Ba cấp độ kiến trúc cơ sở dữ liệu (ANSI/SPARC Three-Level Architecture)

Kiến trúc ba cấp độ (Three-Level Architecture) được ANSI/SPARC (American National Standards Institute / Standards Planning and Requirements Committee) chuẩn hóa năm 1975. Mục tiêu: **Tách biệt góc nhìn dữ liệu** để đạt được **Data Independence (Độc lập dữ liệu)** - lý tưởng của DBMS.

Sơ đồ ba cấp độ

+---------------------------+
|   External Level (View)   |  ← Người dùng cuối, Application
|   (Nhiều External View)   |
+------------+--------------+
             | Mapping (External/Conceptual)
+------------v--------------+
|  Conceptual Level (Logical)|  ← DBA, Data Architect
|   (Global Schema - One)    |
+------------+--------------+
             | Mapping (Conceptual/Internal)
+------------v--------------+
|   Internal Level (Physical)| ← DBA, System Admin
|    (Physical Schema - One)  |
+---------------------------+
        |
        v
   Stored Database (Disk)

1. Internal Level (Cấp độ Pvật lý / Internal / Physical)

Mô tả: Cách dữ liệu **thực sự được lưu trữ** trên đĩa cứng.
Nội dung: Cấu trúc file, index (B-tree, Hash, Bitmap), nén (compression), mã hóa (encryption), phân vùng (partitioning), clustering, thứ tự bản ghi, block size, page layout.
Schema: Internal Schema (Physical Schema) - chỉ có **một** cho toàn database.
Người liên quan: DBA, System Admin, Storage Engineer.
Mục tiêu: Tối ưu hiệu suất I/O, lưu trữ, concurrency control.

2. Conceptual Level (Cấp độ Logic / Conceptual / Global)

Mô tả: **Cấu trúc logic toàn cục** của database: Entity, Attribute, Relationship, Constraint (PK, FK, Unique, Check), View definition, Security policy (grant/revoke).
Schema: Conceptual Schema (Logical Schema / Global Schema) - chỉ có **một** cho toàn database.
Người liên quan: DBA, Data Architect, Data Modeler.
Đặc điểm: Trừu tượng hóa chi tiết vật lý. Không quan tâm dữ liệu lưu như nào trên đĩa, chỉ quan tâm "dữ liệu là gì, liên hệ như thế nào".
Mục tiêu: Cung cấp góc nhìn chung, nhất quán cho toàn tổ chức.

3. External Level (Cấp độ Ngoại / View / User)

Mô tả: **Góc nhìn của từng nhóm người dùng / ứng dụng** cụ thể. Chỉ thấy tập con dữ liệu liên quan, ẩn đi phần không cần thiết hoặc nhạy cảm.
Schema: External Schema (View Schema / Subschema) - có **nhiều** (mỗi user group/app một view).
Đối tượng: View, Stored Procedure, Synonym, Permission (GRANT/REVOKE).
Người liên quan: End-user, Application Developer, Report Writer.
Mục tiêu: Bảo mật (che cột nhạy cảm), đơn giản hóa (gộp join phức tạp thành view), tùy biến định dạng.

Hai loại Data Independence (Độc lập dữ liệu) - Trái tim của kiến trúc

Logical Data Independence (Độc lập Logic)

Khả năng: Thay đổi **Conceptual Schema** (thêm/bớt bảng, cột, constraint, relationship) **KHÔNG** làm thay đổi **External Schema** (View, App code).
Cơ chế: Mapping External/Conceptual tự điều chỉnh. View được định nghĩa bằng query trên conceptual schema.
Ví dụ: Thêm cột Phone vào bảng Student (Conceptual) -> View Student_Basic_View (ID, Name) không ảnh hưởng.
Khó khăn: Đổi tên/xóa cột đang dùng trong View -> View bị lỗi. Cần ALTER VIEW.

Physical Data Independence (Độc lập Vật lý)

Khả năng: Thay đổi **Internal Schema** (tạo index, đổi file organization, partitioning, compression, move tablespace) **KHÔNG** làm thay đổi **Conceptual Schema**.
Cơ chế: Mapping Conceptual/Internal che giấu chi tiết vật lý. SQL truy vấn logic không đổi.
Ví dụ: Tạo index trên Student_Name, chuyển bảng sang partitioned table, nén dữ liệu -> Ứng dụng SQL SELECT * FROM Student chạy y hệt, chỉ nhanh hơn.
Độ khó: Dễ đạt được hơn Logical Independence (DBMS hiện đại làm tốt).

Tóm tắt so sánh

Cấp độ	Tên khác	Schema	Số lượng	Đối tượng	Nội dung chính
External	View, User, Subschema	External Schema	Nhiều	End-user, App Dev	View, SP, Permission, Subset data
Conceptual	Logical, Global	Conceptual Schema	Một	DBA, Architect	ER Diagram, Table, PK/FK, Constraint
Internal	Physical, Storage	Internal Schema	Một	DBA, SysAdmin	File, Index, Page, Compression, Encryption

Thực tế trong DBMS hiện đại

PostgreSQL, MySQL, SQL Server, Oracle: Hỗ trợ đầy đủ 3 cấp độ qua System Catalog, View, Tablespace, Index, Partition.
CREATE VIEW = External Schema.
CREATE TABLE, ALTER TABLE, Constraint = Conceptual Schema.
CREATE INDEX, TABLESPACE, PARTITION, COMPRESSION = Internal Schema.
Mapping được DBMS quản lý tự động (Data Dictionary / System Catalog).

Tại sao quan trọng?

Giảm thiểu tác động thay đổi: Thay đổi vật lý không đụng logic, thay đổi logic không đụng app (nếu thiết kế view tốt).
Bảo mật: External level che giấu cột nhạy cảm (lương, mật khẩu hash).
Tái sử dụng: Conceptual schema ổn định, nhiều app/view dùng chung.
Vận hành: DBA tune performance (Internal) không lo break App (External).

Kết luận: Kiến trúc 3 cấp ANSI/SPARC là nền tảng lý thuyết của mọi DBMS quan hệ hiện đại. Mục tiêu tối thượng: **Physical & Logical Data Independence** - cho phép thay đổi "cách lưu" và "cấu trúc logic" mà không làm hỏng ứng dụng.