数据库系统概述1.ppt

数据库系统设计与开发,北京邮电大学 邓芳 D 2010. 5,前言 课程目标 课程内容 学习方法 教学参考书,课程目标： 掌握数据库的概念、理论和技术； 熟悉数据库设计与开发的过程和方法； 理解学会一个具体的DBMS数据库的使用和管理； 利用这些知识能够设计和开发一个实际的数据库应用系统。,课程内容： 数据库系统相关基本概念； 数据库设计过程： 需求分析、概念模型设计、数据库逻辑设计和物理设计、数据库实施；ER模型、关系数据模型、规范化设计方法 ORACLE 数据库管理与操作:数据完整性、数据安全性、SQL 设计实践,学习方法： 理论 实践（ORACLE、Powerdesigner等）,教学参考书： 数据库系统概念（原书第五版），Abraham Silberschatz,etc., 杨冬清、唐世渭等译，机械工业出版社 数据库系统设计、实现与管理（第三版）Thomas Connolly,Carolyn Begg 著，宁洪等译，电子工业出版社 ORACLE DBA基础教程，丁国良编著，科学出版社,第一章 数据库系统概述,数据管理 数据库系统 数据模型 数据库语言 数据库用户 数据库管理员DBA 数据库管理系统DBMS 系统总体结构,1.1 数据库系统的发展,手工管理阶段（50年代中期以前）,文件系统阶段（50年代末60年代末）,数据库系统阶段（60年代末至今）,采用数据库系统的原因： （1)数据成为企业资产 （2)计算机技术的发展 （3)数据信息需求的不断扩大：数量、类型 （4)早期数据系统的不足,数据库系统特点： 1面向全组织的复杂的数据结构 2数据冗余小，易扩充 3具有较高的数据和程序的独立性 4统一的数据控制功能 5数据的最小存取单位是数据项,数据库系统与文件系统,1.2 数据库系统 数据库管理系统：DBMS 数据库：DB 数据库系统：DBS-Database System “数据库系统”在大多数时候都是指DBMS。但是严格地来说，数据库系统-DBS是指在计算机系统中引入数据库之后的系统，一般由数据库、数据库管理系统（及其开发工具）、应用系统、数据库管理员（DBA-Database Administrator）和用户构成。即： DBS = DB + DBMS + APPLICATION + DBA + USER,1.3 数据模型 一组描述数据库的概念，在数据库系统的形式化结构中对数据和信息进行抽象表示和处理的方式。,三要素 数据结构：信息、数据对象的类型及之间的关系； 数据操作：对各种数据类型的实例所允许执行的操作集合； 数据约束条件：完整性规则集合，确保数据正确、有效和一致。,概念模型/信息模型 按用户的观点进行建模，不依赖于具体的DBMS，独立于任何计算机系统实现的信息结构。 实体_关系模型（E_R模型） 数据模型/逻辑模型 面向数据库中数据逻辑结构进行建模。 关系、网状、层次 基于记录的数据模型 面向对象数据模型,模式 数据库的结构 例如, 数据库包含客户与账户信息，以及它们之间的联系 类似于程序变量的类型信息 物理模式: 物理层数据库设计,物理结构 逻辑模式: 逻辑层数据库设计，逻辑结构 实例 数据库在特定时刻的实际内容,数据库模式与实例,1.4 数据库语言 数据定义语言DDL 数据库模式定义及数据库存储结构与存取方法定义。 数据操作子语言DML 查询、增加、修改、删除 数据控制语言DCL 安全性、完整性控制,End Users: naive Users casual users -Interactive SQL Application Programmers-Procedural SQL,Transaction Database analyzer and designer -Data modeling, Normalization theory, Database Administrators, DBA -Database maintenance , Security , Integrity,Recovery Database Management System designer and implementer - Implementation technique of above techniques for Special and New Database Management System,1.5 数据库用户,数据库系统中对数据进行管理的软件，是数据库系统的核心组成部分。 数据库定义： DBMS提供数据库定义语言定义数据库结构，包括外模式、模式、内模式及相互之间的映射，定义完整性约束、安全限制等； 数据操纵： 提供数据库操作语言实现对数据库的操纵； 数据库运行控制： 数据安全性控制； 数据完整性控制； 并发控制； 数据库恢复机制； 数据库维护： 数据的载入、转储，数据库的重组织、性能监视及分析等。,1.6 数据库管理系统DBMS,1.7 数据库系统结构,数据库系统内部的模式结构 从数据库管理系统角度看 数据库系统外部的体系结构 从数据库最终用户角度看,describes how a record is physically stored.,describes logical data stored in database, and the relationships among the data. Community user view,Part of entire database Individual user views,Physical abstraction,Logical abstraction,View abstraction,数据独立性 物理数据独立性： 内模式发生改变时，数据的逻辑结构不变，修改内模式和概念模式之间的映射； 逻辑数据独立性： 概念模式发生改变时，数据库的外模式不变，建立在外模式上的应用程序不需要改变，修改外模式和概念模式之间的映射。,应用访问数据库数据的过程,应用程序A向DBMS发出读取记录的命令,应用程序在命令中给出所读记录的条件； (2) DBMS分析用户命令，调用应用程序A对应的外模式,从子模式中找到对应记录的数据描述，把对应的数据记录描述先读到系统缓冲区中； (3) DBMS调用概念模式,根据所读记录的外模式/模式的映射关系，决定读入模式中的哪些记录； (4)DBMS首先在缓冲区中查找记录,如果找到,转(9); (5) DBMS调用物理存储模式，依据模式/物理模式映射关系，决定从哪台设备、用何种存取方式读取哪些记录；,(6)DBMS向操作系统发出读取所需物理记录的命令； (7)操作系统向有关的物理设备发出调出物理记录(物理存储页)的命令； (8)相关的物理记录从数据库（硬盘）读到系统缓冲区。 (9)DBMS根据子模式/模式映射关系，导出应用程序A要读取的逻辑记录； (10)DBMS把数据从系统缓冲区填写到应用程序A的用户工作区； (11)DBMS向应用程序A返回操作命令执行正确与否的信息。,数据库系统外部的体系结构,单用户结构 主从式结构 客户/服务器结构 浏览器/应用服务器/数据库服务器结构 分布式结构,主机,终端,主从式结构的数据库系统,一个主机带多个终端的多用户结构 数据库系统，包括应用程序、DBMS、数据，都集中存放在主机上，所有处理任务都由 主机来完成 各个用户通过主机的终端并发地存取数据库，共享数据资源,优点 易于管理、控制与维护。 缺点 当终端用户数目增加到一定程度后，主机的任务会过分繁重，成为瓶颈，从而使系统性能下降。 系统的可靠性依赖主机,当主机出现故障时，整个系统都不能使用。,客户/服务器结构,两层体系结构: E.g. 客户端程序通过 ODBC/JDBC 与数据库交互 三层体系结构: E.g. 基于web的应用, 通过中间件构建应用,把一个应用系统按照逻辑功能分成用户界面、应用表示逻辑、事务逻辑、数据管理等，按照其相对角色的不同区分为客户端和服务器端软件。 客户软件能够请求服务器软件的服务。客户软件和服务器软件可以分布在网络中不同的计算机节点上，也可以放置在同一台计算机上。 两层结构、三层结构、多层结构,客户机/服务器结构,应用程序,数据库API,网络/通信接口,网络/通信接口,数据管理,客户管理,DBMS,存储文件,客户端,服务器,数据/网络协议,两层C/S结构的基本工作方式： 客户程序运行用户的应用程序,向数据库服务器发送SQL请求，数据库服务器接受客户机的请求,并将处理结果返回客户端。 一个客户应用开发语言和一个多用途的用于传送客户请求到服务器的机构是整个两层结构的核心。 把SQL语言从客户机传送到服务器上必须能识别服务的标识符或由一个应用程序接口来完成，还必须知道服务器的位置、数据组织形式以及数据如何定义。在服务器中，请求将得到存储逻辑和处理的进一步优化，例如使用权限、完整性、并发控制等。,客户PC运行数据库应用(界面处理)，数据库服务器运行全部或大部分DBMS(数据处理)。服务器运行SQL，将查询结果传送到客户端，减少了网络信息的传输,系统采用数据锁定、事务技术、存储过程等数据库技术保证数据完整一致准确。,三层C/S结构： 数据库应用的三层C/S结构将应用分成表示部分、应用逻辑(或称商业逻辑)、数据访问部分。三层C/S结构使各部分相互独立并单独实现，分别称为客户、应用服务器和数据库服务器。 三层C/S结构中数据在发送到网络之前由功能服务器加以过滤，网络流量会减少，另外客户端并不是直接同数据库打交道，而是通过中间层的统一调用来实现，在灵活性和独立性方面较好，适合于不同数据库的互联。,Web浏览器,Web浏览器,Web浏览器,Web服务器,数据库应用,文件系统,数据库应用,数据库服务器,数据库服务器,数据库服务器,客户层,Web服务层,数据库层,DB1,DB1,DB1,计算机1,计算机1,计算机1,通讯网络,A,C,B,银行系统,背景：数据库系统+计算机网络,分布式数据库体系结构,基本特性 分布性：数据存储在不同场地上。与集中式数据库不同。 逻辑整体性：数据逻辑上是相互联系的一个整体。与分散在计算机网络不同站点上的一组没有相互联系的本地数据库区别开来。 定义 DDBS(Distributed Data Base)是一个数据集合，这些数据，分布在计算机网络的不同计算机上，网络中每个结点具有独立处理的能力，可以执行局部应用，同时每个结点也能通过网络通讯支持全局应用。 分布式数据库强调场地自治性（局部应用）以及自治场地之间的协作性（全局应用）。 “在自治的结点之间协同工作”,体系结构 G-概念模式：定义DDBS中数据的整体逻辑结构，数据如同没有分布一样。 分片模式：每一个关系可以分为若干互不相交的部分，每一部分称为一个片段。 分布模式：定义片段的存放地点。,G-外模式,G-外模式,G-概念模式,分片模式,分布模式,L-概念模式,L-概念模式,L-内模式,L-内模式,L-DB,L-DB,数据在分布式数据库的存储途径 复制 系统维护关系的几个完全相同的副本，这些副本存储在不同的结点上。 分片 关系被划分为几个片段，各个片段存储在不同的结点上。分片方式 水平分片：将关系r按行分为若干子集r1，r2，rn，每个子集ri称为一个水平片段。一个水平片段可以看成是关系上的一个选择。 垂直分片：将关系r按列分为若干属性子集r1，r2，rn，每个子集ri称为一个垂直片段。一个垂直片段可以看成是关系上的一个投影。,导出分片：导出水平分片，分片的条件不是关系本身属性条件，而是其它关系的属性条件。 混合分片：关系按某种方式分片后，得到的片段再按另一种方式继续分片。 复制+分片 关系被划分为几个片段，系统为每个片段维护几个副本。 数据项的命名 每个数据项（关系、副本、片段）必须有唯一的名字，在分布式数据库系统中必须保证在不同的结点上不会用同一个名字来代表不同的数据项。,分布（网络）透明性 分片透明性：用户或应用程序只对全局关系进行操作而不必考虑关系的分片。如果分片模式改变了，通过调整全局模式与分片模式之间的映象关系来保持全局模式不变。 位置透明性：用户或应用程序不必了解片段的存储位置。 局部数据模型透明性：用户或应用程序不必了解局部场地上使用的是哪种数据模型。 分布式数据库系统(DDBS)的组