Архитектура СУБД с тремя схемами разделяет концептуальный и физический уровни, позволяя вносить независимые изменения в каждый уровень, не влияя на другие. Теперь давайте углубимся в концепцию архитектуры СУБД с тремя схемами и получим всестороннее представление о тонкостях каждого уровня.
Архитектура с тремя схемами СУБД
В системе управления базами данных (СУБД) термин “схема” относится к логической структуре или расположению данных, определяющему способ их хранения и доступа к ним. “Архитектура” обозначает комплексное расположение и организацию базы данных. Архитектура с тремя схемами в СУБД разделяет логические и физические аспекты системы, позволяя вносить изменения в один уровень, не затрагивая другие. Такое разделение облегчает сохранение целостности и непротиворечивости данных.
Тремя уровнями архитектуры с тремя схемами являются:
- Внешний уровень
- Концептуальный уровень
- Внутренний уровень
Что такое внешняя схема?
В СУБД внешний уровень обеспечивает логическую перспективу базы данных, выступая в качестве доступной части, с которой взаимодействуют пользователи. Этот самый верхний уровень специально разработан для обеспечения удобного интерфейса базы данных. Для иллюстрации рассмотрим пример системы управления персоналом. Когда сотрудник входит в систему, Внешний уровень позволяет отображать информацию о сотруднике.
Что такое концептуальная схема?
Концептуальная схема в базе данных относится к сегменту, который определяет различия между различными наборами данных и устанавливает общую структуру базы данных. Например, в базе данных сотрудников она описывает столбцы или атрибуты таблицы. Она служит высокоуровневым представлением базы данных. Концептуальная схема обычно изображается с использованием модели сущностей и отношений (ER Model), которая использует символы для визуального представления элементов данных и отношений, специфичных для данной системы. В модели ER база данных изображается с помощью диаграммы ER. Теперь давайте рассмотрим диаграмму ER для системы управления персоналом, представленную следующим образом.
Эта диаграмма ER иллюстрирует взаимосвязи между сотрудником, отделом, ролью сотрудника и системой входа в систему.
Что такое внутренняя схема?
Внутренняя схема в системе управления базами данных (СУБД) относится к самому низкому уровню архитектуры с тремя схемами. Она описывает физическую структуру хранения и организацию данных в базе данных. Внутренняя схема определяет, как данные хранятся на носителях информации, таких как диски или магнитные ленты, и как система получает к ним доступ. Сюда входят такие детали, как форматы файлов данных, методы индексации, методы распределения хранилища и любые физические ограничения или оптимизации, реализованные в базе данных. Внутренняя схема в первую очередь связана с эффективным хранением и извлечением данных, и она скрыта от пользователей и приложений, которые взаимодействуют с базой данных через схемы более высокого уровня.
Преимущества трехсхемной архитектуры СУБД
Архитектура с тремя схемами в системах управления базами данных (СУБД) обладает рядом преимуществ, в том числе:
- Независимость от данных: Разделение трех уровней схемы (внешнего, концептуального и внутреннего) обеспечивает независимость от данных. Изменения, внесенные на одном уровне, не влияют на другие уровни, позволяя вносить изменения без нарушения работы всей системы. Это повышает гибкость и упрощает обслуживание.
- Модульная разработка: Архитектура с тремя схемами обеспечивает модульную разработку системы баз данных. Каждый уровень схемы может быть спроектирован, реализован и модифицирован независимо, что способствует модульному и масштабируемому подходу к разработке баз данных.
- Повышенная безопасность и конфиденциальность: Благодаря отделению внешней схемы от сведений о физическом хранилище во внутренней схеме архитектура с тремя схемами помогает обеспечить соблюдение мер безопасности и конфиденциальности. Управление доступом может быть реализовано на уровне внешней схемы для ограничения доступа пользователей к конфиденциальным данным, обеспечивая безопасность данных.
- Повышена производительность: разделение внутренней схемы позволяет реализовать эффективные механизмы хранения и поиска. Физические оптимизации, такие как индексация, секционирование и кэширование, могут быть адаптированы к конкретным потребностям внутренней схемы, что приводит к повышению производительности и времени выполнения запросов.
- Согласованность и целостность данных: Концептуальная схема действует как промежуточный уровень между внешней и внутренней схемами, обеспечивая согласованность и целостность данных. Она обеспечивает стандартизированное и согласованное представление данных в различных внешних схемах, обеспечивая соблюдение ограничений целостности данных и правил проверки.
- Проектирование и эволюция базы данных: Архитектура с тремя схемами помогает в проектировании и эволюции системы баз данных. Изменения концептуальной схемы, такие как изменение связей между сущностями или добавление новых атрибутов, могут быть внесены без воздействия на внешние или внутренние схемы. Такое разделение упрощает эволюцию базы данных и адаптацию к меняющимся бизнес-требованиям.
Недостатки архитектур СУБД с тремя схемами
Хотя архитектура с тремя схемами в системах управления базами данных (СУБД) обладает рядом преимуществ, у нее также есть некоторые недостатки, которые следует учитывать:
- Повышенная сложность: Архитектура с тремя схемами вносит дополнительную сложность в проектирование и разработку системы баз данных. Управление и координация взаимодействий между внешней, концептуальной и внутренней схемами может быть более сложной задачей по сравнению с более простым подходом, основанным на одной схеме.
- Более высокие накладные расходы: Разделение трех уровней схемы может привести к увеличению накладных расходов с точки зрения хранения и обработки. Для каждого уровня требуется свой собственный набор сопоставлений, преобразований и операций, которые могут повлиять на производительность системы и использование ресурсов.
- Дополнительные усилия по разработке: Проектирование и реализация трех уровней схемы требует дополнительных усилий по разработке. Создание и поддержка сопоставлений и преобразований между схемами может отнимать много времени и создавать дополнительные возможности для ошибок.
- Недостаток гибкости: Хотя архитектура с тремя схемами обеспечивает независимость от данных, она также может ограничивать гибкость при внесении определенных типов изменений. Изменение концептуальной схемы, в частности, может оказывать волнообразное воздействие на внешние и внутренние схемы, требуя обновлений и корректировок на нескольких уровнях.
- Потенциал для несоответствий: Несмотря на усилия по поддержанию согласованности данных, разделение трех схем создает возможность несоответствий. Проблемы синхронизации между уровнями, например, когда изменения вносятся в одной схеме без отражения этих изменений в других, могут привести к несоответствиям данных и проблемам целостности.
- Кривая обучения: Понимание архитектуры с тремя схемами и работа с ней может потребовать более глубокого обучения для разработчиков и администраторов баз данных. Концепции и методы, используемые для управления взаимодействиями между схемами, могут быть более сложными и требовать дополнительной подготовки и опыта.
Заключение
Архитектура с тремя схемами системы управления базами данных (СУБД) разделяет базу данных на три уровня: внешний, концептуальный и внутренний. Такое разделение обеспечивает такие преимущества, как независимость от данных, модульная разработка, повышенная безопасность, улучшенная производительность, согласованность данных и поддержка эволюции базы данных. Однако это также приводит к усложнению, дополнительным усилиям по разработке, потенциальным несоответствиям и кривой обучения. Несмотря на эти недостатки, архитектура с тремя схемами остается широко используемой и ценной при управлении сложными системами баз данных.
Часто задаваемые вопросы, связанные с архитектурой СУБД с тремя схемами:
Ниже приведены некоторые часто задаваемые вопросы, связанные с архитектурой СУБД с тремя схемами:
Вопрос 1. Какова цель архитектуры с тремя схемами в СУБД?
Архитектура с тремя схемами разделяет логические и физические аспекты базы данных, позволяя вносить изменения в один уровень, не затрагивая другие. Она обеспечивает независимость от данных, гибкость, безопасность и лучшую оптимизацию производительности.
Вопрос 2. Каковы три уровня в архитектуре с тремя схемами?
Тремя уровнями являются:
- Внешняя схема: Представляет логическое представление базы данных, с которой взаимодействуют пользователи. Она предоставляет удобный интерфейс и может иметь несколько внешних схем, адаптированных к различным требованиям пользователей.
- Концептуальная схема: Служит промежуточным уровнем между внешней и внутренней схемами. Она определяет общую структуру базы данных и обеспечивает согласованность и целостность данных.
- Внутренняя схема: Описывает физическое хранилище и механизмы доступа к базе данных. Основное внимание уделяется эффективному хранению, индексации и оптимизации производительности.
Вопрос 3. Как архитектура с тремя схемами обеспечивает независимость данных?
Благодаря разделению логического и физического уровней архитектура с тремя схемами позволяет вносить изменения в один уровень, не затрагивая другие. Это обеспечивает гибкость в адаптации структуры базы данных и изменениях схемы без нарушения работы всей системы.
Вопрос 4. Каковы преимущества архитектуры с тремя схемами?
Преимущества включают независимость от данных, модульную разработку, повышенную безопасность и конфиденциальность, повышенную производительность, согласованность и целостность данных, а также поддержку проектирования и эволюции баз данных.
Вопрос 5. Каковы недостатки архитектуры с тремя схемами?
К недостаткам относятся повышенная сложность, более высокие накладные расходы, дополнительные усилия по разработке, потенциальные несоответствия и необходимость обучения управлению взаимодействиями между схемами.
Вопрос 6. Как архитектура с тремя схемами способствует проектированию и эволюции базы данных?
Архитектура с тремя схемами упрощает проектирование и эволюцию базы данных, обеспечивая разделение задач. Изменения концептуальной схемы могут быть внесены без воздействия на внешние или внутренние схемы, что облегчает адаптацию базы данных к меняющимся бизнес-требованиям.
Вопрос 7. Широко ли используется архитектура с тремя схемами на практике?
Да, архитектура с тремя схемами широко используется на практике, особенно в больших и сложных системах баз данных. Она обеспечивает структурированный и гибкий подход к управлению базами данных, облегчая организацию данных, доступ к ним и обслуживание.