chapter16数据库系统体系结构

1、数据库系统概论的主要内容：,1.1,数据与数据管理,1.2,数据库,1.3,数据库管理系统,1.4,数据库系统,1.5,数据库管理员,?,1.6,数据库系统的体系结构,1.7,小结,1.6,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,；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,。,1.6.1

2、,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,一、数据模式（,Data Schema,）的

3、概念,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,的说明，值是型的一个,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,（,Schema,）：是对数据库中全体数据的,逻辑结构、联,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

4、反映的是数据库某,一时刻的状态。,1.6.1,数据库系统的三级模式结构,二,、,数据库系统中数据的三级模式结构和两层映像,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,DBMS,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,1.6.1,数据库系统的三级模式结构,应用,1,应用,2,应用,n,子模式,1,子模式

5、,m,子模式,/,模式映象,模,式,模式,/,内模式映象,内,模,式,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,二、数据库系统中数据的三级模式结构和两层映像,、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

6、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,。,1.6.1,数据库系统的三级模式结构,二、数据库系统中数据的三级模式结构和两层映像

7、,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。

8、,1.6.1,数据库系统的三级模式结构,二、数据库系统中数据的三级模式结构和两层映像,以子模式为框架的数据库称为,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,.,1.6.1,数据库系统的三级模式结构,二、数据库系统中数据的三级模式结构和两层映像,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

9、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,。,1.6.1,数据库系统的三级模式结构,三、数据库的二层映像功能与数据独立性,1,、外模式模式映像,：,模式,描述的是数据的,全局逻辑结构,，,外模式,描述的是数据的,局部,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,。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

10、模式的描述中。,当模式改变时，只要相应改变,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,独立于全局的,逻辑数据,的特性叫做数据的,逻辑独立性。所以,外模式模式,映像功能保证了,数据的逻辑独立性,。,1.6.1,数据库系统的三级模式结构,三、数据库的二级映像功能与数据独立性,2,、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,式,映像是唯一的，它定义了数据库,全局逻辑结构,与,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,映像，,就可使,模式,

11、保持不变。这种全局的,逻辑数据,独立于,物理数据,的特性,叫做数据的物理独立性。,模式,不变，建立在,模式,基础上的,外模式,就不会变，与,外模式,相,关的,应用程序,也就不需要改变，所以,模式内模式,映像功能保证了,数据的物理独立性,。,1.6.1,数据库系统的三级模式结构,三、数据库的二级映像功能与数据独立性,逻辑数据独立性,和,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

12、库中的数据经常是变,化的。,1.6.1,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,（,1,）,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,）,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,。,?,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,。,?,在外模式下根据要求进行操作，只能对

13、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,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。,1.6.2,面对用户的数据库系统体系结构,1,、单机结构,单机结构是一种比

14、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,、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，,DB

15、S,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

16、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

17、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,、客户,-,服务器结构,（,Client/Server,，,C/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

18、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

19、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,、浏览器,-,服务器结构,（,Browser/Server,，,B/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