Conceitos e arquitetura do sistema de banco de dados

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Capítulo 2
Conceitos e
arquitetura do
sistema de banco
de dados

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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
dados

Conceitos e arquitetura do
sistema 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

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
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
de dados (cont.)

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

de dados (cont.)
 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

de dados (cont.)
 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

de dados (cont.)
 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 e
estado 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 estado
do 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 esquemas
e independência de dados
 Nível interno
 Descreve a estrutura do armazenamento físico do
banco de dados
 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 de
banco 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 de
banco 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 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
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
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
GERENCIADOR DE
DADOS
ARMAZENADO
- Controla o acesso
às informações do
SGBD que são
armazenadas em
disco

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

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

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 de
comunicações
 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 de
comunicações
 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 e
cliente/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/servidor
básicas
 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

básicas (cont.)
 Máquinas cliente
 Oferecem ao usuário:
• Interfaces apropriadas para utilizar esses
servidores
• Poder de processamento local para executar
aplicações locais

básicas (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 de
duas 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 de
duas 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 camadas
e 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 sistemas
gerenciadores de banco de
dados
 Modelo de dados
 Relacional
 Objeto
 Hierárquico e rede (legado)
 SGBDs XML nativos
 Número de usuários
 Monousuário
 Multiusuário

gerenciadores de banco
de dados (cont.)
 Número de locais
 Centralizado
 Distribuído
• Homogêneos
• Heterogêneos
 Custo
 Código aberto
• Diferentes tipos de licença

de dados (cont.)
 Opções de tipos de caminho de acesso
 Uso geral ou uso especial

de dados (cont.)

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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