データベース理論において、スキーマの概念は基本かつ理解必須のテーマとなります。
一方、関連する概念に「3層スキーマアーキテクチャ」があります。スキーマは理解していても3層スキーマアーキテクチャについて、分からないという方も多いのではないでしょうか？
3層スキーマアーキテクチャは、単にテーブルを定義する目的ではなく、データベースの設計や関連するシステム開発に大きく関連します。
この記事では、スキーマよりも少し高度で開発寄りの概念「3層スキーマアーキテクチャ」について、その概要と各層の詳細を初心者向けに説明します。
この章では、まず記事のテーマである3層スキーマアーキテクチャの定義や目的、メリットについて説明します。それぞれの節で具体例を用いて解説していますので、まずは3層スキーマアーキテクチャのイメージを掴みましょう。
3層スキーマアーキテクチャは、データベースの構造と形式を3つの階層に分けて定義する手法です。主に「外部スキーマ-概念スキーマ-内部スキーマ」方式と「概念スキーマ-論理スキーマ-物理スキーマ」の2つの方式が用いられます。
ANSI/SPARC 3層スキーマとも呼ばれ、データの論理的および物理的な独立性の確保を主眼としています。
この方式は、現代の多くの商用データベースシステムで採用されており、アプリケーション開発者がデータの物理的な格納方法を考えずに、データの論理的な構造とアプリケーションのデータビューに集中できるというメリットがあります。
概念スキーマで扱おうとする概念とその関係性を定義し、論理スキーマでこれらを具体的なデータモデルに表現し、最後に物理スキーマでデータの具体的な格納・管理方式を定義します。
この方式は、特にデータウェアハウスや大規模なデータ分析プロジェクトで使用されます。ここでは、概念スキーマがビジネスモデルやビジネスプロセスを反映し、論理スキーマが特定のデータモデル（例えば、星形スキーマ）を用いてこれを表現し、物理スキーマがデータの格納とパフォーマンスの最適化に重点を置きます。
これらの方式はそれぞれ適した用途や目的があり、データモデルの設計や管理において重要な役割を果たします。後続の章では、これらの各層が具体的にどのような役割を果たし、どのように相互作用するのかについて詳しく説明します。
3層スキーマアーキテクチャの主な目的は、データの独立性を確保することです。つまり、この設計により、アプリケーションの要求やデータの物理的な格納方法が変更されても、他の層に影響を与えないようにすることができます。
たとえば、顧客情報を管理するアプリケーションを開発しているとき、開発者は主に外部スキーマ（ユーザーが見るデータビュー）に集中します。顧客の名前、住所、連絡先などがどのように表示されるか、どの情報が検索可能であるかなどを決定します。
一方、データベース管理者(DBA)は主に内部スキーマ（データの物理的な格納）を担当します。データの保存形式、インデックスの作成、パフォーマンス最適化などを行います。
3層スキーマアーキテクチャがあるため、開発者は内部スキーマの詳細を気にする必要がありません。DBAがデータの物理的な格納方法を変更しても（例えば、パフォーマンスを改善するためにデータを新しいストレージタイプに移動する場合など）、それがアプリケーションの動作やユーザーに見える情報に影響を与えることはありません。これは、3層スキーマアーキテクチャの大きなメリットの1つです。
また、このアーキテクチャはデータ管理を効率化します。すべての情報が一元管理され、それぞれのスキーマ層が明確に分離されているため、情報を更新、検索、管理するプロセスが効率化されます。この結果、システム全体のパフォーマンスと信頼性が向上します。
データベースの理論と設計を理解するために、3層スキーマアーキテクチャの各層について詳しく説明します。この概念は複雑に思えるかもしれませんが、現実のビジネス環境に置いて考えるとより具体的で理解しやすくなります。
外部スキーマはデータベースからのデータの見え方、つまりビューを定義します。この層は一般的にユーザーが直接触れる部分です。
たとえば、オンラインショッピングサイトにおいては、顧客は商品のリストを見ることができます。これはデータベースに格納されている商品データの一部（商品名、価格、画像など）を表示したものです。
ユーザーのニーズに合わせて、データを異なるビューで表示することも可能です。たとえば、ショッピングサイトの管理者にとっては、在庫数や販売統計など、顧客が通常見ることのない情報も必要です。これらも外部スキーマの一部となります。
概念スキーマはデータベース全体の論理的な構造を定義します。
ここでは、データの種類、データ間の関係、制約などを定義します。たとえば、ショッピングサイトのデータベースでは、「商品」、「顧客」、「注文」などのデータエンティティと、それらのエンティティ間の関係（顧客が商品を注文する、商品が注文に含まれるなど）が定義されます。
この層は通常、データベース管理者やシステム設計者が扱います。データの整合性を保つためのルール（制約）もここで定義されます。例えば、「すべての注文は少なくとも1つの商品を含む必要がある」といったルールを設定できます。
内部スキーマはデータが物理的にどのように格納され、アクセスされるかを定義します。
ここでは、データの実際の格納方法、インデックスの使用、データの分散、バックアップとリカバリなど、データベース管理システムの技術的な側面が取り扱われます。
この層も通常、データベース管理者やシステム設計者が扱います。効率的なデータアクセスやデータのセキュリティを確保するための戦略がここで計画されます。
3層スキーマアーキテクチャは、データベースの複雑さを管理するための効果的な手段です。それぞれの層は特定の視点からデータを扱い、データベースの柔軟性とスケーラビリティを提供します。
3層スキーマアーキテクチャは、現代の多くのデータベースシステムで使用されています。この章では、実業務での適用例と、データベース設計におけるこのアーキテクチャの役割について具体的に説明します。
実業務では、3層スキーマアーキテクチャはさまざまな形で利用されます。具体的には、企業の顧客管理システム（CRM）や、製品情報管理システム（PIM）、財務管理システム等において、よく見られます。
たとえば、ある大企業が自社の製品情報を管理するためのシステムを考えてみましょう。このシステムには、製品設計部門、製造部門、販売部門など、それぞれ異なるニーズを持つユーザーがいます。
製品設計部門は、製品の詳細な設計情報（設計図、材料、製造方法など）にアクセスする必要がありますが、販売部門は製品の価格、在庫、販売統計などに興味があります。これらの異なるニーズに対応するために、外部スキーマでそれぞれの部門に対応するビューが設定されます。
一方、システム全体のデータの組織化と管理は概念スキーマで行われます。この層では、製品、部品、顧客、注文などのデータエンティティと、それらのエンティティ間の関係が定義されます。
最後に、内部スキーマでは、これらのデータがどのように物理的に格納され、アクセスされるかが定義されます。
3層スキーマアーキテクチャは、データベース設計の中心的な役割を果たします。これは、データベースの複雑さを把握し、管理するための一助となります。
特に大規模なデータベースシステムでは、多くのユーザーやアプリケーションがデータベースにアクセスします。これら全てが異なるニーズと要求を持ち、それらを同時に満たすことは困難です。3層スキーマアーキテクチャは、この問題を解決するためのフレームワークを提供します。
具体的には、外部スキーマは各ユーザーやアプリケーションが必要とするデータビューを提供します。概念スキーマは、データの一貫性と整合性を確保し、内部スキーマはデータの効率的な格納とアクセスを可能にします。
この3層のアプローチは、大規模なデータベースを効率的に管理し、さまざまなユーザーの要求を同時に満たすことを可能にします。また、それぞれのスキーマが独立しているため、一部の変更が他の部分に影響を及ぼすことを最小限に抑え、システムの柔軟性と維持管理性を向上させます。
3層スキーマアーキテクチャはその柔軟性と汎用性から広く採用されていますが、他のアーキテクチャと比較した場合のメリットや欠点も存在します。ここでは、2層アーキテクチャとN層アーキテクチャとの比較を通じて、これらの点を明確にします。
2層アーキテクチャは、クライアント（フロントエンド）層とサーバー（バックエンド）層の2つで構成されます。これは、3層スキーマアーキテクチャの「外部スキーマ」が「概念スキーマ」に統合されたような形です。
たとえば、ある銀行のATMシステムを考えてみましょう。2層アーキテクチャの場合、ATM（クライアント）が直接バンクのデータベース（サーバー）に接続し、必要な情報を取得したり操作したりします。
これに対して、3層スキーマアーキテクチャでは、ATMが「外部スキーマ」を通じてデータベースにアクセスします。これにより、システムの変更（例えば、新しいATMの導入やデータベースのアップデート）が他の部分に影響を及ぼすことを最小限に抑え、システムの拡張性とメンテナンス性を向上させることが可能です。
N層アーキテクチャは、その名の通り、N数の層で構成されるアーキテクチャです。一般的には、ビジネスロジック層、データアクセス層、プレゼンテーション層など、必要な数の層が設けられます。
たとえば、大規模な電子商取引システムを考えてみましょう。ここでは、購入処理、在庫管理、顧客サポートなど、各種のビジネスロジックが必要となります。これらを一つの層（ビジネスロジック層）で管理することで、各機能が独立して開発・運用できるようになります。これにより、システムの複雑性を管理し、拡張性とメンテナンス性を向上させることが可能です。
しかし、N層アーキテクチャはその構造上、層間の通信やデータの流れが複雑になりがちで、設計や実装が複雑になる可能性があります。これに対して、3層スキーマアーキテクチャはそのシンプルさから、初期の設計や実装が比較的容易であるというメリットがあります。
以上のように、各アーキテクチャにはそれぞれの特性と適用範囲があります。システムの要件や目的に応じて適切なアーキテクチャを選択することが重要です。
本記事では、「3層スキーマアーキテクチャ」の基本概念、それぞれの層の役割、実業務での利用例、そして他のアーキテクチャとの比較を初心者向けに詳しく解説しました。3層スキーマアーキテクチャの理解は、現代のデータベース設計を深く理解し、効果的に活用するために不可欠です。
3層スキーマアーキテクチャは、システムの柔軟性と拡張性を確保し、大規模なデータベースシステムの設計とメンテナンスを効率化する重要な概念です。特に、データベースが大規模で複雑な場合や、新しいデータの追加や変更に対応する柔軟性が求められる場合に、このアーキテクチャの真価が発揮されます。
当サイトでは、今回紹介した「3層スキーマアーキテクチャ」以外でも、データベースに関する網羅的な情報を引き続き発信していきます。ぜひ、またご覧いただけると幸いです。