1. 第 2 章
資料庫系統的概念與架構

2. 學習重點 資料模型的定義、分類及歷史 資料庫綱要、實例及狀態 三層式綱要架構 DBMS語言、介面及元件模組 資料庫系統公用程式
二層式及三層式主從架構
DBMS的分類
常見的資料模型及DBMSs
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3. 資料模型的定義 資料模型(data model)：一組用來描述資料庫結構概念的集合，以及資料庫應該要遵守的某些限制
資料模型的運算：依據資料模型指定存取及更新資料庫的動作。在資料模型上的運算可能包含「基本運算」和「使用者定義的運算」
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4. 資料模型的分類 概念（conceptual，或高階、語意）資料模型：提供的概念較接近使用者能理解資料的方式
實體（physical，或低階、內部）資料模型：描述資料如何儲存在電腦上的細節
實作（implementation，或象徵性）資料模型：介於高階和低階資料模型之間。它所提供的概念可以讓終端使用者理解，但又不會太偏離資料在電腦中的組織方式
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5. 概念資料模型 術語 定義 例子 實體 (entity) 代表真實世界裡的一個物件或一種觀念 儲存在資料庫裡的員工或專案 屬性
(attribute)
代表某個描述實體的重要特性
員工的姓名或薪水 關係
(relationship)
在兩個或兩個以上實體間的關係，代表實體之間的互動
一位員工與一項計劃間的執行關係
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6. 資料模型的歷史
關聯式模型：1970年由E.F.Codd (IBM) 所提出，第一個商業化產品出現在 。現在的產品大多是屬於這一類 (DB2、ORACLE、SQL Server、SYBASE、INFORMIX)
網路式模型：第一個系統是由Honeywell在 年推出 (IDS System)。目前已逐漸減少
階層式模型：大約在1965年由IBM和另一家公司所開發，成果是IMS系列系統。另一個有名的系統是System 2k (SAS公司)
物件導向資料模型：此資料模型是採用O-O程式語言的概念，如ORION和IRIS
物件關聯式模型：這是最近的趨勢。從Informix Universal Server開始，目前最新的產品有Oracle-10i、DB2和SQL Server等
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7. 綱要 vs. 實例 資料庫綱要 (database schema)：資料庫本身的描述。包括資料庫結構的描述，以及在資料庫上應該遵守的限制
綱要圖 (schema diagram)：將資料庫綱要以圖形繪製出來
綱要組件 (schema construct)：綱要中的某個元件，或者是綱要中的物件，如STUDENT、COURSE
資料庫實例 (database instance)：在某個特定時刻所儲存的實際資料，也稱作資料庫狀態 (database state)
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8. 資料庫綱要 vs. 資料庫狀態 資料庫狀態(database state)：是指在某個時刻當時的資料庫內容
最初狀態 (initial state)：是指資料庫剛載入資料時的狀態
有效狀態 (valid state)：滿足綱要裡所指定的結構與限制的狀態 區別
資料庫綱要─很少更改
資料庫狀態─每次資料庫更新時都會修改
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9. 資料庫的綱要圖─範例
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10. 三層式綱要架構 (1/2) 把DBMS綱要定義為以下三層：
內部層(internal level)：內部綱要（internal schema）是用來描述實際的資料庫儲存結構。通常是使用實體（physical）資料模型
概念層(conceptual level)：概念綱要（conceptual schema ）是用來為某一組使用者描述整個資料庫的結構與限制。通常是使用某種概念 (conceptual) 或實作（implementation）資料模型
外部層(external level)：外部綱要（external schema）是用來描述各個不同的使用者視界 (view)。它通常使用與概念層相同的資料模型
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11. 三層式綱要架構 (2/2) 三層式綱要架構的目的，是為了支援DBMS的以下特性：
程式與資料獨立
支援資料的多重視界
DBMS必須將外部綱要的需求轉換成概念綱要的需求，然後再轉換成內部綱要的需求，以便處理實體資料庫
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12. 三層式綱要架構概念圖
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13. 資料獨立 利用三層式綱要架構可以達到資料獨立的概念。 資料獨立可分成兩類：
邏輯資料獨立(Logical Data Independence)：代表修改概念綱要時，不需要修改外部綱要或應用程式的能力
實體資料獨立(Physical Data Independence)：代表修改內部綱要時，不需要修改概念綱要的能力
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14. DBMS語言 (1/3) 資料定義語言（Data Definition Language，DDL）：一種被用來定義概念綱要的語言
SDL (儲存定義語言, storage definition language)被用來定義內部綱要
VDL (視界定義語言, view definition language)被用來定義外部綱要
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15. DBMS語言 (2/3) 資料處理語言（Data Manipulation Language，DML）：用來指定資料庫的擷取與修改
嵌入在一般的程式語言：如同資料子語言(data sublanguage)，被嵌入在一般的主機語言(host language)，如COBOL、C或組合語言
直接獨立(stand-alone)執行：此時常被稱為查詢語言(query language)
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16. DBMS語言 (3/3) DML有兩種主要的類型：
高階(high-level) DML：或稱非程序化的(Non-procedural) DML。
它們是集合導向的(set-oriented)，主要是指定要什麼資料，而不是如何擷取
也稱作宣告式(declarative)語言
例如，SQL語言
低階(low-level)DML：或稱程序化的(Procedural) DML
一次擷取一筆記錄
必須內嵌在一般的程式語言中
它需要使用程式語言的結構，如迴圈，將多筆記錄一個個的擷取，並處理每一筆資料
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17. DBMS介面 (1/2) 查詢語言介面 嵌入DML的程式語言介面 友善的介面： 網頁瀏覽用的功能表介面 為初學者所設計的表單介面
圖形化介面（使用滑鼠點選和拖曳）
自然語言介面
上述的組合
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18. DBMS介面 (2/2) 其他的介面 語音的輸入和輸出：使用有限的語句當作輸入查詢，例如電話簿查詢、飛機航班查詢、銀行帳務資訊
固定模式使用者的介面：如銀行行員，常有專為他們設計並實作特殊的介面
DBA使用的介面：只有DBA能使用的特殊權限命令
建立帳戶、授予帳戶權限
設定系統參數
修改綱要和重組資料庫儲存結構
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19. 資料庫系統環境 資料庫系統環境的一些名詞 用戶端程式(client program)：可以從某台電腦存取另一台電腦上的DBMS
用戶端電腦(client computer)：執行DBMS用戶端程式的電腦
資料庫伺服器(database server)：後端存放資料庫的電腦
應用程式伺服器(application server)：介於用戶端和資料庫伺服器中間的電腦。用戶端會先存取這一台電腦，再由它來存取資料庫伺服器
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20. DBMS元件模組 (1/3)
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21. DBMS元件模組 (2/3) DBMS元件模組名稱 功能 儲存資料管理員 (stored data manager)
DDL編譯器
(DDL compiler)
負責處理以DDL撰寫的綱要定義，並將綱要的描述(中繼資料)儲存在DBMS目錄中
交談式查詢介面
(interactive query)
提供偶爾使用的使用者透過類似交談的方式，從資料庫中查詢取得想要的資訊
查詢編譯器
(query compiler)
負責將以交談式輸入的高階查詢進行解析(parse)、運算的正確性分析
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22. DBMS元件模組 (3/3) DBMS元件模組名稱 功能 查詢最佳化程式 (query optimizer)
負責運算動作的重新安排和順序調換、消除重複的部份，以及在執行期間使用正確的演算法和索引。
執行期間資料庫處理器
(run-time database processor)
接收擷取或更新運算，並在資料庫上執行它們
前置編譯器
(pre-compiler)
負責從使用主機程式語言所撰寫的應用程式中取出DML命令
DML編譯器
(DML compiler)
將DML命令編譯成資料庫存取用的目的碼(object code)
主機語言編譯器
(host language compiler)
處理程式中除DML命令以外的其他部份
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23. 資料庫系統公用程式 載入：從檔案載入資料到資料庫中，包括資料轉換工具 備份：定期備份資料庫到磁帶上 重組：重組檔案結構
製作報表：報表產生工具
效能監視：效能監視工具
排序檔案、資料壓縮、監視使用者等
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24. 其他工具 資料字典(dictionary) / 儲藏庫(repository)：
用來儲存綱要描述與其它資訊，如設計決策、應用程式描述與使用者資訊等
應用程式發展環境和CASE (computer-aided software engineering) 工具：
範例：Power builder (Sybase)、Builder (Borland)、JDeveloper 10G(Oracle)
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25. 集中式的DBMS架構
集中式DBMS：將所有的元件集中在單一系統中，包括DBMS軟體、硬體、應用程式和使用者介面
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26. 基本的主從架構 (1/5)
提供專門功能的專門伺服器
用戶端
DBMS伺服器
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27. 基本的主從架構 (2/5)
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28. 基本的主從架構 (3/5) 提供專門功能的專門伺服器 檔案伺服器：維護多個用戶端共用的檔案
列印伺服器：連接各種印表機，用戶端機器可視需要使用任一台印表機
網站伺服器：儲存網站內容
電子郵件伺服器：存放及管理電子郵件
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29. 基本的主從架構 (4/5) 用戶端 提供適當的介面和可存取及利用伺服器資源的用戶端軟體
用戶端可能是無磁碟的機器，或者是只安裝用戶端軟體而且有磁碟的PC或工作站
透過某種形式的網路連線到伺服器（如區域網路、無線網路等）
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30. 基本的主從架構 (5/5) DBMS伺服器 能對用戶端提供資料庫查詢與交易服務
有時稱作查詢(query)伺服器或交易(transaction)伺服器
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31. 二層式主從架構 在用戶端上執行使用者介面程式或應用程式
用戶端的應用程式可以利用下列的標準應用程式介面(API, application program interface)去存取資料庫伺服器
ODBC：Open Database Connectivity
JDBC：Java Database Connectivity
一個用戶端程式可能會連結到多種DBMSs
用戶端程式還有其他變化形式：例如某些DBMS把更多的功能轉移到用戶端，包括資料字典功能、橫跨多伺服器的最佳化和復原等。此時的伺服器可能被稱作資料伺服器 (Data Server)
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32. 三層式主從架構─Web應用(1/2)
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33. 三層式主從架構─Web應用(2/2) 在Web應用程式上常見
中間層：有時稱為應用程式伺服器(application server)或Web伺服器：
儲存網站連線軟體，以及用來存取資料庫伺服器上資料的業務法則（business rule）
檢查用戶端的存取權限，提高安全性
扮演在資料庫伺服器與用戶端之間傳送資料的中間角色
三層式架構提高安全性：
用戶端無法直接存取資料庫伺服器，僅能藉由中間層去存取
可以在傳輸前加密伺服器上的資料，到用戶端再解密資料
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34. DBMS的分類 依據所使用的資料模型去分類： 其他分類準則： 傳統的：關聯式、階層式、網路式 新興的：物件導向式、物件關聯式
單使用者（通常是使用個人電腦）vs. 多使用者（大多數的DBMS都是）
集中式（使用儲存在單一電腦上的單一資料庫）vs. 分散式（使用多電腦和多資料庫）
依據成本：免費的或商業產品
依據用途：通用或特殊用途
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35. 常見的資料模型(data model) 網狀式模型(Network Model) 階層式模型(Hierarchical Model)
關聯式模型(Relational Model)
物件導向式模型(Object-Oriented Model)
物件關聯式模型(Object-Relational Model)
XML模型(eXtended Markup Language Model)
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36. 常見的DBMSs 商業軟體 免費軟體 Oracle Sybase Ingres Informix DB2 MS. SQL Server
MySQL
PostgreSQL
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