데이터베이스 개론 - 데이터베이스 시스템

1) 데이터베이스 시스템이란 (DBS : Database System)

• 데이터베이스에 데이터를 저장하고, 저장된 데이터를 관리하여 조직에 필요한 정보를 생성해주는 시스템이다.

 

• 흔히, 데이터베이스, 데이터베이스 관리 시스템, 데이터베이스 시스템을 같은 의미로 사용하지만 각 용어의 개념을 구분하고 관계를 명확히 이해할 필요가 있다.

https://books.google.co.kr/books?id=jTJaEAAAQBAJ&pg=PA37&hl=ko&source=gbs_toc_r&cad=2#v=onepage&q&f=false

• 위의 그림을 보면 데이터를 저장해두는 곳이 데이터베이스이고, 데이터베이스 관리 시스템은 데이터베이스에 저장된 데이터가 일관되고 무결한 상태로 유지되도록 관리한다.

 

• "데이터베이스 시스템 = 데이터베이스 + 데이터베이스 관리 시스템"

 

2) 데이터베이스의 구조

 

(1) 스키마 (Schema)

스키마는 데이터베이스에 저장되는 데이터 구조와 제약 조건을 정의한 것이다.

https://books.google.co.kr/books?id=jTJaEAAAQBAJ&pg=PA37&hl=ko&source=gbs_toc_r&cad=2#v=onepage&q&f=false

• 정의된 스키마에 따라 데이터베이스에 실제로 저장된 값을 인스턴스 (Instance)라고 한다.

 

• 보통 스키마는 한 번 정의되면 자주 변경되지 않지만 인스턴스는 계속 변하는 특성이 있다.

 

• 비유하자면 한 번 지어진 집의 구조는 잘 바뀌지 않지만 이사 등을 통해 임차인이 계속 바뀌는 점과 같다!

 

(2) 3단계 데이터베이스 구조 (3-Level Database Architecture)

• 3단계 데이터베이스 구조란 하나의 데이터베이스를 "사용자의 관점"에 따라 3단계 계층 구조로 나눈 것을 말한다.

 

• 데이터베이스를 3단계로 나누는 이유는 데이터베이스의 복잡한 내부 구조를 감추고 일반 사용자가 데이터베이스를 쉽게 이해하고 사용하기 위해서이다.

 

• 3단계 데이터베이스 구조는 미국의 표준화 기관인 ANSI/SPARC에서 제안하였으며 "개별 사용자 관점" 에서 바라보는 외부 단계, "조직 전체의 관점" 에서 바라보는 개념 단계, "물리적인 저장 장치의 관점" 에서 바라보는 내부 단계로 볼 수 있다.

 

• 데이터베이스 하나를 세 단계로 나누고, 각 단계별로 다른 추상화를 제공하면 데이터베이스를 효과적으로 관리할 수 있고, 일반적으로 내부 단계에서 외부 단계로 갈수록 추상화 레벨이 높아지게 된다.

 

• 즉, 3단계 데이터베이스 구조를 통해 모든 데이터의 저장 및 유지와 관련된 복잡한 내용을 숨기고 필요한 데이터만 단순화한 외부 단계의 관점을 일반 사용자들에게 제공할 수 있다는 것이다!

 

• 단순 설명만으로는 직관적으로 이해하기 어려우니 3단계 데이터베이스 구조의 개념을 아파트를 짓는 예시를 통해 조금 더 자세히 살펴 보자!

https://books.google.co.kr/books?id=jTJaEAAAQBAJ&pg=PA37&hl=ko&source=gbs_toc_r&cad=2#v=onepage&q&f=false

• 위의 그림을 보면 집주인 관점 (외부 단계)에서는 자신이 살고 있는 호수의 구조에만 관심이 있고 다른 호수의 집까지 알 필요는 없다.

 

• 관리인 관점 (개념 단계)에서는 아파트를 문제없이 관리하기 위해 아파트 전체에 관심이 있다.

 

• 건설 업체 관점 (내부 단계)에서는 아파트 건축할 당시의 콘크리트, 철근 구조처럼 뼈대나 구조에 관심이 있다.

 

• 음.. 아직까지 확 와닿지 않으므로.. 3단계 데이터베이스 구조를 단계별로 좀 더 자세히 알아 보자!

https://books.google.co.kr/books?id=jTJaEAAAQBAJ&pg=PA37&hl=ko&source=gbs_toc_r&cad=2#v=onepage&q&f=false

 

외부 단계 (External Level)

외부 단계란 개별 사용자 관점에서 데이터베이스를 이해하고 표현하는 단계이다.

• 하나의 데이터베이스를 조직 내의 사용자들이 함께 사용하지만 각 사용자가 데이터베이스 "전체"에 관심이 있는 것은 아니며 사용자마다 업무 내용과 사용 목적이 달라 필요한 데이터 내용이 다를 수 있다.

 

• 즉, 개별 사용자마다 필요로 하는 데이터의 관심사가 다를 수도 있다는 것이며 예를 들어, 위 그림의 외부 단계처럼 사용자 가운데 고객 관리를 담당하는 직원은 고객과 관련된 데이터에만, 상품 관리를 담당하는 직원은 상품과 관련된 데이터에만 관심을 가지고 있는 것처럼 말이다!

 

• 이처럼 외부 단계에서는 개별 사용자가 데이터베이스를 어떻게 보는 가를 표현하므로 사용자마다 생각하는 데이터베이스의 구조가 다르며 외부 단계에서 사용자에게 필요한 데이터베이스를 정의한 것을 외부 스키마라고 부른다!

 

[Note] 외부 스키마 (External Schema)

• 외부 스키마는 각 사용자가 생각하는 데이터베이스의 모습을 표현한 논리적인 구조로 사용자마다 다르다!

 

• 하나의 데이터베이스에는 외부 스키마가 여러 개 존재할 수 있고 외부 스키마 하나를 사용 목적이 같은 사용자들과 공유할 수 있다.

 

→ ex. RDB의 View

 

• 외부 스키마는 전체 데이터베이스 중 사용자가 관심을 가지는 일부분으로 볼 수 있기 때문에 서브 스키마 (Sub Schema) 라고도 부른다!

 

개념 단계 (Conceptual Level)

개념 단계란 데이터베이스를 이용하는 사용자들의 관점을 통합하여 데이터베이스를 조직 전체의 관점에서 이해하고 표현하는 단계이다.

• 개념 단계에서는 데이터베이스 관리 시스템이나 관리자의 관점에서 모든 사용자에게 필요한 데이터를 통합하여 전체 데이터베이스의 논리적인 구조를 정의하며 이를 개념 스키마라고 부른다.

 

• 개념 스키마는 조직 전체의 관점에서 생각하는 데이터베이스의 모습이며, 모든 개별 사용자가 생각하는 데이터베이스의 모습을 하나로 합친 형태이다.

 

• 전체 데이터베이스에 어떠한 데이터가 저장되는지, 데이터들 간에 어떠한 관계가 존재하는지, 어떠한 제약 조건이 있는 지에 대한 정의 뿐만 아니라 데이터에 대한 보안 정책이나 접근 권한에 대한 정의도 포함한다.

 

• 다만 데이터를 물리적으로 저장하는 방법이나 데이터 저장 장치와는 독립적이다. (이것은 내부 단계!)

 

[Note] 개념 스키마 (Conceptual Schema)

• 하나의 데이터베이스에는 개념 스키마가 하나만 존재하고, 각 사용자는 개념 스키마의 일부분을 사용한다. (외부 스키마!)

 

• 즉, 외부 스키마는 개념 스키마를 기초로 하여 사용자의 이용 목적에 맞게 만들어지는 것이며 일반적으로 DB 스키마라고 하면 개념 스키마를 의미한다!

 

내부 단계 (Internal Level)

내부 단계란 데이터베이스를 디스크나 테이프 같은 저장 장치의 관점에서 이해하고 표현하는 단계이다.

• 내부 단계에서는 전체 데이터베이스가 저장 장치에 실제로 저장되는 방법을 정의하며 이를 내부 스키마라고 부른다.

 

• 데이터베이스는 저장 장치에 파일 형태로 저장되는데 내부 스키마는 파일에 데이터를 저장하는 레코드의 구조, 레코드를 구성하는 필드 크기, 인덱스를 이용한 레코드 접근 경로 등을 정의한다!

 

[Note] 내부 스키마 (Internal Schema)

• 내부 스키마는 데이터베이스의 개념 스키마에 대한 물리적인 저장 구조를 표현하므로 하나의 데이터베이스에 하나만 존재한다!!

 

(3) 데이터 독립성

• 하나의 데이터베이스에는 세 가지 유형의 스키마가 존재하지만 각각의 스키마는 데이터베이스를 바라보는 관점이 다를 뿐 모두 같은 데이터베이스를 표현한다.

 

• 실제 데이터는 물리적 저장 장치에 저장된 데이터베이스에 존재하므로 사용자가 자신의 외부 스키마를 통해 원하는 데이터를 얻고자 한다면 내부 스키마에 따라 저장된 데이터베이스에 접근해야 한다.

 

• 따라서, 세 가지 스키마 사이에는 유기적인 대응 관계가 성립하게 되는데 예를 들어, 상품 배송 팀의 외부 스키마에 있는 고객번호 데이터는 개념 스키마에 있는 번호 데이터에 대응하고 개념 스키마에 있는 번호 데이터는 내부 스키마에 있는 번호 필드에 대응한다.

https://books.google.co.kr/books?id=jTJaEAAAQBAJ&pg=PA37&hl=ko&source=gbs_toc_r&cad=2#v=onepage&q&f=false

• 이처럼 스키마 사이의 대응 관계를 사상 또는 매핑 이라고 하는데, 외부 스키마와 개념 스키마는 외부/개념 사상에 의해 대응되고, 개념 스키마와 내부 스키마는 개념/내부 사상에 의해 대응된다.

 

→ 데이터베이스 관리 시스템은 미리 정의된 외부/개념 사상과 개념/내부 사상 정보를 이용해 사용자가 원하는 데이터에 접근할 수 있다!

 

• 데이터베이스를 3단계 구조로 나누고, 단계별로 스키마를 유지하며 스키마 사이의 대응 관계를 정의하는 궁극적인 목적은 데이터 독립성 (Data Independency)을 실현하기 위해서이다.

 

• 데이터 독립성이란 하위 스키마를 변경하더라도 상위 스키마가 영향을 받지 않는 특성을 뜻하며, 3단계 데이터베이스 구조에는 논리적 데이터 독립성과 물리적 데이터 독립성이 존재한다!

 

논리적 데이터 독립성

논리적 데이터 독립성이란 개념 스키마가 변경되어도 외부 스키마가 영향을 받지 않는 특성을 말한다.

• 전체 데이터베이스의 논리적인 구조가 변경되어도 관련된 외부/개념 사상 정보만 적절히 수정해주면 직접 관련이 없는 사용자를 위한 외부 스키마는 변경할 필요가 없다!

 

• 즉, 개념 스키마가 변경되어도 외부 스키마가 영향을 받지 않는다는 것은 결국 외부 스키마의 사용자가 전체 데이터베이스의 논리적 구조가 변경되었다는 사실을 알 필요가 없다는 것을 의미한다!

 

[Note] 응용 인터페이스 (Application Interface)

• 외부/개념 사상은 외부 스키마와 개념 스키마의 대응 관계를 정의한 것이므로 응용 인터페이스 라고도 부른다!

 

물리적 데이터 독립성

물리적 데이터 독립성이란 내부 스키마가 변경되더라도 개념 스키마가 영향을 받지 않는 특성을 말한다.

• 내부 스키마가 변경되어 개념 스키마가 영향을 받지 않는다는 것은 결과적으로 외부 스키마도 영향을 받지 않는다는 것을 의미한다.

 

• 물리적 데이터 독립성이 실현되면 데이터베이스의 저장 구조가 변경되어도 관련된 개념/내부 사상 정보만 수정해주면 직접적으로 관련이 없는 데이터베이스의 논리적 구조는 영향을 받지 않는다!

 

[Note] 저장 인터페이스 (Stored Interface)

• 개념/내부 사상은 개념 스키마와 내부 스키마의 대응 관계를 정의한 것이므로 저장 인터페이스 라고도 부른다.

 

(4) 데이터 사전 (Data Dictionary)

데이터 사전이란 데이터베이스에 저장되는 데이터에 관한 정보를 저장하는 곳을 말한다.

• 데이터베이스는 조직 운영에 필요한 데이터를 저장하는데, 저장된 데이터를 관리하고 이용하려면 필요한 부가 정보도 저장해야 한다.

 

• 대표적인 부가 정보가 스키마와 사상 정보이다.

 

• 데이터 사전은 위에서 설명한 세 가지 스키마에 대한 정보와 스키마 간의 사상 정보를 저장할 때 사용한다!

 

• 흔히, 데이터 사전을 시스템 카탈로그 (System Catalog)라고 부르기도 한다.

 

3) 데이터베이스 사용자

 

(1) 데이터베이스 관리자

• 데이터베이스 관리자는 데이터베이스 시스템을 운영하고 관리하는 사람이다.

 

• 보통 데이터 정의어와 데이터 제어어를 사용하는 사용자이다.

 

• 데이터베이스 관리자는 스키마, 물리적 저장 구조 및 접근 정의, 보안 및 접근 권한 정책 결정, 무결성 유지를 위한 제약조건 정의, 백업 및 회복 정의, 시스템 데이터베이스 관리 등의 업무를 하게 된다.

 

(2) 최종 사용자

• 보통 회사에 입사하게 되면 이미 데이터베이스 관리자에 의해 데이터베이스가 설계되어 운영되고 있다.

 

• 이러한 환경에서 최종 사용자는 데이터베이스에 접근하여 데이터 조작어를 통해 데이터를 조작(삽입, 삭제, 수정, 검색)을 하는 사용자이다.

 

(3) 응용 프로그래머

• 응용 프로그래머는 데이터 언어를 삽입하여 응용 프로그램을 개발하는 사람입니다. 보통 데이터 조작어를 사용하게 된다.

 

4) 데이터 언어

• 데이터 언어는 사용자와 데이터베이스 관리 시스템 간의 통신 수단으로 사용 목적에 따라 데이터 정의어, 데이터 조작어, 데이터 제어어로 구분되어진다.

 

(1) 데이터 정의어 (DDL: Data Define Language)

데이터 정의어란 새로운 데이터베이스를 구착하기 위해 스키마를 정의하거나 기존 스키마의 정의를 삭제 또는 수정하기 위해 사용하는 언어이다.

• 즉, 새로 만들려는 데이터베이스의 스키마를 설명하거나 이미 정의된 스키마의 구조나 제약 조건 등을 변경 또는 삭제하고 싶어 이를 데이터베이스 관리 시스템에 알리고자 할 때 사용한다.

 

(2) 데이터 조작어 (DML: Data Manipulation Language)

데이터 조작어란 사용자가 데이터의 삽입, 삭제, 수정, 검색 등의 처리를 데이터베이스 관리 시스템에 요구하기 위해 사용하는 언어이다.

• 데이터 정의어를 이용해 스키마를 정의하면 스키마에 따라 조직에 필요한 데이터 값 (인스턴스)이 저장되는데, 사용자가 실제 데이터 값을 활용하기 위해 사용하는 것이 데이터 조작어이다.

 

(3) 데이터 제어어 (DCL: Data Control Language)

데이터 제어어란 데이터베이스에 저장된 데이터를 여러 사용자가 무결성과 일관성을 유지하며 문제없이 공유할 수 있도록 내부적으로 필요한 규칙이나 기법을 정의하는 데 사용하는 언어이다.

• 사용자는 데이터베이스를 올바르게 관리하기 위해 필요한 규칙과 기법을 데이터 제어어를 이용해 데이터베이스 관리 시스템에 설명하고 데이터베이스 관리 시스템은 이 규칙과 기법에 따라 데이터베이스를 제어하고 보호한다.

 

5) 데이터베이스 관리 시스템의 구성

https://books.google.co.kr/books?id=jTJaEAAAQBAJ&pg=PA37&hl=ko&source=gbs_toc_r&cad=2#v=onepage&q&f=false

• 데이터베이스 관리 시스템은 사용자와 데이터베이스 사이에 위치하며, 기능에 따라 크게 질의 처리기와 저장 데이터 관리자로 구분할 수 있다.

 

(1) 질의 처리기 (Query Processor)

질의 처리기는 사용자의 데이터 처리 요구를 해석하여 처리한다.

(2) 저장 데이터 관리자 (Stored Data Manager)

저장 데이터 관리자는 디스크에 저장된 데이터베이스와 데이터 사전을 관리하고 실제로 접근하는 역할을 담당한다.

• 다만 디스크에 저장된 데이터에 접근하는 것은 운영체제의 기본 기능이므로 저장 데이터 관리자는 운영체제의 도움을 받아 데이터베이스에 대한 접근을 수행한다.

 

[Reference]

• 데이터베이스 개론 (박연희)