데이터 베이스 시스템의 구성

데이터베이스 시스템

데이터를 데이터베이스로 저장 · 관리하여 정보를 생성하는 컴퓨터 중심 시스템

구성 요소

1. 3-level Database

   데이터 베이스 시스템의 구조적인 개념 :

   • 외부 스키마 레벨
   • 개념 스키마 레벨
   • 내부 스키마 레벨

2. 데이터 언어 (Data Languages)

3. 사용자 (Users)

4. DBMS

5. 데이터베이스 관리자 (Database Administrator)

6. 데이터 서버 (Database Server)

7. 데이터 모델 (Data Model)

   데이터의 구조와 관계를 형식적으로 정의한 개념적 모델
   개체-관계모델, 관계형 모델, 객체지향 모델등이 있다.

📌 데이터베이스 vs 데이터베이스관리시스템 vs 데이터베이스 시스템
데이터 베이스 = 저장소
데이터 베이스 관리 시스템 = 데이터 베이스를 관리하는 소프트웨어
데이터 베이스 시스템 = 데이터 베이스 + DBMS를 모두 포함

3단계 데이터 베이스

하나의 DB를 개인, 기관 전체, 저장장치의 관점으로 나누서 외부스키마 ·개념스키마 ·내부 스키마로나눈 것이다.

❓ 스키마란
DB의 구조(개체,관계)와 제약조건을 명세한 것이다. 외부 스키마,개념 스키마, 내부 스키마로 나뉜다.

외부 스키마

• 사용자나 응용 프로그래머의 관점에서 정의한 스키마
• 전체 데이터베이스의 일부 논리적인 구조를 정의한 것
• 각 사용자별로 외부에서 바라보는 관점은 다양하므로 여러 외부 스키마가 존재한다.
  ex) 교수의 “강의정보”, 학생의 “수강정보”
• subschema : 데이터베이스 전체가 아닌 데이터베이스의 일부만을 한정하여 명세했다는 점에서 서브 스키마라고도 한다.

(개념) 스키마

• 전체 조직 관점에서 정의한 스키마
• 데이터베이스 관리 차원에서 접근하는 전체적인 통합된 데이터베이스의 논리적 부분을 표현한것이다.
• 조직이나 기관의 데이터 베이스 전체를 명세한 구조이다.
• 데이터베이스당 하나의 개념 스키마만이 존재한다.

내부 스키마

• 저장장치의 관점에서 전체 데이터 베이스의 내부구조를 정의한 것이다.
• 개념 스키마에 대한 저장구조를 정의 : 시스템 내부의 저장 방식,내부 레코드의 형식이나 배치 방법, 인덱스
• 데이터 베이스당 하나의 내부 스키마만이 존재한다.
• 실제 장치의 물리적 저장방식이나 구조보다는 추상화된 표현이다.

데이터 사전

스키마와 스키마의 사상정보, 테이블과 열, 뷰, 인덱스, 사용자 권한 등 다양한 데이터 베이스 객체에 관한 모든 데이터를 가지고 있다.

DBMS가 스스로 생성하고 유지한다.

사용자와 시스템관리를 위해서 필요한 저장 공간으로 이 자체가 하나의 데이터베이스이다.

사용자 데이터 베이스

: 사용자, 응용프로그램이 실제로 이용하는 데이터를 저장하는 일반 데이터베이스

시스템 데이터베이스 (시스템 카탈로그)

• 시스템 카탈로그는 시스템 그 자체에 관련이 있는 다양한 객체에 관한 정보를 포함하는 시스템데이터베이스이다.

: 데이터 사전과 데이터 디렉토리로 이루어져있다.

📌 데이터 사전
: 데이터베이스에 저장된 모든 부가 정보가 저장된 저장소이다.
ex) 데이터베이스 정의, 기본 테이블 뷰, 명세, 스키마, 사상 정보, 제약조건등
접근이 가능하다.

📌 데이터 디렉토리
: 데이터 접근에 필요한 위치정보(물리정보)를 저장하는 저장소
접근이 불가능하다.

📌 메타 데이터
“데이터에 관한 데이터”로 데이터 베이스 자체에 관한 데이터이다.
일반 사용자들도 검색할 수 있지만 변경은 DBMS만 가능하다.

ℹ️ 3단계 데이터 베이스 구조는 응용프로그램과 데이터사이의 독립성을 제공한다.

데이터 독립성 (DBMS의 핵심역할)

: 데이터의 논리적 구조나 물리적 구조가 변경되더라도 응용 프로그램이 영향을 직접 받지 않는 것

👉 응용프로그램에 영향을 주지 않고 데이터 베이스 구조를 변경할 수 있고, 데이터베이스에 영향을 미치지 않으면서 응용프로그램을 수정할 수 있도록 함.

💡 DBMS는 3단계 데이터 베이스 구조의 스키마 사상을 통해 데이터 독립성을 지원한다.

❓ 사상이란?
어떤 것과 어떤 것을 연결하는 Mapping 과정

1) 외부 - 개념 사상 : 특정 외부 스키마와 개념 스키마간의 대응관계

👉 외부 스키마 변경으로 인한 개념 스키마의 변경을 최소화하여 다른 응용프로그램에 주는 영향을 최소화한다.

논리적 데이터 독립성 제공

• 응용 프로그램에 영향을 최소화(외부 스키마)하면서 데이터 베이스의 물리적 구조를 변경
• 하나의 개념 스키마를 여러 외부 스키마 형태로 사상시킴으로써 가능하다.

2) 개념 - 내부 사상 : 개념 스키마와 내부 스키마간의 대응관계

👉 물리적 구조의 변경에 따른 내부 스키마가 수정되더라도 연관된 개념/내부 사상 정보만 수정하면 상위 스키마에 대한 영향을 최소화

물리적 데이터 독립성 제공

• 개념적 스키마에 영향을 최소화하면서 데이터 베이스의 물리적 구조를 변경
• DBMS에 의해 수행되는 개념/내부 사상 즉 , 하나의 개념 스키마와 내부 스키마 사이의 사상을 통하여 가능하다.

데이터 언어

데이터베이스는 DBMS를 통해서만 접근할 수 있다.

👉 접근에 필요한 도구가 “데이터언어” : DBMS에 요청 내용을 전달하기 위한 도구
(보통 데이터 언어는 표준 데이터 베이스 언어인 SQL을 의미한다.)

📁 데이터 언어의 분류

1. 데이터 정의어 (DDL)
2. 데이터 조작어 (DML)
3. 데이터 제어어 (DCL)

데이터 정의어 : DDL

• 새로운 데이터 베이스 구조를 정의하고 기존 데이터베이스 구조를 변경하는 명령어의 집합
• 데이터 정의의 내용
  • 논리적 데이터 구조의 정의 : 개념 스키마, 외부 스키마 명세
  • 물리적 데이터 구조의 정의 : 내부 스키마 명세 , 데이터 저장 정의어
  • 논리적 데이터 구조와 물리적 데이터 구조간의 사상을 정의한다.

DDL 명령어의 예 : CREATE, ALTER, DROP 

데이터 조작어 : DML

• 데이터베이스 안의 데이터를 실제 조작(처리 연산-입력, 수정, 삭제, 검색)하는 명령어 집합
• 사용자,응용프로그램과 DBMS 사이의 통신수단

DML 명령어의 예 : INSERT, UPDATE, DELETE, SELECT

🔍 얼만큼 자세히 명세하느냐에 따라 절차적 DML과 비절차적 DML로 나눌수 있다.

절차적 DML

• 저급 데이터 언어로 What과 How를 명세한다. (처리방법과 절차까지)
• 한변에 하나의 레코드만을 처리한다.
• 응용 프로그램 속에 삽입되어 사용한다.
• DML 예비 컴파일러에 의해 처리된다.

비절차적 DML

• 고급 데이터 언어로 “What”만 명세하고 “How”는 시스템에 위임
• 한번에 여러 개의 레코드를 처리
• 질의어(Query Language) 형식 :
  독자적이고 대화형식인 command 타입 , 프로그램의 추상적 표현

  ex ) SQL - 사용자는 원하는데이터를 선언적으로 표현할 뿐, 어떻게 데이터를 구하는지 명세하지 않는다.  

➕ 데이터 부속어 (DSL)

절차적, 비절차적 관계 없이 다른 프로그램 속에 삽입되어 사용되는 DML을 말한다.

📌 데이터 언어의 완전성
• 사용자가 원하는 객체를 추출할 수 있고, 관계를 표현할 수 있는 것

데이터 제어어 : DCL

• 데이터 베이스를 제어하고 통제하기 위해 사용하는 명령어 집합
• 데이터베이스가 안전하게 오류없이 동작하고 성능을 유지하도록 각종 제약이나 옵션을 설정함으로써 DBMS가 데이터베이스를 올바르게 관리하도록 함
• 공용 데이터베이스 관리를 위해 데이터 제어를 정의하고 기술

데이터 제어 내용

1. 데이터 보안 :
2. 데이터 무결성 : 데이터에 결점이 없음. 일관적이고 정확한 상태를 유지 👉 DCL은 데이터 무결성을 유지하고 데이터의 불법적인 수정을 방지한다.
3. 데이터 회복 : 데이터의 백업, 복구, 트랜잭션 로그등을 관리하여 데이터 회복을 제어한다.
4. 병행수행 : 여러 사용자가 또는 프로세스가 동시에 데이터를 읽고 쓸 때 발생하는 문제를 관리하는 것이다.

DCL 명령어의 예 : GRANT, REVOKE, CREATE USER, COMMIT, ROLLBACK

👉 DB관리 목적으로 DBA가 사용된다.

다양한 데이터베이스 사용자

일반 사용자, 최종 사용자(end user)

초급 사용자 : DB나 DBMS의 존재와 지식을 모르는 사용자

중급 사용자 : DB나 DBMS의 기본지식을 알면서, 데이터 언어를 사용하여 DBMS에 데이터 언어를 사용해서 데이터에 대한 처리를 요청할 수 있음

✅ 사용언어 : 비절차적 DML

응용프로그래머

DB에 전문 지식을 가지고 응용프로그램을 개발할 목적으로 데이터 베이스를 사용한다.

👉 프로그램 전문 개발자로 프로그래밍언어를 구사할 수 있고 작성한 응용 프로그램안에 데이터 언어나 DBMS 실행 명령어 작성능력을 갖춘 사용자

✅ 응용프로그램을 통해서 DB를 접근한다.

사용언어 : 호스트언어(C, Java, COBL)와 DML( DSL)을 사용한다.

데이터 베이스 관리자 : DBA

데이터 베이스를 구축하고 데이터 베이스 시스템을 자체적으로 운영 • 통제하는 특별한 소수의 사용자 유형으로 슈퍼 사용자다.

데이터베이스 시스템 관리를 총괄한다.

: 데이터 베이스의 설계, 구축, 서비스, 운영 등을 위해 DBMS의 다양한 기능들을 활용함으로써 데이터 베이스 시스템을 제어한다.

✅ 사용언어 : DDL과 DCL을 통해 DB를 정의하고 제어한다.

📁 DBA의 업무

업무	내용
DB 설계와 운영	DB의 구성요소(components)를 결정

스키마 정의
저장 구조와 접근 방법 설정
보안 정책 수립, 권한부여, 유효성 검사
백업(backup), 회복(recovery) 절차의 수립
DB의 무결성 유지
성능 향상과 새로운 요구에 대응한 DB의 재구성
Catalog의 유지 관리 |
| 행정 및 불평 해결 | 데이터의 표현과 시스템의 문서화에 표준 설정
사용자의 요구 및 불평 해결 |
| 시스템 모니터링과 성능 분석 | 시스템 성능의 청취
자원의 이용도. 병목현상, 장비 성능 모니터링과 분석
사용자 요구의 변화, 데이터 사용 추세, 각종 통계의 종합 분섣 |

데이터베이스 사용자별 요구 능력

DBMS : 데이터 베이스 관리 시스템의 구성 요소

📌 DBMS
• DB를 효율적으로 관리하고 사용자의 데이터 요청을 처리하는 소프트웨어시스템

• DBMS의 구성요소

DBMS가 수행해야하는 요구들

1. 사용자의 접근 요구를 접수 · 분석
2. 시스템이 이해할 수 있는 형태로 사용자 요구를 변환
3. 외부 · 개념 · 내부 · 저장 구조간의 사상을 수행하여 저장 데이터를 접근
4. 저장 DB에 대해 필요한 연산을 실행

DBMS의 필수 기능

1) 정의(definition) 기능

DBMS는 필요한 모든 데이터를 저장하는 통합 데이터 베이스 구조를 생성하거나 이미 생성된 구조를 삭제 또는 변경할 수 있도록 함

👉데이터의 타입과 구조에 대한 정의, 이용 방식, 제약조건들을 명시
( 데이터와 데이터의 관계를 명확하게 명세할 수 있어야한다. )

2) 조작(manipulation) 기능

사용자와 데이터 베이스간의 인터페이스를 위한 수단

데이터 베이스 안에 저장된 데이터에 접근하여 원하는 데이터 조작을 할 수 있도록 한다.
👉 검색(retrieve), 갱신( update), 삽입(insert), 삭제(delete) 요청을 효율적으로 처리한다.

3) 제어(control) 기능

여러 사용자가 동시에 다양한 목적으로 접근하더라도 데이터의 정확성과 보안성을 안전하게 유지하고 통제하는 기능

👉 사용자 별 보안과 권한을 설정하고 데이터 조작 과정 중에 높은 동시성과 무결성을 유지하고, 백업을 통해 장애 발생 시 필요한 회복 조치가 가능하도록 제어한다.

사용자의 유형에 따라서 사용하는 SQL 명령어와 이를 해석하고 처리하는 DBMS의 필수 기능이 밀접하게 관련된다.
 
- 일반 초급 사용자 : DBMS 조작기능
- 일반 중급 사용자 : SQL 명령어 : DML / DBMS 조작기능
- 응용 프로그래머 : SQL 명령어 : DDL,DML / DBMS 정의·조작 기능
- 데이터 베이스 관리자(DBA) : SQL 명령어 : DDL,DML,DCL / DBMS 정의·조작·제어 기능

DBMS의 주요 구성 요소

• 질의어 처리기 질의문을 parsing, analysis, compile하여 DB를 접근하기 위한 object code(목적코드)를 생성
  
• DDL 컴파일러 DDL로 명세된 scheme를 내부 형태로 변환하여 catalog(시스템베이스)에 저장 메타데이터베이스 : 데이터의 데이터
  
• DML 컴파일러 DML 명령어를 Object Code로 변환
  
• 런타임 데이터 베이스 처리기 실행시간에 데이터베이스를 접근
  DB 연산을 저장 데이터 관리자를 통해 수행한다.
  
• 트랜잭션 관리기 트랜잭션 단위로 작업을 수행
  DB 접근 과정에서 무결성과 권한을 제어
  병행제어와 회복 작업
  
• 데이터 저장 관리기 디스크에 있는 사용자 DB와 카탈로그 접근을 제어 기본 OS 모듈을 이용한다.
  • file manager를 통해 파일의 페이지 결정
  • disk manager가 데이터 전송을 수행
  • 메모리 내에서는 buffer manager가 관리

📌 Source Code : 프로그래밍 언어로 작성된 텍스트
Object Code : 컴파일 된 파일

graph LR		
	SourceCode --> Compiler 
	Compiler --> ObjectCode

❓ 질의처리기

• Object 코드, DML 컴파일러, 임베디드 DML 컴파일러, DDL 컴파일러, DCL 컴파일러
  런타임 데이터베이스 처리기
• 트랜잭션 관리기
  데이터 저장 관리기
• 버퍼관리기, 파일 관리기

데이터 베이스 서버

데이터베이스가 구동되는 서버의 역할을 하는 컴퓨터

클라이언트/서버 컴퓨팅 환경

• 사용자는 클라이언트 컴퓨터를 통해 접근
• 데이터베이스 처리는 시스템 부하가 매우 크므로 보통 데이터 베이스 시스템을 독립된 컴퓨터안에 서버형태로 운영된다.
• 데이터베이스 서버안에는 데이터베이스가 물리적으로 저장되며 DBMS가 설치되어 다양한 요청이 처리됨

👉 구축하고자 하는 정보시스템의 규모와 용도에 맞게 적절한 사양의 컴퓨터를 선택

• 전통적으로 데이터베이스 컴퓨터는 고성능의 사양을 요구 / 최근 컴퓨터의 성능이 발전되면서 일반 컴퓨터를 데이터베이스 서버로 활용하는 것이 가능한 환경이 되었다.

데이터 모델의 종류

1️⃣ 계층형 데이터 모델 (HDM)

• 데이터 사이의 연관 관계를 물리적 위치정보인 포인터로 표현하는 저장방식
• 네트워크형 모델의 단점을 보완하여 트리구조로 네트워크 형태를 변환한 모델
• 트리형태의 계픙 구조 : 각 데이터들이 하나의 상위부모와 여러개의 하위 자식들을 갖는 구조 (일대다관계)

✨장점

• 검색 속도가 빠르기 때문에 일대다 관계를 갖는 대용량 데이터베이스 처리에 유리하다.

2️⃣ 네트워크형 데이터 모델 (NDM)

• 데이터 사이의 연관 관계를 포인터로 표현하는 저장방식
• 자식 개체가 여러 부모 개체를 가질 수 있다.

✨ 장점

• 검색 속도가 빠르고 다대다 표현에 용이하다.

3️⃣ 관계형 데이터 모델 (RDM)

• 테이블 형태의 저장 구조(실제 일반 테이블✖️) 를 가지며 데이터 사이의 연관관계를 테이블 Key, column을 통해 표현하는 저장 방식
• 기본키 외래키 / 속성

📌 차이점

집합이론, 수학이론을 가지고 있다.

➖ 문제점

완벽한 것은 아니다.

✨ 장점

• 연관된 데이터 사이에 기본키와 외래키를 통해 논리적 관련성을 표현함으로써 유현하고 이해하기 쉬움

4️⃣ 객체 지향형 데이터 모델 (OODM)

• 객체 단위의 저장구조를 가지며 연관된 데이터 사이의 관계를 객체 식별자로 표현하는 저장방식
• 클래스, 상속, 자료 추상화 등의 객체 지향 개념을 통합하여(상속, 오버라이드) 실세계와 유사하게 모형화하는 데이터 모델
• 객체지향으로 값을 수정하고 삽입할 수 있다.
• 구조적 측면에서는 계층형, 네트워크 데이터 모델과 비슷하다. (→ 복잡해지고 커진다.)
• 객체 지향언어의 상속, 캡슐화 등의 개념을 저장 구조에 도입

➖ 문제점 : 성능의 예측이 힘들다.

5️⃣ 객체 관계형 데이터 모델 (ORDM)

• 관계형 데이터 모델(기반)을 기본 개념으로 하고 객체 데이터 모델의 객체 특성을 일부 반영한 절충형 모델이다.
• 객체 지향 데이터 모델과 관계형 데이터 모델의 장점을 취해 하나의 시스템으로 통합
• 범용적인 관계형 데이터 모델을 기반으로 하고 필요한 경우, 특정한 분야를 위해 객체 개념을 추가로 지원하는 방식이다.

데이터 모델과 DBMS의 관계

• 데이터 모델은 데이터베이스또는 DBMS를 분류하는 가장 중요한 기준이다.
  → 각각 데이터베이스를 구분하는

3단계 디비 → 3단계 스키마 → 각각의 사상 → 데이터 독립성 → 데이터 언어 : 비절차적 언어 ( ) —- > 병행 수행 제어, 트랜잭션, 회복, 리커버리