Bài giảng Hệ quản trị cơ sở dữ liệu - Chương 1: Tổng quan về hệ quản trị cơ sở dữ liệu - Nguyễn Trường Sơn

LOGO 
HỆ	
  QUẢN	
  TRỊ	
  CƠ	
  SỞ	
  DỮ	
  LIỆU	
  	
  
GVLT:	
  Nguyễn	
  Trường	
  Sơn	
  
Chương	
  1:	
  TỔNG	
  QUAN	
  VỀ	
  HQT	
  CSDL	
  
Nội dung 
Nội dung 
§  Yêu	
  cầu	
  về	
  dữ	
  liệu	
  trong	
  CSDL	
  	
  
§  Khái	
  niệm	
  HQT	
  CSDL	
  	
  
§  Kiến	
  trúc	
  của	
  một	
  HQT	
  CSDL	
  
§  Phân	
  loại	
  HQT	
  CSDL	
  	
  
Yêu cầu về dữ liệu trong CSDL 
§  Dữ	
  liệu	
  trong	
  CSDL	
  phải	
  được	
  thể	
  hiện	
  ở	
  các	
  mức	
  độ	
  trừu	
  tượng	
  khác	
  nhau	
  (3	
  mức	
  độ):	
  –  Mức	
  ngoài	
  (External	
  level)	
  •  Mô	
  tả	
  một	
  phần	
  của	
  CSDL	
  mà	
  một	
  đối	
  tượng	
  /	
  một	
  nhóm	
  người	
  dùng	
  được	
  quyền	
  tiếp	
  cận	
  –  Mức	
  luận	
  lý	
  (Logic	
  level)	
  	
  
•  Mô tả những	
  thông	
  tin	
  gì	
  được	
  lưu	
  trữ	
  trong	
  CSDL và	
  những	
  mối	
  quan	
  hệ	
  giữa	
  những	
  thông	
  tin	
  đó	
  	
  –  Mức	
  vật	
  lý	
  (Physical	
  level)	
  •  Dữ	
  liệu	
  được	
  lưu	
  trữ	
  như	
  thế	
  nào	
  trên	
  thiết	
  bị	
  lưu	
  trữ.	
  
à 	
  Làm	
  tăng	
  tính	
  độc	
  lập	
  (data	
  independence)	
  của	
  cách	
  thức	
  lưu	
  trữ	
  dữ	
  liệu,	
  thiết	
  kế	
  dữ	
  liệu	
  và	
  chương	
  trình	
  sử	
  dụng	
  dữ	
  liệu.	
  
Yêu cầu về dữ liệu trong CSDL 
§  Các	
  mức	
  độ	
  trừu	
  tượng	
  của	
  dữ	
  liệu:	
  
External	
  Schema	
  1 External	
  Schema	
  2 External	
  Schema	
  3 
Logical	
  Schema 
Physical	
  Schema 
DISK	
  
Yêu cầu về dữ liệu trong CSDL 
§  Dữ	
  liệu	
  trong	
  CSDL	
  cần	
  có	
  các	
  đặc	
  trưng:	
  –  Ít	
  hoặc	
  không	
  trùng	
  lắp	
  dữ	
  liệu	
  –  Chia	
  sẽ	
  cho	
  nhiều	
  người	
  dùng	
  mà	
  không	
  gây	
  ra	
  xung	
  đột	
  –  An	
  ninh,	
  bảo	
  mật	
  –  Khôi	
  phục	
  khi	
  có	
  sự	
  cố	
  –  Độc	
  lập	
  dữ	
  liệu	
  
•  Độc lập luận	
  lý: Khả năng thay	
  đổi	
  lược	
  đồ	
  mức	
  luận	
  lý	
  mà	
  không	
  lảm	
  ảnh	
  hưởng	
  đến	
  lược	
  đồ	
  ngoài cũng như chương trình ứng dụng.	
  
•  Độc lập vật	
  lý:	
  Khả năng thay	
  đổi	
  tổ	
  chức	
  vật	
  lý	
  của	
  CSDL	
  mà	
  không	
  làm	
  ảnh	
  hưởng	
  đến	
  lược	
  đồ	
  luận	
  lý.	
  	
  
§  Vì	
  vậy	
  cần	
  có	
  một	
  hệ	
  thống	
  quản	
  lý	
  hiệu	
  quả	
  dữ	
  liệu	
  trong	
  CSDL.	
  
Lợi ích của tính độc lập dữ liệu 
§  Độc lập luận	
  lý: 
–  Cho phép thêm bớt thuộc tính, bảng, các 
mối quan hệ mà không cần phải viết lại 
chương trình, ... 
§  Độc lập vật lý: 
–  Cho phép thay đổi thiết bị lưu trữ, cách 
thức lưu trữ, các cấu trúc dữ liệu, các tổ 
chức tập tin khác nhau, các kiểu tổ chức 
chỉ mục khác nhau, ... 	
  
External	
  Schema	
  1 
Logical	
  Schema 
Physical	
  Schema 
DISK	
  
Khái niệm HQT CSDL 
§  Là	
  một	
  hệ	
  thống	
  phần	
  mềm	
  cung	
  cấp	
  các	
  công	
  cụ	
  để	
  xây	
  dựng,	
  khai	
  thác	
  và	
  quản	
  lý	
  cơ	
  sở	
  dữ	
  liệu.	
  –  Xây	
  dựng	
  (Sử	
  dụng	
  ngôn	
  ngữ	
  DDL):	
  	
  Định	
  nghĩa	
  cấu	
  trúc	
  CSDL,	
  lưu	
  trữ	
  dữ	
  liệu	
  	
  –  Khai	
  thác	
  (Sử	
  dụng	
  ngôn	
  ngữ	
  DML):	
  Truy	
  vấn	
  dữ	
  liệu,	
  Cập	
  nhật	
  dữ	
  liệu	
  	
  –  Quản	
  lý:	
  •  Quản	
  lý	
  an	
  toàn	
  và	
  bảo	
  mật	
  	
  •  Điều	
  khiển	
  truy	
  xuất	
  đồng	
  thời.	
  •  Khôi	
  phục	
  khi	
  có	
  sự	
  cố.	
  	
  	
  •  	
  
§  Một	
  số	
  HQTCSDL:	
  MS	
  SQL	
  Server,	
  Oracle,	
  DB2,	
  	
  
Các lợi ích của HQT CSDL 
§  Độc lập dữ liệu 
§  Truy cập dữ liệu hiệu quả 
§  Toàn vẹn dữ liệu 
§  An ninh dữ liệu 
§  Truy xuất đồng thời 
§  Khôi phục sau sự cố 
§  Giảm thời gian phát triển ứng 
dụng	
  
§  	
  	
  
§  	
  	
  
§  	
  	
  
Lịch sử phát triển của các HQT CSDL 
Mô	
  hình	
  
mạng	
  
Mô	
  hình	
  
phân	
  cấp	
  
Mô	
  hình	
  
quan	
  hệ	
   Mô	
  hình	
  
đối	
  tượng	
  
No	
  SQL	
  
Database	
  	
  
SABRE	
  
system	
  	
  
CODASYL	
  	
  
IMS	
  
Ingres	
  
System	
  R	
  
Ingres	
  Corp	
  
MS	
  SQL	
  Server	
  
Sybase	
  
SQL/DS	
   DB2	
  
Allbase	
   Oracle	
  
Non-­‐Stop	
  SQL	
  
Decade	
  of	
  RDBMS	
  
1960s	
   1970s	
  
PostgreSQL	
   dBASE	
  
MongoDB,	
  Oracle	
  
NoSQL	
  Database,	
  
Apache	
  
Cassandra	
  ,	
  ...	
  
1980s	
  –	
  1990s	
   2000s	
  
QUEL	
  
Prototypes	
  
for	
  ODBMS	
  
SEQUEL	
  	
   SQL	
  
Kiến trúc của một HQT CSDL 
Web	
  forms Application	
  Front	
  Ends SQL	
  Interface
Plan	
  Executor Parser
Operator	
  Evaluator Optimizer
Files	
  and	
  Access	
  methods
Buffer	
  Manager
Disk	
  Space	
  Manager
Recovery	
  
Manager
Transaction	
  
Manager
Lock	
  
Manager
Query	
  
Evaluation	
  
EngineConcurency	
  
Control
SQL	
  COMMANDS
DATABASES
DBMS
Unsophisticated	
  users	
  (customers,	
  travel	
  agents,	
  etc.)
Sophiscatedusers,	
  application	
  
programmers,	
  DB	
  administrators
Index	
  files
Data	
  files
System	
  Catalog
command	
  flows
interactions
references
Kiến trúc của một HQT CSDL 
§  Các thành phần chính:	
  
Giao	
  diện	
  lập	
  trình	
  	
  
An	
  ninh và	
  bảo	
  mật	
  
Xử	
  lý	
  truy	
  xuất	
  đồng	
  
thời 
Xử lý câu truy	
  vấn 
Khôi	
  phục	
  sau	
  sự	
  cố 
Tổ	
  chức	
  quản	
  lý	
  lưu	
  
trữ	
  
Người sử dụng 
Thành phần Giao diện lập trình 
§  HQTCSDL	
  cung	
  cấp	
  giao	
  diện	
  lập	
  trình	
  dễ	
  sử	
  dụng	
  với	
  một	
  ngôn	
  ngữ	
  lập	
  trình	
  CSDL: 
–  Giao diện: tương tác dòng lệnh (command line), đồ họa (GUI) 
–  Ngôn ngữ: SQL, T-SQL	
  
–  VD:	
  MS	
  SQL	
  Server	
  cung	
  cấp	
  ngôn	
  ngữ	
  Transacion	
  SQL	
  (T-­‐SQL)	
  
§  Các	
  loại	
  ngôn	
  ngữ	
  sử	
  dụng	
  trong	
  HQTCSDL:	
  –  Ngôn	
  ngữ	
  định	
  nghĩa	
  dữ	
  liệu (DDL – Data Definition Language):	
  Giúp	
  người	
  dùng	
  ra	
  lệnh	
  cho	
  HQTCSDL	
  tạo	
  ra	
  các	
  cấu	
  trúc	
  dữ	
  liệu	
  của	
  CSDL	
  (Cách	
  tổ	
  chức	
  dữ	
  liệu	
  và	
  mối	
  liên	
  hệ	
  giữa	
  các	
  đối	
  tượng	
  dữ	
  liệu).	
  	
  –  Ngôn	
  ngữ	
  thao	
  tác	
  CSDL (DML – Data Manupulation Language) :	
  Giúp	
  người	
  dùng	
  tích	
  luỹ,	
  hiệu	
  chỉnh	
  và	
  khai	
  thác	
  dữ	
  liệu	
  	
  
Thành phần An ninh và bảo mật 
§  Bảo mật dữ liệu: HQTCSDL hỗ trợ các tính năng về chứng 
thực, phân quyền giúp kiểm	
  soát	
  tốt	
  những	
  người	
  dùng	
  hợp	
  pháp	
  của	
  hệ thống.. 
§  An ninh dữ liệu: HQTCSDL hỗ trợ các phương pháp mã hóa 
dữ liệu để ngăn	
  chặn	
  các	
  tấn	
  công	
  của	
  những	
  đối	
  tượng	
  tin	
  tặc (đánh cắp thông tin trên đường truyền, đánh cắp nội dung 
CSDL).	
  
Thành phần Khôi phục sau sự cố 
§  Mục	
  tiêu:	
  Đảm	
  bảo	
  sự	
  tổn	
  thất,	
  sai	
  sót	
  về	
  mặt	
  dữ	
  liệu	
  là	
  ít	
  nhất	
  có	
  thể.	
  	
  
§  Cách	
  tiếp	
  cận:	
  Để	
  đảm	
  bảo	
  tính	
  bền	
  vững	
  của	
  CSDL,	
  mọi	
  thay	
  đổi	
  lên	
  CSDL	
  phải	
  được	
  ghi	
  nhận	
  lại	
  trong	
  nhật	
  ký	
  (Log)	
  
§  Các	
  thành	
  phần	
  hỗ	
  trợ	
  quá	
  trình	
  khôi	
  phục	
  sau	
  sự	
  cố:	
  	
  –  Bộ	
  phận	
  quản	
  lý	
  nhật	
  ký	
  (Log	
  manager)	
  :	
  đảm	
  bảo	
  ghi	
  nhận	
  đầy	
  đủ	
  và	
  chính	
  xác	
  mọi	
  thay	
  đổi	
  trên	
  CSDL	
  vào	
  nhật	
  ký.	
  –  Bộ	
  phận	
  quản	
  lý	
  khôi	
  phục	
  sự	
  cố	
  (Recovery	
  Manager):	
  dựa	
  vào	
  nhật	
  ký	
  để	
  phục	
  hồi	
  lại	
  CSDL	
  về	
  trạng	
  thái	
  nhất	
  quán	
  trước	
  đó	
  (Trạng	
  thái	
  thoả	
  tất	
  cả	
  RBTV	
  của	
  CSDL)	
  
Xử lý truy xuất đồng thời 
§  Mục tiêu: 
–  Đảm bảo các xử lý có thể được thực hiện đồng thời mà làm không làm 
cho dữ liệu bị mất tính nhất quán (vi phạm các ràng buộc toàn vẹn) 
§  Các thành phần con: Bộ phận quản lý giao tác (Transaction 
Manager & Locking Manager) 
§  Phương pháp: 
–  Sử dụng khái niệm giao tác (transaction) để biểu diễn một đơn vị xử 
lý, một giao tác bao gồm các hành động mà được thực hiện tòn bộ hoặc 
không có hành động nào được thực hiện. 
–  Bộ lập lịch (scheduler) có	
  nhiệm	
  vụ	
  lập	
  1	
  lịchthực	
  hiện	
  từ	
  n	
  giao	
  tác	
  không	
  tách	
  biệt	
  về	
  thời	
  gian	
  sao	
  cho	
  kết	
  quả	
  không	
  vi	
  phạm	
  tính	
  nhất	
  quán	
  của	
  CSDL. 
–  Sử dụng cơ	
  chế	
  khóa	
  (lock)	
  để khóa các đơn vị dữ liệu nào đó khi cần 
à 	
  ngăn	
  2	
  giao	
  tác	
  cùng	
  thao	
  tác	
  lên	
  1	
  đơn	
  vị	
  dữ	
  liệu	
  ấy	
  tại	
  cùng	
  1	
  điểm à Hỗ trợ để lập lịch.	
  
-------- 
-------- 
-------- 
-------- 
T 
Điều khiển đồng thời (tt) 
SERVER	
  
CLIENT	
  1	
  
CLIENT	
  3	
  
CLIENT	
  2	
  
--------- 
--------- 
--------- 
--------- 
--------- --------- 
--------- 
--------- 
--------- 
--------- 
--------- 
--------- 
--------- 
--------- 
--------- 
--------- 
--------- 
--------- 
--------- 
--------- 
--------- --------- 
--------- 
--------- 
--------- 
--------- 
--------- 
--------- 
--------- 
--------- 
--------- 
--------- 
LỊ
CH
	
  Đ
Ồ
N
G	
  
TH
Ờ
I	
  
LỊ
CH
	
  T
U
ẦN
	
  T
Ự
T1	
  
T2	
  
T3	
  
--- 
--- 
--- 
--- 
--- 
--- 
Điều khiển đồng thời (tt) 
§  Vấn đề deadlock	
  
–  Do	
  sử	
  dụng	
  cơ	
  chế	
  khóa	
  nên	
  các	
  giao	
  tác	
  sẽ	
  phải	
  chờ	
  khi	
  cần	
  truy	
  xuất	
  1	
  đơn	
  vị	
  dữ	
  liệu	
  đang	
  bị	
  khóa.	
  –  Tình	
  huống	
  chờ	
  vĩnh	
  viễn	
  mà	
  vẫn	
  không	
  được	
  truy	
  xuất	
  đơn	
  vị	
  dữ	
  liệu	
  bị	
  khóa	
  gọi	
  là	
  Deadlock	
  (khoá	
  chết)	
  •  Các	
  giao	
  tác	
  chờ	
  đợi	
  lẫn	
  nhau	
  để	
  được	
  cấp	
  phát	
  tài	
  nguyên	
  và	
  không	
  giao	
  tác	
  nào	
  có	
  thể	
  hoàn	
  tất. –  Thành	
  phần	
  quản	
  lý	
  giao	
  tác	
  sẽ	
  phải	
  can	
  thiệp	
  vào:	
  •  Hoặc	
  hủy	
  bỏ	
  một	
  trong	
  các	
  giao	
  tác	
  gây	
  deadlock	
  •  Hoặc	
  ngăn	
  chặn	
  từ	
  trước	
  để	
  không	
  bao	
  giờ	
  sảy	
  ra	
  deadlock	
  
Xử lý truy vấn 
§  Biểu	
  diễn	
  câu	
  truy	
  vấn	
  ở	
  dạng	
  ngôn	
  ngữ	
  cấp	
  cao	
  (SQL)	
  và	
  thực	
  hiện	
  câu	
  truy	
  vấn	
  có	
  hiệu	
  quả.	
  
§  Query	
  compiler	
  –	
  biên	
  dịch	
  truy	
  vấn	
  
Query	
  parser	
  
Query	
  preprocessor	
  	
  Query	
  optimizer	
  
–  Xây	
  dựng	
  cấu	
  trúc	
  phân	
  tích	
  câu	
  truy	
  vấn	
  dưới	
  dạng	
  cây	
  
–  Kiểm	
  tra	
  ngữ	
  nghĩa	
  của	
  câu	
  truy	
  vấn	
  –  Chuyển	
  đổi	
  cấu	
  trúc	
  cây	
  sang	
  ngôn	
  ngữ	
  đại	
  số	
  quan	
  hệ	
  
–  Sắp	
  xếp	
  các	
  phép	
  toán	
  nhằm	
  mục	
  đích	
  tối	
  ưu	
  hóa	
  câu	
  truy	
  vấn 
Quản lý lưu trữ 
§  Thành	
  phần	
  có	
  nhiệm	
  vụ	
  điều	
  khiển	
  việc	
  đọc/ghi	
  dữ	
  liệu	
  qua	
  lại	
  giữa	
  bộ	
  nhớ	
  và	
  thiết	
  bị	
  lưu	
  trữ	
  
§  Làm	
  việc	
  với	
  các	
  khái	
  niệm:	
  –  Tập	
  tin	
  dữ	
  liệu	
  –  Từ	
  điển	
  dữ	
  liệu	
  •  Lưu	
  trữ	
  các	
  metadata	
  (Siêu	
  dữ	
  liệu)	
  về	
  	
  cấu	
  trúc	
  của	
  CSDL,	
  đặc	
  biệt	
  là	
  lược	
  đồ	
  của	
  CSDL	
  –  Chỉ	
  mục	
  •  Giúp	
  cho	
  việc	
  tìm	
  kiếm	
  Dữ	
  liệu	
  được	
  nhanh	
  chóng	
  
Phân loại HQT CSDL 
§  Theo	
  mô	
  hình	
  dữ	
  liệu: 	
  	
  –  Phân	
  cấp	
  –  Mạng	
  –  Quan	
  hệ	
  –  Đối	
  tượng	
  	
  
§  Theo	
  kiến	
  trúc	
  tính	
  toán:	
  –  Tập	
  trung (Centralized database system)	
  –  Khách	
  /	
  chủ (Client server database system)	
  –  Phân	
  tán (Distributed database system)	
  
§  Theo	
  đặc	
  tính:	
  –  HQTCSDL	
  thời	
  gian	
  thực (real-­‐time	
  database	
  system)	
  –  HQTCSDL	
  chịu	
  lỗi	
  cao	
  (high fault tolerance database system)	
  –  HQTCSDL	
  đa	
  phương	
  tiện (multi-media database syste)	
  	
  
Mô hình phân cấp 
DEPT
EMP
CHILD OFFICE
(DEPT#,	
  BUDGET)
(OFFICE#,	
  SIZE)(CHILD	
  NAME,	
  AGE)
(NAME,	
  SALARY)
17,	
  25M
Adam,	
  14K
John,	
  12K
Fisher,	
  10K
Peter,	
  4
Sue,	
  10
12,	
  500
Dave,	
  7
12,	
  500
12,	
  500
Mô hình mạng 
DEPT
EMP
CHILD
OFFICE
(DEPT#,	
  BUDGET)
(OFFICE#,	
  SIZE)
(CHILD	
  NAME,	
  AGE)
(NAME,	
  SALARY) 17,	
  25M
Adam,	
  14K
John,	
  12K
Fisher,	
  10K
Peter,	
  4
Sue,	
  10
Dave,	
  7
12,	
  500
Mô hình quan hệ 
DEPT	
  (DEPT	
  #,	
  BUDGET)	
  
OFFICE	
  (OFFICE	
  #,	
  SIZE)	
  
EMP	
  (NAME,	
  SALARY)	
  
CHILD	
  (CHILD	
  NAME,	
  AGE)	
  
WORKS	
  (DEPT	
  #,	
  NAME)	
  
OFFSPRING	
  (NAME,	
  CHILD	
  NAME)	
  
OCCUPIED	
  (NAME,	
  OFFICE	
  #)	
  
DEPT	
  	
  
17	
   25M	
  OFFICE	
  
12	
   500	
  EMP	
  
Fisher	
   10K	
  
John	
   12K	
  
Adam	
   14K	
  
WORKS	
  
17	
   Fisher	
  
17	
   John	
  
17	
   Adam	
  
OCCUPIED	
  
Fisher	
   12	
  
John	
   12	
  
Adam	
   12	
  
CHILD	
  
Sue	
   10	
  
Peter	
   4	
  
Dave	
   7	
  
OFFSPRING	
  
Fisher	
   Sue	
  
Fisher	
   Peter	
  
Jone	
   Dave	
  
Phân loại HQTCSDL 
§  Theo	
  kiến	
  trúc	
  tính	
  toán:	
  
Tập	
  trung: 
Phân	
  tán	
  
Khách	
  /	
  chủ	
  
TÓM TẮT CHƯƠNG 1 
§  Sự cần thiết phải có HQTCSDL 
–  Dữ liệu cần được trình bày ở nhiều 
mức khác nhau 
–  Các đặc trưng cần phải có của dữ liệu 
khi lưu trữ trong CSDL 
–  Tính chất độc lập dữ liệu 
§  Một số thành phần chính 
của HQTCSDL 
–  Giao diện lập trình 
–  Xử lý đồng thời 
–  An ninh và bảo mật 
–  Khôi phục sau sự cố 
–  Xử lý truy vấn 
–  Quản lý lưu trữ	
  
§  Phân loại HQTCSL 
–  Theo mô hình dữ liệu 
–  Theo kiến trúc tính toán 
–  Theo đặc tính	
  
§  Lịch sử phát triển của HQTCSDL 
§  Kiến trúc tổng quan của 
HQTCSDL 
ĐỌC THÊM 
Chapter	
  1.	
  Introduction	
  to	
  database	
  systems	
  (p.3	
  à 	
  p.23)	
  	
  
Chapter	
  1.	
  Introduction	
  (p.1	
  à 	
  p.24)	
  	
  
Chapter	
  1	
  &	
  2	
  
BÀI TẬP 
Đọc sách Database	
  Management	
  Systems, 2nd Editon 
(Có thể tham khảo các sách khác & google) và làm 
những nội dung sau: 
§  A. Trình bày lại nội dung phần 1.10 trong sách 
§  B. Trả lời các câu hỏi trong phần bài tập Exercises 
1.1 đến 1.8 (giải thích ngắn gọn, đầy đủ & súc tích):	
  
BÀI TẬP 
Đọc sách Database	
  Management	
  Systems, 2nd Editon 
(Có thể tham khảo các sách khác & google) và làm 
những nội dung sau: 
§  A. Trình bày lại nội dung phần 1.10 trong sách 
§  B. Trả lời các câu hỏi trong phần bài tập Exercises 
1.1 đến 1.8 (giải thích ngắn gọn, đầy đủ & súc tích):