[Database] 3. 데이터베이스 시스템
이번 포스트에서는 데이터베이스 시스템에 대해 정리하겠습니다.
데이터베이스 시스템 정의
데이터베이스 시스템 -> 데이터베이스에 데이터를 저장하고, 저장된 데이터를 관리하여 조직에 필요한 정보를 생성해주는 시스템이다. 따라서 다양한 목적의 정보 처리 시스템을 구축하는 데 필요한 핵심 요소가 된다.
흔히, 데이터베이스, 데이터베이스 관리 시스템, 데이터베이스 시스템을 같은 의미로 사용하지만 각 용어의 개념을 관계를 명확히 이해할 필요가 있다. 각 개념에 대해 알아보면 아래와 같다.
데이터베이스 -> 데이터를 저장해두는 곳. 즉, 저장된 데이터의 집합. (1번째 포스트)
데이터베이스 관리 시스템 -> 데이터베이스에 저장된 데이터가 일관되고 무결한 상태로 유지되도록 관리하는 역할. (2번째 포스트)
데이터베이스 시스템 -> 데이터베이스와 데이터베이스 관리 시스템을 이용해 조직에 필요한 정보를 제공해주는 전체 시스템.(이번 포스트)
데이터베이스의 구조
먼저, 데이터베이스의 구조를 이해하는 데 필요한 개념인 스키마를 알아본 후, 데이터베이스를 3단계로 나누어 구조를 살펴보자. 또한, 데이터 독립성은 어떻게 실현할 수 있을지도 알아보자.
[ 스키마 ]
스키마는 데이터베이스에 저장되는 데이터 구조와 제약조건을 정의한 것이다.
위 그림은 스키마를 그림으로 간략히 표현한 것이다. 고객과 관련된 데이터인 고객번호, 이름, 나이, 주소를 저장한다고 가정해보자.
스키마 -> 고객번호는 정수로, 이름은 최대 10글자의 문자열로, 나이는 정수로, 주소는 최대 20자의 문자열만 허용하기로 했다면 이 모든 정해진 내용이 스키마이다.
인스턴스 -> 정의된 스키마에 따라 데이터베이스에 실제로 저장된 값이 인스턴스이다.
[ 3단계 데이터베이스 구조 ]
데이터베이스의 복잡한 내부 구조를 감추고 일반 사용자가 데이터베이스를 쉽게 이해하고 이용할 수 있도록 3단계 데이터베이스 구조를 제안하였다.
3단계 데이터베이스 구조는 하나의 데이터베이스를 세 단계로 나누어 이해한다.
3단계 데이터베이스의 구조 개념을 아파트로 예를 들면 아래와 같다.
위 그림의 아파트에는 여러 세대가 살고 있다.
외부 단계 -> 각 세대의 주민들은 자기 집에만 관심을 두면 되지 굳이 다른 집까지 알 필요가 없다. 그러므로, 102호에 사는 유선이는 102호의 구조나 크기, 이테리어 등에만 관심이 있을 뿐, 명석이가 사는 301호나 다른 집이 어떤지는 관심이 없다. 이렇게, 유선이나 명석이 관점에서 바라보는 것이 외부 단계이다.
개념 단계 -> 이와 달리, 아파트 관리인은 어느 한집에만 관심을 두면 안된다. 아파트를 문제없이 관리하려면 아파트 전체를 잘 알고 있어야 하는데, 이처럼 관리인 관점에서 전체 아파트를 바라보는 것이 개념 단계이다.
내부 단계 -> 하지만, 아파트 관리인도 아파트 뼈대, 즉, 철근 콘크리트 구조가 어떻게 생겼는지, 시멘트를 얼마나 사용했는지 등은 잘 모른다. 이것은 아파트 건설 업체의 관심사이고, 아파트를 건설한 업체 관점에서 전체 아파트를 바라보는 것이 내부 단계이다.
[ 외부 단계 ]
외부 단계에서는 개별 사용자 관점에서 데이터베이스를 이해하고 표현한다. 하나의 데이터베이스를 조직 내의 사용자들이 함께 사용하지만 각 사용자가 데이터베이스 전체에 관심이 있는 것은 아니다. 사용자마다 업무 내용과 사용 목적이 달라서 필요한 데이터 내용이 다를 수 있다.
외부 스키마 -> 외부 단계에서는 개별 사용자가 데이터베이스를 어떻게 보는가를 표현하므로 사용자마다 생각하는 데이터베이스의 구조가 다르다. 이처럼 외부 단계에서 사용자에게 필요한 데이터베이스를 정의한 것을 외부 스키마라고 한다. 외부 스키마는 각 사용자가 생각하는 데이터베이스의 모습을 표현한 논리적인 구조로, 사용자마다 다르다.
그래서, 하나의 데이터베이스에는 외부 스키마가 여러개 존재할 수 있고, 외부 스키마 하나를 사용 목적이 같은 사용자들이 공유할 수 있다. 외부 스키마는 전체 데이터베이스 중 사용자가 관심을 가지는 일부분으로 볼 수 있어 서브 스키마라고도 한다.
[ 개념 단계 ]
개념 단계에서는 데이터베이스를 이용하는 사용자들의 관점을 통합하여, 데이터베이스를 조직 전체의 관점에서 이해하고 표현한다. 데이터베이스 관리 시스템이나 데이터베이스 관리자는 데이터베이스의 일부분이 아닌 전체 데이터베이스에 관심을 둔다.
개념 스키마 -> 개념 단계에서는 데이터베이스 관리 시스템이나 관리자 관점에서 모든 사용자들에게 필요한 데이터를 통합하여 전체 데이터베이스의 논리적 구조를 정의한다. 이를 개념 스키마라고 한다.
-> 즉, 하나의 데이터베이스에는 개념 스키마가 하나만 존재하고, 각 사용자는 개념 스키마의 일부분을 사용한다. 즉, 외부 스키마는 개념 스키마를 기초로 하여 사용자의 이용 목적에 맞게 만들어진다. 일반적으로 스키마라고 하면 이 개념 스키마를 의미하는 것이다.
[ 내부 단계 ]
내부 단계에서는 데이터베이스를 디스크나 테이프 같은 저장 장치의 관점에서 이해하고 표현한다.
내부 스키마 -> 즉, 내부 단계에서는 전체 데이터베이스가 저장 장치에 실제로 저장되는 방법을 의미하며 이를 내부 스키마라고 한다.
외부 단계에는 고객 분석팀과 상품 배송팀 사용자가 존재한다. 두 사용자는 자신의 팀에 필요한 데이터로 구성된 외부 스키마를 각각 가지고 있다.
개념 단계에는 고객 데이터베이스 전체에 대한 논리적 구조를 정의하는 개념 스키마가 하나 존재한다. 개념 스키마는 고객 데이터베이스를 이용하는 모든 사용자에게 필요한 데이터를 종합하여 번호, 이름, 성별, 나이, 직업, 주소, 연락처로 데이터베이스를 구성하고, 각 데이터 타입도 함께 정의한다.
내부 단계에는 고객 데이터베이스를 저장 장치에 저장하는 파일의 레코드 구조를 정의한 내부 스키마가 하나 존재한다. 내부 스키마에 정의된 고객 레코드는 필드 7개로 구성되어 있고, 레코드 총 길이는 70바이트다. 이 내부 스키마는 번호와 연락처 필드에 인덱스를 정의하고 있어, 번호나 연락처 필드의 값을 이용해 해당 고객 레코드에 빠르게 접근할 수 있다.
[ 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 데이터베이스에만 존재하므로 사용자가 자신의 외부 스키마를 통해 원하는 데이터를 얻으려면 내부 스키마에 따라 저장된 데이터베이스에 접근해야 한다. 그러므로 세가지 스키마 사이에는 유기적인 대응 관계가 성립해야 한다.
데이터베이스를 3단계 구조로 나누고, 단계별로 스키마를 유지하며 스키마 사이의 대응 관계를 정의하는 궁극적인 목적은 데이터 독립성을 실현하기 위함.
-> 데이터 독립성은 데이터베이스 관리 시스템의 중요한 장점이자 데이터베이스 관리 시스템이 필요한 이유이기도 함. 또한 하위 스키마를 변경하더라도 상위 스키마는 영향을 받지 않음.
매핑 -> 스키마 사이의 대응 관계를 말함.
- 외부 스키마/개념 스키마는 외부/개념 사상에 대응. -> 외부 스키마의 데이터가 개념 스키마의 어디에 해당 되는지 대응.
- 개념 스키마/내부 스키마는 개념/내부 사상에 대응. -> 개념 스키마의 데이터가 내부 스키마의 어디에 해당 되는지 대응.
논리적 데이터 독립성
논리적 데이터 독립성은 개념 스키마가 변경되더라도 외부 스키마가 영향을 받지 않는 것이다. 그래서 전체 데이터베이스의 논리적인 구조가 변경되어도 관련된 외부/개념 사상 정보만 적절히 수정해주면 직접 관련이 없는 사용자를 위한 외부 스키마는 변경할 필요가 없다.
물리적 데이터 독립성
물리적 데이터 독립성은 내부 스키마가 변경되더라도 개념 스키마가 영향을 받지 않는 것이다. 그래서 결과적으로 외부 스키마도 영향을 받지 않는다.
[ 데이터 사전 ]
데이터베이스는 조직 운영에 필요한 실제 데이터를 저장하는데, 저장된 데이터를 올바르게 관리하고 이용하려면 필요한 부가 정보도 저장해야 한다. 대표적인 부가 정보가 스키마와 사상 정보다.
데이터 사전(Data dictionary) -> 데이터베이스에 저장되는 데이터에 관한 정보를 저장하는 곳이며, 시스템 카탈로그(System catalog)라고도 한다. 데이터 사전은 일반 사전처럼 데이터베이스에 저장되어 있는 데이터를 정확하고 효율적으로 이용하기 위해 참고해야 되는 스키마, 사상 정보, 다양한 제약조건 등을 저장하고 있다.
데이터 사전에 있는 데이터에 실제로 접근하는 데 필요한 위치 정보는 데이터 디렉터리(data directory)라는 곳에서 관리한다.
데이터베이스 사용자
데이터베이스 시스템을 구성하는 또 하나의 중요 요소가 사용자다.
사용자(user) -> 데이터베이스를 이용하기 위해 접근하는 모든 사람을 의미한다. 데이터베이스를 이용하는 사용자는 매우 다양한데, 이용 목적에 따라 크게 데이터베이스 관리자, 최종 사용자, 응용 프로그래머로 나눌 수 있다.
[ 데이터베이스 관리자 ]
데이터베이스 관리자는 데이터베이스 시스템을 운영, 관리한다. 데이터베이스를 직접 활용하기보다는 조직 내의 사용자를 위해 데이터베이스를 설계 및 구축하고, 제대로 서비스할 수 있도록 데이터베이스를 제어한다. 그래서 데이터베이스 관리자는 잠시 뒤에 살펴볼 데이터 언어 중 주로 데이터 정의어와 데이터 제어어를 이용해 데이터베이스에 접근한다.
데이터베이스 관리자의 주요 업무는 다음과 같다.
데이터베이스 구성 요소 선정 -> 사용자의 요구사항을 분석하여 데이터베이스를 구성할 데이터를 결정한다.
데이터베이스 스키마 정의 -> 선정된 데이터베이스의 구성 요소를 토대로 데이터베이스 스키마를 설계하고, 데이터 정의어를 이용해 설계한 스키마를 데이터베이스 관리 시스템에 설명한다.
물리적 저장 구조와 접근 방법 결정 -> 데이터베이스를 물리적으로 저장하기 위한 레코드 구조를 설계한다. 레코드들 간의 저장 순서와 레코드에 빠르게 접근하기 위해 인덱스를 만들 기준 필드 등도 결정한다.
무결성 유지를 위한 제약조건 정의 -> 현실 세계의 실제 데이터와 일치하는, 즉 결함이 없는 데이터만 데이터베이스에 저장할 수 있도록 필요한 규칙을 정의한다. 그리고 데이터베이스를 이 규칙에 따라 제어하여 데이터의 정확성과 유효성을 유지한다.
보안 및 접근 권한 정책 결정 -> 허가되지 않는 사용자가 데이터베이스에 불법적으로 접근하는 것을 방지하고, 허가된 사용자에게 적절한 권한을 부여하는 보안 관련 정책을 결정한다.
백업 및 회복 기법 정의 -> 시스템 장애에 대비하여 데이터베이스를 백업하거나, 손상된 데이터베이스를 일관된 상태로 복구하는 방법을 정의한다.
시스템 데이터베이스 관리 -> 데이터 사전 같은 시스템 데이터베이스를 관리한다.
시스템 성능 감시 및 성능 분석 -> 시스템 성능을 저해하는 병목 현상(Bottleneck) 등이 발생하지 않는지 확인하고, 시스템 자원의 활용도 분석 등을 통해 시스템의 성능을 감시한다.
데이터베이스 재구성 -> 사용자의 요구 사항이나 사용 형태가 달라지면, 변화된 내용에 맞게 데이터베이스를 재구성하여 사용자의 만족도를 높여야 한다. 시스템의 전체 성능을 향상시켜야 하거나 시스템 장비가 교체된 경우에도 데이터베이스를 재구성해야 한다. 데이터베이스 관리자는 항상 사용자의 요구 사항에 귀 기울이고 시스템 성능을 분석하여, 새로운 변화에 부응하면서 성능을 향상시키는 방향으로 데이터베이스를 재구성해야 한다.
[ 최종 사용자 ]
데이터를 조작(삽입, 삭제, 수정, 검색)하기 위해 데이터베이스에 접근하는 사람들을 일반 사용자 또는 최종 사용자(end user)라 한다. 최종 사용자는 컴퓨터 시스템이나 데이터베이스에 관한 전문 지식을 꼭 갖출 필요는 없다. 그리고 데이터 정의어를 사용할 수도 있지만 주로 데이터 조작어를 사용한다.
[ 응용 프로그래머 ]
응용 프로그래머는 C 언어, 자바 등과 같은 프로그래밍 언어로 응용 프로그램을 작성할 때 데이터베이스에 접근하는 데이터 조작어를 삽입하는 사용자다. 데이터 정의어를 삽입할 수도 있지만 주로 데이터 조작어를 삽입한다.
최종 사용자는 응용 프로그래머가 작성한 응용 프로그램을 이용해 데이터베이스에 접근할 수 있다. 도서 위치를 검색하거나 고객의 구매 요청을 처리하기 위해 서점 직원에게 제공하는 응용 프로그램이 좋은 예다.
데이터 언어
데이터베이스에서도 사용자를 대신해 데이터베이스를 구축하고 활용 및 관리하는 데이터베이스 관리 시스템에 부탁할 때 사용하는 언어가 있는데 그게 바로 데이터 언어다.
데이터 언어 -> 사용자가 데이터베이스를 구축하고 이에 접근하기 위해 데이터베이스 관리 시스템과 통신하는 수단이다.
데이터 언어는 데이터베이스 관리 시스템의 정의, 조작, 제어 기능을 이용하기 위한 수단이기 때문에 사용 목적에 따라 데이터 정의어, 데이터 조작어, 데이터 제어어로 나뉜다. 이는 하나의 데이터 언어를 기능에 따라 내부적으로 구분 짓는 것일 뿐 독립적으로 존재하는 언어들은 아니다.
[ 데이터 정의어 ]
데이터 정의어(DDL: Data Definition Language)는 새로운 데이터베이스를 구축하기 위해 스키마를 정의하거나 기존 스키마의 정의를 삭제 또는 수정하기 위해 사용하는 데이터 언어다. 즉, 새로 만들려는 데이터베이스의 스키마를 설명하거나 이미 정의된 스키마의 구조나 제약조건 등을 변경 또는 삭제하고 싶어 이를 데이터베이스 관리 시스템에 알릴 때 사용한다.
[ 데이터 조작어 ]
데이터 조작어(DML: Data Manipulation Language)는 사용자가 데이터의 삽입, 삭제, 수정, 검색 등의 처리를 데이터베이스 관리 시스템에 요구하기 위해 사용하는 데이터 언어다. 데이터 정의어를 이용해 스키마를 정의하면 스키마에 따라 조직에 필요한 실제 데이터 값(인스턴스)이 저장되는데, 사용자가 실제 데이터 값을 활용하기 위해 사용하는 것이 데이터 조작어다. 데이터 조작어는 설명 방식에 따라 절차적 데이터 조작어와 비절차적 데이터 조작어로 나뉜다.
절차적 데이터 조작어 -> 사용자가 어떤(what) 데이터를 원하고 해당 데이터를 얻으려면 어떻게(how) 처리해야 하는지를 구체적으로 설명한다.
비절차적 데이터 조작어 -> 사용자가 어떤(what) 데이터를 원하는지만 설명한다. 즉, 해당 데이터를 얻으려면 어떻게(how) 처리해야 하는지는 데이터베이스 관리 시스템에 맡긴다.
[ 데이터 제어어 ]
데이터 제어어(DCL: Data Control Language)는 데이터베이스에 저장된 데이터를 여러 사용자가 무결성과 일관성을 유지하며 문제없이 공유할 수 있도록, 내부적으로 필요한 규칙이나 기법을 정의하는 데 사용하는 데이터 언어다.
데이터 제어어를 이용해 규칙이나 기법을 정의하는 이유는 아래와 같은 특성을 보장하기 위해서이다. 이 특성들은 데이터베이스 관리 시스템의 장점이기도 하다.
- 무결성(integrity) -> 데이터베이스에 정확하고 유효한 데이터만 유지한다.
- 보안(security) -> 허가받지 않는 사용자가 데이터에 접근하는 것을 차단하거나, 허가된 사용자가 접근 권한이 있는 데이터에만 접근할 수 있게 한다.
- 회복(recovery) -> 장애가 발생해도 데이터의 일관성을 유지한다.
- 동시성(concurrency) -> 여러 사용자가 같은 데이터에 동시에 접근하여 처리할 수 있게 한다.
데이터베이스 관리 시스템의 구성
데이터베이스 관리 시스템은 데이터베이스를 관리하고 사용자의 데이터를 처리 요구를 수행하며, 데이터베이스 시스템의 주요 구성 요소다. 사용자와 데이터베이스 사이에 위치하며, 기능에 따라 크게 질의 처리기와 저장 데이터 관리자로 구분할 수 있다.
[ 질의 처리기 ]
질의 처리기(query processor)는 사용자의 데이터 처리 요구를 해석하여 처리하는 역할을 담당하고, 다음의 주요 구성 요소들을 포함한다.
DDL 컴파일러(DDL compiler) -> 데이터 정의어로 작성된 스키마의 정의를 해석한다. 그리고 저장 데이터 관리자의 도움을 받아 새로운 데이터베이스를 구축하고, 스키마의 정의를 데이터 사전에 저장한다. 데이터 정의어로 작성된 기존 스키마의 삭제나 수정 요청도 처리하여, 변경된 내용을 데이터 사전에 적용한다.
DML 프리 컴파일러(DML precompiler) -> 응용 프로그램에 삽입된 데이터 조작어를 추출하여 DML 컴파일러에 전달한다. 단, 데이터 조작어와 관련 없는 나머지 코드들은 해당 언어의 컴파일러에 보내진다.
DML 컴파일러(DML compiler) -> 데이터 조작어로 작성된 데이터의 처리(삽입, 삭제, 수정, 검색) 요구를 분석하여 런타임 데이터베이스 처리기가 이해할 수 있도록 해석한다.
런타임 데이터베이스 처리기(run-time database processor) -> 저장 데이터 관리자를 통해 데이터베이스에 접근하여, DML 컴파일러로부터 전달받은 데이터 처리 요구를 데이터베이스에서 실제로 실행한다.
트랜잭션 관리자 -> 데이터베이스에 접근하는 과정에서 사용자의 접근 권한이 유효한지를 검사하고, 데이터베이스 무결성을 유지하기 위한 제약조건 위반 여부를 확인한다. 회복이나 병행 수행과 관련된 작업도 담당한다.
[ 저장 데이터 관리자 ]
저장 데이터 관리자(stored data manager)는 디스크에 저장된 데이터베이스와 데이터 사전을 관리하고, 여기에 실제로 접근하는 역할을 담당한다. 그런데 디스크에 저장된 데이터에 접근하는 것은 운영체제의 기본 기능이므로 저장 데이터 관리자는 운영체제의 도움을 받아 데이터베이스에 대한 접근을 수행한다.
References
데이터베이스 개론, 김연희(2022)