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Cap. 1
Arquitectura de Sistemas de
Bases de Dados
Abel J.P. Gomes
Bibliografia usada:T. Connoly e C. Begg. “Database Systems: a pratical approach to design,implementation, and management”. Addison-Wesley, 1999 (cap.2).
1. Objectivos
O propósito e a origem da arquitectura de base de dados a três níveisO propósito e a origem da arquitectura de base de dados a três níveis..
O conteúdo dos níveis externo, conceptual e interno.O conteúdo dos níveis externo, conceptual e interno.
O propósito das mapeamentos entre níveis externo e conceptual, e entreO propósito das mapeamentos entre níveis externo e conceptual, e entre
os níveis conceptual e interno.
os níveis conceptual e interno.
O significado de independência lógica e independência física de dados.O significado de independência lógica e independência física de dados.
A distinção entreA distinção entre umauma DDL (DDL (Data Definition Data Definition LLanguage) anguage) ee umuma a DML (DML (DataData
Manipulation Language).
Manipulation Language).
Classificação de modelos de dados.Classificação de modelos de dados.
As funções/serviços típicos fornecidos por um DBMS.As funções/serviços típicos fornecidos por um DBMS.
As componentes dum DBMS.As componentes dum DBMS.
O significado da arquitectura O significado da arquitectura cliente-servidor cliente-servidor e as suas vantagens nume as suas vantagens num
ambiente DBMS multi-utilizador.
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2. Conceitos Básicos
Bases de Dados
•
Colecção partilhada de dados (ficheiros) logicamente relacionados concebida de forma a satisfazer as necessidades de informação duma organização (e.g. empresa imobiliária) DBMS(DataBase Management System)
Colecção de programas que permite ao utilizador definir, criar, aceder,
manipular e fazer a manutenção os dados existentes numa DB.
VENDAS Entrada de dados/Saída de relatórios CONTRATOS Entrada de dados/Saída de relatórios Base de dados Prog.s de aplicação do Dept. Vendas Prog.s de aplicação do Dept. Contratos DBMS Definição de tabelas (Propriedade, Proprietário, Arrendatário e Contrato) + definição de ficheiros
3. Projecto (Desenho) de Bases de Dados
Um dos principais objectivos dum sistema de base de dados é fornecer aos
utilizadores uma perspectiva ABSTRACTA dos dados, ocultando-lhes
COMO os dados são armazenados e manipulados.
Isto significa que o desenho (design) duma base de dados começa por uma
descrição abstracta e, por isso, geral dos requisitos de informação duma organização:
• Entidades • Atributos • Relações
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4. Arquitectura ANSI-SPARC dum DBMS (1975):
motivação
Todos os utilizadores devem ter acesso aos mesmos dados.Todos os utilizadores devem ter acesso aos mesmos dados.
A perspectiva do utilizador deve ser imune às alterações feitas noutrasA perspectiva do utilizador deve ser imune às alterações feitas noutras
perspectivas
perspectivas (ou vistas ou (ou vistas ou views).views).
Os utilizadores não precisam de saber dos detalhes de armazenamentoOs utilizadores não precisam de saber dos detalhes de armazenamento
físico da base de dados.
físico da base de dados.
O DBA deve ser capaz de alterar as estruturas de O DBA deve ser capaz de alterar as estruturas de armazenamento armazenamento da baseda base
de dados sem afectar as
de dados sem afectar as vistasvistas dos utilizadores. dos utilizadores.
A estrutura interna da base de dados não deve ser afectada por alteraçõesA estrutura interna da base de dados não deve ser afectada por alterações
físicas de armazenamento.
físicas de armazenamento.
O DBA deve ser capaz de alterar a estrutura conceptual da base de dadosO DBA deve ser capaz de alterar a estrutura conceptual da base de dados
sem afectar os utilizadores.
4. Arquitectura ANSI-SPARC dum DBMS (1975): níveis
de abstracção de dados
Nível externo (utilizador): descrição
personalizada e parcial dos dados.
Cada perspectiva (view) externa inclui as
entidades, atributos e relações que são relevantes para o utilizador ou
departamento em causa.
Além disso, perspectivas distintas podem
ter representações diferentes dos mesmos dados. Por exemplo, o dado
data pode ser descrito nas seguintes
formas:
• (dia,mês,ano) • (ano,mês, dia)
Esquema Conceptual
View 1 View 2 View n
Esquema Interno
BD
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4. Arquitectura ANSI-SPARC dum DBMS (1975): níveis
de abstracção de dados (
cont
.1)
Nível conceptual (DBA): descrição
comunitária/total dos dados.Este nível descreve QUE dados e suas relações estão armazenados na BD.
Este nível compreende:
• Todos os dados; • Todos os atributos; • Todas as relações;
• As restrições sobre os dados; • Informação semântica dos dados;
• Informação de integridade e segurança.
Este nível não compreende dados dependentes
do armazenamento. Por exemplo, a descrição duma entidade contém os tipos de dados dos seus atributos (p.ex. integer, real, char), mas não o número de bytes ocupados por cada um dos atributos.
Esquema Conceptual
View 1 View 2 View n
Esquema Interno
BD
4. Arquitectura ANSI-SPARC dum DBMS (1975): níveis
de abstracção de dados (
cont
.2)
Nível interno (sistema): Representação
física da BD. Descrição de COMO os dados estão armazenados (estruturas de dados e ficheiros usados ao mais baixo-nível).
Este nível compreende:
• Alocação de memória para dados/índices;
• Descrições de registos (c/ tamanhos dos dados);
• Colocação de registos;
• Técnicas de compressão e encriptação de dados;
• Algoritmos de acesso ao sistema de ficheiros via sistema operativo.
Esquema Conceptual
View 1 View 2 View n
Esquema Interno
BD
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4. Arquitectura ANSI-SPARC dum DBMS (1975): níveis
de abstracção de dados (
cont
.2)
Func_no Nome Apelido Idade Salário View 1 (Dept. Contabilidade)
Func_no Apelido Ano View 2 (Dept. Recursos Humanos)
struct STAFF{
int Staff_no; int Branch_no; char FName[15]; char LName[15];
struct date Date_of_Birth; float Salary;
struct STAFF *next; };
index Staff_no; index Branch_no; Nível interno (sistema, Linguagem C)
Func_no Nome Apelido Idade DNasc Vencimento Filial_no Nível conceptual (DBA)
5. Esquemas e Instâncias
Esquema da BD: descrição global da BD.
NOTA: É importante distinguir entre a descrição da DB e a própria DB.
Esquema externo: conjunto dos subesquemas externos que descrevem as
perspectivas dos utilizadores.
Esquema conceptual: descrição de todos os dados e suas interrelações, assim como
das restrições de integridade associadas. Existe só um esquema conceptual.
Esquema interno: contém as definições dos registos armazenados, métodos de
representação, campos dos registos, indíces e esquemas de hashing. Só existe um esquema interno.
Instância: conjunto de informação existente numa base de dados num dado instante.
As bases de dados mudam ao longo do tempo, através da introdução de mais informação ou do apagamento de informação existente na base de dados.
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6. Independência dos Dados
É um dos principais objectivos da
arquitectura ASNSI-SPARC.
Significa que um nível de abstracção
não é afectado por alterações ocorridas em níveis inferiores.
Há dois tipos de independência de
dados:
lógica física
Esquema Conceptual
View 1 View 2 View n
Esquema Interno
BD
6.1 Independência Lógica dos Dados
Independência lógica dedados:invariância dos subesquemas externos a quaisquer alterações no esquema conceptual.
Obviamente, os utilizadores não tem
que ter conhecimento destas
alterações, com excepção daqueles para os quais as alterações foram feitas.
Alterações?: adição e remoção de
entidades, atributos e relações devem ser possíveis sem afectar os
esquemas externos existentes ou reescrever programas de aplicação.
Esquema Conceptual
View 1 View 2 View n
Esquema Interno
BD
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6.2 Independência Física dos Dados
Independência física de
dados:invariância do esquema conceptual externos a quaisquer alterações no esquema interno.
Do ponto de vista do utilizador, a
única alteração admissível é no desempenho do DBMS.
Alterações?: alteração das estruturas
de dados, alteração na organização de ficheiros, alteração utilização de dispositivos de armazenamento, alteração dos algoritmos de indexação e hashing
Esquema Conceptual
View 1 View 2 View n
Esquema Interno
BD
7. DDL (Data Definition Language)
O esquema duma base de dados é especificado através de um conjunto
de definições expressas numa linguagem especial designada por Linguagem de Definição de Dados (DDL).
Em SQL (Structured Query Language), a DDL inclui basicamente quatro
comandos:
• CREATE DATABASE, DROP DATABASE
• CREATE TABLE, DROP TABLE, ALTER TABLE • CREATE VIEW, DROP VIEW
• CREATE INDEX, DROP INDEX
Definições
em DDL
compilação
Dicionário
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8. DML (Data Manipulation Language)
Operações de manipulação de dados: consulta aos dados da BD
inserção de novos dados na BD actualização de dados na BD eliminação de dados da BD
Em SQL (Structured Query Language), a DML inclui basicamente quatro
comandos:
SELECT INSERT
UPDATE
9. SQL (Structured Query Language)
Unifica a DDL e a DML numa única linguagem. Engloba ainda outros aspectos, como por exemplo os relacionados com a
administração da base de dados.
É uma linguagem não-procedimental. Funciona em modo interactivo.
Existem várias extensões à linguagem SQL de tal modo que os comandos
SQL podem ser embutidos em linguagens de programação tradicionais (Pascal, C, etc.).
É uma norma ISO e ANSI.
ISO (International Standards Organization) ANSI (American National Standards Institute)
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10. 4GL (Fourth Generation Languages)
Algumas classes de 4GL:
Linguagens de inquirições. Exemplo: SQL. Geradores de relatórios.
Geradores de formulários. Geradores de gráficos. Geradores de aplicações.
11. Modelos de Dados
Modelo de Dados:Uma colecção integrada de conceitos cujo objectivo é descrever os dados, as relações entre os dados e as restrições impostas aos dados duma
organização.
Classes de Modelos de Dados: baseados em objectos
Entidade-Relação
Semântico Funcional
Orientado por objectos
baseados em registos
Modelo relacional de dados
Modelo em rede de dados Modelo hierárquico de dados
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12. Funções/Serviços dum DBMS
(Codd, 1982)
Armazenamento, devolução e actualização de dados. É a função principal de
qualquer DBMS.
Catálogo acessível ao utilizador. Contém os dados referentes aos esquemas,
utilizadores, aplicações, etc.
Suporte a transações. Um DBMS deve fornecer um mecanismo que garanta
que todas actualizações referentes a uma determinada transação são efectuadas ou nenhuma delas é efectuada.
Controlo da concorrência. Um DBMS deve fornecer um mecanismo que
garanta que a base de dados seja actualizada correctamente quando vários utilizadores estão a actualizá-la concorrentemente.
Recuperação a falhas. Um DBMS deve fornecer um mecanismo de
recuperação da DB em caso de ocorrência de falha numa transação.
Autorização. Um DBMS deve fornecer um mecanismo que garanta que
somente utilizadores autorizados tenham acesso à base de dados.
Comunicação de dados. Um DBMS deve ser capaz de se integrar com o
software de comunicação em rede.
Integridade. Um DBMS deve fornecer um mecanismo que garanta que os
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14. Topologias de Arquitecturas DBMS Multi-utilizador
Teleprocessamento
Ficheiro-Servidor
Cliente-Servidor
14.1 Teleprocessamento (mainframe)
1 computador c/1 CPU + nterminais;
processamento centralizado; terminais funcionalmente
dependentes, i.e. s/ capacidade de processamento;
Desvantagem: enorme
sobrecarga do processador, para
executar todas as tarefas, tais como aplicações (interfaces gráficas), DBMS, edição de texto e de programas,
formatação dos dados mostrados no ecrã, etc.
terminal 1
terminal 2 terminal 3
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14.2 Ficheiro-Servidor
1 computador servidor de ficheiros + n
workstations + LAN;
1 servidor de ficheiros que contêm as
tabelas da base de dados; funciona como uma drive de disco partilhada;
processamento DBMS distribuído, pois
cada workstation corre uma cópia do DBMS;
Desvantagens:
enorme quantidade de tráfego na rede;
manutenção mais custosa: cada workstation
requer uma cópia completa do DBMS;
controlo da concorrência, integridade dos
dados e recuperação a falhas são mais complexos, visto que há vários DBMS a aceder aos mesmos ficheiros.
workstation 1 (SGBD) Servidor de ficheiros workstation 2 (SGBD) workstation 3 (SGBD) Ficheiros devolvidos Pedidos de dados
LAN
Local Area Network14.3 Cliente-Servidor
1 computador servidor DBMS + n
workstations + LAN;
Servidor: processamento DBMS
centralizado;
Cliente: gestão de interface com o
utilizador e da lógica da aplicação;
Vantagens:
Acesso generalizado às bases de
dados existentes;
Melhor desempenho (workstations
processam aplicações em paralelo).
Custos de hardware reduzidos (só
o servidor requer elevadas
capacidades de processamento e armazenamento).
Menores custos de comunicações
(menos informação a circular na rede). workstation 1 cliente 1 workstation 2 cliente 2 workstation 3 cliente 3 Dados devolvidos Pedidos de dados
LAN
Local Area Network25
Sumário
Definição de objectivos.
Conceitos básicos: base de dados e DBMS. Desenho de bases de dados.
Arquitectura ANSI-SPARC. Esquemas e instâncias.
Independência de dados.
Data Definition Language (DDL). Data Manipulation Language (DML). Structured Query Language (SQL). Linguagens 4G.
Modelos de dados.
Funções/serviços dum DBMS.
Componentes dum DBMS.
Topologias da arquitectura dum DBMS multi-utilizador.
