1. Introduction

Data, Database, DBMS와 DB App: 직관적 개념들

• Data: '누군가'와 관련 (높은 엔트로피)
• Database, DBMS: '조직'과 관련
• DB App: '사용자'와 관련 (낮은 엔트로피)

Database와 DBMS

• 데이터베이스: 관련된 데이터의 논리적 집합
  • 주요 목표
    • 관련된 데이터를 '논리적으로 조직화'하는 것
    • 데이터 간 관계를 유지하면서
    • 데이터 중복을 최소화하면서
• Database Management System(DBMS): 관련된 데이터를 제공하는 지능적 서비스
  • 주요 목표
    • 관련된 데이터를 '물리적으로 조직화'하는 것
    • 인덱스 구조를 사용하여 데이터 접근을 빨리 처리하면서
    • 데이터 일관성과 통합성을 유지하면서
    • 어느 정도의 예측 불가한 오류를 용인하면서

데이터 모델

• 관계형 모델 (by Ted Codd)
  • 테이블의 집합이 곧 데이터베이스
  • 각 테이블은 관련된 데이터 (레코드)의 집합을 나타냄
  • (98345, Kim, Elec. Eng. and 80000) 는 서로 관련되어 있음
• Entity-Relationship 데이터 모델 (Database 디자인에 주로 사용됨)
  • (실제 세계의) 개체와 그들의 관계를 표현
  • 디자인 (E-R 모델) -> 구현 (관계형 모델)
• Semi-structured 데이터 모델 (JSON, XML)
  • 동일한 type의 데이터가 각기 다른 속성을 가질 수 있음

Schema와 Instance

• 프로그래밍 언어에서 variable과 value의 개념과 유사
• Logical Schema: 데이터베이스의 전반적인 논리적 구조, 디자인
  • 예: 그 데이터베이스는 은행 계좌들과 소비자들, 그리고 그들의 관계에 대한 집합에 관한 정보들로 구성되어 있다.
    • 프로그램 내 변수의 타입 정보와 유사
• 물리 스키마: 데이터베이스의 전반적인 물리적 구조, 디자인
  • 물리적 데이터 독립: 논리적 구조의 변경 없이 물리적 스키마를 수정할 수 있는 ability
    • 논리적 스키마에 의존하는 Applications
    • 일반적으로, 다양한 레벨과 구성 요소들 간의 인터페이스는 한 부분에서의 변경이 다른 부분에 심각한 영향을 주지 않아야 함.
• 인스턴스 (Instance): 특정 시점에서의 데이터베이스의 실제 내용(contents)

Data Definition Language (DDL, 데이터 정의어)

• Database schema를 정의하기 위한 명세적 표기

create table instructor (
    ID          char(5),
    name        varchar(20),
    dept_name   varchar(20),
    salary      numeric(8,2)
)

• DDL compiler는 데이터 dictionary에 저장된 테이블 템플릿의 집합을 생성함.
• 데이터 사전은 메타 데이터를 포함 (즉, 데이터에 관련된 데이터)
  • 데이터베이스 스키마
  • 무결성 제약
    • Primary key (ID는 unique하게 instructors를 식별함)
  • Authorization(승인, 권한)
    • 누가 무엇에 접근할 수 있는지

Data Manipulation Language (DML, 데이터 조작어)

• 적절한 데이터 모델에 의해 조직된 데이터에 접근하고 업데이트하기 위한 언어
• 크게 두 종류가 있음
  • Procedural DML 절차적 DML
    • 어떤 데이터가 필요한지 어떻게 그것을 얻을 것인지 사용자에게 요구함
  • Declarative DML 선언적, 비절차적 DML
    • 해당 데이터들을 어떻게 얻을 것인지에 대한 구체화 없이 무엇을 필요로 하는지만 사용자에게 요구
    • 절차적 DML에 비해 배우고 사용하기 쉬움
    • 비절차적 DML(non-procedural DML)이라고도 불림
• DML에서 정보 탐색과 관련된 부분을 query language라고 함

SQL Language

• SQL language는 DDL과 DML 모두를 수행
• SQL query language는 비절차적임.
• 하나의 쿼리는 하나 이상의 테이블들을 입력으로 받고, 항상 단일 테이블을 반환함
• Comp. Sci 학부의 모든 교강사 출력 예시)

select name
from instructor
where dept_name = 'Comp. Sci.'

• SQL은 튜링 머신과 동등한 언어가 아님
• 복잡한 함수 연산을 가능케 하기 위해서, SQL은 주로 더 높은 level의 언어에 embedded되곤 함.

애플리케이션 프로그램은 일반적으로 다음 중 하나의 데이터베이스에 접근

• embedded SQL을 가능하게 하기 위한 언어 확장
• 데이터베이스에 SQL query를 보낼 수 있게끔 하는 애플리케이션 프로그램 인터페이스(ODBC나 JDBC와 같은)

Database design

데이터베이스의 일반적 구조를 디자인하는 과정

• 논리적 디자인

  • 데이터베이스 스키마에서 결정
  • 데이터베이스 디자인은 관계 스키마에서 "좋은" 집합을 찾을 것을 요구함
  • 비즈니스적 결정: 데이터베이스에 어떤 속성들을 기록해야 할까?
  • 컴퓨터 과학적 결정: 어떤 관계 스키마를 가져야 하고, 어떻게 다양한 관계 스키마에 그 속성들이 분포되게 할까?

• 물리적 디자인

  • 데이터베이스의 물리적 레이아웃에서의 결정

데이터베이스 엔진

데이터베이스 시스템은 전체 시스템의 각 책임을 처리하는 module로 분할됨

데이터베이스 시스템의 기능적 요소는 다음과 같이 구분할 수 있음

1. The storage manager
2. The query processor
3. The transaction management

Storage Manager

DB의 low-level 데이터와 응용 프로그램과 시스템에 제출된 쿼리를 제공하는 프로그램 모듈

스토리지 매니저는 다음 작업들에 책임을 져야 한다.

• OS 파일 매니저와의 상호작용
• 효율적인 저장, 탐색, 데이터 업데이트

스토리지 매니저 구성 요소들은 다음을 포함해야 한다.

• Authorization과 무결성 관리자
• 트랜잭션 매니저, 파일 매니저, buffer 매니저

스토리지 매니저는 물리적 시스템 구현의 일부로서 다양한 데이터 구조를 구현해야 한다.

• 데이터 파일: 데이터베이스 스스로를 저장
• 데이터 dictionary(사전): 데이터베이스의 구조에 관한 메타 데이터 저장, 특히 데이터베이스의 스키마
• Indices: 데이터 요소들에 빠른 접근을 가능케 함, 데이터베이스 인덱스는 그러한 특정한 값을 가진 데이터 아이템에 포인터를 제공함.

Query Processor

쿼리 프로세서 구성 요소

• DDL 인터프리터: DDL 구문을 해석하고, 데이터 사전의 정의들을 기록함
• DML 컴파일러: Query language에서 DML 구문을 가져와서 query evaluation 엔진이 이해할 수 있는 low-level 지침에 의해 구성된 evaluation 계획으로 변환
  • DML 컴파일러는 다양한 대안들 중 최소 비용 evaluation 계획을 채택하는 쿼리 최적화를 수행
• 쿼리 해석 엔진은 DML 컴파일러에 의해 생성된 low-level의 지시사항들을 해석함

트랜잭션 관리

트랜잭션(Transaction)은 데이터베이스 응용 프로그램에서 하나의 논리적 기능을 수행하는 일련의 연산(operations)들의 집합

트랜잭션의 네 가지 주요 특성

1. 원자성(Atomicity)
2. 일관성(Consistency)
3. 격리성(Isolation)
4. 지속성(Durability)

트랜잭션 관리자는 복구 관리자(Recovery Manager)와 동시성 제어 관리자(Concurrency Control Manager)로 구성됨

• 복구 관리자(Recovery Manager)

  • 전원 장애나 운영체제 오류 등 시스템 장애(system failure) 및 트랜잭션 실패(transaction failure)가 발생하더라도 데이터베이스가 일관되고 올바른 상태로 유지되도록 보장
  • 트랜잭션의 원자성(Atomicity)과 지속성(Durability) 속성을 보장

• 동시성 제어 관리자(Concurrency-Control Manager)

  • 여러 트랜잭션이 동시에 수행될 때 이들 간의 상호 작용을 제어하여 데이터베이스의 일관성(consistency)을 유지
  • 트랜잭션의 일관성(Consistency)과 격리성(Isolation) 속성을 보장