第 2 章 資料庫系統的概念與架構

學習重點 資料模型的定義、分類及歷史 資料庫綱要、實例及狀態 三層式綱要架構 DBMS語言、介面及元件模組 資料庫系統公用程式 二層式及三層式主從架構 DBMS的分類 常見的資料模型及DBMSs 資料庫管理

資料模型的定義 資料模型(data model)：一組用來描述資料庫結構概念的集合，以及資料庫應該要遵守的某些限制 資料模型的運算：依據資料模型指定存取及更新資料庫的動作。在資料模型上的運算可能包含「基本運算」和「使用者定義的運算」 資料庫管理

資料模型的分類 概念（conceptual，或高階、語意）資料模型：提供的概念較接近使用者能理解資料的方式 實體（physical，或低階、內部）資料模型：描述資料如何儲存在電腦上的細節 實作（implementation，或象徵性）資料模型：介於高階和低階資料模型之間。它所提供的概念可以讓終端使用者理解，但又不會太偏離資料在電腦中的組織方式 資料庫管理

概念資料模型 術語 定義 例子 實體 (entity) 代表真實世界裡的一個物件或一種觀念 儲存在資料庫裡的員工或專案 屬性 (attribute) 代表某個描述實體的重要特性 員工的姓名或薪水 關係 (relationship) 在兩個或兩個以上實體間的關係，代表實體之間的互動 一位員工與一項計劃間的執行關係 資料庫管理

資料模型的歷史 關聯式模型：1970年由E.F.Codd (IBM) 所提出，第一個商業化產品出現在1981-82。現在的產品大多是屬於這一類 (DB2、ORACLE、SQL Server、SYBASE、INFORMIX) 網路式模型：第一個系統是由Honeywell在1964-65年推出 (IDS System)。目前已逐漸減少 階層式模型：大約在1965年由IBM和另一家公司所開發，成果是IMS系列系統。另一個有名的系統是System 2k (SAS公司) 物件導向資料模型：此資料模型是採用O-O程式語言的概念，如ORION和IRIS 物件關聯式模型：這是最近的趨勢。從Informix Universal Server開始，目前最新的產品有Oracle-10i、DB2和SQL Server等 資料庫管理

綱要 vs. 實例 資料庫綱要 (database schema)：資料庫本身的描述。包括資料庫結構的描述，以及在資料庫上應該遵守的限制 綱要圖 (schema diagram)：將資料庫綱要以圖形繪製出來 綱要組件 (schema construct)：綱要中的某個元件，或者是綱要中的物件，如STUDENT、COURSE 資料庫實例 (database instance)：在某個特定時刻所儲存的實際資料，也稱作資料庫狀態 (database state) 資料庫管理

資料庫綱要 vs. 資料庫狀態 資料庫狀態(database state)：是指在某個時刻當時的資料庫內容 最初狀態 (initial state)：是指資料庫剛載入資料時的狀態 有效狀態 (valid state)：滿足綱要裡所指定的結構與限制的狀態 區別 資料庫綱要─很少更改 資料庫狀態─每次資料庫更新時都會修改 資料庫管理

資料庫的綱要圖─範例 資料庫管理

三層式綱要架構 (1/2) 把DBMS綱要定義為以下三層： 內部層(internal level)：內部綱要（internal schema）是用來描述實際的資料庫儲存結構。通常是使用實體（physical）資料模型 概念層(conceptual level)：概念綱要（conceptual schema ）是用來為某一組使用者描述整個資料庫的結構與限制。通常是使用某種概念 (conceptual) 或實作（implementation）資料模型 外部層(external level)：外部綱要（external schema）是用來描述各個不同的使用者視界 (view)。它通常使用與概念層相同的資料模型 資料庫管理

三層式綱要架構 (2/2) 三層式綱要架構的目的，是為了支援DBMS的以下特性： 程式與資料獨立 支援資料的多重視界 DBMS必須將外部綱要的需求轉換成概念綱要的需求，然後再轉換成內部綱要的需求，以便處理實體資料庫 資料庫管理

三層式綱要架構概念圖 資料庫管理

資料獨立 利用三層式綱要架構可以達到資料獨立的概念。 資料獨立可分成兩類： 邏輯資料獨立(Logical Data Independence)：代表修改概念綱要時，不需要修改外部綱要或應用程式的能力 實體資料獨立(Physical Data Independence)：代表修改內部綱要時，不需要修改概念綱要的能力 資料庫管理

DBMS語言 (1/3) 資料定義語言（Data Definition Language，DDL）：一種被用來定義概念綱要的語言 SDL (儲存定義語言, storage definition language)被用來定義內部綱要 VDL (視界定義語言, view definition language)被用來定義外部綱要 資料庫管理

DBMS語言 (2/3) 資料處理語言（Data Manipulation Language，DML）：用來指定資料庫的擷取與修改 嵌入在一般的程式語言：如同資料子語言(data sublanguage)，被嵌入在一般的主機語言(host language)，如COBOL、C或組合語言 直接獨立(stand-alone)執行：此時常被稱為查詢語言(query language) 資料庫管理

DBMS語言 (3/3) DML有兩種主要的類型： 高階(high-level) DML：或稱非程序化的(Non-procedural) DML。 它們是集合導向的(set-oriented)，主要是指定要什麼資料，而不是如何擷取 也稱作宣告式(declarative)語言 例如，SQL語言 低階(low-level)DML：或稱程序化的(Procedural) DML 一次擷取一筆記錄 必須內嵌在一般的程式語言中 它需要使用程式語言的結構，如迴圈，將多筆記錄一個個的擷取，並處理每一筆資料 資料庫管理

DBMS介面 (1/2) 查詢語言介面 嵌入DML的程式語言介面 友善的介面： 網頁瀏覽用的功能表介面 為初學者所設計的表單介面 圖形化介面（使用滑鼠點選和拖曳） 自然語言介面 上述的組合 資料庫管理

DBMS介面 (2/2) 其他的介面 語音的輸入和輸出：使用有限的語句當作輸入查詢，例如電話簿查詢、飛機航班查詢、銀行帳務資訊 固定模式使用者的介面：如銀行行員，常有專為他們設計並實作特殊的介面 DBA使用的介面：只有DBA能使用的特殊權限命令 建立帳戶、授予帳戶權限 設定系統參數 修改綱要和重組資料庫儲存結構 資料庫管理

資料庫系統環境 資料庫系統環境的一些名詞 用戶端程式(client program)：可以從某台電腦存取另一台電腦上的DBMS 用戶端電腦(client computer)：執行DBMS用戶端程式的電腦 資料庫伺服器(database server)：後端存放資料庫的電腦 應用程式伺服器(application server)：介於用戶端和資料庫伺服器中間的電腦。用戶端會先存取這一台電腦，再由它來存取資料庫伺服器 資料庫管理

DBMS元件模組 (1/3) 資料庫管理

DBMS元件模組 (2/3) DBMS元件模組名稱 功能 儲存資料管理員 (stored data manager) DDL編譯器 (DDL compiler) 負責處理以DDL撰寫的綱要定義，並將綱要的描述(中繼資料)儲存在DBMS目錄中 交談式查詢介面 (interactive query) 提供偶爾使用的使用者透過類似交談的方式，從資料庫中查詢取得想要的資訊 查詢編譯器 (query compiler) 負責將以交談式輸入的高階查詢進行解析(parse)、運算的正確性分析 資料庫管理

DBMS元件模組 (3/3) DBMS元件模組名稱 功能 查詢最佳化程式 (query optimizer) 負責運算動作的重新安排和順序調換、消除重複的部份，以及在執行期間使用正確的演算法和索引。 執行期間資料庫處理器 (run-time database processor) 接收擷取或更新運算，並在資料庫上執行它們 前置編譯器 (pre-compiler) 負責從使用主機程式語言所撰寫的應用程式中取出DML命令 DML編譯器 (DML compiler) 將DML命令編譯成資料庫存取用的目的碼(object code) 主機語言編譯器 (host language compiler) 處理程式中除DML命令以外的其他部份 資料庫管理

資料庫系統公用程式 載入：從檔案載入資料到資料庫中，包括資料轉換工具 備份：定期備份資料庫到磁帶上 重組：重組檔案結構 製作報表：報表產生工具 效能監視：效能監視工具 排序檔案、資料壓縮、監視使用者等 資料庫管理

其他工具 資料字典(dictionary) / 儲藏庫(repository)： 用來儲存綱要描述與其它資訊，如設計決策、應用程式描述與使用者資訊等 應用程式發展環境和CASE (computer-aided software engineering) 工具： 範例：Power builder (Sybase)、Builder (Borland)、JDeveloper 10G(Oracle) 資料庫管理

集中式的DBMS架構 集中式DBMS：將所有的元件集中在單一系統中，包括DBMS軟體、硬體、應用程式和使用者介面 資料庫管理

基本的主從架構 (1/5) 提供專門功能的專門伺服器 用戶端 DBMS伺服器 資料庫管理

基本的主從架構 (2/5) 資料庫管理

基本的主從架構 (3/5) 提供專門功能的專門伺服器 檔案伺服器：維護多個用戶端共用的檔案 列印伺服器：連接各種印表機，用戶端機器可視需要使用任一台印表機 網站伺服器：儲存網站內容 電子郵件伺服器：存放及管理電子郵件 資料庫管理

基本的主從架構 (4/5) 用戶端 提供適當的介面和可存取及利用伺服器資源的用戶端軟體 用戶端可能是無磁碟的機器，或者是只安裝用戶端軟體而且有磁碟的PC或工作站 透過某種形式的網路連線到伺服器（如區域網路、無線網路等） 資料庫管理

基本的主從架構 (5/5) DBMS伺服器 能對用戶端提供資料庫查詢與交易服務 有時稱作查詢(query)伺服器或交易(transaction)伺服器 資料庫管理

二層式主從架構 在用戶端上執行使用者介面程式或應用程式 用戶端的應用程式可以利用下列的標準應用程式介面(API, application program interface)去存取資料庫伺服器 ODBC：Open Database Connectivity JDBC：Java Database Connectivity 一個用戶端程式可能會連結到多種DBMSs 用戶端程式還有其他變化形式：例如某些DBMS把更多的功能轉移到用戶端，包括資料字典功能、橫跨多伺服器的最佳化和復原等。此時的伺服器可能被稱作資料伺服器 (Data Server) 資料庫管理

三層式主從架構─Web應用(1/2) 資料庫管理

三層式主從架構─Web應用(2/2) 在Web應用程式上常見 中間層：有時稱為應用程式伺服器(application server)或Web伺服器： 儲存網站連線軟體，以及用來存取資料庫伺服器上資料的業務法則（business rule） 檢查用戶端的存取權限，提高安全性 扮演在資料庫伺服器與用戶端之間傳送資料的中間角色 三層式架構提高安全性： 用戶端無法直接存取資料庫伺服器，僅能藉由中間層去存取 可以在傳輸前加密伺服器上的資料，到用戶端再解密資料 資料庫管理

DBMS的分類 依據所使用的資料模型去分類： 其他分類準則： 傳統的：關聯式、階層式、網路式 新興的：物件導向式、物件關聯式 單使用者（通常是使用個人電腦）vs. 多使用者（大多數的DBMS都是） 集中式（使用儲存在單一電腦上的單一資料庫）vs. 分散式（使用多電腦和多資料庫） 依據成本：免費的或商業產品 依據用途：通用或特殊用途 資料庫管理

常見的資料模型(data model) 網狀式模型(Network Model) 階層式模型(Hierarchical Model) 關聯式模型(Relational Model) 物件導向式模型(Object-Oriented Model) 物件關聯式模型(Object-Relational Model) XML模型(eXtended Markup Language Model) 資料庫管理

常見的DBMSs 商業軟體 免費軟體 Oracle Sybase Ingres Informix DB2 MS. SQL Server MySQL PostgreSQL 資料庫管理