами представления данных на физическом уровне: размещение данных в памяти, методы доступа к ним и т.д. Такая независимость достигается поддерживаемым СУБД многоуровневым представлением данных в БД на логическом (пользовательском) и физическом уровнях.

Благодаря СУБД и наличию логического уровня представления данных обеспечивается отделение концептуальной (понятийной) модели БД от ее физического представления в памяти компьютера. Итак, физическая независимость данных существует между вторым и третьим уровнями и предполагает возможность переноса хранимой информации с одних носителей на другие при сохранении работоспособности всех приложений, работающих с данной базой данных.

Описание представления называют подсхемой, описание КБД – концептуальной схемой, описание ФБД – физической схемой. Схема – это перечень объектов, их свойств и связей между свойствами и объектами, информация о которых накапливается и обрабатывается в базе данных соответствующего уровня.

Ядром любой базы данных является модель данных. Модель данных представляет собой множество структур данных, ограничений целостности и операций манипулирования данными. С помощью модели данных могут быть представлены объекты предметной области и взаимосвязи между ними. Модель данных – совокупность структур данных и операций их обработки.