สถาปัตยกรรมระบบฐานข้อมูล ( Database System Architecture )

                     สถาปัตยกรรมระบบเป็นกรอบสำหรับใช้อธิบายแนวคิดเกี่ยวกับฐานข้อมูลทั่วไปและสำหรับอธิบายโครงสร้างของระบบฐานข้อมูล แต่ไม่ได้หมายความว่าระบบฐานข้อมูลทุกระบบจะต้องเป็นไปตามกรอบ เพราะบางระบบที่เป็นระบบขนาดเล็ก อาจไม่จำเป็นต้อง ทุกลักษณะตามสถาปัตยกรรมนี้ อย่างไรก็ตาม เราถือว่าสถาปัตยกรรมนี้เหมาะสมกับระบบฐานข้อมูลส่วน ใหญ่เป็นอย่างดีและเป็น ไปตามมาตรฐาน ที่หน่วยงาน ANSI/SPARC ได้กำหนดไว้

           ANSI/SPARC Study Group on Data Base Management System เป็นหน่วยงานที่ทำหนาที่กำหนดมาตรฐานทั่วไปของระบบฐานข้อมูลในสหรัฐฯ   ซึ่งเป็นกลุ่มศึกษาจัดการข้อมูลของ   American National  Standards Institute / the Standards Planning and Requirements Committee ได้เสนอสถาปัตยกรรมของระบบฐานข้อมูลซึ่งเรียกว่า   ANSI/SPARC  architecture มีรายละเอียดตรงกับระบบฐานข้อมูลทั่วไปว่าควรมีลักษณะเป็นอย่างไร ดังนี้

ระดับของสถาปัตยกรรม

           แบ่งได้ 3 ระดับ ได้แก่

1. ระดับภายใน ( The Internal Level ) บางทีเรียกว่า the physical level ซึ่งเป็นระดับที่ใกล้เคียงกับการจัดเก็บทางกายภาพมากที่สุด  

2. ระดับภายนอก ( The External Level ) บางทีเรียกว่า   the user logcal level ซึ่งเป็นระดับที่ใกล้เคียงกับผู้ใช้มากที่สุด

3. ระดับแนวคิด ( The Conceptual Level ) บางทีเรียกว่า the community logical levl   หรือเรียกสั้นๆว่า   the logcal level ซึ่งเป็นระดับที่อยู่กลางทางระหว่างของระดับที่กล่าวมา

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ระดับภายนอก ( External Level )

                ระดับภายนอกนี้เป็นระดับของผู้ใช้แต่ละคนซึ่งอาจเป็นโปรแกรมเมอร์ หรือผู้ใช้ปลายแถว ที่อาจจะมีความซับซ้อน มากน้อยเท่าไรก็ได้ ผู้ใช้แต่ละคนอาจจะใช้ภาษาคอมพิวเตอร์ต่างกันไป เช่น โปรแกรมเมอร์ อาจจะใช้ภาษาตามประเพณีนิยมคือ C++ , BASIC , PL/I , Java

                สำหรับผู้ใช้ปลายสุดอาจใช้ภาษาสอบถาม ( Query Language ) หรือภาษาเฉพาะทาง เช่น แบบมีเมนูให้เลือกใช้ หรือออกแบบมาตามความต้องการเฉพาะสำหรับผู้ใช้ในหน่วยงานนั้น

                ภาษาคอมพิวเตอร์ที่ใช้จะมีส่วนที่เรียกว่า ภาษาย่อยข้อมูล ( Data Sublanguage : DSL ) ซึ่งเป็นสับเขตของ ภาษาคอมพิวเตอร์นั้นซึ่งจะกำหนดไว้ใช้เฉพาะกับวัตถุและการดำเนินการกับฐานข้อมูลเท่านั้น อาจกล่าวได้ว่าภาษา ย่อยข้อมูลน ี้จะฝังตัว ( Embedded ) อยู่ในตัว “ ภาษาเจ้าบ้าน ( Host Language )” ซึ่งตัวภาษาเจ้าบ้านจะทำหน้าที่รับผิดชอบ อำนวย ความสะดวกในการสั่งงานที่ไม่ใช่เรื่องฐานข้อมูลต่างๆ เช่น จัดการเรื่องตัวแปรท้องถิ่น, การดำเนินการคำนวณ, การเปรียบเทียบ เพื่อเลือกทำ เป็นต้น

                ภาษาย่อยข้อมูลที่สำคัญได้รับการสนับสนุนโดยระบบจัดการฐานข้อมูลส่วนใหญ่ คือ ภาษาสอบถามเชิงโครงสร้าง หรือ SQL ส่วนใหญ่จะมีให้ใช้ทั้งแบบใช้เดี่ยว และใช้ร่วมกับภาษาอื่น คือ ภาษาสอบถามเชิงโครงสร้างเป็นได้ทั้งภาษาเอกเทศเพื่อใช้กับฐานข้อมูล และอาจเป็นภาษาย่อยที่ฝังตัวอยู่กับคอมพิวเตอร์อื่นๆ ก็ได้ ถ้าเราสามารถแยกแยะได้ง่ายและชัดเจนว่าส่วนไหนเป็นคำสั่งใดเป็นภาษาสอบถามเชิงโครงสร้างที่ฝังตัวอยู่ เราถือว่าเป็น การเข้าคู่กันอย่างหลวมๆ ( Loosely Coupling ) แต่ถ้าแยกแยะออกจากกันได้ยาก เราถือว่าเป็น การเข้าคู่กันอย่างแนบแน่น ( Lightly Coupling)

                ในหลักการแล้วภาษาย่อยข้อมูลจะประกอบไปด้วยอย่างน้อย 2 ส่วน ได้แก่

                1. ภาษานิยามข้อมูล ( Data Definition Language : DDL) ซึ่งเป็นคำสั่งในการประกาศสร้างวัตถุในฐานข้อมูล หรือประกาศโครงสร้างฐานข้อมูล

                2. ภาษาจักดำเนินการข้อมูล ( Data Manipulation Language : DML) เป็นคำสั่งที่สนับสนุนการจักดำเนินการหรือประมวลผลในฐานข้อมูล

          วิวภายนอกแต่ละวิวถูกกำหนดขึ้นมาโดยเรียกว่าเป็น เค้าร่างภายนอก ( External Schema ) ซึ่งประกอบด้วยนิยามต่างๆ ของประเภทระเบียนภายนอกของวิวภายนอกนั้น เค้าร่างภายนอกนี้จะถูกเขียนขึ้นโดยใช้ภาษานิยามข้อมูลซึ่งในกรณีนี้บางที่เรียกว่า External DDL

ระดับแนวคิด ( Conceptual Level )

               วิวแนวคิดเป็นการแทนเนื้อหาข้อมูลทั้งหมดของฐานข้อมูล แต่อยู่ในรูปแบบที่เป็นนามธรรม ไม่ได้ตรงตามการเก็บบันทึก ข้อมูลจริงๆ ทางกายภาพ และค่อยข้างแตกแต่งจากวิวของผู้ใช้แต่งละคน กล่าวคือวิวแนวคิดจะครอบคลุมข้อมูล ทั้งหมดและ ไม่จำกัด อย่างวิวผู้ใช้

          วิวแนวคิดจะประกอบไปด้วยระเบียนแนวคิด ( Conceptual Record ) หลายประเภท เช่น อาจจะประกอบด้วย ระเบียน แผนกต่างๆ ระเบียนพนักงาน ระเบียนผู้จัดส่ง และระเบียนสินค้า ซึ่งระเบียนแนวคิดนี้ไม่จำเป็นต้องเหมือนกับระเบียนระดับภายนอก หรือระเบียนที่บันทึกจริงก็ได้

         การกำหนดระดับแนวคิดจะกระทำโดย เค้าร่างแนวคิด ( Conceptual Schema ) ประกอบด้วยนิยามของระเบียบ ประเภทต่างๆ เขียนขึ้นโดย Conceptual DDL ซึ่งต้องเป็นการกำหนดนิยามเนื้อหาของข้อมูลเท่านั้นและจะต้องไม่ได้รับผมกระทบ จากหรือมีผลกระทบต่อการจัดเก็บในระดับกายภาพ

ระดับภายใน ( Internal Level )

          วิวภายใน เป็นดารแทนฐานข้อมูลทั้งหมดในระดับต่ำ เป็นโครงสร้างที่เรียกอีกอย่างหนึ่งได้ว่า ระเบียบที่จัดเก็บ ( Stored Record ) แต่วิวภายในนี้ไม่ได้เกี่ยวกับระเบียนกายภาพ เช่น ที่เรียกว่า Blocks หรือ Pages ที่เกี่ยวกับอุปกรณ์ฮาร์ดแวร์ แต่อย่างใด

          วิวจะถูกกำหนดโดย เค้าร่างภายใน ( Internal Level ) เป็นการกำหนดประเภทของระเบียนต่างๆ ที่ถูกจัดเก็บไว้ ดัชนีที่มีอยู่ เค้าร่างภายในนี้เขียนขึ้นโดย Internal DDL

การเชื่อมระหว่างระดับ ( Mappings )

                สถาปัตยกรรมระบบฐานข้อมูลมีการเชื่อมโยงให้ประสานกันไปได้โดยมีการเชื่อมอยู่ 2 ส่วน คือ

                1. การเชื่อมระหว่างระดับแนวคิดกับระดับภายใน ( Conceptual/Internal Mapping) เป็นการกำหนดความสอดคล้องระหว่างระดับแนวคิดและฐานข้อมูลที่จัดเก็บไว้ ถ้าโครงสร้างของฐานข้อมูลที่จัดเก็บถูกเปลี่ยน การเชื่อมนี้ต้องเปลี่ยนแปลงตาม แต่ผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงนี้ต้องไม่กระทบต่อระดับแนวคิด ซึ่งเรียกว่ามีความเป็นอิสระของข้อมูลทางกายภาพ ( Physical Data Independence )

                2. การเชื่อมระหว่างระดับภายนอกกับระดับแนวคิด ( External/Conceptual Mapping ) เป็นตัวกำหนดความสอดคล้องระหว่างวิวภายนอกกับวิวแนวคิด ถ้ามีการปรับเปลี่ยนที่ระดับแนวคิด จะต้องไม่กระทบระดับภายนอก เช่น ถ้ามีการเปลี่ยนชื่อเขตข้อมูลหรือเปลี่ยนข้อมูลในระเบียน การรวมเขตข้อมูลในระดับแนวคิดหลายๆ เขตข้อมูลเข้าเป็น 1 เขตข้อมูล ( Virtual field ) ซึ่งการทำสิ่งต่างๆ เหล่านี้ต้องไม่เป็นการบีบบังคับให้วิวภายนอกระดับผู้ใช้ต้องถูกกระทบไปด้วย ซึ่งเรียกว่ามีความเป็นอิสระของข้อมูลทางตรรก ( Logical Data Independence ) แต่ทั้งสองกรณีนี้จะกล่าวในมุมกลับไม่ได้

ความสำคัญของระบบฐานข้อมูล

                1. ความกะทัดรัด ( Compactness ) การบันทึกข้อมูลลงในระบบคอมพิวเตอร์จะเก็บข้อมูลไว้ได้เป็นจำนวนมากในที่เดียวกัน อยู่ในสื่ออิเล็กทรอนิกส์ซึ่งประหยัดพื้นที่ ไม่เกะกะอย่างในเอกสารที่เป็นกระดาษ

                2. ความรวดเร็ว ( Speed ) เครื่องคอมพิวเตอร์ในระบบฐานข้อมูลสามารถค้นคืนและปรับปรุงข้อมูลให้เป็นปัจจุบัน ได้เร็วกว่ามือมนุษย์มาก

                3. ความเบื่อหน่ายน้อยกว่า ( Less Drudgery ) ในการดูแลรักษาแฟ้มข้อมูลที่เป็นกระดาษเป็นงานที่หนักกว่ามากหากเปรียบเทียบกับแฟ้มข้อมูลอิเล็กทรอนิกส์ที่อยู่ใน
ระบบฐานข้อมูลคอมพิวเตอร์

                4. ความถูกต้องเป็นปัจจุบัน ( Currency ) เมื่อหันมาใช้ระบบฐานข้อมูลจะทำให้เรามีข้อมูลที่ถูกต้องและทันสมัย พร้อมที่จะตอบคำถามที่เราต้องการทราบได้ทุกเมื่อ

ประโยชน์ของระบบฐานข้อมูล ( Benefits of the database approach )

              ประโยชน์ของระบบฐานข้อมูล ( Benefits of the database approach ) นั้น เกิดขึ้นจากการมีระบบฐานข้อมูลที่ช่วย ให้องค์การสามารถควบคุมข้อมูลแบบรวมศูนย์ได ดังนี้

           1. ข้อมูลในระบบฐานข้อมูลสามารถใช้ร่วมกันได้ ( The data can be shared ) ตัวอย่างเช่น โปรแกรมระบบเงินเดือน สามารถเรียกใช้ข้อมูลรหัสพนักงานจาฐานข้อมูลเดียวกับโปรแกรมระบบการขาย ตามภาพในตอนท้ายที่ผ่านมา เป็นต้น

             2. ระบบฐานข้อมูลสามารถช่วยให้มีความซ้ำซ้อนน้อยลง ( Redundancy can be reduced ) ที่ลดความซ้ำซ้อนได้ เพราะเก็บแบบรวม ( Integrated )

           3. ระบบฐานข้อมูลช่วยหลีกเลี่ยงหรือลดความไม่คงที่ของข้อมูล ( Inconsistency can be avoided to some extent. )

           4. ระบบฐานข้อมูลสนับสนุนการทำธุรกรรม ( Transaction support can de provided ) ธุรกรรม คือ ขั้นตอนการทำงานหลายกิจกรรมย่อยมารวมกัน

          5. ระบบฐานข้อมูลสามารถช่วยรักษาความคงสภาพหรือความถูกต้องของข้อมูลได้ ( Integrity can be maintained ) โดยผู้บริหารฐานข้อมูลเป็นผู้กำหนดข้อบังคับความคงสภาพ ( DBA implement integrity constraints or business rules. ) ตามที่ผู้บริหารข้อมูล ( DA ) มอบหมาย เพื่อป้องกันไม่ให้ผู้ใช้เปลี่ยนแปลงข้อมูลในฐานข้อมูลทีโดยไม่ถูกต้อง ไม่ว่าจะโดยตั้งใจหรือไม่ตั้งใจก็ตาม

         6. สามารถบังคับใช้มาตรการรักษาความปลอดภัย ( Security can be enforced ) กล่าวคือ ผู้บริหารฐานข้อมูลสามารถ กำหนดข้อบังคับ เรื่องปลอดภัย ( Security Constraints )

         7. ความต้องการที่เกิดข้อโต้แย้งระหว่างฝ่าย สามารถประนีประนอมได้ ( conflicting requirements can be balanced. )

         8. สามารถบังคับให้เกิดมาตรฐานได้ ( Standards can be enforced )

          9. ระบบฐานข้อมูลให้เกิดความเป็นอิสระของข้อมูล ( Data Independence ) เป็นประโยชน์ข้อสำคัญที่สุดเพราะทำให้ข้อมูลไม่ขึ้นอยู่กับการแทนค่าข้อมูลเชิงกายภาพ ( Physical Data Independence )

ความเป็นอิสระของข้อมูลมี 2 ชนิด คือ

9.1 ความเป็นอิสระทางกายภาพ ( Physical Data Independence )

9.2 ความเป็นอิสระทางตรรกะ ( Logical Data Independence )

ในระบบฐานข้อมูล เราไม่ควรให้ปล่อยโปรแกรมประยุกต์ขาดความเป็นอิสระของเป็นอย่างยิ่งข้อมูล

เพราะ

                1. โปรแกรมประยุกต์คนละตัวกันจะต้องมีมุมมองขอข้อมูลเดียวกันในรูปแบบที่แตกต่างกันได้

                2. ผู้บริหารฐานข้อมูล ต้องมีอิสระที่จะเปลี่ยนแปลงวิธีการแทนค่าทางกายภาพ หรือเปลี่ยนเทคนิคในการเข้าถึงเพื่อสนองตอบความจำเป็นที่เปลี่ยนแปลงไป โดยไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนแปลงโปรแกรมประยุกต์ต่างๆ ที่มีใช้กันอยู่

               ความเป็นอิสระของข้อมูล ( Data Independence ) คือ ภูมิคุ้มกันของโปรแกรมประยุกต์ ต่อการเปลี่ยนแปลง ในการแทนข้อมูลทางกายภาพและการเปลี่ยนแปลงเทคนิคการเข้าถึงข้อมูล โดยไม่ต้องดัดแปลงโปรแกรมที่มี อยู่เมื่อมีการ เปลี่ยนแปลง ดังกล่าว ซึ่งแสดงว่าโปรแกรมประยุกต์ที่เกี่ยวข้องไม่ขึ้นอยู่กับวิธีการแทนข้อมูล ในระดับกายภาพหรือเทคนิค การเข้าถึงข้อมูลวิธีใดๆ โดยเฉพาะ เช่น การเปลี่ยนวิธีจาการเข้าถึงแบบตามลำดับ ให้เป็นการเข้าถึงแบบสุ่ม ปกติจะต้องมีการเขียน โปรแกรมประยุกต์นั้นใหม่หรือแก้ไขใหม่ให้เป็นไปตามเทคนิคการเข้าถึงแบบใหม่ หรือตามโครงสร้างการจัดเก็บใหม่ เป็นต้น

                ประเภทการเปลี่ยนแปลงที่ผู้บริหารฐานข้อมูล หรือ DBA อาจต้องกระทำ ซึ่งเราหวังให้โปรแกรมประยุกต์มีภูมิ คุ้มกันตนเองต่อสิ่งเหล่านี้

•  เขต้อมูล เช่น เปลี่ยนชนิดของเขตข้อมูล

•  ระเบียบ เช่น แก้ไข ลบ หรือเพิ่มเติม บางระเบียน

•  แฟ้มข้อมูล เช่น ลบ เพิ่ม หรือเปลี่ยนชื่อแฟ้ม

              ลักษณะของการแทนข้อมูลซึ่งอาจมีการเปลี่ยนแปลงโดยผู้บริหารฐานข้อมูล และระบบบริหารฐานข้อมูล ( DBMS ) จะต้องให้โปรแกรมประยุกต์ภูมิคุ้มกันต่อการเปลี่ยนแลงเหล่านี้ คือ

•  การแทนข้อมูลตัวเลข เช่น Binary, Decimal

•  การแทนข้อมูลตัวอักขระ เช่น EBCDIC เป็น Unicode

•  หน่วยองข้อมูลตัวเลข เช่น นิ้ว เป็น เซนติเมตร

•  การลงรหัสข้อมูล เช่น เปลี่ยนจาก “Green”, “Red” เป็น 1 , 2

•  การแปรข้อมูล ( Data Materialization ) เป็นการนำเอาข้อมูลผ่านกระบวนการ เช่น เปลี่ยนวิธีการหรือขั้นตอนกระบวนการ เปลี่ยนวิธีการคำนวณในสูตรคำนวณดอกเบี้ย เปลี่ยนวิธีการบวกค่าในเขตข้อมูล

•  โครงสร้างระเบียน เช่น จาก 2 ระเบียนเปลี่ยนเป็น 1 ระเบียน เช่น

 

 

 

 

 

 

• โครงสร้างแฟ้ม เช่น รวมหลายแฟ้มไว้ในดิสก์ก้อนเดียวกัน หรือแบ่งเป็นหลายก้อน

             การเปลี่ยนแปลงลักษณะการแทนข้อมูลดังกล่าวนี้ไม่มีผลกระทบต่อโปแกรมประยุกต์ที่เรียกใช้ ข้อมูลจากฐานข้อมูล ไม่ว่าด้วยวิธีการใดๆ (ยกเว้นประสิทธิภาพทางการทำงานซึ่งอาจกระทบได้บ้างในระดับที่ยอมรับได้)