Aula Lecture

Covilh, 2010

Tecnologias e Sistemas da InformaoInformation Systems and TechnologiesInformation Systems and Technologies

2010 / 2011

Pedro R. M. [email protected]

Departamento de Informtica (DI)Universidade da Beira Interior (UBI)

Department of Computer ScienceDepartment of Computer ScienceUniversity of Beira InteriorUniversity of Beira Interior

Bases de Dados IIBases de Dados IIDatabases IIDatabases II

Covilh, 2010

Sumrio Arquitectura de Sistemas de Gesto de Bases de Dados. Nveis de abstraco de dados, linguagens de definio e manipulao da base de dados e discusso da topologia multi-utilizador que

melhor resulta em prol dos sistemas antes mencionados.

SummarySummaryDatabase Management Systems architecture. Data abstraction levels, database definition Database Management Systems architecture. Data abstraction levels, database definition and manipulation languages and discussion of the multi-user topology that best suits the and manipulation languages and discussion of the multi-user topology that best suits the

purposes of the aforementioned systems.purposes of the aforementioned systems.

Aula 2Aula 2Lecture 2Lecture 2

Covilh, 2010

Arquitectura de Sistemas de Gesto de Bases de DadosArquitectura de Sistemas de Gesto de Bases de DadosDataBase Management Systems ArchitectureDataBase Management Systems Architecture

Material de Apoio Cadeira de Bases de Dados IISupport Material to the Subject of Databases IIDI, UBI, 2010/2011

Objectivos Desta AulaObjectives of this LectureObjectives of this Lecture

O propsito e a origem da arquitectura de base de dados a trs nveis.

O contedo dos nveis externo, conceptual e interno.

O propsito dos mapeamentos entre nveis externo e conceptual, e entre os nveis conceptual e interno.

O significado de independncia lgica e independncia fsica de dados.

A distino entre uma DDL (Data Definition Language) e uma DML (Data Manipulation Language).

Classificao de modelos de dados.

As funes/servios tpicos fornecidos por um Sistema de Gesto de Bases de Dados (da designao inglesa Database Management System (DBMS)).

As componentes dum DBMS.

O significado da arquitectura cliente-servidor e as suas vantagens num ambiente DBMS multi-utilizador.


Objectivos Desta AulaObjectives of this LectureObjectives of this Lecture

Bases de DadosBases de Dados

Coleco partilhada de dados (ficheiros) logicamente relacionados concebida de forma a satisfazer as necessidades de informao duma organizao (e.g. empresa imobiliria).

DBMS (DataBase Management System)DBMS (DataBase Management System)

Coleco de programas que permite ao utilizador definir, criar, aceder, manipular e fazer a manuteno os dados existentes numa DB.

BDBDDBMSDBMSDefinio de tabelas

(Propriedade, Proprietrio,Arrendatrio e Contrato) +

definio de ficheiros

Vendas

Contratos

Entrada de Entrada de Dados / SadaDados / Sadade Relatriosde Relatrios

Entrada de Entrada de Dados / SadaDados / Sadade Relatriosde Relatrios

Prog.s de aplicaodo Dept. Vendas

Prog.s de aplicaodo Dept. Contratos


Desenho de uma Base de DadosDesign of a DatabaseDesign of a Database

Um dos principais objectivos dum sistema de base de dados fornecer aos utilizadores uma perspectiva abstractaabstracta dos dados, ocultando-lhes ocultando-lhes o modoo modo como os mesmos so armazenados e manipulados.

Isto significa que o desenho (design) duma base de dados comea por uma descrio abstractaabstracta e geralgeral dos requisitos de informao duma organizao. Esta descrio faz-se normalmente em termos de:

EntidadesEntidades;

AtributosAtributos e;

RelaesRelaes.


Arquitectura ANSI-SPARC de um DBMS (1975): Objectivos de DesenhoANSI-SPARC Architecture of a DBMS (1975): Design ObjectivesANSI-SPARC Architecture of a DBMS (1975): Design Objectives

Todos os utilizadores devem ter acesso aos mesmos dados.

A perspectiva do utilizador deve ser imune s alteraes feitas noutras perspectivas (ou vistas ou views).

Os utilizadores no precisam de saber dos detalhes de armazenamento fsico da base de dados.

O Administrador da Base de Dados (designao mais comum em ingls DataBase Administrator (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 no deve ser afectada por alteraes fsicas de armazenamento.

O DBA deve ser capaz de alterar a estrutura conceptual da base de dados sem afectar os utilizadores.


Arquitectura ANSI-SPARC de um DBMS (1975): Nveis de Abstraco de DadosANSI-SPARC Architecture of a DBMS (1975): Data Abstraction LevelsANSI-SPARC Architecture of a DBMS (1975): Data Abstraction Levels(1/4)(1/4)

Nvel externoNvel externo (utilizador): descrio personalizada e parcial dos dados.

Cada perspectivaCada perspectiva (view) externa inclui as entidades, atributos e relaes que so relevantes para o utilizador ou departamento em causa.

Alm disso, perspectivas distintas podem ter representaes diferentes dos mesmos dados. Por exemplo, o dado datadata pode ser descrito nas seguintes formas:

(dia,ms,ano) (ano,ms, dia)

BDBD

EsquemaEsquemaInternoInterno

EsquemaEsquemaConceptualConceptual

Esquema ExternoEsquema Externo

Perspectiva 1 Perspectiva 2 Perspectiva 3


Arquitectura ANSI-SPARC de um DBMS (1975): Nveis de Abstraco de DadosANSI-SPARC Architecture of a DBMS (1975): Data Abstraction LevelsANSI-SPARC Architecture of a DBMS (1975): Data Abstraction Levels(2/4)(2/4)Nvel conceptual Nvel conceptual (DBA): descrio comunitria/total

dos dados.Este nvel descreve queque dados e suas relaes esto armazenados na BD.

Este nvel compreende:Este nvel compreende:

Todos os dados;

Todos os atributos;

Todas as relaes;

As restries sobre os dados;

Informao semntica dos dados;

Informao de integridade e segurana.

Este nvel nono compreende dados dependentes do armazenamento. Por exemplo, a descrio duma entidade contm os tipos de dados dos seus atributos (p.ex. integer, real, char), mas no o nmero de bytes ocupados por cada um dos atributos. BDBD






Arquitectura ANSI-SPARC de um DBMS (1975): Nveis de Abstraco de DadosANSI-SPARC Architecture of a DBMS (1975): Data Abstraction LevelsANSI-SPARC Architecture of a DBMS (1975): Data Abstraction Levels(3/4)(3/4) Nvel interno Nvel interno (sistema): Representao fsicafsica

da BD. Descrio de como os dados esto armazenados (estruturas de dados e ficheiros usados ao mais baixo-nvel).

Este nvel compreende:Este nvel compreende:

Alocao de memria para dados/ndices;

Descries de registos (c/ tamanhos dos dados);

Colocao de registos;

Tcnicas de compresso e cifragem de dados;

Algoritmos de acesso ao sistema de ficheiros via sistema operativo. BDBD






Nvel Fsico: Sistema, Linguagem C

Nvel Conceptual: DBA

Perspectiva 1: Dep. Contabilidade Perspectiva 2: Dep. Recursos Humanos

Arquitectura ANSI-SPARC de um DBMS (1975): Nveis de Abstraco de DadosANSI-SPARC Architecture of a DBMS (1975): Data Abstraction LevelsANSI-SPARC Architecture of a DBMS (1975): Data Abstraction Levels(4/4)(4/4)

structSTAFF{structSTAFF{intStaff_no;intStaff_no;intBranch_no;intBranch_no;charFName[15];charFName[15];charLName[15];charLName[15];structdateDate_of_Birth;structdateDate_of_Birth;floatSalary;floatSalary;structSTAFF*next;structSTAFF*next;

};};indexStaff_no;indexBranch_no;indexStaff_no;indexBranch_no;

Func_noFunc_no NomeNome ApelidoApelido IdadeIdade DNascDNasc VencimentoVencimento Filial_noFilial_no

Func_noFunc_no NomeNome ApelidoApelido IdadeIdade DNascDNasc DNascDNasc VencimentoVencimento Filial_noFilial_no


Esquemas e InstnciasSchemes and InstancesSchemes and Instances

Esquema da BD:Esquema da BD: Descrio global da BD.NotaNota: importante distinguir entre a descrio da DB e a prpria DB.

Esquema externo:Esquema externo: conjunto dos subesquemas externos que descrevem as perspectivas dos utilizadores.

Esquema conceptual:Esquema conceptual: descrio de todos os dados e suas interrelaes, assim como das restries de integridade associadas. Existe s um esquema conceptual.

Esquema interno:Esquema interno: contm as definies dos registos armazenados, mtodos de representao, campos dos registos, indces e esquemas de hashing. S existe um esquema interno.

Instncia:Instncia: conjunto de informao existente numa base de dados num dado instante. As bases de dados mudam ao longo do tempo, atravs da introduo de mais informao ou do apagamento de informao existente na base de dados.


Independncia dos DadosData IndependenceData Independence

um dos principais objectivos da arquitectura ASNSI-SPARC.

Significa que um nvel de abstraco Significa que um nvel de abstraco no afectado por alteraes no afectado por alteraes ocorridas em nveis inferiores.ocorridas em nveis inferiores.

H dois tipos de independnciaindependncia de dados:

LgicaLgica FsicaFsica

BDBD






Independncia Lgica dos DadosLogical Data IndependenceLogical Data Independence

Independncia lgica de dados:Independncia lgica de dados: invarincia dos subesquemas externos a quaisquer alteraes no esquema conceptual.

Obviamente, os utilizadores no tm que ter conhecimento destas alteraes, com excepo daqueles para os quais as alteraes foram feitas.

De que alteraes poderemos estar a De que alteraes poderemos estar a falar?falar?

A adio e remoo de entidades, atributos e relaes devem ser possveis sem afectar os esquemas externos existentes ou reescrever programas de aplicao. BDBD






Independncia Fsica dos DadosPhysical Data IndependencePhysical Data Independence

Independncia fsica de dados:invarincia do esquema conceptual externos a quaisquer alteraes no esquema interno.

Do ponto de vista do utilizador, a nica alterao admissvel no desempenhodesempenho do DBMS. Porque?

De que alteraes poderemos estar a falar?alterao das estruturas de dados, alterao na organizao de ficheiros, alterao utilizao de dispositivos de armazenamento, alterao dos algoritmos de indexao e hashing.

BDBD






Linguagem de Definio de Dados(do ingls Data Definition Language (DDL))Data Definition Language (DDL)Data Definition Language (DDL)

O esquemaesquema duma base de dados especificado atravs de um conjunto de definies expressas numa linguagem especial designada por Linguagem de Definio de Dados (DDL).

Na Linguagem Estruturada de Inquiries (do ingls Structured Query Language (SQL)), a DDL inclui basicamente quatro comandos:

CREATEDATABASE,DROPDATABASE

CREATETABLE,DROPTABLE,ALTERTABLE

CREATEVIEW,DROPVIEW

CREATEINDEX,DROPINDEX

Definies Definies em DDLem DDL

DicionrioDicionrioDe DadosDe DadosCompilaoCompilao


Linguagem de Manipulao de Dados(do ingls Data Manipulation Language (DML))Data Manipulation Language (DML)Data Manipulation Language (DML)

Os dados contidos numa base de dados podem ser manipulados atravs de uma linguagem de manipulao de dados (do ingls Data Manipulation Language Data Manipulation Language (DML))). As quatro operaes de manipulao de dados so as seguintes:

consulta aos dados da BD;

insero de novos dados na BD;

actualizao de dados na BD;

eliminao de dados da BD.

Em SQL, a DML inclui basicamente quatro comandos:

SELECT

INSERT

UPDATE

DELETE


Liguagem Estruturada de Inquiries(do Ingls Structured Query Language (SQL))Structured Query Language (SQL)Structured Query Language (SQL)(1/2)(1/2)

Foi desenvolvida pela IBM durante os anos 70.

Inicialemente designada por SEQUEL (Structured English Query Language)

Foi preciso escrever normas para esta linguagem, devido sua adopo por muitos construtores e vendedores de solues informticas:

SQL-86 SQL-89 (reviso menor da anterior) SQL-92 (reviso substancial) SQL-99 (reviso substancial, standard actual)


Liguagem Estruturada de Inquiries(do Ingls Structured Query Language (SQL))Structured Query Language (SQL)Structured Query Language (SQL)(2/2)(2/2)

Unifica a DDL e a DML numa nica linguagem.

Engloba ainda outros aspectos, como por exemplo os relacionados com a administrao da base de dados.

uma linguagem no-procedimental. Funciona em modo interactivo.

No tem operadores de controlo como o IF-THEN-ELSE;

uma linguagem declarativa, o que significa que s temos de especficar o que queremos, e no como deve ser feito.

Existem vrias extenses linguagem SQL de tal modo que os comandos SQL podem ser embutidos em linguagens de programao tradicionais (Pascal, C, etc.) ou de scripting (como o php etc.)

uma norma ISO e ANSI.

ISO (International Standards Organization)

ANSI (American National Standards Institute)


Linguagens de Quarta Gerao44thth Generation Languages (4GL) Generation Languages (4GL)

1st Generation: linguagem mquina.

2nd Generation: linguagem de programao de baixo nvel como assembly.

3rd Generation: linguagem de alto nvel como Java, C, etc.

Algumas classes de Linguagens de Quarta GeraoLinguagens de Quarta Gerao (da designao inglesa 4th Generation Languages (4GL)):

Linguagens de inquiries.

Exemplo: SQL. Geradores de relatrios.

Geradores de formulrios.

Geradores de grficos.

Geradores de aplicaes. 5th Generation: linguagem de alto nvel com ambiente grfico que ajuda a programar.


Modelo de DadosData Model Data Model (1/2)(1/2)

Modelo de Dados:Modelo de Dados:

Uma coleco integrada de conceitos cujo objectivo descrever os dados, as relaes entre os dados e as restries impostas aos dados duma organizao, bem como o modo de os aceder e guardar.

Classes de Modelos de Dados:Classes de Modelos de Dados:

Baseados em objectos

Entidade-Relao;Entidade-Relao; Semntico; Funcional; Orientado por objectos.


Modelo de Dados Entidade-RelaoEntity-Relation Data ModelEntity-Relation Data Model


Modelo de DadosData ModelData Model(2/2)(2/2)

Modelo de Dados:

Uma coleco integrada de conceitos cujo objectivo descrever os dados, as relaes entre os dados e as restries impostas aos dados duma organizao, bem como o modo de os aceder e guardar.

Classes de Modelos de Dados:

Baseados em registosBaseados em registos

Modelo relacional de dados;Modelo relacional de dados; Modelo em rede de dados;

Modelo hierrquico de dados;

Fsicos.Fsicos.


Funes / Servios de um DBMSFunctionalities / Services Provided by a DBMSFunctionalities / Services Provided by a DBMS(1/2)(1/2)

ArmazenamentoArmazenamento, devoluodevoluo e actualizaoactualizao de dados. a funo principal de qualquer DBMS.

Catlogo acessvel ao utilizadorCatlogo acessvel ao utilizador. Contm os dados referentes aos esquemas, utilizadores, aplicaes, etc.

Suporte a transaesSuporte a transaes. Um DBMS deve fornecer um mecanismo que garanta que todas actualizaes referentes a uma determinada transao so efectuadas ou nenhuma delas efectuada.

Controlo da concorrnciaControlo da concorrncia. Um DBMS deve fornecer um mecanismo que garanta que a base de dados seja actualizada correctamente quando vrios utilizadores esto a actualiz-la concorrentemente.


Funes / Servios de um DBMSFunctionalities / Services Provided by a DBMSFunctionalities / Services Provided by a DBMS(2/2)(2/2)

Recuperao de falhasRecuperao de falhas. Um DBMS deve fornecer um mecanismo de recuperao da DB em caso de ocorrncia de falha numa transao.

AutorizaoAutorizao. Um DBMS deve fornecer um mecanismo que garanta que somente utilizadores autorizados tenham acesso base de dados.

Comunicao de dados.Comunicao de dados. Um DBMS deve ser capaz de se integrar com o software de comunicao em rede.

Integridade.Integridade. Um DBMS deve fornecer um mecanismo que garanta que os dados e suas alteraes seguem determinadas regras de consistncia.


Componentes de um DBMSDBMS ComponentsDBMS Components

ProgramadoresProgramadores UtilizadoresUtilizadores Administrador BDAdministrador BD

DBMSDBMSQueryQuery

ProcessorProcessorDDLDDL

CompilerCompiler

DictionaryDictionaryManagerManager

DatabaseDatabaseManagerManager

DMLDMLPreprocessorPreprocessor

ProgramProgramObject CodeObject Code

AccessAccessMethodsMethods

FileFileManagerManager

SystemSystemBuffersBuffers BDBD


Topologias de Arquitecturas Multi-UtilizadorTopologies of Multi-User ArchitecturesTopologies of Multi-User Architectures

Teleprocessamento

Ficheiro-Servidor

Cliente-Servidor

Distribuda


TeleprocessamentoTeleprocessingTeleprocessing

1 computador c/1 CPU + n terminais;

processamento centralizado;

terminais funcionalmente dependentes, i.e. s/ capacidade de processamento;

DesvantagemDesvantagem: enorme sobrecargasobrecarga do processador, para executar todas as tarefas, tais como aplicaes (interfaces grficas), DBMS, edio de texto e de programas, formatao dos dados mostrados no ecr, etc.

Terminal 1 Terminal 2

Terminal 4Terminal 3

BDBD

Mainframe


Topologias de Arquitecturas Multi-Utilizador: Servidor de FicheirosTopologies of Multi-User Architectures: File ServerTopologies of Multi-User Architectures: File Server

1 computador servidor de ficheiros + n workstations + LAN;

1 servidor de ficheiros que contm as tabelas da base de dados; funciona como uma drive de disco partilhada;

processamento DBMS distribudodistribudo, pois cada workstation corre uma cpia do DBMS;

DesvantagensDesvantagens:

enorme quantidade de trfego na rede;

manuteno mais custosa: cada workstation requer uma cpia completa do DBMS;

controlo da concorrncia, integridade dos dados e recuperao a falhas so mais complexos, visto que h vrios DBMS a aceder aos mesmos ficheiros.

Workstation 1DBMS 1

Workstation 2DBMS 2

Workstation 3DBMS 3

Servidor de Ficheiros BDBD

LANLAN

Pedido dedados

Devoluode ficheiros


Topologias de Arquitecturas Multi-Utilizador: Cliente ServidorTopologies of Multi-User Architectures: Client ServerTopologies of Multi-User Architectures: Client Server

1 computador servidor DBMS + n workstations + LAN;

Servidor: processamento DBMS centralizado;

Cliente: gesto de interface com o utilizador e da lgica da aplicao;

VantagensVantagens:

Acesso generalizado s bases de dados existentes;

Melhor desempenho (workstations processam aplicaes em paralelo).

Custos de hardware reduzidos (s o servidor requer elevadas capacidades de processamento e armazenamento).

Menores custos de comunicaes (menos informao a circular na rede).

Garantia da integridade dos dados.

Workstation 1Cliente 1



Servidor de DBMS BDBD

LANLAN

Pedido dedados

Devoluode dados


Topologias de Arquitecturas Multi-Utilizador: DistribuidaTopologies of Multi-User Architectures: DistributedTopologies of Multi-User Architectures: Distributed

n workstations + LAN;

VantagensVantagens: Computao distribuida;

Menos dados em cada BD.

DesvantagensDesvantagens: Cada WorkStation tem de ser capaz de

interagir com a usa prpria BD e possivelmente passar informaes a outras WorkStations;

Potencialmente h mais carga na rede;

Hardware mais caro;

Integridade da informao global;

etc

Workstation 1DBMS

Workstation 2DBMS

Workstation 3DBMS

BDBD

LANLAN

BDBD

BDBD


Concluses / SumrioConclusions / SummaryConclusions / Summary

Desenho de bases de dados.

Arquitectura ANSI-SPARC.

Esquemas e instncias.

Independncia de dados.

Data Definition Language (DDL).

Data Manipulation Language (DML).

Structured Query Language (SQL).

Linguagens 4G.

Modelos de dados.

Funes/servios dum DBMS.

Componentes dum DBMS.

Topologias da arquitectura dum DBMS multi-utilizador.

Slide 1Slide 2Slide 3Slide 4Slide 5Slide 6Slide 7Slide 8Slide 9Slide 10Slide 11Slide 12Slide 13Slide 14Slide 15Slide 16Slide 17Slide 18Slide 19Slide 20Slide 21Slide 22Slide 23Slide 24Slide 25Slide 26Slide 27Slide 28Slide 29Slide 30Slide 31Slide 32

Documents

Aula Lecture