Arquitecturas ede Sistemas de Bases de Dados

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).
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1. Objectivos









O propósito e a origem da arquitectura de base de dados a três níveis.
O conteúdo dos níveis externo, conceptual e interno.
O propósito das mapeamentos entre níveis externo e conceptual, e entre
os níveis conceptual e interno.
O significado de independência lógica e independência física de dados.
A distinção entre uma DDL (Data Definition Language) e uma DML (Data
Manipulation Language).
Classificação de modelos de dados.
As funções/serviços típicos fornecidos por um DBMS.
As componentes dum DBMS.
O significado da arquitectura cliente-servidor e as suas vantagens num
ambiente DBMS multi-utilizador.
2
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.
Entrada de
dados/Saída
de relatórios
VENDAS
Prog.s de aplicação
do Dept. Vendas
Entrada de
dados/Saída
de relatórios
Prog.s de aplicação
CONTRATOS do Dept. Contratos
DBMS
Definição de tabelas
(Propriedade, Proprietário,
Arrendatário e Contrato) +
definição de ficheiros
Base de dados
3
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
4
4. Arquitectura ANSI-SPARC dum DBMS (1975):
motivação






Todos os utilizadores devem ter acesso aos mesmos dados.
A perspectiva do utilizador deve ser imune às alterações feitas noutras
perspectivas (ou vistas ou views).
Os utilizadores não precisam de saber dos detalhes de armazenamento
físico da base de dados.
O DBA deve ser capaz de alterar as estruturas de armazenamento da base
de dados sem afectar as vistas dos utilizadores.
A estrutura interna da base de dados não deve ser afectada por alterações
físicas de armazenamento.
O DBA deve ser capaz de alterar a estrutura conceptual da base de dados
sem afectar os utilizadores.
5
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.
Esquema Externo
View 1
View 2
View n
Esquema Conceptual

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 Interno
BD
6
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.
Esquema Externo
View 1
View 2
View n
Esquema Conceptual
Esquema Interno

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.
BD
7
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 baixonível).
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 Externo
View 1
View 2
View n
Esquema Conceptual
Esquema Interno
BD
8
4. Arquitectura ANSI-SPARC dum DBMS (1975): níveis
de abstracção de dados (cont.2)
View 1 (Dept. Contabilidade)
Func_no
Nome
Apelido
View 2 (Dept. Recursos Humanos)
Idade
Salário
Func_no
Apelido
Ano
Nível conceptual (DBA)
Func_no
Nome
Apelido
Idade
DNasc
Vencimento
Filial_no
Nível interno (sistema, Linguagem C)
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;
9
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.
10
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 Externo
View 1
View 2
View n
Esquema Conceptual
Esquema Interno
BD
11
6.1 Independência Lógica dos Dados



Independência lógica de
dados: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 Externo
View 1
View 2
View n
Esquema Conceptual
Esquema Interno
BD
12
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 Externo
View 1
View 2
View n
Esquema Conceptual
Esquema Interno
BD
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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
de Dados
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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
 DELETE
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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)
16
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.
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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
 físicos
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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
dados e suas alterações seguem determinadas regras de consistência.
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13. Componentes dum DBMS
20
14. Topologias de Arquitecturas DBMS Multi-utilizador

Teleprocessamento

Ficheiro-Servidor

Cliente-Servidor

Distribuída
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14.1 Teleprocessamento (mainframe)




1 computador c/1 CPU + n
terminais;
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 4
terminal 1
terminal 2
terminal 3
22
14.2 Ficheiro-Servidor




1 computador servidor de ficheiros + n
workstations + LAN;
1 servidor de ficheiros que contêm as workstation 1
tabelas da base de dados; funciona como (SGBD)
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 2
(SGBD)
workstation 3
(SGBD)
LAN
Pedidos de dados
Local Area Network
Ficheiros devolvidos
BD
Servidor de ficheiros
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14.3 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).
 Garantia da integridade dos dados.
workstation 2
cliente 2
workstation 1
cliente 1
workstation 3
cliente 3
LAN
Pedidos de dados
Local Area Network
Dados devolvidos
BD
Servidor DBMS
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FIM
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.
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