2. Architekturen von DBS

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1 2. Architekturen von DBS Schema-Architektur System-Architekturen Konkrete System-Architekturen Anwendungsarchitekturen Andreas Heuer, Gunter Saake Datenbanken I 2-1

2 Schema-Architektur I Zusammenhang zwischen Konzeptuellen Schema (Ergebnis der Datendefinition) Internen Schema (Festlegung der Dateiorganisationen und Zugriffspfade) Externen Schema (Ergebnis der Sichtdefinition) Anwendungsprogrammen (Ergebnis der Anwendungsprogrammierung) Andreas Heuer, Gunter Saake Datenbanken I 2-2

3 Schema-Architektur II Trennung Schema Instanz Schema (Metadaten, Datenbeschreibungen) Instanz (Anwenderdaten, Datenbankzustand oder -ausprägung) Datenbankschema besteht aus internem, konzeptuellen, externen Schema und den Anwendungsprogrammen im konzeptuellen Schema etwa: Strukturbeschreibungen Integritätsbedingungen Autorisierungsregeln (pro Benutzer für erlaubte DB-Zugriffe) Andreas Heuer, Gunter Saake Datenbanken I 2-3

4 Schema-Architektur III externes Schema 1... externes Schema N konzeptuelles Schema Anfragebearbeitung Datendarstellung internes Schema Andreas Heuer, Gunter Saake Datenbanken I 2-4

5 Datenunabhängigkeit Stabilität der Benutzerschnittstelle gegen Änderungen physisch: Änderungen der Dateiorganisationen und Zugriffspfaden haben keinen Einfluß auf das konzeptuelle Schema logisch: Änderungen am konzeptuellen und gewissen externen Schemata haben keine Auswirkungen auf andere externe Schemata und Anwendungsprogramme eventuell aber externe Schemata betroffen (Ändern von Attributen) eventuell aber Anwendungsprogramme betroffen (Rekompilieren der Anwendungsprogramme, eventuell Änderungen nötig) nötige Änderungen werden jedoch vom DBMS erkannt und überwacht Andreas Heuer, Gunter Saake Datenbanken I 2-5

6 Ebenen-Architektur am Beispiel: Konzeptuelle Sicht Relationale Darstellung AUTOR Name Nr BuchID BUCH.BuchID Meier Schulze Ibsen BUCH BuchID Titel Jahr ISBN Datenbasen I UNIX X Andreas Heuer, Gunter Saake Datenbanken I 2-6

7 Ebenen-Architektur am Beispiel: Externe Sicht I Daten in einer flachen Relation TITEL Name Nr Titel Jahr ISBN Meier Schulze Ibsen Datenbasen I UNIX X UNIX X Andreas Heuer, Gunter Saake Datenbanken I 2-7

8 Ebenen-Architektur am Beispiel: Externe Sicht II Daten in einer hierarchisch aufgebauten Relation TITEL Autoren { Autor } Titel Jahr ISBN Meier Datenbasen I Ibsen UNIX X 1998 Schulze Andreas Heuer, Gunter Saake Datenbanken I 2-8

9 Ebenen-Architektur am Beispiel: Interne Darstellung Baumzugriff Autorname Ibsen Meier Schulze Hash-Tabelle Buchtitel Anderson Heuer Ibsen UNIX X Ibsen Jagellovsk DeMonti * * * * Datenbasen 1 MZ4 antwortet nicht... Andreas Heuer, Gunter Saake Datenbanken I 2-9

10 System-Architekturen Beschreibung der Komponenten eines Datenbanksystems Standardisierung der Schnittstellen zwischen Komponenten Architekturvorschläge ANSI-SPARC-Architektur Drei-Ebenen-Architektur Fünf-Schichten-Architektur beschreibt Transformationskomponenten Andreas Heuer, Gunter Saake Datenbanken I 2-10

11 ANSI-SPARC-Architektur I ANSI: American National Standards Institute SPARC: Standards Planning and Requirement Committee Vorschlag von 1978 Im Wesentlichen Grobarchitektur verfeinert Interne Ebene / Betriebssystem verfeinert Mehr Interaktive und Programmier-Komponenten Schnittstellen bezeichnet und normiert Andreas Heuer, Gunter Saake Datenbanken I 2-11

12 ANSI-SPARC-Architektur II Externe Ebene Konzeptuelle Ebene Interne Ebene Anfragen Updates Optimierer Auswertung Plattenzugriff P1... DB-Operationen Einbettung Data Dictionary Pn Masken Sichtdefinition Dateiorganisation Datendefinition Andreas Heuer, Gunter Saake Datenbanken I 2-12

13 Klassifizierung der Komponenten Definitionskomponenten: Datendefinition, Dateiorganisation, Sichtdefinition Programmier-Komponenten: DB-Programmierung mit eingebetteten DB- Operationen Benutzerkomponenten: Anwendungsprogramme, Anfrage und Update interaktiv Optimierer, Auswertung, Plattenzugriffs- Transformationskomponenten: steuerung Data Dictionary (Datenwörterbuch): Aufnahme der Daten aus Definitionskomponenten, Versorgung der anderen Komponenten Andreas Heuer, Gunter Saake Datenbanken I 2-13

14 Fünf-Schichten-Architektur basierend auf Idee von Senko 1973 Weiterentwicklung von Härder 1987 Umsetzung im Rahmen des IBM-Prototyps System R genauere Beschreibung der Transformationskomponenten schrittweise Transformation von Anfragen/Änderungen bis hin zu Zugriffen auf Speichermedien Definition der Schnittstellen zwischen Komponenten Andreas Heuer, Gunter Saake Datenbanken I 2-14

15 Fünf-Schichten-Architektur: Schnittstellen I mengenorientierte Schnittstelle: deklarative DML auf Tabellen, Sichten, Zeilen satzorientierte Schnittstelle: Sätze, logische Dateien, logische Zugriffspfade navigierender Zugriff interne Satzschnittstelle Sätze, Zugriffspfade Manipulation von Sätzen und Zugriffspfaden Andreas Heuer, Gunter Saake Datenbanken I 2-15

16 Fünf-Schichten-Architektur: Schnittstellen I Pufferschnittstelle Seiten, Seitenadressen Freigeben und Bereitstellen Datei- oder Seitenschnittstelle Hole Seite, Schreibe Seite Geräteschnittstelle Spuren, Zylinder Armbewegungen Andreas Heuer, Gunter Saake Datenbanken I 2-16

17 Fünf-Schichten-Architektur: Funktionen Datensystem Mengenorientierte Schnittstelle MOS Übersetzung Zugriffspfadwahl Zugriffskontrolle Integritätskontrolle logische Datenstrukturen Zugriffssystem Data Dictionary Currency Pointer Sortierung Transaktionsverw. Satzorientierte Schnittstelle logische Zugriffspfade SOS Speichersystem Interne Satzschnittstelle ISS Record Manager Zugriffspfadverw. Sperrverwaltung Log / Recovery Speicherungsstrukturen Pufferverwaltung Systempufferverwaltung mit Seitenwechselstrategie Systempuffer- Schnittstelle SPS Seitenzuordnung, interne Seiten Betriebssystem Externspeicherverwaltung Dateischnittstelle Speicherzuordnung DS externer Speicher Geräteschnittstelle GS Andreas Heuer, Gunter Saake Datenbanken I 2-17

18 Fünf-Schichten-Architektur: Objekte, Operationen Relationen MOS SQL : select... from... Sichten Datensystem QBE, QUEL,... externe Sätze Index-Strukturen Scans interne Sätze Bäume Hash-Tabellen Segmente Seiten Dateien Blöcke Zylinder Spuren SOS Zugriffssystem ISS Speichersystem SPS Pufferverwaltung DS Betriebssystem GS FIND NEXT satz STORE satz Speichere internen Satz s INSERT in B-Baum Bereitstellen Seite j Freigeben Seite j Lies Block k Schreibe Block k Treiber Andreas Heuer, Gunter Saake Datenbanken I 2-18

19 Architekturüberblicke über IMS (hierarchisch) UDS (Netzwerk) relationale Systeme DB2 SQL/DS ORACLE INGRES dbase MS-Access Einige konkrete Systeme Andreas Heuer, Gunter Saake Datenbanken I 2-19

20 IMS IMS Information Management System (IBM, Mitte der 60er) Versionen IMS/360 IMS/VS (Virtual Storage) IMS/VS/DB (Data Base); nur batch-orientiert IMS/VS/DC (Data Communication); auch dialogorientiert unter Betriebssystem DOS/VSE Andreas Heuer, Gunter Saake Datenbanken I 2-20

21 Begriffseinordnung Datenbank internes Schema Sicht Sichtdefinition IMS II interne (physische) Datenbanken DBD (Data Base Description) für jede Datenbank Menge logischer Datenbanken PSB (Program Specification Block), bestehend aus mehreren PCBs (Program Communication Blocks) Alles im Zugriff des Anwendungsprogrammierers Sprache: DL/I (Data Language) eingebettet in PL/I, COBOL oder System/370 Assembler navigierend Andreas Heuer, Gunter Saake Datenbanken I 2-21

22 IMS (Skizze) Konzeptuelle Ebene Externe Transf. Interne Ebene Interne Transf. P1... Pn DL/I-Ops. Einbettung PL/I PCBs DBDs Andreas Heuer, Gunter Saake Datenbanken I 2-22

23 UDS UDS Universelles Datenbank-System (Siemens, 1976) Betriebssystem BS 2000 für Siemens bis Kein Optimierer, sonst Systemaufbau entsprechend ANSI-SPARC DML-Einbettung in COBOL, Assembler, FORTRAN, PASCAL Begriffseinordnung DDL VDL SSL IQL Schema-DDL Subschema-DDL SSL IQS Andreas Heuer, Gunter Saake Datenbanken I 2-23

24 Relationale Systeme Gemeinsame Merkmale Drei-Ebenen-Architektur nach ANSI-SPARC einheitliche Datenbanksprache (SQL; Structured Query Language) Einbettung dieser Sprache in kommerzielle Programmiersprachen diverse Werkzeuge für Definition, Anfrage und Darstellung von Daten; Entwurf von Datenbank-Anwendungsprogrammen; Benutzer-Interaktion kontrollierter Mehrbenutzerbetrieb, Datenschutz- und Datensicherheitsmechanismen Andreas Heuer, Gunter Saake Datenbanken I 2-24

25 Relationale Systeme II Beispiele DB2 (SQL/DS) Entwicklung System R ORACLE INGRES DB2 Pseudo-RDBS (keine drei Ebenen, kein Mehrbenutzerbetrieb, dbase MS-Access ) Andreas Heuer, Gunter Saake Datenbanken I 2-25

26 Anwendungs-Architekturen Benutzerkomponenten Graphische Oberfl. /QBE PL-Einbind. Interaktives SQL 4GLs Embedded SQL Spezial- Komponenten Report- Gener. Export... SQL Kernsystem System / System Kopplung Andreas Heuer, Gunter Saake Datenbanken I 2-26

27 Abarbeiten eines DB-Anwendungsprogrammes am Beispiel DB2 Tabelle AUSLEIHE Spalten: NAME, INVENTARNR SQL-Anfrage: NAME AUSLEIHE INVENTARNR = 82; soll in C-Programm eingebettet werden. Andreas Heuer, Gunter Saake Datenbanken I 2-27

28 Abarbeiten eines DB-Anwendungsprogrammes II Aus Benutzer- / Anwendungsprogrammierer-Sicht besteht DB2 aus Precompiler Binder Laufzeitüberwachungssystem Dateiverwaltungssystem Andreas Heuer, Gunter Saake Datenbanken I 2-28

29 Precompiler für C, PL/I, COBOL, Quellprogramm analysieren DB2-Bausteine Alle SQL-Statements durch Unterprogrammaufrufe ersetzen Konstruktion eines Database Request Modules (DBRM) für jedes SQL- Statement, der Eingabe für Binder sein wird Binder Ein oder mehrere DBRMs zu einem Anwendungsplan übersetzen Der Anwendungsplan enthält ausführbaren Code zur Verwirklichung des ursprünglichen SQL-Statements Der ausführbare Code enthält Betriebssystemaufrufe zum Dateiverwaltungssystem Andreas Heuer, Gunter Saake Datenbanken I 2-29

30 DB2-Bausteine II Laufzeitüberwachungssystem Überwacht die Ausführung des Anwendungsprogramms Falls Anwendungsprogramm auf SQL-Statement stößt, wählt Laufzeitüberwachungssystem Teil eines passenden Anwendungsplanes aus Dateiverwaltungssystem Verwirklicht schnellen Zugriff auf Daten Z.B. Suchprozeduren, Updateoperationen, Indexverwaltung, Andreas Heuer, Gunter Saake Datenbanken I 2-30

31 Abarbeitung Anwendungsprogramm (Skizze) Quellprogramm modifiziertes Quellprogramm Precompiler DBRM Compiler Objektprogramm Linker Ausführungs- Plan ausführbarer Code Teil vom Code Hauptspeicher Laufzeitsystem Teil vom Ausf.plan Binder Dateiverwaltungssystem Datenbank Andreas Heuer, Gunter Saake Datenbanken I 2-31

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