conceitos e arquitetura do sistema de banco de dados

Capítulo 2

Conceitos e arquitetura do sistema de banco de dados

Tópicos

Modelos de dados, esquemas e instâncias Arquitetura de três esquemas e independência de dados Linguagens e interfaces do banco de dados O ambiente do sistema de banco de dados Arquiteturas centralizadas e cliente/servidor para SGBDs Classificação dos sistemas gerenciadores de banco de

Conceitos e arquitetura dosistema de banco de dados

Arquitetura básica de SGBD cliente/servidor

Módulo cliente: programas de aplicação e interface com o usuário

Módulo servidor: armazena dados, acesso, pesquisa e outras funções

1. Modelos de dados, esquemas e instâncias

Abstração de dados

Supressão de detalhes da organização e armazenamento dos dados.

Destacando recursos essenciais para um melhor conhecimento desses dados.

Diferentes usuários percebem os dados em seu nível de detalhe específico

1. Modelos de dados, esquemas e instâncias (cont.)

Modelo de dados Coleção de conceitos para descrever a estrutura de um

banco de dados Oferece os meios necessários para alcançar a

abstração de dados Estrutura de um banco de dados: tipos de dados,

relacionamentos e restrições Operações básicas

• Especifica recuperações e atualizações no banco de dados (inserir, excluir, atualizar

Aspecto dinâmico ou comportamento de uma aplicação de banco de dados.

• Permite ao projetista do banco de dados especificar um conjunto de operações válidas sobre os objetos do banco de dados.

• Exemplo: calcular uma média

1. Modelos de dados, esquemas e instâncias (cont.)

1.1. Categorias de modelos de dados

Modelos de dados de alto nível ou conceituais Próximos ao modo como muitos usuários percebem os

dados.

Modelos de dados de baixo nível ou físicos Descrevem os detalhes de como os dados são

armazenados no computador em discos magnéticos. Voltados para pessoas da área e não para usuários

finais

Modelos de dados representativos

Conceitos facilmente entendidos pelos usuários finais.

Similar ao modo que os dados são organizados e armazenados no computador.

Ocultam detalhes do armazenamento

1.1. Categorias de modelos de dados (cont.)

Entidade Representa um objeto ou conceito do mundo real

Atributo Representa alguma propriedade de interesse Descreve melhor uma entidade

Relacionamento entre duas ou mais entidades Representa uma associação entre as entidades Modelo Entidade-Relacionamento

Modelo de dados relacional Usados com mais frequência nos SGBDs comerciais

tradicionais. São modelos de dados representativos ou de

implementação

Modelo de dados baseados em registro São modelos de dados representativos Mostram dados usando estruturas de registro

Modelo de dados de objeto Nova família de modelos de dados de implementação

de nível mais alto. Mais próximos dos modelos de dados conceituais. Modelos conceituais de alto nível ODMG:

• grupo de gerenciamento de ddos objeto – object data management group

• Desenvolveram um padrão para banco de dados objeto

Modelos de dados físicos Descrevem o armazenamento dos dados como arquivos

no computador: formatos de registro, ordenações, caminho, etc.

Caminho de acesso• Estrutura que torna eficiente a busca por registros de

um banco de dados em particular. Índice

• Exemplo de um caminho de acesso.• Permite o acesso direto aos dados usando um termo de

índice ou uma palavra-chave.

1.2. Esquemas, instâncias eestado do banco de dados

Esquema do banco de dados Descrição do banco de dados Não deve mudar com frequencia

Diagrama de esquema Apresenta aspectos selecionados do esquema Representação de alguns aspectos de um esquema Não representa: tipo de dado de cada item,

relacionamentos entre os arquivos, tipos de restrições, etc.

Construtor do esquema Cada objeto no esquema

Estado ou instante do banco de dados Os dados no banco de dados em determinado momento no

tempo Conjunto atual de ocorrências (ou instâncias) do banco de

dados Cada construtor de esquema, em determinado momento, tem o

seu próprio conjunto de instâncias atuais O estado do banco de dados é mudado sempre que inserimos

ou excluimos um registro dele.

1.2. Esquemas, instâncias e estadodo banco de dados (cont.)

Define-se um novo banco de dados Especifica-se o esquema de banco de dados para o

SGBD Estado vazio (sem dados)

Estado inicial Populado ou carregado com os dados iniciais

Estado atual Ocorre em qualquer ponto do tempo

Estado válido Satisfaz a estrutura e as restrições especificadas no

esquema

Especificar um esquema correto é extremamente importante e deve ser projetado com muito cuidado

Metadados Descrições das construções e restrições do

esquema Intenção = esquema Extensão do esquema = um estado do banco de

dados Evolução do esquema

Mudanças podem ser aplicadas ao esquema à medida que os requisitos da aplicação mudam

RELEMBRANDO: Características importantes da abordagem de

banco de dados Uso de um catálogo para armazenar a descrição do

banco de dados de modo a torna-lo autodescritivo; Isolamento de programas e dados – independencia

entre dados do programa e operação do programa Suporte para multiplas visões do usuário ARQUITETURA DE 3 ESQUEMAS

ARQUITETURA DE 3 ESQUEMAS Objetivo: separar as aplicações do usuário do banco

de dados físico Tres niveis:

2. Arquitetura de três esquemase independência de dados

Nível interno Descreve a estrutura do armazenamento físico do banco de

Nível conceitual Descreve a estrutura do banco de dados inteiro para uma

comunidade de usuários

Nível externo ou de visão Descreve a parte do banco de dados em que um grupo de

usuários em particular está interessado

2. Arquitetura de três esquemas e independência de dados (cont.)

A arquitetura de três esquemas é uma ferramenta com a qual o usuário pode visualizar os níveis de esquema em um sistema de banco de dados.

A maioria dos SGBDs não separa os três níveis completa e explicitamente, mas dá suporte de alguma forma.

*os dados armazenados que realmente existem estão apenas no nível físico.

2. Arquitetura de três esquemas e independência de dados (cont.)

MAPEAMENTO:

É o processo de transformação de requisições e os resultados entre os níveis

O SGBD precisa transformar uma solicitação especificada em um esquema externo em uma solicitação no esquema conceitual, e depois em uma solicitação no esquema interno para o processamento no banco armazenado

2.1. Independência de dados

Capacidade de alterar o esquema em um nível do sistema de banco de dados Sem ter de alterar o esquema no nível mais alto

Tipos: Lógico Físico

Tipos: Lógico Capacidade de alterar o esquema conceitual sem ter

de alterar os esquemas externos ou os programas de aplicação

Somente a definição da visão e os mapeamentos precisam ser alterados

Tipos: Físico Capacidade de alterar o esquema interno sem ter de

alterar o esquema conceitual. Os esquemas externos não precisam ser alterados Situação exemplo: ao criar estruturas de acesso

adicionais, para melhorar o desempenho da recuperação ou atualização, os arquivos físicos podem ser reorganizados, então é necessário mudanças no esquema interno

Tipos: Físico Os detalhes físicos são ocultados do usuário Independencia física existe na maioria dos bancos

de dados Lógico: Permite alterações estruturais e de restrição sem

afetar os programas de aplicação Portanto, independencia lógica é mais dificil de ser

alcançada

Quando ocorre a independencia de dados? Quando o esquema é alterado em algum nível, o

esquema no próximo nível mais alto permanece inalterado

O mapeamento entre os níveis é alterado Programas de aplicação que fazem referencia ao

esquema de nível mais alto não precisam ser alterados

Desvantagem Os dois níveis de mapeamento criam uma sobrecarga

durante a compilação ou execução de uma consulta ou programa, levando a baixa eficiencia do SGBD.

Vantagem Torna mais fácil obter a verdadeira independencia de

dados, tanto física quanto lógica

3. Linguagens e interfaces do SGBD

Linguagens e interfaces apropriadas para cada categoria de usuários

3.1. Linguagens do SGBD

Linguagem de definição de dados (DDL) Define o esquema conceitual e o esquema interno,

assim como o mapeamento entre eles

Linguagem de definição de armazenamento (SDL) Especifica o esquema interno Mapeamentos entre os esquemas pode ser feito por

SDL ou DDL * na maioria do SGBDs RELACIONAIS não existe

uma específica que faz o papel da SDL.

Linguagem de definição de visão (VDL) Especifica visões do usuário e seus mapeamentos ao

esquema conceitual * a maioria dos SGBDs usam a DDL pra definir o

esquema conceitual e também o externo

Linguagem de manipulação de dados (DML) Incluem recuperação, inserção, exclusão e modificação

dos dados

3.1. Linguagens do SGBD (cont.)

ATUALMENTE: Uma linguagem integrada e abrangente é usada na

Definição do esquema conceitual Definição de visão Manipulação de dados

Exemplo: SQL (combina DD, VDL e DML) SQL fica apenas nos níveis conceitual e externo

DML de alto nível ou não procedural Pode ser utilizada para especificar operações de banco de

dados complexas de forma concisa Especificam e recuperam muitos registros em uma única

instrução Quais dados recuperar? Também chamada de linguagem declarativa Linguagem hospedeira: quando comandos DML são

incorporados em uma linguagem de programação de uso geral Sublinguagem de dados: DML Linguagem de consulta: DML

DML de baixo nível ou procedural Deve ser embutida em uma linguagem de programação de

uso geral Recupera registros individuais e processa cada um deles

separadamente

Linguagem hospedeira: quando comandos DML são incorporados em uma linguagem de programação de uso geral

Sublinguagem de dados: DML embutida

Linguagem de consulta: DML de ALTO NÍVEL sendo usada em uma maneira interativa

3. Linguagens e interfaces do SGBD (cont.)

Interfaces baseadas em menu para clientes Web ou de navegação

Interfaces baseadas em formulário Interfaces gráficas com o usuário Interfaces de linguagem natural Entrada e saída de voz Interfaces para usuários paramétricos Interfaces para o DBA

4. O ambiente do sistema debanco de dados

Módulos componentes do SGBD Gerenciamento de buffer Gerenciador de dados armazenados Compilador da DDL Interface de consulta interativa

• Compilador de consulta• Otimizador de consulta

Pré-compilador

4. O ambiente do sistema debanco de dados (cont.)

Módulos componentes de um SGBD Processador de banco de dados em tempo de

execução Catálogo do sistema Sistema de controle de concorrência Sistema de backup e recuperação

Parte superior: são os vários usuários do ambiente de banco de dados e suas interfaces

Parte inferior: mostra os detalhes internos do SGBD, responsáveis pelo armazenamento de dados e processamento de transações

SISTEMA OPERACIONAL:

- Controla o acesso ao disco

- Escalona a leitura/escrita em disco

GERENCIAMENTO DE BUFFER:

- Planeja a leitura/escrita em disco

*desempenho

GERENCIADOR DE DADOS ARMAZENADO

- Controla o acesso às informações do SGBD que são armazenadas em disco

- Definem o banco de dados e ralizam ajustes, alterando sua definição por meio da DDL e de outros comandos privilegiados

COMPILADOR DDL

- Processa as definições de esquema especificadas e armazena as descrições dos esquemas no catálogo

CATÁLOGO

- Incui informações como os nomes e os tamanhos dos arquivos, nomes e tipos de dados dos itens de dados, detalhes de armazenamento de cada arquivo, informações de mapeamento entre esquemas e restrições

USUÁRIOS CASUAIS

- Interagem usando alguma forma de interface (consulta interativa)

CONSULTA INTERATIVA

- São analisadas e validadas pela exatidão da sintaxe de consulta, os nomes de arquivos, elementos de dados, etc., por um compilador de consulta

COMPILADOR DE CONSULTA

- Compila as consultas interativas para um formato interno. Essa consulta interna está sujeita à otimização de consultas

OTIMIZADOR DE CONSULTA

- preocupa-se com o rearranjo e a possível reordenação de operações, com a eliminação de redundancias e uso dos algoritmos e índices corretos durante a execução

PROGRAMADORES DE APLICAÇÃO

-Escrevem programas em linguagens hospedeiras:-JAVA-C-C++-Etc

PROGRAMAS DE APLICAÇÃO

-São os programas desenvolvidos pelos pogramadores-São sumbmetidos a um pré-compilador

PRÉ-COMPILADOR

-Extrai comandos DML do programa de aplicação escrito em uma linguagem de programação hospedeira

COMPILADOR DML

-Compilam, em código objeto para acesso ao bando de dados, os comandos extraídos pelo pré-compilador

COMPILADOR DA LINGUAGEM HOSPEDEIRA

-O que sobra do programa, após a extração dos comandos, é enviado para cá

TRANSAÇÕES COMPILADAS

-É a ligação dos códigos objeto para os comandos DML e o restante do programa

-O código executável resultante inclui chamadas para o processador

USUÁRIOS PARAMÉTRICOS

-As transãções programadas são executadas repetidamente pelos usuários paramétricos, que apenas fornecem parametros para as transações

PROCESSADOR DE BANCO DE DADOS EM TEMPO DE EXECUÇÃO

1.Executa comandos privilegiados

2. Executa os planos de consulta executáveis

3. Executa as transações programadas com parametros em tempo de execução

4. Pode atualizar o catálogo

5. Cuida do gerencialmento de buffers na memória

GERENCIADOR DE DADOS ARMAZENADOS

Utiliza os erviços básicos do sistema operacional para executar operações de entrada/saída de baixo nível entre o disco e a memória principal

SUBSISTEMA ...

Gerenciamento de transação

4.2. Utilitários do sistema de banco de dados

FUNÇÕES DOS UTILITÁRIOS

Carga Carrega os arquivos de dados existentes: txt, etc. Responsável por reformatar automaticamente os

dados e armazená-los no banco (formatos de origem e destino diferentes)

Ferramentas de conversão

4.2. Utilitários do sistema de banco de dados

FUNÇÕES DOS UTILITÁRIOS

Backup Cria uma cópia de segurança do banco de dados Armazenamento em massa: fita ou HDs Em caso de falhas, o backup restaura o banco

4.2. Utilitários do sistema de banco de dados (cont.)

Reorganização do armazenamento do banco de dados Reorganiza um conjunto de arquivos do banco de

dados em diferentes organizações de arquivo Novos caminhos de acesso

Monitoração de desempenho Monitora o uso do banco de dados e oferece

estatísticas ao DBA que, a partir dela, toma decisões

4.2. Ferramentas, ambientes de aplicação e facilidades decomunicações

Ferramentas CASE

Sistema de dicionário de dados (repositório de dados) Armazena decisões do projeto, padrões de uso, descrições de

programa de aplicação e informações do usuário

Ambientes de desenvolvimento de aplicação PowerBuilder, Jbuilder Oferece um ambiente de desenvolvimento de aplicações para

banco de dados

4.2. Ferramentas, ambientes de aplicação e facilidades decomunicações

Software de comunicações Permite que usuários em locais remotos do sistema

acessem o banco de dados por meio de terminais Hardware de comunicação de dados: roteadores, etc. DB/DC: sistema integrado de SGBD e comunicações de

dados SGBDs distribuídos

5. Arquiteturas centralizadas ecliente/servidor para SGBDs

Arquitetura de SGBDs centralizada Toda a funcionalidade de SGBD, execução de

programas de aplicação e processamento de interface do usuário eram executados em uma máquina

5. Arquiteturas cliente/servidorbásicas

Servidores com funcionalidades específicas Servidor de arquivos

• Mantém os arquivos das máquinas clientes Servidor de impressão

• Conectada a várias impressoras; todas as solicitações de impressão pelos clientes são encaminhadas a essa máquina

Servidores Web ou servidores de correio

5. Arquiteturas cliente/servidor básicas (cont.)

Máquinas cliente Oferecem ao usuário:

• Interfaces apropriadas para utilizar esses servidores

• Poder de processamento local para executar aplicações locais

5. Arquiteturas cliente/servidorbásicas (cont.)

Cliente Máquina que oferece capacidades de interface com o

usuário e processamento local

Servidor Sistema com hardware e software Oferece serviços às máquinas cliente

• Como acesso a arquivo, impressão, arquivamento ou acesso a banco de dados

5. Arquiteturas cliente/servidor deduas camadas para SGBDs

Servidor responsável Funcionalidades de consulta e de transação

relacionadas ao processamento da SQL

Cliente responsável Programas da interface com o usuário e os programas

de aplicação

5. Arquiteturas cliente/servidor deduas camadas para SGBDs (cont.)

Conectividade de Banco de Dados Aberta (ODBC) Oferece uma interface de programação de aplicações

(API). Permite que os programas do cliente chamem o

SGBD.• As máquinas cliente e o servidor devem ter o

software necessário instalado.

JDBC Permite que programas cliente em Java acessem

um ou mais SGBDs por meio de uma interface-padrão.

5. Arquiteturas cliente/servidor de duas camadas para SGBDs (cont.)

5. Arquiteturas de três camadase n camadas para aplicações Web

Servidor de aplicação ou servidor Web Acrescenta uma camada intermediária entre o cliente e o

servidor de banco de dados. Executa programas de aplicação e armazena regras de

negócios.

N camadas Divide as camadas entre o usuário e os dados

armazenados em outros componentes mais detalhados.

6. Classificação dos sistemasgerenciadores de banco de dados

Modelo de dados Relacional Objeto Hierárquico e rede (legado) SGBDs XML nativos

Número de usuários Monousuário Multiusuário

6. Classificação dos sistemasgerenciadores de banco de dados (cont.)

Número de locais Centralizado Distribuído

• Homogêneos• Heterogêneos

Custo Código aberto• Diferentes tipos de licença

Opções de tipos de caminho de acesso Uso geral ou uso especial

Resumo

Conceitos usados em sistemas de banco de dados Categorias principais de modelos de banco de dados Tipos de linguagem que os SGBDs possuem Interfaces fornecidas pelos SGBDs Critérios de classificação do SGBD:

Modelo de dados, número de usuários, número de locais, tipos de caminhos de acesso e custo

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