1. 데이터베이스 개념
① 데이터베이스 용어의 기원과 데이터베이스의 정의
∎데이터베이스 용어의 기원
1963.6 제1차 SDC 심포지움에서
- 컴퓨터 중심의 데이터베이스 개발과 관리
- Development and Management of a Computer-centered Data Base
1965.9 제2차 SDC 심포지움
- 컴퓨터 중심의 데이터베이스 시스템
- Computer-centered Data Base Systems
∎데이터베이스의 정의
한 조직의 여러 응용 시스템들이 공용(Shared)하기 위해 통합(Integrated), 저장(Stored)한 운영 데이터(Operational data)의 집합
통합 데이터 (integrated data)
- 최소의 중복(minimal redundancy)
- 통제된 중복(controlled redundancy)
저장 데이터 (stored data)
- 컴퓨터가 접근 가능한 저장 매체에 저장
- 자기 테이프, 자기 디스크, 광 디스크 등
운영 데이터 (operational data)
- 한 조직의 고유 기능을 수행하기 위해 필요한 데이터
공용 데이터 (shared data)
- 한 조직의 여러 응용 프로그램이 공동으로 소유, 유지, 이용하는 데이터
※ 데이터와 정보의 의미
데이터: 관찰이나 측정을 통해서 수집된 사실이나 값(수치, 스트링)
정보: 의사결정을 할 수 있게 하는 데이터의 해석이나 상호 관계를 의미함
데이터를 처리하여 정보를 산출할 수 있음: Processor(Data) ⇒ Information
② 데이터베이스 시스템 환경
단순화된 데이터베이스 시스템 환경은 다음 그림과 같이 표현함
데이터베이스 관리 시스템(DBMS)은 사용자가 데이터베이스를 생성하고 관리할 수 있도록 편리한 기능을 제공하는 프로그램의 모임
DBMS는 다양한 응용들에서 필요로 하는 데이터베이스를 정의, 생성, 조작, 공유할 수 있도록 편리한 기능을 제공하는 범용 소프트웨어 시스템
- 데이터베이스를 정의한다고 함은 저장되는 데이터에 대한 데이터 타입, 구조, 제약조건 들을 명세하는 과정을 말함
- 데이터베이스를 구축한다고 함은 DBMS가 관리하는 기억장치(대체로 디스크장치)에 데이터를 저장하는 과정을 말함
- 데이터베이스를 조작한다고 함은 특정한 데이터를 검색하기 위한 징의, 데이터베이스 갱신, 데이터로부터 레포트를 생성하는 기능 등이 포함됨
- 데이터베이스를 공유한다고 함은 여러 사용자와 프로그램이 데이터베이스에 동시에 접근하도록 하는 기능을 말함
③ 데이터베이스 구성요소와 예
데이터베이스를 물리적 구성요소로 볼 때는 바이트, 블록, 실리더 등과 같은 파일시스템에 주안점을 둔다면, 논리적 구성요소는 개체와 관계로 구분할 수 있고 정보를 주안점에 두는 사용자 관점에서 큰 의미가 있음
개체(entity)의 의미
- 데이터베이스에 표현하려고 하는 유,무형 정보의 객체(object)로서 서로 구별되는 것
- 현실 세계에 대해 사람이 생각하는 개념이나 정보의 단위로서의 의미를 가짐
- 하나 이상의 속성(attribute)으로 구성됨
- 파일시스템에 레코드에 대응되며, 데이터의 가장 작은 논리적 단위가 됨
개체가 가지고 있는 구체적인 값을 개체 집합(entity set), 개체 인스턴스(entity instance) 혹은 개체 어커런스(entity occurrence)라고 칭함
속성(attribute) 이름들로 기술된 개체의 정의를 개체 타입(entity type)라고 함
개체 타입은 논리적인 개념의 표현이고, 개체 인스턴스는 데이터베이스에 저장되어 있는 구체적인 객체를 의미함
관계(relationship)의 의미
- 어느 특정 개체를 기술하는 속성들 간의 속성 관계(attribute relationship)과 개체 집합과 개체 집합 사이의 관계를 나타내는 개체 관계(entity relationship)가 있음
- 속성 관계를 한 개체 내에서만 존재한다는 뜻에서 개체 내 관계이라고 하고 개체 관계는 개체 외부에서 존재하기에 개체 간 관계라고 할 수 있으며, 주로 개체 관계만 명시적으로 취급함
2. DBMS의 특징 및 사용 효과
① 데이터베이스의 특징과 그 사용자
∎데이터베이스의 특징
데이터베이스 시스템의 자기 기술성(self-describing)
- Database 카탈로그(catalog)에는 메타 데이터(meta-data)가 저장되어 있으며, 이를 이용하여 하나의 DBMS가 다수의 데이터베이스를 관리할 수 있음
- 메타 데이터(meta-data)는 DBMS 카달로그에 저장된 데이터베이스 정의에 대한 정보
프로그램과 데이터의 분리
- 데이터베이스 내의 데이터 저장 구조가 변경되어도 Database 응용 프로그램은 영향을 받지 않는 (변경될 필요가 없는) 성질
- 프로그램과 데이터의 독립성(program-data independence)을 높임
데이터 추상화
- 데이터 모델(data model)을 사용함으로써 저장 구조의 자세한 내용은 사용자로부터 은닉시키고 각자의 요구에 맞는 개념적인 뷰(conceptual view)만을 제공함
데이터에 대한 다양한 뷰 제공
- 사용자는 전체 데이터베이스 보다는 관심이 있는 데이터베이스의 일부를 뷰로 정의할 수 있음
데이터의 공유와 다수 사용자의 트랜잭션 처리
- 동시성 제어: 다수의 사용자가 동일한 데이터를 동시에 변경하는 경우에도 데이터의 일관성을 보장함
- 트랜잭션의 개념은 데이터베이스 레코드를 읽거나 갱신하는 것과 같이 한번 이상의 데이터베이스 접근을 포함하는 프로그램 혹은 프로세스를 수행하는 것
- 트랜잭션은 원자성(atomicity), 고립성(isolation) 등의 성질을 지키도록 하고 있음
∎데이터베이스 사용자의 분류
데이터베이스 관리자(database administrator, DBA) : 데이터베이스 시스템의 관리를 책임진 사람
데이터베이스 설계자(database designer) : 데이터베이스의 설계를 책임진 사람
최종 사용자(end users) : 데이터베이스에 대한 질의, 갱신, 보고서 작성 등의 담당자
캐주얼 사용자(casual end users) : 비정기적인 데이터베이스 사용자
초보 사용자(parametric or naive users) : 미리 일정한 용도로 작성된 프로그램을 사용하는 사용자 은행 점원이나 여행사 예약 담당원 등
전문 사용자(sophisticated end users) : 복잡한 응용을 개발하며, DBMS의 기능을 충분히 사용하는 전문가
시스템 분석가/ 응용 프로그래머(system analysts / application programmers) : 초보 사용자를 위하여 잘 정의된 기능의 응용을 설계하고 구현하는 사람
② 데이터베이스 장점
중복성 제어
- 중복성의 문제점은 첫째, 논리적으로 한번의 변경을 중복된 횟수만큼 반복해서 변경해야 하는 점, 둘째, 메모리 낭비의 초래, 셋째, 동일한 데이터를 포함하는 파일에서 데이터의 불일치를 초래할 수 있음
- 제어된 중복성(controlled redundancy)은 질의 성능을 개선하는데 유용할 수 있음
권한 부여와 접근 통제
- 데이터베이스는 일반적으로 사용자 아이디와 패스워드를 통한 보안과 권한 서브시스템을 가짐
프로그램 객체를 위한 지속성 기억 공간 제공
- 데이터베이스는 프로그램 객체와 자료구조를 위한 지속성 기억공간을 제공함
- 프로그램 수행이 끝난 후에도 데이터베이스에 영구적으로 남아서 필요하면 언제든지 접근할 수 있는 저장된 객체를 지속성 객체(persistent object)라고 함
효율적인 질의처리를 위한 저장 구조 제공
- 질의와 갱신을 효율적으로 수행하는 기능을 제공함
- 인덱스, 버퍼링 모듈 등의 기능이 있음
- 질의처리와 최적화의 모듈이 효율적인 실행계획을 선택함
백업(backup)과 회복(recovery) 제공
- 하드웨어와 소프트웨어가 고장으로부터 복구할 수 있는 기능
다수의 사용자 인터페이스 제공
- 캐주얼 사용자에게는 질의어를, 응용 프로그래머에게는 프로그램 인터페이스를, 초보 사용자에게는 GUI로 구성된 폼(form)이나 명령어 인터페이스 등을 제공함
데이터 간의 복잡한 관계의 표현
- DBMS는 복잡하고 다양한 관련성을 표시할 수 있어야 하며, 연관된 데이터를 쉽고 효율적으로 검색하고 변경할 수 있는 기능을 제공함
무결성 제약조건의 시행
- DBMS는 무결성 제약조건을 정의하고 검사하는 기능을 가지고 있음
규칙을 사용한 추론과 수행
- 저장되어 있는 사실로부터 새로운 정보를 추온하는 연역적 규칙을 가진 연역 데이터베이스 시스템 및 어떤 이벤트나 조건이 일어났을 때, 자동으로 능동규칙을 수행하는 능동 데이터베이스 시스템 등이 있음
데이터베이스 사용에 함축된 또 다른 의미
- 표준 강화, 응용 개발 시간의 단축, 데이터 구조 변경에 대처하는 융통성, 최신 정보의 가용성-한 사용자가 변경한 즉시 모든 공유된 사용자 확인 가능, 규모의 경제성-통합 관리로 인한 불필요한 중복 업무를 줄일 수 있음
※ DBMS 보다 오히려 파일처리가 적절한 경우
데이터베이스와 응용이 단순하고 잘 정의되어 있으며, 변경될 가능성이 적을 경우
DBMS 오버헤드로 인하여 엄격한 실시간 처리 요구사항을 만족시키기 힘든 경우
단일 사용자만이 데이터베이스를 접근하는 경우
3. 데이터 모델과 스키마
① 데이터 모델
데이터 모델의 의미
- 데이터 타입, 관계, 제약 조건들을 명시하기 위해 사용할 수 있는 개념들의 집합
- 데이터베이스에서 검색과 갱신을 수행하는 기본 연산들의 집합을 포함
점차 DB 응용의 동적 측면 또는 행동이 데이터 모델에 포함됨
- 데이터베이스 설계자가 데이터베이스들에 대해 수행할 수 있는 사용자 정의 연산(user defined operation)들의 집합을 명시하는 것이 가능함
- STUDENT 객체에 적용 가능한 COMPUTE_GPA가 사용자 정의연산의 전형적인 예 임
데이터 모델의 분류
- 저수준 또는 물리적 데이터 모델은 어떻게 데이터가 컴퓨터에 저장되는지의 세부 사항을 명시하는 개념을 제공
- 고수준 또는 개념적 데이터 모델은 사용자들이 데이터를 인식하는 방식에 대한 개념을 제공
- 표현 (또는 구현) 데이터 모델은 고수준 모델과 저수준 모델 사이에 존재하며, 일반 사용자들이 이해할 수 있는 개념을 제공하고 데이터 저장 구조의 세부 사항을 은폐하지만, 컴퓨터상에서 직접 구현 가능하고 상용 DBMS에서 많이 사용함. 레코드 구조를 이용해서 데이터를 표현하므로 레코드 기반 데이터 모델이라고 부름.
개념적 데이터 모델(conceptual data model)은 개체(entry), 속성(attribute). 관계(relationship)와 같은 개념들을 사용함
- 개체(entity)는 데이터베이스에 표현되는 사원이나 프로젝트 같은 실세계의 객체나 개념
- 속성(attribute)은 사원의 이름이나 급여와 같은 개체의 특성을 나타냄
- 관계(relationship)는 사원과 프로젝트 사이의 근무 관계처럼, 두 개 이상의 개체 사이의 연관성을 나타낸 것
과거에 널리 사용되었던 데이터 모델은 계층 모델(hierarchical model) 및 네트워크 모델(network model)이며 과거 데이터 모델(legacy data model)이라고 부름
현재 널리 사용되는 모델은 관계 모델(relational model)임
객체지향 데이터 모델은 개념적 데이터 모델에 좀 더 가까운 고수준 구현 데이터임
물리적 데이터 모델들은 레코드 형식, 레코드 순서, 접근 경로 등과 같은 정보를 표시함으로 컴퓨터 내에 어떻게 저장되는가를 기술함
② 데이터 스키마와 인스턴스
데이터베이스 스키마
- 스키마(schema)란 데이터의 구조와 제약조건에 대한 명세를 기술한 것. 즉, 스키마에는 데이터 구조를 표현하는 데이터 개체, 속성, 관계에 대한 정의와 이들이 유지해야 될 제약 조건이 포함되는 것을 의미함
- 데이터베이스 설계 과정에서 명시하며 자주 변경되지 않음
스키마 다이어그램
- 데이터베이스 스키마를 도식화한 것
- 레코드 타입의 이름, 데이터 항목의 이름, 일부 제약 조건 유형들과 같은 스키마의 일부 관점만을 나타냄
데이터베이스 상태
- 데이터베이스 상태란 어떤 특정 시점에 데이터베이스에 들어 있는 데이터를 말하며, 데이터베이스 스키마와는 구분이 됨
- 어커런스나 인스턴스들의 집합이라고도 함
- 데이터베이스에 갱신 연산이 수행될 때마다 새로운 다른 데이터베이스 상태를 가짐
- DBMS는 데이터베이스 상태가 스키마에 명시된 구조와 제약조건을 만족하는 유효한 상태임을 보장하는 책임을 일부 가짐
- 일반적으로 스키마는 내포(intension)라고 하고, 데이터베이스 상태는 외연(extension)이라 함
③ 3단계 스키마 구조와 데이터 독립성
3단계 스키마 구조는 사용자의 응용과 물리적 데이터베이스의 분리가 목적임
3단계 스키마 구조에는 내부 단계, 개념 단계, 외부단계 또는 뷰 단계로 구분됨
내부 단계
- 내부 스키마를 가지며, 내부 스키마는 물리적 데이터 모델을 사용
- 데이터 저장구조의 세부 사항과 데이터베이스에 대한 접근 경로를 기술
개념 단계
- 개념 스키마를 가지며, 이는 전체 사용자를 위한 데이터베이스의 구조를 기술함
- 엔티티, 데이터 타입, 관계, 사용자 연산, 제약 조건들을 나타내는데 중점
외부 단계 또는 뷰 단계
- 외부 스키마나 사용자 뷰들을 포함
- 특정 사용자 그룹이 관심을 갖는 부분을 나타내고 나머지는 은폐함
각 단계 간에 요구와 접근 결과를 변환하는 과정을 사상(mapping)이라고 함
- 즉, 외부 스키마를 참조하여 사용자가 데이터를 요구하면 이를 데이터베이스 내에서 개념 스키마에 대한 요구로 변환하고, 다시 내부 스키마에 대한 요구로 변환 과정을 거쳐 저장된 데이터베이스에 접근하여 데이터를 추출한 후 사용자의 뷰와 일치하도록 재구성하는 과정
데이터 독립성에는 논리적 데이터 독립성과 물리적 데이터 독립성으로 구분됨
논리적 데이터 독립성; 외부 스키마나 응용 프로그램을 변경하지 않으면서 개념 스키마를 변경할 수 있는 능력 (성질)
물리적 데이터 독립성: 개념 스키마를 변경하지 않으면서 내부 스키마를 변경할 수 있는 능력 (성질)
④ 데이터베이스 언어와 인터페이스
데이터 언어(Data Language)는 데이터베이스의 정의, 조작, 제어를 위한 시스템과의 인터페이스 수단
데이터 정의어(DDL, Data Definition Language): 데이터베이스의 정의 및 수정
- 논리적 데이터 구조의 정의
- 스키마, 외부 스키마의 기술
- 물리적 데이터 구조의 정의
- 내부 스키마 기술
- 데이터 저장정의어 (Data Storage Definition Language): 논리적 데이터 구조와 물리적 데이터 구조 간의 사상 정의
데이터 조작어(DML, Data Manipulation Language): 사용자와 DBMS 간 인터페이스 수단
- 데이터 처리 연산의 집합 (데이터의 검색, 삽입, 삭제, 변경 연산)
- 절차적(procedural) DML은 what과 how를 명세하며, 한번에 하나의 레코드만 처리하고 응용 프로그램 속에 삽입(embedded)되어 사용하고, DML 예비 컴파일러에 의해 처리됨
- 비절차적(non-procedural) DML은 what만 명세(declarative)하고, 한번에 여러 개의 레코드 처리하며, 질의어 (Query Language)나 커맨드 타입의 독자적, 대화식 사용하고 프로그램의 추상적 표현을 함
- 데이터 부속어(DSL, Data Sublanguage): 호스트 프로그램에 삽입되어 사용하는 DML
데이터 제어어(DCL : Data Control Language): 공용 데이터베이스 관리를 위해 데이터 제어를 정의하고 기술하는 언어
- 데이터 제어 내용은 데이터 보안(security), 데이터 무결성(integrity), 데이터 회복(recovery), 병행 수행(concurrency) 등
- 데이터베이스 관리 목적으로 데이터베이스 관리자(DBA)가 사용
DBMS가 제공하는 편리한 사용자 인터페이스 종류
- 브라우징을 위한 메뉴 기반 인터페이스
- 폼 기반 인터페이스
- 그래픽 사용자 인터페이스
- 자연어 인터페이스
- 초보자를 위한 인터페이스
- 데이터베이스 관리자를 위한 인터페이스
※ DBMS의 분류 기준
- 데이터 모델: 관계, 네트워크, 계층, 객체지향, 객체관계 등
- 사용자의 수: 단일 사용자, 다수 사용자 시스템
- 사이트의 수: 중앙집중식, 분산 DBMS(동질 분산 DBMS 또는 이질 분산 DBMS)
- DBMS 패키지의 비용
- 접근 경로의 유형
- 범용 또는 특수 목적용
4. 데이터베이스 시스템 환경
① DBMS 구성 모듈
아래 [그림 5]는 DBMS 구성요소로서 점선은 저장 데이터 관리자의 제어를 통해 접근하는 것을 나타낸 것임
저장 데이터 관리자 : 디스크에 저장되어 있는 DBMS의 정보(데이터베이스 또는 카탈로그)에 대한 접근을 제어
데이터 정의어 컴파일러 : 데이터 정의어로 명시된 스키마 정의들을 처리, 스키마들에 대한 정보(메타 데이터)를 DBMS 카탈로그 안에 저장
런타임 데이터베이스 처리기(run-time database processor) : 수행시 데이터베이스 접근을 처리
질의 컴파일러 : 대화식으로 입력된 고수준 질의들을 처리
프리컴파일러(precompiler) : 호스트 프로그래밍 언어로 작성된 응용 프로그램에서 데이터 조작어 명령들을 추출
데이터 조작어 컴파일러 : 데이터 조작어 명령들을 데이터베이스 접근을 위한 목적 코드로 컴파일
② 데이터베이스 시스템 유틸리티와 데이터 사전 시스템
DBMS는 데이터베이스 관리자의 데이터베이스 시스템 운영을 도와주는 데이터베이스 유틸리티를 가지고 있음
- 적재: 데이터 파일을 자동적으로 데이터베이스 파일의 형식으로 변환해서 저장함
- 백업: 전체 데이터베이스를 테이프에 복사하여 데이터베이스의 백업 사본을 만듦
- 파일 재조직: 성능 향상을 위해 데이터베이스 파일 구조를 다른 파일 구조로 재조직함
- 성능 모니터링: 데이터베이스의 사용을 모니터해서 사용 통계를 데이터베이스 관리자에게 제공함. 이 정보는 관리자가 데이터베이스 성능을 향상시키기 위해서 파일들을 재조직할 것인지를 결정하는데 사용됨
데이터 사전 시스템 (data dictionary system)
- 스키마와 제약 조건들에 관한 카탈로그 정보와 설계 결정, 사용 표준, 응용 프로그램 기술, 사용자 정보 등과 같은 정보를 저장
- DBMS 카탈로그와 유사하나 더 다양한 정보를 가짐
- DBMS 카달로그와 비슷하지만, 더 다양한 정보를 가지고 DBMS 소프트웨어보다는 주로 사용자가 접근
- 데이터 저장소 (data repository system) 혹은 정보 저장소(information repository)라고도 함
데이터베이스 설계자, 사용자, 데이터베이스 관리자들이 사용하는 CASE 도구는 데이터베이스 시스템을 설계하는 과정에서 사용되며, 데이터 사전 시스템 혹은 데이터 저장소과 같은 도구는 큰 조직체에서 아주 유용하게 사용될 수 있음
응용 개발 환경에서 사용되는 PowerBuilder(sybase) 혹은 JBuilder(Borland) 시스템들은 데이터베이스 응용들을 개발하는 환경을 제공함
통신 소프트웨어와 통신 장비를 사용하여 데이터베이스 시스템 사이트로부터 멀리 떨어진 컴퓨터 터미널, 워크스테이션, 마이크로 컴퓨터나 소형 컴퓨터에서 데이터베이스를 접근하는 것이 가능함
DBMS와 데이터 통신 시스템이 통합된 것을 DB/DC 시스템이라고 부름
※ 데이터베이스 컴퓨터(하드웨어)
데이터베이스 기계라고도 하며, 이것은 데이터베이스 기능만을 효율적으로 수행하기 위한 특수한 목적의 하드웨어로서 후위처리기(backend processor), 트랙마다 논리회로를 부착한 지능형 저장 장치, 내용식(associative) 메모리, 병렬 처리(parallel processing), 데이터베이스 연산을 위한 특수처리기 등으로 구성되어 있음
③ DBMS를 위한 중앙집중식과 클라이언트/서버 아키텍처
중앙집중식 DBMS 아키텍처는 메인프레임과 터미널을 사용하고 터미널이 PC와 워크스테이션으로 대치되며, 중앙집중식 DBMS 형태임
클라이언트-서버 아키텍처는 특정 기능을 갖는 특별한 서버를 지정되고, 파일 서버, 프린터 서버, 웹서버, 전자 우편 서버 등이며, 이 구조에서 클라이언트는 지역 응용들을 수행하기 위한 처리 기능뿐만 아니라 서버들을 이용하기 위한 인터페이스 역할을 함
DBMS를 위한 2-층 클라이언트/서버 아키텍처
- 중앙집중식 RDBMS는 클라이언트-서버 아키텍처로 바뀌고 있으며, 클라이언트-서버 아키텍처는 점차 상업용 DBMS 패키지로 통합되고 있음
- 서버는 질의와 트랜잭션 기능을 하며, 질의 서버, 트랜잭션 서버, SQL 서버라고 부름
- 클라이언트 쪽에는 사용자 인터페이스 프로그램(User interface program)과 응용 프로그램(Application program) 수행됨
- 클라이언트 프로그램이 서버쪽 DBMS와 통신할 때, ODBC(Open Database Connectivity) 라고 부르는 표준이 API(Application Programming Interface)를 제공하고, API는 클라이언트 프로그램이 DBMS를 호출할 수 있도록 해 줌
- 자바(JAVA) 프로그래밍 언어와 연관된 표준 정의를 JDBC라 하며, 이 표준은 자바 클라이언트 프로그램이 표준 인터페이스를 토애서 DBMS를 접수할 수 있게 함
- 객체지향 DBMS는 대부분 처음부터 클라이언트-서버 아키텍처로 개발됨
1) 서버 단계는 데이터 저장, 동시성 제어와 회복, 버퍼링과 캐싱 등
2) 클라이언트 단계는 사용자 인터페이스, 데이터 사전, 버퍼 내의 데이터로부터 복잡한 객체를 구성
웹 응용들을 위한 3-층 클라이언트/서버 아키텍처
- 클라이언트와 데이터베이스 서버 사이에 응용 서버 또는 웹 서버를 추가되며, 이 서버는 데이터베이스 서버에 저장 된 비즈니스 규칙(프로시저 또는 제약조건)들을 저장함으로써 중간 역할을 수행함
- 비즈니스 규칙은 일반적으로 데이터를 접근하는데 사용됨
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