Уровни абстракции в СУБД

Абстрагирование – отбрасывание лишних элементов в моделях объектов реального мира с выделением основных объектов и элементов. 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. Таким образом, база данных это информационная модель предметной области. Каждый конечный пользователь должен получать возможность взаимодействовать с информационной системой на понятном ему языке, в соответствии с его представлением о предметной области. Представление каждого пользователя описывает явления и объекты из предметной области лишь с некоторой точностью, необходимой для его деятельности. Получается такое представление путем выделения основных, с точки зрения пользователя, явлений, объектов, свойств и отбрасыванием второстепенных. Процесс отвлечения от ряда свойств и отношений изучаемого явления с одновременным выделением интересующих исследователя свойств называется абстрагированием. Реализуется представление конечного пользователя в информационной системе с помощью приложений. Так как обычно имеется несколько пользователей информационной системы, то в БД должны быть реализованы несколько представлений. Образы объектов и явлений реального мира, выделенные на основании представлений пользователей, записываются в памяти ЭВМ в цифровом виде. При этом возникает задача разработать такую архитектуру баз данных, которая позволила бы весь период эксплуатации БД обеспечивать стабильное развитие и, при необходимости, простую модификацию баз данных, разрабатываемых с помощью различных СУБД. Следовательно, перед разработчиками архитектуры БД стояла задача, аналогичная задаче стандартизации архитектуры компьютерных сетей. Решения этих задач также аналогичные – использовать многоуровневую архитектуру, что позволяет развивать и совершенствовать одни уровни БД достаточно независимо от других.

Самая жизнеспособная архитектура организации базы данных была предложена группой ANSI/X3/SPARC Study Group, которая была организована в 1972 г. комитетом Standards Planning and Requirements Committee (SPARC) института American National Standards Institute on Computers and Information Processing (ANSI/X3). Эта архитектура имеет трехуровневую систему организации базы данных.

Таким образом, существуют три уровня абстракции в архитектуре базы данных:

· представление (внешняя модель базы данных);

· концептуальная база данных (КБД);

· физическая база данных (ФБД).

Трехуровневая система организации базы данных

При проектировании базы данных процесс перехода от реальности к информационной модели происходит в несколько этапов:

1. Внешняя модель или уровень представления. На этом уровне предметная область (т.е. та область деятельности, в которой осуществляется разработка данной системы) описывается будущим пользователем БД. Каждый пользователь описывает свое представление о предметной области. При этом, описывается: какие объекты важны в работе пользователя, какими свойствами они обладают, связи между объектами, прочие правила взаимодействия объектов.

2. Логический или концептуальный уровень. На этом уровне прикладными программистами разрабатывается обобщенное описание предметной области, которое опирается на представления пользователей. В логической модели используются один из формальных языков. Выбор языка определяется моделью, используемой в СУБД. Это может быть, например:

· язык, описывающий деревья (иерархическая модель);

· язык сетей, как класса графов (сети, сетевая модель).

· язык отношений (реляционная модель);

· ER – модели, как вариант языка сетевой модели.

3. Внутренний либо физический уровень. Описание модели (концептуальной) на языке некоторой СУБД.

СУБД должна поддерживать все три уровня. При этом внешний уровень обычно поддерживается приложениями, написанными возможно на различных языках программирования. Этот уровень связан со способами представления данных для различных пользователей. Концептуальный уровень является обобщенным представлением всех пользователей. Может быть несколько внешних представлений, каждое из которых состоит из представления определенной части базы данных, но может быть только одно концептуальное представление, состоящее из абстрактного представления базы данных в целом. Также есть единственное внутреннее представление, отражающее базу данных как физически хранимую. При использовании реляционной модели концептуальный уровень будет определенно реляционным. Внешнее представление, в этом случае, также будет реляционным или близким к нему. На внутреннем же уровне используются структуры, которые не должны быть связаны с используемой в СУБД моделью данных.

Разработка внешних представления и концептуальной модели является ядром проблемы проектирования базы данных. В процессе проектирования активно используются языки моделей данных СУБД и понятия из предметной области. Для реализации базы данных СУБД должна иметь средства как определения и поддержки базы данных на всех уровнях, так и развитые интерфейсы для обеспечения взаимодействия всех трех уровней между собой. Последние интерфейсы называют отображениями одного уровня архитектуры на другой.