Entwurf von Datenbanken

Datenbanken
Entwurf von Datenbanken
Entwurf von Datenbanken
Bisher: was sind Datenbanken? Wie funktionieren sie?
Im Folgenden: wie entwickle ich eine Datenbank? Was ist eine
gute Datenbank?
◮
◮
◮
◮
Der Datenbankentwurfsprozess
Das Entity Relationship (ER) Modell
Abbildung von ER-Diagrammen auf Relationenschemata
Normalformen als Qualitätskriterien
Eike Schallehn
Grundlagen der Informatik für Ingenieure
2008/2009
6–48
Datenbanken
Entwurf von Datenbanken
Der Datenbankentwurfsprozess
Datenbankentwurfsprozess beschreibt systematische
Vorgehensweise zur Entwicklung einer Datenbanklösung:
◮
◮
◮
Ausgehend von Anforderungen an zu entwickelnde Lösung über
eine
schrittweise Verfeinerung des Entwurfs bis hin zur
Implementierung und zum Einsatz der Lösung
Angelehnt an Software-Entwicklungsprozess (→) zur Entwicklung
allgemeiner Software-Lösungen
Unabhängig von konkretem Anwendungsszenario
Im folgenden: Entwurf relationaler Datenbanken
Eike Schallehn
Grundlagen der Informatik für Ingenieure
2008/2009
6–49
Datenbanken
Entwurf von Datenbanken
Der Datenbankentwurfsprozess /2
Anforderungsanalyse
Dokumentatation
Eike Schallehn
Konzeptueller
Entwurf
Konzeptuelles
Schema
Logischer
Entwurf
z.B. Entity
Relationship
Diagramm
Logisches
Schema
Datendefintion und
Implementierung
= Tabellen- und
Spaltendefinition
Datenbank
Grundlagen der Informatik für Ingenieure
2008/2009
6–50
Datenbanken
Entwurf von Datenbanken
Phasen des Datenbankentwurfs /1
Anforderungsanalyse: Sammlung von Anforderungen, die zu
entwickelndes Datenbanksystem beschreiben
Z.B. Informationsbedarf zukünftiger Anwender, zu
unterstützende Abläufe, etc.
Ergebnis: informell festgehaltene Dokumentation
der Anforderungen
Konzeptueller Entwurf: Entwicklung eines
implementierungsunabhängigen (abstrakt, high-level)
Datenbankschemas
Erste Strukturierung für Anwendungsdaten
Dient der schrittweisen Verfeinerung des Entwurfs
sowie der Diskussion verschiedener Entwickler
untereinander und mit Anwendern
Ergebnis: konzeptuelles Schema, z.B. als Entity
Relationship Diagramm
Eike Schallehn
Grundlagen der Informatik für Ingenieure
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6–51
Datenbanken
Entwurf von Datenbanken
Phasen des Datenbankentwurfs /2
Verteilungsentwurf (optional): nur für verteilte Systeme Festlegung
des Speicherorts der Daten im Netz
Prinzipiell unabhängig vom Implementierungsmodell
(nächster Schritt)
Erfolgt meist aber als Teil des physischen Entwurfs
Ergebnis: Verteilungsschema
Logischer Entwurf: Überführung in relationales Datenmodell für
Implementierung sowie Erfüllung von Qualitätskriterien
(Normalformen) durch Normalisierung
Entwurf geeigneter Tabellenstrukturen zur
Darstellung der Anwendungsdaten
Qualitätskriterium: Strukturen vermeiden
Abspeicherung widersprüchlicher Daten
Ergebnis: logisches Schema
Eike Schallehn
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6–52
Datenbanken
Entwurf von Datenbanken
Phasen des Datenbankentwurfs /3
Physischer Entwurf: ermöglicht Beeinflussung interner
Speicherstrukturen zu Zwecken der Performance
Optimierung
Festlegen von Indextsrukturen (Hash-Tabellen,
B-Bäume) für Zugriffspfade
Weitere Mittel: materialisierte Sichten
(Vorberechnung) sowie Partitionierung (Teile und
Herrsche)
Datendefinition und Implementierung: Erstellen enstprechender
DDL-Statements und deren Ausführung
Erzeugung von Tabellen, Sichten und Indexstrukturen
Ergebnis: (leere) Datenbank
Eike Schallehn
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6–53
Datenbanken
Entwurf von Datenbanken
Das Enity Relationship (ER) Modell
Standard für die konzeptuelle Modellierung von
Datenbankschemata
Ziel: Darstellung der Inhalte und Bedeutung (auch semantische
Modellierung)
◮
◮
Was wird durch das Schema dargestellt (welche Daten)?
Nicht: wie werden die Daten dargestellt (Implementierung)?
Dient der Diskussion (Entwickler und Anwender) und Verfeinerung
der Schemata
Deshalb möglichst einfache Modellierungskonstrukte:
Gegenstände (Entities), deren Beziehungen untereinander
(Relationships) und Eigenschaften (Attributes)
Eigentliche Modellierung auf Typebene: Gegenstände mit
gleichen Eigenschaften und Beziehungen werden zu einem Entity
Type zusammgefaßt (analog Relationship Types)
Begriffe Entity und Relationship werden meist verkürzend für
Entity Types bzw. Relationship Types verwendet
Eike Schallehn
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6–54
Datenbanken
Entwurf von Datenbanken
ER Modell: Einführendes Beispiel
6WXGHQW Student
EHVXFKW !
besucht
MatrNr
Vorlesung
ID
Semester
Name
Bezeichnung
Vorname
" #
$
Eike Schallehn
" %
"# $
$
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6–55
Datenbanken
Entwurf von Datenbanken
ER Modell: Grundlegende Grafische Notation
Entity (Type): Rechteck mit Typbezeichner
Relationship (Type): Raute mit Typbezeichner
Attribut: abgerundete Box oder Ellipse mit Attributbezeichner,
Schlüssel mit Unterstreichung
Zahlreiche abweichende grafische Darstellungen in verwandten
Ansätzen und Entwicklungs-Tools mit gleicher oder ähnlicher
Beduetung sowie ggf. Erweiterungen
Eike Schallehn
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6–56
Datenbanken
Entwurf von Datenbanken
ER Modell: Kardinalitäten
Kardinalitäten geben numerische Grenzen an, wie Objekte
verschiedener Typen miteinander in Beziehung stehen können
Beispiele:
◮
◮
◮
◮
◮
Ein Student kann beliebig viele Vorlesungen besuchen
Eine Vorlesung kann (je nach Kapazität des Hörsaals) von vielen
Studenten besucht werden
Eine Vorlesung wird von genau einem Dozenten angeboten
Eine Person kann mit maximal einer anderen Person verheiratet
sein (optional)
Jede Person hat genau eine Mutter und genau einen Vater
Von entscheidender Bedeutung bei Überführung in das
Relationenmodell
Eike Schallehn
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6–57
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ER Modell: Kardinalitäten /2
Dozent
[1,1]
hält
[1,*]
Vorlesung
ist äquivalent zu:
Dozent
1
hält
*
Vorlesung
1:N-Beziehung: ein Objekt darf mit beliebig vielen eines anderen
Typs in Beziehung stehen, aber eindeutige Zuordnung in die
andere Richtung
Min/Max-Notation: Angabe der minimimalen und maximalen
Anzahl, in der das Objekt in Beziehung stehen kann
Abkürzende Schreibweise verwendet nur Obergrenze (Optionalität
mit Untergrenze 0 so aber schlecht abbildbar)
Eike Schallehn
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6–58
Datenbanken
Entwurf von Datenbanken
ER Modell: Kardinalitäten /3
Student
Vorlesung
besucht
ist äquivalent zu:
Student
*
besucht
*
Vorlesung
N:M-Beziehungen (Objekte beider beteiligter Typen können
beliebig oft in Beziehung stehen) sind bei keiner Angabe von
Kardinalität der angenommene Standardfall
Oft auch auch N und M als Notation für Kardinalitäten verwendet
Eike Schallehn
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6–59
Datenbanken
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ER Modell: Kardinalitäten /4
verheiratet
[0,1]
Person
[0,1]
Beispiel für eine optionale Beziehung
Außerdem selbst-bezüglich auf Typ-Ebene: auch Objekte des
selben Typs können in Beziehungen zueinander stehen
Eike Schallehn
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6–60
Datenbanken
Entwurf von Datenbanken
ER Modell: Weitere Konstrukte
Dozent
Vorlesung
Gebäude
hält
hat
Raum
Raum
Mehrstellige
Beziehungstypen
Schwache (existentiell
abhängige) Entitätstypen
Eike Schallehn
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6–61
Datenbanken
Entwurf von Datenbanken
Abbildung von ER-Diagrammen auf
Relationenschemata
ER Modell ist prinzipiell unabhängig vom Implementierungsmodell
In der Praxis meist eingesetzt als Entwurfsmittel für relationale
Datenbanken
Überführung von ER Diagrammen auf Relationenschemata
geschieht nach einfachen Regeln
Im folgenden illustriert an folgendem einfachen Beispiel:
Artikel
*
*
in
ArtikelNr
Bezeichnung
Preis
Eike Schallehn
Anzahl
Bestellung
*
von
1
Kunde
BestellNr
KundenNr
Rabat
Name
Datum
Anschrift
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6–62
Datenbanken
Entwurf von Datenbanken
Abbildung von ER-Diagrammen: Entities
Artikel
Artikel
!"#$%&'("
+&,&$-./0/1
)"&$*
ArtikelNr
Bezeichnung
Preis
Alle Entities werden auf separate Tabellen abgebildet
Attribute werden Spalten, konkrete Datentypen müssen festgelegt
werden
Schlüsselattribute werden Schlüssel der Tabelle
Eike Schallehn
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6–63
Datenbanken
Entwurf von Datenbanken
Abbildung von ER-Diagrammen: N:M-Beziehungen
Artikel
*
*
in
ArtikelNr
BestellNr
Anzahl
Bezeichnung
Rabat
Preis
Datum
Artikel
!"#$%&'("
Bestellung
Bestellung
+&,&$-./0/1
+&*#&''("
)"&$*
5363#
23#04
ArtikelBestellung
!"#$%&'("
Eike Schallehn
+&*#&''(" !/,3.'
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6–64
Datenbanken
Entwurf von Datenbanken
Abbildung von ER-Diagrammen: N:M-Beziehungen /2
N:M-Beziehungen müssen generell auf separate Tabellen
abgebildet werden
Schlüssel der Beziehungstabelle bildet sich aus
zusammengesetzten Schlüsseln der in Beziehung stehen
Entity-Tabellen
Teilschlüssel dienen als Fremdschlüssel auf Entity-Tabellen
Attribute der Beziehung werden Spalten der Beziehungstabelle
Eike Schallehn
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6–65
Datenbanken
Entwurf von Datenbanken
Abbildung von ER-Diagrammen: 1:N-Beziehungen
Bestellung
*
1
von
Kunde
BestellNr
KundenNr
Rabat
Name
Datum
Anschrift
Kunde
Bestellung
2%).%33&'
4/5/. 1/."0
!"#$%#&'
!"#$%#&'
&/0%
(#)*+',-.
Bei 1:N-Beziehungen Verschmelzung der Beziehungstabelle mit
der Entity-Tabelle der N-Kardinalität möglich
Eike Schallehn
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6–66
Datenbanken
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Abbildung von ER-Diagrammen: Optionale
Beziehungen
Optionale Beziehungen, egal ob N:M, 1:N oder 1:1, sollten als
separate Tabelle umgesetzt werden
Eike Schallehn
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6–67
Datenbanken
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Schemakonsistenz
Ergebnis der Überführung ist relationales Datenbankschema
Zweiter Teilschritt des logischen Entwurfs umfaßt Sicherstellung
der Schemakonsistenz
Allgemein drei wichtige Kriterien der Konsistenz
(Widerspruchsfreiheit) für Schemata und Daten
◮
◮
◮
Modellkonsistenz: reale Informationen können im Schema korrekt
dargestellt werden → muss durch konzeptuellen Entwurf und
korrekte Überführung in Relationenmodell sichergestellt werden
Semantische Konsistenz: die gespeicherten Daten sind korrekt
(stehen nicht im Widerspruch zur Wirklichkeit) → kann durch
Integritätsbedingungen und Anwendungslogik unterstützt werden,
letzten Endes aber Verantwortlichkeit der Anwender
Schemakonsistenz: Daten müssen untereinander
widerspruchsfrei sein → Sicherstellung durch Vermeidung
mehrfacher Abspeicherung von Informationen (Redundanz) →
Normalformen als Qualitätskriterium
Eike Schallehn
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6–68
Datenbanken
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Redundanz und Inkonsistenzen
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=>?1@
6+,7#%8%+9
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Mehrfache Speicherung der selben Realweltfakten (Redundanz)
ermöglicht Dateninkonsistenzen
Erkennbar an „Abhängigkeiten zwischen Attributwerten“
Sollen durch Normalisierung vermieden werden
Eike Schallehn
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6–69
Datenbanken
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Funktionale Abhängikeiten
Funktionale Abhängikeiten in einer Tabelle liegen vor, wenn
Werte einer Spalte (oder einer Gruppe von Spalten) einen
eindeutigen Schluss auf die Werte einer anderen (Gruppe von)
Spalte(n) zulassen
„Funktional“, weil ... eindeutige Werteabbildung entspricht
mathematischem Konzept der Funktion: für einen Eingabewert ist
nur ein Ergebniswert möglich (Eindeutigkeit)
Beispiele:
◮
◮
◮
◮
Die Postleitzahl bestimmt eindeutig den Ort
Die Matrikelnummer (Schlüssel) bestimmt alle weiteren Eigenschaften
eines Studenten
Vorwahl und Telefonnummer bestimmen eindeutig alle Eigenschaften des
Anschlusses
Semester, Termin und Raum bestimmen eindeutig Vorlesungstitel und
Dozenten
Eike Schallehn
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6–70
Datenbanken
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Normalformen
Ziel der Normalisierung: alle Spalten einer Tabelle sollen nur
vom vollständigen Schlüssel abhängen, d.h. dadurch bestimmt
sein (3. Normalform)
Erreichen von Normalformen z.B. durch schrittweises Zerlegen
Wichtigste Normalformen:
◮
◮
◮
1. Normalform: nur atomare Werte in jeder Spalte
2. Normalform: keine funktionalen Abhängigkeiten von einem Teil
des Schlüssels
3. Normalform: keine funktionalen Abhängigkeiten zwischen
Nicht-Schlüsselattributen
Zahlreiche weitere Normalformen existieren (hier nicht behandelt)
Eike Schallehn
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6–71
Datenbanken
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1. Normalform: Problem
F4,+8E04%%$"
:1"#
;0D
;0D"#4"E
;$"0$
61#+*C$1#
<=>B
./&$0"1&+2$(6*78'(.0&96*78'(:0+&%*%
A+/7*
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./&$0"1&+2$(3*4"&05'(!"#$%$"#$"&
-12$?$"&
<=>=
!"#$%$"#$"&'()*+,$ -*%(
1. Normalform: nur atomare Werte in jeder Spalte (grundlegende
Anforderung im Relationenmodell)
Problem: mengen- oder listenwertige Spalten
Eigentlich kein Problem bzgl. Redundanz, aber
◮
◮
Voraussetzung für weitere Normalformen
Erleichtert Lesen und Modifikation von Daten
Eike Schallehn
Grundlagen der Informatik für Ingenieure
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6–72
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1. Normalform: Lösung
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568>>')5')6'
:%)3
567
567)38)9
:%)3
5')6'
2%3-04'%3
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2%3-04'%3
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2%3-04'%3
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,-./0
A.*'6)%*-&'CD08)*6E
$%&'(')*
?0-<' $0>
$%&'(')*
@)3'>')3')*
Abspalten einer separaten Tabelle mit folgenden Spalten:
◮
◮
Schlüssel der Ursprungstabelle
Spalte für einzelne Einträge der Menge
Schlüssel der neuen Tabelle sind beide Spalten gemeinsam
Eike Schallehn
Grundlagen der Informatik für Ingenieure
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6–73
Datenbanken
Entwurf von Datenbanken
2. Normalform: Problem
F;<'$+,$)(83
F;<')$G8+& :4;>4
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B$4$8'8,*(,
A$(4+*1
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2/34/%&
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2/34/%&
#$%&'$()*+,- ./+0/11$+( 9@"
C
C
!"
2. Normalform: 1. Normalform + keine funktionalen
Abhängigkeiten von nur einem Teil des Schlüssels
Problem: mögliche Redundanzen durch sich oft wiederholende
Wertepaare
Eike Schallehn
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6–74
Datenbanken
Entwurf von Datenbanken
2. Normalform: Lösung
B3C-.*4.60/%
B3C-6.D/*( 8&35&
8&35&@705.%-305
@.&A
8&35&
@705.%-305
;.0&*7<
2345.67*4 >1"
2345.67*4
83'C%.0EH0C3-&
875.067*4
2345.67*4 >?"
#$%&$'(
2.'(-.067*4E F$*G$<<.*0
8&35&9.-5
2345.67*4 1 "
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)*$+ ,-./0
#$%&$'(
!"
;.0&*7<
#$%&$'(
1:"
=
=
Abspalten einer separaten Tabelle mit folgenden Spalten:
◮
◮
Teilschlüssel der Ursprungstabelle, von welchem andere Spalte(n)
abhängig
Alle vom Teilschlüssel abhängig Spalten
Abhängige Spalten werden aus der Originaltabelle entfernt
Eike Schallehn
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6–75
Datenbanken
Entwurf von Datenbanken
3. Normalform: Problem
C*B@86*
()*+,+
,)58
O.+6)58
I=J
C*)@*
4@+8>>8
"#%!'
(N118+
LM)
%G H#
()7@8EB+7
=8:*8+>*+)?83
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C;<B128
I8*8+
%G H#
()7@8EB+7
91+:;<01)*23 !
&$!!!
C.558+ C:87/+:8@
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C;<D68E8;F
4534678+3!!
!"#$%
A:6*8+
%G"'#
AB>*
-.+/01)*23''
K.E8+*
3. Normalform: 2. Normalform + keine funktionalen
Abhängigkeiten zwischen Nicht-Schlüsselattributen
Problem: mögliche Redundanzen durch sich oft wiederholende
Wertepaare
Eike Schallehn
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6–76
Datenbanken
Entwurf von Datenbanken
3. Normalform: Lösung
H*I@86*
()*+,+
,)58
M.+6)58
C=D
4@+8>>8
"#%!'
(L118+
JK)
%A B#
=8:*8+>*+)?83
&&!%%
H;<I128
C8*8+
%A B#
91+:;<01)*23 !
&$!!!
H.558+ H:87/+:8@
%A' $
4534678+3!!
!"#$%
G:6*8+
%A"'#
-.+/01)*23''
E.F8+*
C=DH*)@*
C=D
H*)@*
%A B#
()7@8FI+7
%A' $
H;<N68F8;O
%A"'#
GI>*
Abspalten einer separaten Tabelle mit folgenden Spalten:
◮
◮
Bestimmende Spalte(n) als Schlüssel
Alle davon abhängigen Spalten
Abhängige Spalten werden aus der Originaltabelle entfernt
Eike Schallehn
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6–77
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Entwurf von Datenbanken
Normalformen in der Praxis
Praktisch relevant zur Vermeidung von Inkonsistenzen
Aber: Zerlegung von Tabellen führt zu höherem Aufwand bei der
Anfragebearbeitung durch mehr Verbundoperationen
Deshalb oft Abstriche von Normalformen → kontrollierte
Redundanz
Eike Schallehn
Grundlagen der Informatik für Ingenieure
2008/2009
6–78
Datenbanken
Entwurf von Datenbanken
Zusammenfassung: DB-Entwurf
Entwurfsprozess für Datenbanken angelehnt an allgemeine
Entwurfsprozesse: Analyse des Problems, schrittweise
Verfeinerung der Lösung bis hin zur Implementierung
ER-Modell als implementierungsunabhängige
Modellierungsmethode für Datenbankschemata
Überführung in das Relationenmodell entsprechend festen Regeln
Normalformen als Qualitätskriterien für Tabellen
Eike Schallehn
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6–79