[데이터베이스개론] Ch3. 데이터베이스 시스템

데이터베이스 시스템의 정의

데이터베이스 시스템(DBS; DataBase System) : 데이터베이스에 데이터를 저장하고, 저장된 데이터를 관리하여 조직에 필요한 정보를 생성해주는 시스템

→ 다양한 목적의 정보 처리 시스템을 구축하는 데 필요한 핵심 요소

 

데이터베이스 : 데이터를 저장해두는 곳

데이터베이스 관리 시스템 : 데이터베이스에 저장된 데이터가 일관되고 무결한 상태로 유지되도록 관리하는 역할

데이터베이스 시스템 : 데이터베이스와 데이터베이스 관리 시스템을 이용해 조직에 필요한 정보를 제공해주는 전체 시스템

 

데이터베이스의 구조

스키마

데이터베이스에 저장되는 데이터 구조와 제약조건의 정의한 것

인스턴스 : 정의된 스키마에 따라 데이터베이스에 실제로 저장된 값

 

3단계 데이터베이스 구조

개별 사용자 관점에서 바라보는 외부 단계, 조직 전체의 관점에서 바라보는 개념 단계, 물리적인 저장 장치의 관점에서 바라보는 내부 단계로 나뉜다.

3단계로 나누고, 각 단계별로 다른 추상화를 제공하면 데이터베이스를 효과적으로 관리할 수 있다.

3단계 데이터베이스 구조를 통해 모든 데이터의 저장, 유지와 관련된 복잡한 내용을 숨기고 필요한 데이터만 외부 단계의 관점을 일반 사용자들에게 제공할 수 있다.

• 외부 단계(external level)
  • 개별 사용자 관점에서 데이터베이스를 이해하고 표현
  • 외부 단계에서는 각 사용자가 데이터베이스를 어떻게 보는지를 표현한다. 따라서 사용자마다 생각하는 데이터베이스의 구조가 서로 다를 수 있다. 이 때, 외부 단계에서 사용자에게 필요한 데이터베이스를 정의한 것을 **외부 스키마(External Schema)**라고 한다.
  • 하나의 데이터베이스에는 여러 개의 외부 스키마가 존재할 수 있으며, 사용 목적이 같은 사용자들끼리 외부 스키마를 공유할 수 있다. 외부 스키마는 전체 데이터베이스 중 사용자가 관심을 가지는 일부분으로 볼 수 있기 때문에, **서브 스키마(Sub-schema)**라고도 불린다.
  • 이처럼 외부 단계를 통해 사용자들의 다양한 요구와 관심사에 맞춰 데이터베이스를 효율적으로 관리할 수 있게 된다.
• 개념 단계(conceptual level)
  • 데이터베이스를 조직 전체의 관점에서 이해하고 표현
  • 데이터베이스 관리 시스템(DBMS)이나 관리자의 관점에서 모든 사용자에게 필요한 데이터를 통합하여 전체 데이터베이스의 논리적 구조를 정의한다. 이를 **개념 스키마(Conceptual Schema)**라고 한다.
  • 조직 전체의 관점에서 생각하는 데이터베이스의 모습이며, 모든 개별 사용자가 생각하는 데이터베이스의 모습을 하나로 합친 형태이다. 전체 데이터베이스에 어떤 데이터가 저장되는지, 데이터들 간에는 어떤 관계가 저장되는지, 데이터들 간에는 어떤 관계가 존재하고 어떤 제약조건이 있는지에 대한 정의뿐만 아니라 데이터에 대한 보안 정책이나 접근 권한에 대한 정의도 포함된다.
  • 하지만 데이터를 물리적으로 저장하는 방법이나 데이터 저장 장치와는 독립적이다.
  • 하나의 데이터베이스에는 개념 스키마가 하나만 존재하며, 각 사용자는 개념 스키마의 일부분을 사용한다. 즉, 외부 스키마는 개념 스키마를 기초로 하여 사용자의 이용 목적에 맞게 만들어진다. 일반적으로 '스키마'라고 하면, 개념 스키마를 의미한다.
• 내부 단계(internal level)
  • 데이터베이스를 물리적 저장장치의 관점에서 이해하고 표현
  • 전체 데이터베이스가 저장 장치에 실제로 저장되는 방법을 정의 : 내부 스키마(internal schema)
  • 데이터베이스는 저장장치에 파일 형태로 저장되는데, 내부 스키마는 파일에 데이터를 저장하는 레코드의 구조, 레코드를 구성하는 필드 크키 등을 정의한다.
  • 내부 스키마는 데이터베이스의 개념 스키마에 대한 물리적인 저장 구조를 표현하므로 하나의 데이터베이스에 하나만 존재한다.

 

데이터 독립성

하나의 데이터베이스에는 세 가지 유형의 스키마가 존재하지만, 각각의 스키마는 데이터베이스를 바라보는 관점이 다를 뿐 모두 같은 데이터베이스를 표현한다.

실제 데이터는 물리적 저장 장치에 저장된 데이터베이스에만 존재하므로 사용자가 외부 스키마를 통해 원하는 데이터를 얻으려면 내부 스키마에 따라 저장된 데이터베이스에 접근해야 한다.

따라서 세 가지 스키마 사이에는 유기적인 대응 관계가 성립해야 한다.

스키마 사이의 대응 관계를 사상 또는 매핑이라고 한다.

외부 스키마와 개념 스키마는 외부/개념 사상에 의해 대응되고, 개념 스키마와 내부 스키마는 개념/내부 사상에 의해 대응된다.

데이터베이스 관리 시스템은 미리 정의딘 외부/개념 사상과 내념/내부 사상 정보를 이용해 사용지가 원하는 데이터에 접근할 수 있다.

데이터베이스를 3단계 구조로 나누고 단계별로 스키마를 유지하며 스키마 사이의 대응 관계를 정의하는 궁극적인 목적은 데이터 독립성(data independency)을 실현하기 위해서이다.

데이터 독립성은 데이터베이스 관리 시스템의 중요한 장점이자 데이터베이스 관리 시스템이 필요한 이유이기도 하다. 데이터 독립성은 하위 스키마를 변경하더라도 상위 스키마가 영향을 받지 않는 특성이다.

3단계 데이터베이스 구조에는 논리적 데이터 독립성과 물리적 데이터 독립성이 존재한다.

• 논리적 데이터 독립성
  • 개념 스키마가 변경되더라도 외부 스키마가 영향을 받지 않는 것
  • 전체 데이터베이스의 논리적인 구조가 변경되더라도 관련된 외부/개념 사상 정보만 수정해주면 직접 관련이 없는 사용자를 위한 외부 스키마는 변경할 필요가 없다.
    • 결국 외부 스키마의 사용자가 전체 데이터베이스의 논리적 구조가 변경되었다는 사실을 알 필요가 없음을 의미
  • 외부/개념 사상 : 외부 스키마와 개념 스키마의 대응 관계를 정의한 것으로 응용 인터페이스라고 한다.
• 물리적 데이터 독립성
  • 내부 스키마가 변경되어도 개념 스키마가 영향받지 않는 것
  • 결과적으로 외부 스키마도 영향을 받지 않음
  • 데이터베이스의 저장 구조가 변경되도 관련된 개념/내부 사상 정보만 수정하면 관련이 없는 데이터베이스의 논리적 구조는 영향받지 않음
  • 개념/내부 사상은 개념 스키마와 내부 스카마의 대응 관계를 정의한 것 = 저장 인터페이스
  • 내부 스키마에 새로운 인덱스가 추가되거나 기존 인덱스가 삭제되는 경우에도 개념 스키마는 영향받지 않음

 

데이터 사전

저장된 데이터를 올바르게 관리하고 이용하려면 필요한 부가 정보도 저장해야 한다. 대표적인 부가 정보가 스키마와 사상 정보다.

스키마에 대한 정보와 스키마 간의 사상 정보도 어딘가에 저장되어 있어야 사용가능하다.

데이터 사전 or 시스템 카탈로그 : 데이터베이스에 저장되는 데이터에 관한 정보를 저장하는 곳 데이터 사전은 데이터베이스에 저장되어 있는 데이터를 정확하고 효율적으로 이용하기 위해 참고해야 하는 스키마, 사상 정보, 다양한 제약조건 등을 저장 데이터베이스에 저장되는 데이터에 관한 정보이므로 메타 데이터라고도 한다.

데이터 사전도 데이터를 저장하는 데이터베이스의 일종이기 때문에 시스템 데이터베이스라고도 한다.

이와 구별하기 위해 사용자가 실제로 이용하는 데이터가 저장되는 일반 데이터베이스를 사용자 데이터베이스라고 부른다.

 

데이터베이스 사용자

데이터베이스 시스템을 구성하는 하나의 중요 요소가 사용자인데, 사용자는 데이터베이스를 이용하기 위해 접근하는 모든 사람

→ 데이터베이스 관리자, 최종 사용자, 응용 프로그래머로 크게 나눌 수 있음

 

데이터베이스 관리자

데이터베이스 시스템을 운영 및 관리한다.

데이터베이스를 직접 활용하기보다 조직 내의 사용자를 위해 데이터베이스 설계 및 구축, 제어한다.

데이터 정의어와 데이터 제어어을 이용해 데이터베이스에 접근한다.

주요 업무

• 데이터베이스 구성 요소 선정
  • 사용자의 요구사항 분석하여 구성할 데이터 결정
• 데이터베이스 스키마 정의
  • 구성 요소를 토대로 스카마 설계, 정의어를 통해 설계한 스키마를 데이터베이스 관리 시스템에 설명
• 물리적 저장 구조와 접근 방법 결정
  • 물리적으로 접근하기 위한 레코드 구조 설계
  • 레코드 간의 저장 순서와 빠르게 접근하기 위해 인덱스를 만들 필드 등도 결정
• 무결성 유지를 위한 제약조건 정의
  • 결함이 없는 데이터만 데이터베이스에 저장할 수 있도록 필요한 규칙 정의
  • 데이터베이스를 규칙에 따라 제어하여 데이터의 정확성과 유효성 유지
• 보안 및 접근 권한 정책 결정
  • 허가되지 않은 사용자가 데이터베이스에 불법적으로 접근하는 것 방지
  • 허가된 사용자에게 적절한 권한 부여하는 보안 관련 정책 결정
• 백업 및 회복 기법 정의
  • 장애에 대비하여 데이터베이스 백업하거나, 손상된 데이터베이스를 일관된 상태로 복구하는 방법 정의
• 시스템 데이터베이스 관리
  • 데이터 사전 같은 시스템 데이터베이스 관리
• 시스템 성능 감시 및 성능 분석
  • 시스템 성능을 저해하는 병목 현상 등이 발생하지 않는지 확인
  • 병목 현상(bottleneck) : 시스템 내에서 전체적인 처리 속도를 떨어뜨리게 되는 특정한 부분
    • 시스템의 CPU나 메모리, 디스크 등의 자원 중 하나가 다른 자원들에 비해 처리 속도가 느려서, 전체적인 성능을 제한하는 경우를 말함
    • 효율적인 자원분배 및 최적화를 고려해야함
  • 시스템 자원의 활용도 분석 등을 통해 성능 감시
• 데이터베이스 재구성
  • 변화된 내용에 맞게 데이터베이스를 재구성하여 사용자의 만족도를 높여야 한다.
  • 전체 성능을 향상시켜야하거나 시스템 장비가 교체된 경우에도 데이터베이스를 재구성해야 한다.

 

최종 사용자

데이터를 조작(삽입, 삭제, 수정, 검색)하기 위해 데이터베이스에 접근하는 사람들을 일반 사용자라 한다.

그리고 데이터 정의어를 사용할 수도 있지만, 주로 데이터 조작어를 사용한다.

 

응용 프로그래머

응용 프로그래머는 프로그래밍 언어(C, java 등)로 응용 프로그램을 작성할 때, 데이터베이스에 접근하는 데이터 조작어를 삽입하는 사용자다.

데이터 정의어를 삽입할 수도 있지만, 주로 데이터 조작어를 삽입한다.

 

데이터 언어

데이터베이스 관리 시스템에 부탁할 때 사용하는 언어를 데이터 언어라 한다.

데이터 언어 : 사용자가 데이터베이스를 구축하고 이에 접근하기 위해 데이터베이스 관리 시스템과 통신하는 수단

데이터 정의어(DDL; Data Definition Language)

새로운 데이터베이스를 구축하기 위해 스키마를 정의하거나 기존 스키마의 정의를 삭제 또는 수정하기 위해 사용하는 데이터 언어이다.

데이터 정의어로 정의된 스키마는 데이터 사전에 저장되고, 삭제나 수정이 발생하면 이 내용도 데이터 사전에 반영된다. 데이터 사전에 저장된 스키마 정보는 사용자나 데이터베이스 관리 시스템이 필요할 때 참고 가능

 

데이터 조작어(DML; Data Manipulation Language)

사용자가 데이터의 삽입, 삭제, 수정, 검색 등의 처리를 데이터베이스 관리 시스템에 요구하기 위해 사용되는 데이터 언어이다.

데이터 정의어를 이용해 스키마를 정의하면 스키마에 따라 조직에 필요한 실제 데이터 값(인스턴스)이 저장되는데 사용자가 실제 데이터 값을 활용하기 위해 사용하는 것이 데이터 조작어이다.

• 절차적 데이터 조작어
  • 사용자가 어떤 데이터를 원하고 해당 데이터를 얻으려면 어떻게 처리해야하는지를 구체적으로 설명
• 비절차적 데이터 조작어
  • 사용자가 어떤 데이터를 원하는지만 설명
  • 해당 데이터를 얻으려면 어떻게 처리해야하는지는 데이터베이스 관리 시스템에 맡김
  • 사용자가 어떤 데이터를 원하는지만 데이터베이스 관리 시스템에 선언하는 방식이어서 선언적 언어라고도 함

 

데이터 제어어(DCL; Data Control Language)

데이터베이스에 저장된 데이터를 여러 사용자가 무결성과 일관성을 유지하며 문제없이 공유할 수 있도록, 내부적으로 필요한 규칙이나 기법을 정의하는데 사용하는 데이터 언어

데이터베이스를 올바르게 관리하기 위해 필요한 규칙과 기법을 데이터 제어어를 이용해 데이터베이스 관리 시스템에 설명하면 데이터베이스 관리 시스템이 규칙과 기법에 따라 데이터베이스를 제어하고 보호

• 무결성(integrity) : 데이터베이스에 정확하고 유효한 데이터만 유지
• 보안(security) : 허가받지 않은 사용자가 데이터에 접근하는 것을 차단하거나, 허가된 사용자가 접근 권한이 있는 데이터에 접근할 수 있게 함
• 회복(recovery) : 장애가 발생해도 데이터의 일관성 유지
• 동시성(concurrency) : 여러 사용자가 같은 데이터에 동시에 접근하여 처리할 수 있게 함

 

데이터베이스 관리 시스템의 구성

데이터베이스를 관리하고 사용자의 데이터 처리 요구를 수행하는 데이터베이스 관리 시스템은 데이터베이스 시스템의 주요 구성 요소이다.

사용자와 데이터베이스 사이에 위치, 기능에 따라 질의 처리기와 저장 데이터 관리자로 구분 가능하다.

 

질의 처리기(query processor)

사용자의 데이터 처리 요구를 해석하여 처리하는 역할 담당

• DDL 컴파일러 : 데이터 정의어로 작성된 스키마의 정의 해석
  • 저장 데이터 관리자의 도움을 받아 새로운 데이터베이스 구축
  • 스키마의 정의를 데이터 사전에 저장
  • 기존 스키마의 삭제나 수정요청도 처리하여 변경된 내용을 데이터 사전에 적용
• DML 프리 컴파일러 : 응용 프로그램에 삽입된 데이터 조작어를 추출하여 DML 컴파일러에 전달
  • 데이터 조작어와 관련 없는 코드들은 해당 언어의 컴파일러에 전달
• DML 컴파일러 : 데이터 조작어로 작성된 데이터의 처리(삽입, 삭제, 수정, 검색) 요구를 분석하여 런타임 데이터베이스 처리기가 이해할 수 있도록 해석
• 런타임 데이터베이스 처리기 : 저장 데이터 관리자를 통해 데이터베이스에 접근하여 DML 컴파일러부터 받은 데이터 처리 요구를 데이터베이스에서 실제로 실행
• 트랜잭션 관리자 : 데이터베이스에 접근하는 과정에서 사용자의 접근 권한이 유효한지 검사하고 데이터베이스 무결성을 유지하기 위한 제약조건 위반 여부 확인
  • 회복이나 병행 수행과 관련한 작업도 담당

 

저장 데이터 관리자(stored data manager)

디스크에 저장된 데이터베이스와 데이터 사전을 관리하고 여기에 실제로 접근하는 역할 담당

디스크에 저장된 데이터에 접근하는 것은 운영체제의 기본 기능이므로 저장 데이터 관리자는 운영체제의 도움을 받아 데이터베이스에 대한 접근 수행