chapter1_6数据库系统体系结构(精品).ppt

数据库系统概论的主要内容：数据库系统概论的主要内容：1.1 1.1 数据与数据管理数据与数据管理数据与数据管理数据与数据管理1.2 1.2 数据库数据库数据库数据库1.3 1.3 数据库管理系统数据库管理系统数据库管理系统数据库管理系统1.4 1.4 数据库系统数据库系统数据库系统数据库系统1.5 1.5 数据库管理员数据库管理员数据库管理员数据库管理员 1.6 1.6 数据库系统的体系结构数据库系统的体系结构数据库系统的体系结构数据库系统的体系结构1.7 1.7 小结小结小结小结 1.6 1.6 数据库系统的体系结构数据库系统的体系结构考察数据库系统的体系结构可以有多种不同的层次或不同的角度。从数据库管理系统(DBMS)角度看，数据库系统通常采用三级模式结构，这是数据库系统内部的体系结构，通常称为数据库体系结构数据库体系结构数据库体系结构数据库体系结构；从数据库最终用户角度来看，数据库系统的结构可以分为单机结构、主从式结构、分布式结构、C/S结构和B/S结构等，这是数据库系统外部的体系结构，简称数据库系统体系结构数据库系统体系结构数据库系统体系结构数据库系统体系结构。1.6.1 1.6.1 数据库体系结构数据库体系结构 数据库中的数据是被广大用户使用的，库中数据随着时间的推移和情况的变化可能改变，如某人职称由“副教授”改为“教授”。但任何用户都不希望自己面对的数据的逻辑结构发生变化，否则，应用程序就必须重写。数据库中整体数据的逻辑结构、存储结构的需求发生变化是有可能的，正常的，有时也是必需的。而单个用户不希望自己所面对的局部数据的逻辑结构发生变化也是合理的，必须尊重的。为此，各实际的数据库管理系统尽管使用的环境不同，内部数据的存储结构不同，使用的语言也不同，但对数据，一般都采用三级模式结构。1.6.1 数据库系统的三级模式结构数据库系统的三级模式结构 数据模型中有“型”（Type）和“值”（Value）的概念。型是指对某一类数据的结构和属性结构和属性的说明，值是型的一个具体赋值具体赋值。如：型：学生（学号，姓名，性别，年龄，班级）值：（2667101，李明，男，20，遥感班）数据模式模式（Schema）：是对数据库中全体数据的逻辑结构、联逻辑结构、联系和约束系和约束的描述。它描述的是数据模型的“型”。某数据模式下的一组具体的数据值称为数据模式的一个实例（Instance）。因此：同一模式可以有很多实例；模式是相对稳定的，而实例是相对变化的；因为数据库中数据是在不断更新的。模式反映的是数据的结构及其联系，而实例反映的是数据库某一时刻的状态。一、数据模式（一、数据模式（Data Schema）的概念）的概念1.6.1 数据库系统的三级模式结构数据库系统的三级模式结构 数据的三级模式结构包含有外模式、模式和内模式，它们是对数据的三个抽象级别。三级模式结构把对数据的具体组织留给DBMSDBMS管理，使用户能逻辑地、抽象地处理数据，而不必关心数据在计算机中的具体表示与存储。为了能够在内部实现这三个抽象层次的联系和转换，DBMS在这三个级别之间提供了两层映象：外模式模式映像，使数据具有较高的逻辑独立性模式内模式映像，使数据具有较高的物理独立性二二、数据库系统中数据的三级模式结构和两层映像数据库系统中数据的三级模式结构和两层映像1.6.1 数据库系统的三级模式结构数据库系统的三级模式结构应用应用1应用应用2应用应用n子模式子模式1子模式子模式m子模式/模式映象模式模式模式/内模式映象内模式内模式数据库数据库三级模式结构，把数据的结构分为：内部存储结构、全局逻辑结构和局部逻辑结构三个级别。在三个级别中设立两层映像，并通过两层映像的转换功能，使得当数据的存储结构发生变化时，数据的全局逻辑结构保持不变，同样全局逻辑结构发生变化时，用户面对的数据的局部逻辑结构保持不变。1.6.1 数据库系统的三级模式结构数据库系统的三级模式结构、模式（chema）模式也称概念模式（onceptual Schema），是数据库中全部数据的逻辑结构。它通常以某种数据模型为基础，定义数据库全部数据的逻辑结构。如：数据记录的名称、数据项的名称、类型、值域等。还要定义数据项之间的联系，不同记录之间的联系，以及与数据有关的安全性、完整性等要求。逻辑模式是系统为了减小数据冗余，实现数据共享的目标并对所有用户的数据进行综合而得到的统一的全局数据视图。一个数据库系统只能有一个逻辑模式。它不涉及硬件环境和物理存储细节，也不与任何计算机语言有关。DBMS提供模式描述语言（DDL，Data Description Language）来定义模式。以逻辑结构为框架的数据库称为概念数据库概念数据库。二、数据库系统中数据的三级模式结构和两层映像二、数据库系统中数据的三级模式结构和两层映像1.6.1 数据库系统的三级模式结构数据库系统的三级模式结构2、外模式（External Schema）外模式也称子模式(Subschema)，是三级模式结构最外层面向具体用户或应用程序的数据视图，即特定用户或应用程序所涉及到的数据的逻辑结构。外模式是模式的子集。不同用户使用不同的外模式。由于各用户的需求和权限不同，各个外模式的描述也是不同的。即使对模式中的同一数据，其在不同外模式中的结构、密级等都可以不同。每个用户只能调用他的外模式所涉及到的数据，其余数据他是无法访问的。DBMS提供外模式描述语言（外模式DDL）来定义外模式。用外模式DDL给出的，用以定义一个用户数据视图的全部语句，称为此用户的外模式。二、数据库系统中数据的三级模式结构和两层映像二、数据库系统中数据的三级模式结构和两层映像1.6.1 数据库系统的三级模式结构数据库系统的三级模式结构 以子模式为框架的数据库称为用户数据库用户数据库。显然，某个用户数据库是概念数据库的部分抽取。使用外(子)模式的优点:(1)简化数据的使用与程序的设计;(2)有利于数据的安全与保密;(3)实现了数据的共享与独立性.二、数据库系统中数据的三级模式结构和两层映像二、数据库系统中数据的三级模式结构和两层映像1.6.1 数据库系统的三级模式结构数据库系统的三级模式结构3、内模式（Internal Schema）内模式也称存储模式（Storage Schema）或物理模式。它既定义了数据库中全部数据的物理结构，还定义了数据的存储方法，存取策略等。内模式的设计目标是将系统的逻辑模式组织成最优的物理模式，以提高数据的存取效率，改善系统的性能指标。DBMS提供内模式描述语言（Internal Schema DDL）来描述和定义内模式。以内模式为框架的数据库称为物理数据库物理数据库。二、数据库系统中数据的三级模式结构和两层映像二、数据库系统中数据的三级模式结构和两层映像1.6.1 数据库系统的三级模式结构数据库系统的三级模式结构1 1、外模式模式映像、外模式模式映像：模式模式描述的是数据的全局逻辑结构全局逻辑结构，外模式外模式描述的是数据的局部局部逻辑结构逻辑结构。对应于同一个模式可以有任意多个外模式。对于每一个外模式，DBS都有一个外模式模式映像外模式模式映像。它定义了该外模式与模式之间的对应关系。这些映像定义通常包含在各自外模式的描述中。当模式改变时，只要相应改变外模式模式外模式模式映像，就可以使外模式保持不变。应用程序是依据数据的外模式编写的，外模式不变，应用程序就没必要修改。这种用户数据用户数据用户数据用户数据独立于全局的逻辑数据逻辑数据逻辑数据逻辑数据的特性叫做数据的逻辑独立性。所以外模式模式外模式模式映像功能保证了数据的逻辑独立性数据的逻辑独立性。三、数据库的二层映像功能与数据独立性三、数据库的二层映像功能与数据独立性1.6.1 数据库系统的三级模式结构数据库系统的三级模式结构2 2、模式内模式映像、模式内模式映像：数据库中只有一个模式，也只有一个内模式，所以模式内模模式内模式式映像是唯一的，它定义了数据库全局逻辑结构全局逻辑结构与存储结构存储结构之间的对应关系。当数据库的存储结构改变时，只要相应改变模式内模式模式内模式映像，就可使模式模式保持不变。这种全局的逻辑数据逻辑数据逻辑数据逻辑数据独立于物理数据物理数据物理数据物理数据的特性叫做数据的物理独立性。模式模式不变，建立在模式模式基础上的外模式外模式就不会变，与外模式外模式相关的应用程序应用程序也就不需要改变，所以模式内模式模式内模式映像功能保证了数据的物理独立性数据的物理独立性。三、数据库的二级映像功能与数据独立性三、数据库的二级映像功能与数据独立性1.6.1 数据库系统的三级模式结构数据库系统的三级模式结构 逻辑数据独立性逻辑数据独立性和物理数据独立性物理数据独立性是数据库管理系统的重要特性。数据库的三级模式结构是数据库组织数据的结构框架，依照这些数据框架组织的数据才是数据库的内容。在设计数据库时，主要是定义数据库的各级模式；而用户使用数据时，关心的只是数据库的内容。数据库的模式通常是稳定的，而数据库中的数据经常是变化的。三、数据库的二级映像功能与数据独立性三、数据库的二级映像功能与数据独立性1.6.1 数据库系统的三级模式结构数据库系统的三级模式结构四、数据库三级模式结构的优点四、数据库三级模式结构的优点（1）保证数据的独立性保证数据的独立性。将模式和内模式分开，保证了数据的物理独立性；将外模式和模式分开，保证了数据的逻辑独立性。（2 2）简化了用户接口。简化了用户接口。按照外模式编写应用程序或敲入命令，而不需了解数据库逻辑结构，更不需要了解DB内部的存储结构，方便了用户的使用。（3）有利于数据共享有利于数据共享。不同的外模式为不同的用户提供不同的数据视图，从而实现不同用户对数据库中全部数据的共享，减少了数据冗余。（4）有利于数据的安全保密有利于数据的安全保密。在外模式下根据要求进行操作，只能对限定的数据进行限定的操作，保证了其他数据的安全性与保密性。1.6.2 1.6.2 面对用户的数据库系统体系结构面对用户的数据库系统体系结构一个数据库应用系统通常包括数据存储层、应用层与用户界面三个层次。数据存储层一般由DBMS来承担对数据库的各种维护操作；应用层是使用某种程序设计语言实现用户要求的各项工作的程序；用户界面层是提供用户的可视化图形操作界面，便于用户与数据库系统之间的交互。从最终用户角度看，数据库系统可分为单机结构、主从式结构、分布式结构、客户-服务器结构和浏览器-服务器结构五种，下面分别介绍。1 1、单机结构、单机结构、单机结构、单机结构单机结构是一种比较简单的数据库系统。在单机系统中，整个数据库系统包括的应用程序、DBMS和数据库都安装在一台计算机上，由一个用户独占，不同机器之间不能共享数据。这种数据库系统也称桌面系统。在这种桌面型DBMS中，数据的存储层、应用层和用户的界面层的所有功能都存储在单机上，因而适合于未联网的用户、个人用户及移动用户。若将这种系统应用于企事业单位中，容易造成大量的数年冗余。目前比较流行的桌面型DBMS有Visual Foxpro和Access等。1.6.2 面对用户的数据库系统体系结构2 2、主从式结构、主从式结构、主从式结构、主从式结构 主从式系统是指一台大型主机带若干终端的多用户结构。在这种结构中，DBS包括的APP、DBMS和DB都集中存放在主机上，所有处理任务都由主机完成。各终端用户可以并发地访问主机上的数据库，共享其中的数据。主从式结构的DBMS，数据的存储层和应用层都放在主机上，用户界面层放在各个终端上。当终端用户数目增加到一定程度后，主机的任务将十分繁重，常处于超负荷状态，这样会使系统性能大大降低。主从式结构的优点在于简单、可靠、安全。缺点是：主机的任务很重，终端数目有限。当主机出现故障时，整个系统瘫痪。1.6.2 面对用户的数据库系统体系结构3、分布式结构、分布式结构 分布式结构是指地理上或物理上分散而逻辑上集中的数据库系统。管理这种结构的软件称为分布式DBMS，分布式数据库系统通常由计算机网络连接起来，被连接的逻辑单位（包括计算机、外部设备等）称为结点。分布式数据库系统由多台计算机组成，每台计算机都配有各自的本地数据库。在分布式DBS中，大多数处理任务由本地计算机访问本地DB完成局部应用；对于少量本地计算机不能胜任的处理任务，通过网络同时存取和处理多个异地DB中的数据，执行全局应用。分布式DBS是计算机网络发展的必然产物。它适应了地理上分散的组织对于数据库应用的需求。1.6.2 面对用户的数据库系统体系结构3、分布式结构 分布式数据库系统优缺点：优点：体系结构灵活，能适应分布式管理和控制，经济性能好，可靠性高，在一定条件下响速度快，可扩充性好。缺点：系统开销较大，存取结构复杂，数据的安全性和保密性难以解决等。分布式数据库系统的特点归纳为以下四点：（1）数据的物理分布性；（2）数据的逻辑相关性；（3）区域自治性；（4）各计算机之间通过网络联系。在分布式DBMS中，每个结点机均存放有数据存储层、应用层和用户界面层，只是根据工作的需要各结点机存储的内容各不相同。1.6.2 面对用户的数据库系统体系结构4 4 4 4、客户、客户、客户、客户-服务器结构服务器结构服务器结构服务器结构（Client/ServerClient/ServerClient/ServerClient/Server，C/SC/SC/SC/S）主从式结构DBS中的主机和分布式DBS中的每个结点机是一台通用计算机，既执行DBMS功能又执行应用程 随着工作站功能的增强和广泛使用，人们开始把DBMS功能和应用分开，网络中专门用于执行DBMS功能的计算机，称为数据库服务器，简称服务器（Server）;其它安装数据库应用程序的计算机称为客户机（Client）,这种结构称为客户-服务器（C/S）结构。它是当前非常流行的数据库系统结构。在C/S结构的DBS中，数据存储层处于服务器上，而应用层和用户界面层处于客户机上。C/S结构的优点：一是可以减少网路流量，提高系统的性能、吞吐量和负载能力；二是使数据库更加开放，客户机和服务器可以在多种不同的硬件和软件平台上运行。C/S结构的缺点是系统的客户端程序更新升级有一定困难。1.6.2 面对用户的数据库系统体系结构5 5 5 5、浏览器、浏览器、浏览器、浏览器-服务器结构服务器结构服务器结构服务器结构（Browser/ServerBrowser/ServerBrowser/ServerBrowser/Server，B/SB/SB/SB/S）在C/S结构的DBS中，数据存储层处于服务器上，而应用层和用户界面层处于客户机上。C/S结构的缺点是系统的客户端程序更新升级有一定困难。而且对客户机的要求较高，将客户机上的应用层从客户机中分离出来，集中于一台高性能的计算机上，成为应用服务器。而客户机上的用户界面层由安装在客户机上的浏览器软件充当，这样就形成了现今流行的B/S结构数据库系统。应用服务器也称Web服务器，它充当了客户端与数据库服务器的中介，架起了用户界面与数据库之间的桥梁。B/S结构有效克服了C/S结构的缺陷，客户机只要能运行浏览器软件即可。1.6.2 面对用户的数据库系统体系结构1.6.3 用户访问数据库的过程 前面内容概括了数据库的基本情况。而实际数据库系统的情况是互不相同的；实际数据库系统所使用的术语名称也有差异。为使我们对数据库系统工作有一个整体的概念，我们需要了解一下访问数据库的主要步骤。首先，内存被划分为很多区。其中,有一个面向整个数据库的区域称为系统缓冲区；每执行一个应用程序就开辟一个用户工作区。当一个应用程序要从数据库中读取数据时，它的整个过程是：访问数据库的主要步骤 应用程序A A工作区系统缓冲区应用程序A A外模式模式内模式工作日志OSOS65712348数据库DBMS外模式外模式/模式模式映像映像模式模式/内模式内模式映像映像43(1)用户在应用程序中发出命令，指明外模式名。(2)DBMS根据该命令，调出所需外模式，并检查用户的权利。若通过检查，则继续执行；否则拒绝之。(3)DBMS根据外模式/模式转换，确认所需数据在模式上的有关信息。(4)DBMS根据模式/内模式转换，确认所需数据在内模式上的有关信息。(5)DBMS向操作系统发出读取相应数据的请求。(6)操作系统把有关数据从外存调入到系统缓冲区上。(7)DBMS把数据按外模式的形式送入用户工作区。(8)记载系统工作日志。