1.3数据库系统结构及组成（三级模式结构）

1.3.1 数据库系统结构

• 数据库管理系统内部的系统结构（模式结构）：※
  从数据库管理系统角度看，数据库系统通常采用三级模式结构；
• 数据库系统外部的体系结构：从数据库最终用户角度看，数据库系统的体系结构分为集中式结构（单用户结构、主从式结构）、客户/服务器结构、分布式结构。

一、数据库系统模式的概念

1. 型和值：
   · 型（Type）：是指对某一数据的结构和属性的说明。
   · 值（Value）：型的一个具体赋值。
   
2. 模式和实例：
   · 模式（schema）：是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，它仅仅涉及到型的描述，不涉及到具体的值。
   · 模式和型的关系：全体和部分
   · 实例（instance）：模式的一个具体值称为模式的一个实例。（时间为变量）
   · 实例和值的关系：全体和部分

模式和实例的关系：

• 同一个模式可以有很多实例；
• 模式是相对稳定的（模式反映的是数据的结构及其关系，会维持一段时间），而实例是相对变动的（实例反映的是数据库某一时刻的状态）。

二、数据库系统的三级模式结构

数据库系统的三级模式结构是指数据库系统是由外模式、模式和内模式三级构成：

1. 模式（核心）：模式也称逻辑模式。

• 说明：
  · 一个数据库只有一个模式；
  · 数据库模式以某一种数据模型为基础；
  · 定义模式时不仅要定义数据的逻辑结构（例如记录由哪些数据项构成，数据项的名字、类型、取值范围等），而且要定义这些数据间的联系，以及与数据有关的安全性、完整性要求。
  

2. 外模式：外模式也称子模式或用户模式，它是数据库用户（包括应用程序和最终用户）看见和使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述，是数据库用户的数据视图。

• 说明：
  · 一个数据库可以有多个外模式；
  · 外模式通常是模式的子集；
  · 同一个模式可以为某一用户的多个应用系统所使用，但一个应用程序只能使用一个外模式；
  · 外模式的定义也属于逻辑结构设计的范畴。
  

2. 内模式：内模式也称存储模式，它是数据物理结构和存储结构的描述，是数据在数据库内部的表述方式。

• 说明：
  · 一个数据库只有一个内模式。
  · 内模式由OS和DBMS共同管理。

三、数据库的二级映像功能与数据独立性

DMBS在三级模式之间提供了两层映像：

• 外模式/模式映像
• 模式/内模式映像
  作用：保证了数据库系统中的数据的逻辑独立性和物理独立性
  
  1、外模式/模式映像
  （1）数量： N
  （2）作用：
           ①定义了外模式与模式之间的对应关系（子集和全集的映射关系）。
           ②保证逻辑独立性。（扩展：当模式改变时，由数据库管理员对各个外模式/模式的映像作相应改变，可以使外模式保持不变，从而应用程序不必修改。）
  2、模式/内模式映像
  （1）数量：1
  （2）作用：
           ①定义了数据全局逻辑结构与存储结构之间的对应关系。
           ②保证物理独立性。（扩展：当数据库的存储结构改变了（关系数据库：数据文件的合并与拆分，非关系数据库：排序方式改变、增加索引），由数据库管理员对各个模式/内模式的映像作相应改变，可以使模式保持不变，从而应用程序也不必修改。）

1.3.2 数据库系统的体系结构

一、DBS体系结构的组成

1. 硬件设备
2. 相关的软件： OS，DBMS及数据库，开发工具及编译系统，应用系统
3. 相关人员：DBA，应用程序员，用户

二、DBS体系结构的分类

1. 集中式结构
   1）单用户数据库系统
   整个数据库系统，包括应用程序、DBMS、数据库，都装在一台计算机上，为一个用户独占，不同机器之间不能共享数据。
   2）主从式结构的数据库系统
   指一个主机带多个终端的多用户结构。数据库系统，包括应用程序、DBMS、数据库，都集中存放在主机上，所有处理任务都由主机来完成。
   
2. 客户/服务器结构※
   工作原理：在客户/服务器结构中，客户端的用户请求（数据请求）通过网络传送到数据库服务器，数据库服务器验证（身份验证、权限验证、数据验证）通过后，进行数据处理，将处理结果（原始数据）返回给用户。
   1）两层客户/服务器体系结构（client/server architecture）
   · 服务器：网络中某个（些）结点上的计算机专门用于执行DBMS功能，称为数据库服务器（查询服务器，事物服务器，SQL服务器）。（存放DBMS和数据库）
   · 客户机：其他结点上的计算机安装DBMS的外围应用开发工具（DBMS的客户端工具）和应用系统，称为客户机。
   
   
   2)面向Web应用的三层客户/服务器体系结构（browser/server archiecture）
   这种体系结构在客户端和数据库服务器间增加了一个中间层（middle tier）。这个中间层根据应用的不同，有时称为应用服务器（application server），又是称为Web服务器（web server）。
   

• 优点：
  显著减少了网络上的数据传输量，提高了系统的性能、吞吐量和负载能力；
  客户/服务器结构的数据库往往更加开放（支持不同的硬件和软件平台、开发工具），应用程序具有更强的可移植性和扩展性，同时也可以减少软件维护开销。

3. 分布式结构的数据库系统
   分布式结构的数据库系统是指数据库中的数据在逻辑上是一个整体，但物理地分布在计算机网络地不同结点上。
   网络中的每个结点都可以独立处理本地或异地数据库中的数据。本地计算机单独不能胜任的处理任务，可以通过通信网络取得其他DB和计算机的支持。
   
   1）分布式数据库服务器的模式：
   ① 主从式：一个主服务器（具有所有权限），多个子服务器（数据由主服务器发布，只有部分功能）；
   ② 多主式：多个主服务器，它们之间始终保持数据一致。
   2）数据存储方案：
   ① 传统存储方案
   ② 云存储（Hadoop生态系统中的分布式数据存储）