Sơ đồ tổng quát của một hệ quản trị cơ sở dữ liệu

Hình 1.6.1 Sơ đồ tổng quát của một hệ quản trị CSDL

Hình 1.6.1 minh họa sơ đồ tổng quát của một hệ quản trị CSDL. Chúng ta thấy có 3 mức: mức chương trình khai báo cấu trúc và chương trình ứng dụng; mức mô tả CSDL, thao tác CSDL và các từ điển dữ liệu; và mức CSDL.

Mỗi hệ quản trị CSDL có một ngôn ngữ khai báo (hay mô tả: Data Definition Language- DDL) cấu trúc CSDL riêng. Những người thiết kế và quản trị CSDL thực hiện các công việc khai báo cấu trúc CSDL. 

Các chương trình khai báo cấu trúc CSDL được viết bằng ngôn ngữ mà hệ quản trị CSDL cho phép. Hai công việc khai báo là khai báo cấu trúc lôgic (đó là việc khai báo các loại dữ liệu và các mối liên hệ giữa các loại dữ liệu đó, cùng các ràng buộc toàn vẹn dữ liệu - RBTV) và khai báo vật lý (dữ liệu được lưu trữ theo dạng nào?, có bao nhiêu chỉ mục?). 

Các chương trình ứng dụng được viết bằng ngôn ngữ thao tác CSDL (Data Manipulation Language - DML) với mục đích:

·       Truy xuất dữ liệu

·       Cập nhật dữ liệu (thêm, xóa, sửa dữ liệu)

·       Khai thác dữ liệu

·       Ngôn ngữ thao tác CSDL còn được sử dụng cho những NSD thao tác trực tiếp với CSDL. 

Từ điển dữ liệu (Data Dictionary - DD) là một CSDL của hệ quản trị CSDL sử dụng để lưu trữ cấu trúc CSDL, các thông tin bảo mật, bảo đảm an toàn dữ liệu và các cấu trúc ngoài. Những người đã làm quen với hệ quản trị CSDL của MicroSoft Access có thể thấy các từ điển dữ liệu này thông qua các bảng (Table) có tên bắt đầu bằng chữ MSys như MSysACEs, MSysColumn, MSysIMEXColumn, MSysIMEXSpecs, MSysIndexes, MSysMacros, MSysObjects, MSysQueries,  MSysRelationShips ... Từ điển dữ liệu còn được gọi là Siêu CSDL (Meta-DataBase). 

(*) Quá trình hoạt động của một chương trình ứng dụng thông qua các tầng của CSDL:

 Hình 1.6.2. Quá trình hoạt động của một chương trình ứng dụng thông qua các tầng của CSDL.

Hình 1.6.2 cho chúng ta một cách nhìn về quá trình hoạt động của một chương trình ứng dụng thông qua các tầng của CSDL: 

Các yêu cầu của chương trình ứng dụng được chuyển tới hệ quản trị CSDL (theo con đường số 2). Tại đây hệ quản trị CSDL sẽ tham khảo các từ điển dữ liệu (Meta DataBase) để tìm kiếm các ánh xạ cấu trúc ngoài với cấu trúc quan niệm và cấu trúc vật lý (các ngõ a, b và c). Tại đây hệ quản trị CSDL có thể sẽ tham khảo tới vùng đệm của nó để xác định xem câu trả lời đã có sẵn ở đó chưa, nếu có thì trả lại cho chương trình ứng dụng thông qua con đường số 9; ngược lại sẽ yêu cầu hệ điều hành truy xuất thông tin theo con đường số 3. Tới đây hệ điều hành sẽ gửi yêu cầu truy xuất thông tin trong CSDL thông qua hệ thống xuất nhập của HĐH (các con đường số 4 và 5). Nếu việc truy xuất không thành công nó sẽ trả lại yêu cầu về cho hệ quản trị CSDL (có thể thông qua các mã lỗi) qua con đường số 6; nếu thành công thì dữ liệu sẽ được chuyển vào vùng đệm của hệ quản trị CSDL. Qua xử lý, hệ quản trị CSDL sẽ chuyển dữ liệu vào vùng đệm của chương trình ứng dụng đề nó xử lý (qua con đường 8a) và cho ra kết quả trả lời của chương trình ứng dụng qua con đường số 10. 

Theo sơ đồ trên có thể nhận thấy các trục trặc có thể xảy ra tại các con đường (2a), (3), (4), (5), (6) và (8). Lỗi tại 2 con đường số (6) và (8) có thể là do tràn vùng làm việc.

Tính độc lập giữa dữ liệu và chương trình.

Lược đồ khái niệm là sự biểu diễn thế giới thực bằng một loại ngôn ngữ phù hợp của hệ quản trị CSDL. Qua hình 1.5.1 - Sơ đồ tổng quát của một CSDL theo kiến trúc ANSI - PARC, chúng ta có thể thấy, từ chương trình ứng dụng và người khai thác trực tiếp CSDL thông qua một khung nhìn tới CSDL (View) tồn tại hai mức độc lập dữ liệu. Thứ nhất, lược đồ vật lý có thể thay đổi do người quản trị CSDL mà hoàn toàn không làm thay đổi các lược đồ con. Người quản trị CSDL có thể tổ chức lại CSDL bằng cách thay đổi cách tổ chức, cấu trúc vật lý  của dữ liệu trên các thiết bị nhớ thứ cấp để làm thay đổi hiệu quả tính toán của các chương trình ứng dụng, nhưng không đòi hỏi phải viết lại các chương trình ứng dụng. Điều này được gọi là tính độc lập vật lý của dữ liệu - hay tính độc lập của dữ liệu ở mức vật lý (Physical Independence). Tính độc lập dữ liệu mức vật lý được đảm bảo tới mức nào còn phụ thuộc vào chất lượng của hệ quản trị CSDL. 

Thứ hai, giữa khung nhìn với lược đồ quan niệm cũng có thể tồn tại một loại độc lập về dữ liệu. Trong quá trình khai thác CSDL người ta có thể nhận thấy tính cần thiết phải sửa đổi lược đồ khái niệm như bổ sung thêm thông tin hoặc xóa bớt các thông tin của các thực thể đang tồn tại trong CSDL. Việc thay đổi lược đồ khái niệm không làm ảnh hưởng tới các lược đồ con, do đó không cần phải viết lại các chương trình ứng dụng. Tính chất độc lập này được gọi là tính độc lập của dữ liệu ở mức lôgic (Logical Independence). 

Tính độc lập giữa dữ liệu với chương trình ứng dụng là mục tiêu chủ yếu của các hệ quản trị CSDL. C.J. Date [3] đã định nghĩa tính độc lập dữ liệu là "tính bất biến của các hệ ứng dụng đối với các thay đổi bên trong cấu trúc lưu trữ và chiến lược truy nhập CSDL".

Những cách tiếp cận một CSDL

Mô hình dữ liệu là sự trừu tượng hóa môi trường thực, nó là sự biểu diễn dữ liệu ở mức quan niệm. Mỗi loại mô hình dữ liêu đặc trưng cho một cách tiếp cận dữ liệu khác nhau của những nhà phân tích - thiết kế CSDL, mỗi loại đều có các ưu điểm và mặt hạn chế của nó nhưng vẫn có những mô hình dữ liệu nổi trội và được nhiều người quan tâm nghiên cứu. Cho đến nay đang tồn tại 5 loại mô hình dữ liệu, đó là: mô hình dữ liệu mạng, mô hình dữ liệu phân cấp, mô hình dữ liệu quan hệ, mô hình dữ liệu thực thể - kết hợp và mô hình dữ liệu hướng đối tượng. Chương này sẽ lần lượt giới thiệu các loại mô hình dữ liệu nêu trên.

Cách tiếp cận theo mô hình dữ liệu mạng

 

Mô hình dữ liệu mạng (Network Data Model) - còn được gọi tắt là mô hình mạng hoặc mô hình lưới (Network Model) là mô hình được biểu diễn bởi một đồ thị có hướng. Trong mô hình này người ta đưa vào các khái niệm: mẫu tin hay bản ghi (Record), loại mẫu tin (Record Type) và loại liên hệ (Set Type): 

  (a) Loại mẫu tin (Recorde Type) là mẫu đặc trưng cho 1 loại đối tượng riêng biệt. Chẳng hạn như trong việc quản lý nhân sự tại một đơn vị, đối tượng cần phản ảnh của thế giới thực có thể là Phòng, Nhân viên, Công việc, lý lịch ... do đó có các loại mẫu tin đặc trưng cho từng đối tượng này. Trong đồ thị biểu diễn mô hình mạng mỗi loại mẫu tin được biểu diễn bởi một hình chữ nhật, một thể hiện (Instance) của một loại mẫu tin được gọi là bản ghi. Trong ví dụ trên loại mẫu tin Phòng có các mẫu tin là các phòng, ban trong đơn vị; loại mẫu tin nhân viên có các mẫu tin là các nhân viên đang làm việc tại các phòng ban của cơ quan... 

(b) Loại liên hệ (Set Type) là sự liên kết giữa một loại mẫu tin chủ với một loại mẫu tin thành viên. Trong đồ thị biểu diễn mô hình mạng mỗi loại liên hệ được biểu diễn bởi một hình bầu dục (oval) và sự liên kết giữa 2 loại mẫu tin được thể hiện bởi các cung có hướng (các mũi tên) đi từ loại mẫu tin chủ tới loại liên hệ và từ loại liên hệ tới loại mẫu tin thành viên. 

Trong loại liên kết người ta còn chỉ ra số lượng các mẫu tin tham gia trong mối kết hợp. Có các loại liên hệ sau:

·    -:- 1 (One-to-One): Mỗi mẫu tin của loại mẫu tin chủ chủ kết hợp với đúng 1 mẫu tin của loại mẫu tin thành viên. Ví dụ, mỗi nhân viên có duy nhất một lý lịch cá nhân.

·     -:-n (One-to-Many): Mỗi mẫu tin của loại mẫu tin chủ chủ kết hợp với 1 hay nhiều mẫu tin của loại mẫu tin thành viên. Ví dụ, mỗi phòng ban có từ 1 đến nhiều nhân viên. Mỗi 1 nhân viên chỉ thuộc một phòng ban nhất định.

·       n-:-1 (Many-to-One): Nhiều mẫu tin của loại mẫu tin chủ chủ kết hợp với đúng 1 mẫu tin của loại mẫu tin thành viên. Ví dụ, nhiều nhân viên cùng làm một công việc.

·       Đệ quy (Recursive): Một loại mẫu tin chủ cũng có thể đồng thời là loại mẫu tin thành viên với chính nó. Ta nó rằng loại liên hệ này là đệ quy. 

Hình 2.1 biểu diễn một ví dụ về mô hình dữ liệu mạng đối với CSDL nhân sự của một đơn vị. Trong đồ thị này, chúng ta có 4 loại mẫu tin: phòng, nhân-viên, công-việc và lý-lịch; 4 loại liên hệ: phòng gồm 1 đến nhiều nhân-viên; nhân-viên có đúng 1 lý-lịch; nhiều nhân-viên cùng làm một công-việc; 1 nhân-viên có thể có 1 hay nhiều nhân-viên là thân nhân của mình. 

Mô hình dữ liệu mạng tương đối đơn giản, dễ sử dụng nhưng nó không thích hợp trong việc biểu diễn các CSDL có quy mô lớn bởi trong một đồ thị có hướng khả năng diễn đạt ngữ nghĩa của dữ liệu, nhất là các dữ liệu và các mối liên hệ phức tạp của dữ liệu trong thực tế là rất hạn chế.  

HÌnh 2.1 Mô hình dữ liệu mạng (Network Model)

Mô hình dữ liệu phân cấp.

 

Mô hình dữ liệu phân cấp (Hierachical Data Model) - được gọi tắt là mô hình phân cấp (Hierachical Model): Mô hình là một cây (Tree), trong đó mỗi nút của cây biểu diễn một thực thể, giữa nút con và nút cha được liên hệ với nhau theo một mối quan hệ xác định. 

Mô hình dữ liệu phân cấp sử dụng các khái niệm sau:

    (a) Loại mẫu tin: giống khái niệm mẫu tin trong mô hình dữ liệu mạng.

    (b) Loại mối liên hệ: Kiểu liên hệ là phân cấp, theo cách:

·       Mẫu tin thành viên chỉ đóng vai trò thành viên của một mối liên hệ duy nhất, tức là nó thuộc một chủ duy nhất. Như vậy, mối liên hệ từ mẫu tin chủ tới các mẫu tin thành viên là 1¸n, và từ mẫu tin (hay bản ghi - record) thành viên với mẫu tin chủ là 1¸1.

·       Giữa 2 loại mẫu tin chỉ tồn tại 1 mối liên hệ duy nhất. 

Ví dụ 2.2.1:

Trong cuộc Tổng điều tra số dân năm 1989, chương trình nhập phiếu điều tra được viết bằng ngôn ngữ CENS4 cho kết quả là các file dữ liệu nhập dạng văn bản được tổ chức như sau:

    Các dòng là các mẫu tin (hay bản ghi) có độ dài thay đổi.

    Có 6 loại mẫu tin:

·       Mẫu tin đặc trưng cho tỉnh, thành phố gồm Mã số tỉnh thành, Tên tỉnh thành phố. '02' là Mã số Thành phố Hồ Chí Minh.

·       Mẫu tin đặc trưng cho quận huyện gồm Mã số tỉnh thành+Mã số quận huyện, Tên quận huyện trong tỉnh thành phố đó. '0201' là Mã số quận Nhất của TP.Hồ Chí Minh.

·       Mẫu tin đặc trưng cho phường xã gồm Mã số tỉnh thành+Mã số quận huyện+Mã số phường xã, Tên phường xã thuộc quận huyện trong tỉnh thành phố đó. '020101' là Mã số phường Bến nghé, Quận Nhất, TP.Hồ Chí Minh.

·       Mẫu tin đặc trưng cho địa bàn điều tra trong một phường xã. '02010101' là mã số địa bàn điều tra số 01 trong phường Bến nghé.

·       Mẫu tin đặc trưng cho hộ điều tra, gồm Mã số tỉnh + Mã số quận + Mã số phường + Mã số địa bàn + Số thứ tự hộ điều tra trong địa bàn, Tổng số nhân khẩu trong hộ, Trong đó: Nữ, Tổng số trẻ dưới 16 tuổi.

·       Mẫu tin đặc trưng cho nhân khẩu của hộ, gồm các thông tin xác định hộ điều tra, Số thứ tự nhân khẩu trong hộ, Quan hệ với chủ hộ (1¸9), Giới tính (1,2,3), Tháng sinh, Năm sinh, Trình độ văn hóa, ... 

Ở đây rõ ràng là một sự phân cấp trong file CSDL. Một tỉnh thành phố (thì) có nhiều quận huyện, một quận huyện chỉ thuộc một tỉnh thành duy nhất. Một quận huyện (thì) có nhiều phường xã và một phường xã chỉ thuộc một quận huyện duy nhất. Mỗi phường xã được chia thành nhiều địa bàn điều tra, mỗi địa bàn chỉ thuộc một phường xã duy nhất v.v... 

Hình 2.2 mô tả cây phân cấp của mô hình dữ liệu đối với CSDL Tổng điều tra số dân Toàn quốc 0 giờ ngày 01 tháng 01 năm 1989.  

 

Hình 2.2 Mô hình dữ liệu phân cấp (Hierachical Model)