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Datenbanken
Prof. Dr. Fabian Glasen, Datenbanken, Januar 2002
Inhalt
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Motivation
Grundlegende Begriffe
Geschichte
Aufgabenfelder / Tätigkeitsbereiche
Grundlagen
Formalisierung der Realität
Modelle
Datenmodellierung
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2
Literatur
Meier, Andreas, [2001]: Relationale Datenbanken –
Leitfaden für die Praxis, Springer, Berlin.
Heuer, Andreas / Saake, Gunter [2000]:
Datenbanken: Konzepte und Sprachen, 2. Auflage,
mitp, Bonn.
Vossen, Gottfried, [2000]: Datenmodelle, Datenbanksprachen und Datenbankmanagementsysteme, 4. Auflage Oldenburg, München.
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3
Motivation
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4
Vorher
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5
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6
Nachher
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7
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Datenbanken - Motivation
Die ganze Datenbankproblematik
beginnt damit, dass “man” “Daten”
längerfristig, d.h. über die Laufzeit eines
Programmes hinaus, auf einem
Computer speichern will.
Computer / Rechner  EDV
(elektronische Datenverarbeitung)
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Datenbanken - Anforderungen
• Schnelle, flexible Suchmöglichkeiten im
Datenbestand
• Gezielter schneller Zugriff auf bestimmte
Eigenschaften eines Objektes
• Einfache gezielte Änderung der Daten
• Paralleler Zugriff mehrerer Mitarbeiter oder
Programme auf die Daten, ohne dass die
Daten fehlerhaft werden
• Datenunabhängigkeit
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Datenbanken - Anforderungen
• Unterstützung von Transaktionen,
(d.h. mehrere sequentiell durchgeführte
Änderungen von Daten werden
zusammenhängend behandelt. Entweder
werden alle Änderungen durchgeführt oder
keine)
• Gezielte Vergabe von Zugriffsrechten für
Anwender und Entwickler
• Datenkonsistenz /-integrität
• Datensicherung
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Datenbanken - Anforderungen
• Gute Weiterverarbeitungs- bzw.
Auswertungsmöglichkeiten der
Daten durch Programme
• Hohe Leistungsfähigkeit auch bei der
Verarbeitung von sehr grossen
Datenmengen und sehr vielen
gleichzeitigen Zugriffen
• Synchronisierte effiziente Verteilung der
Daten im Netzwerk (Replikation)
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Grundfunktionen von DBen
• Anwender
– Suche und Anzeige von Daten
– Eingabe von Daten
– Löschen von Daten
– Veränderung von Daten
• Entwickler
– Datenbank anlegen
– Tabellen definieren
– Verknüpfungen zwischen Tabellen
definieren
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Vorteile DB gegenüber Datei
• Einfachere Strukturierbarkeit der Daten
• schnellerer systematischerer Zugriff auf
die einzelne Daten
• Vorhandene Suchfunktionen bzw.
Anfragesprachen (SQL, QBL)
• Flexible Verknüpfbarkeit von Daten
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Vorteile von zentraler gegenüber lokaler DB
• Massiver kontrollierter Parallelzugriff
• Alle berechtigten Mitarbeiter können von
ihrem Arbeitsplatz aus auf die gleichen Daten
zugreifen
• Alle berechtigten Mitarbeiter können Daten
manipulieren
• Zugriffsrechte können flexibel vergeben
werden
• Integrierte Datenhaltung aller Daten (ohne
Redundanzen)
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Grundlegende
Begriffe
Definitionen
• Datenbank
• Daten
• Datenbankmanagementsystem
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Datenbank - Definition
Eine Datenbank ist eine strukturiert bzw.
geordnet , elektronisch gespeicherte
Sammlung von Daten(elementen).
Die dabei berücksichtigen Objekte,
Eigenschaften und deren technische
Organisation ergeben sich im Rahmen der
Datenmodellierung
– aus den Aufgaben, für die sie modelliert werden,
und
– aus den technischen Möglichkeiten des
Datenbankverwaltungssystems (DBMS).
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Beispiele für Datenbanken
•
•
•
•
•
•
•
•
Mitarbeiterdatenverwaltung
Kundendatenverwaltung
Auftragsverwaltung
Produktkatalog
Bibliotheksverwaltung
Lagerhaltung
Bundes-Bahn-Fahrplan
Veranstaltungsmanagement
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Daten - Definition
• Daten sind einzelne oder aneinander
gereihte Zeichen mit einer Bedeutung
• Daten sind Informationen
in einer
zur technikgestützten Darstellung
und Verarbeitung
geeigneten Form.
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Daten - Beispiele
• Zahlen: „12646“
z.B. interpretiert als Kosten in DM
oder als Postleitzahl eines Ortes
• Namen: „Herbert“
z.B. interpretiert als Vorname eines
Mitarbeiters
• Datumsangabe: „10.02.02“
interpretiert als 10. Februar 2002
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Datenbankmanagementsystem (DBMS)
Software-System
zur Verwaltung von
Datenbanken
und
Datenbankzugriffen
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Reale DBMS auf dem Markt
•
•
•
•
•
•
•
•
DB2 /UDB (IBM)
Oracle (Oracle)
MS SQL Server (Microsoft)
MySQL (Linux / Open Source)
Sybase (Sybase)
Informix (IBM)
Tamino (Software AG)
MS Access (Microsoft) (Desktop)
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Geschichte der
Datenbanktechnologie
Datenbanken - Geschichte
1. Generation
• Speicherung der Daten auf Lochkarten
oder Magnetbändern
• Offline-Betrieb / Batchverarbeitung
(Berichte)
• Sequentieller Zugriff auf die Daten
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Datenbanken - Geschichte
2. Generation
• Speicherung der Daten auf
Magnetplatten
• Online-Betrieb (interaktiv am Terminal)
• Direkter Zugriff auf die Daten
• Parallelzugriff auf die Datenbank
• Hierarchisches Datenmodell (IMS / IBM)
• Netzwerkmodell (UDS / Siemens)
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Datenbanken - Geschichte
3. Generation
• Nichtprozedurale DB-Sprachen (was
statt wie)
• Relationales Datenmodell (DB2, Oracle)
• Entity Relationschip Model (Chang)
• SQL (Structered Query Language)
• Datenunabhängigkeit
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Datenbanken - Geschichte
4. Generation
• Datenbanken auf PC-Basis
(dbase / MS-Access)
• Objektorientierte Datenbanken
(Poet / O2)
• Client-Server-Architekturen
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Datenbanken - Geschichte
5. Generation
• Offene Schnittstellen (ODBC)
• Integration mit Internettechnik (JDBC)
• Objektrelationale Datenbanken
• Zeitdatenbanken
• Deduktive Datenbanken
• Multidimensionale Datenbanken
• Verteilte Datenbanken
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Aufgabenfelder
Aufgabenfelder
•
•
•
•
Nutzung durch Anwender
Entwicklung (Entwickler)
Verwaltung (Administrator)
Datenarchitektur
(Datenarchitekt)
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Anwendertätigkeiten
• Daten suchen, anschauen
• Datenpflege (Aktualisierung der Daten)
– neue Daten eingeben
– vorhandene Daten löschen
– vorhandene Daten verändern
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Aufgaben Entwickler
• Datenmodellierung
– Konzeptionelles Schema entwerfen
– Tabellen und Verknüpfungen definieren
•
•
•
•
•
Ansichten generieren
Formulare / Masken entwerfen
Standard-Berichte erstellen
Anwendungsentwicklung mit DBen
Konsistenzsicherung der Datenbasis
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Aufgaben Administrator
•
•
•
•
•
Implementation DBMS
Datensicherung (Back-up)
Benutzerverwaltung
Tuning (Performance-Optimierung)
Replikation im Rahmen verteilter DBen
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Aufgaben Datenarchitekt
• Konzept für ein möglichst
redundanzfreies unternehmensweites
Datenmodell erstellen und pflegen
• Konzept zur Verteilung der Daten im
Netzwerk erstellen und pflegen
• Beratung und Koordination von
Entwicklern und Administratoren
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Zugriffsformen
Entwickler
Administrator
Anwender
Entwicklungstool
Verwaltungstool
Anwendertool
Datenbankmanagementsystem (DBMS)
DB1
DB2
DB3
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Grundlagen
Unterschied: Daten - Dokumente
• Daten setzen sich aus terminologisch
kontrollierten und systematisch verknüpften
Datenelementen zusammen
• Daten sind durch Datenfelder stark
strukturiert (Beispiel: Tabelle)
• Dokumente sind schwach strukturierte und
terminologisch wenig kontrollierte
Informationen (Beispiel: Text, Multimedia)
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Unterschied: DBMS- DMS/CMS
• DBMS: Datenbankmanagementsystem
– speichert Daten in einzelnen Feldern
– erlaubt direkten Zugriff und kombinierte
Suche über jedes Datenfeld
– kontrollierte Terminologie
• DMS Dokumentenmangementsystem
– speichert Dokumente
– Zugriff mittels Index oder Volltextsuche
• CMS: Content Management System
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39
Unterschied: DBMS- DMS/CMS
• CMS: Content Management System
– speichert Dokumente
– Zugriff mittels Index, Volltextsuche, Link
– Web-orientiert (Hypermedia)
– Trennung von Inhalt und Form
– Site-Management
– unterstützt kooperatives / paralleles WebPublishing
– Schnittstellen zu DBMS und DMS
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Datenbanktypen / (Modelle)
• Hierarchische Datenbanken
• Netzwerk Datenbanken
• Relationale Datenbanken
• Objektrelationale Datenbanken
• Objektorientierte Datenbanken
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Datenbanktypen
•
•
•
•
•
Föderierte Datenbanken
Multimedia Datenbanken
Temporale Datenbanken
Deduktive Datenbanken
XML-Datenbanken
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42
Datenbankanwendungen
•
•
•
•
•
•
•
WEB-Datenbanken
CAD-Datenbanken
Data-Warehouse-Systeme
Volltext-Datenbanken
Geographische Informationssysteme
Dokumenten- /Content-Management
Suchmaschinen / Information Retrieval
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Desintegrierte Datenhaltung
Client1
Client2
Client3
Anw.1
Anw.2
Anw.3
Datei1
Datei2
Datei3
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Integrierte Datenhaltung in mehreren
DB
Client1
Client2
Client3
Anw.1
Anw.2
Anw.3
Datenbankmanagementsystem (DBMS)
DB1
DB2
DB3
45
Integrierte Datenhaltung in einer DB
Client1
Client2
Client3
Anw.1
Anw.2
Anw.3
Datenbankmanagementsystem (DBMS)
Datenbank
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Komplette Integration
Anw.1
Komponenten
Services
S6
S7
Anw.2
Client
S1
Middleware
S8
S9
S5
S2
S3
S4
Komponenten/
Services
Datenbankmanagementsystem (DBMS)
Datenbank
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ANSI (SPARC) DB-Architektur
Benutzer1
Sicht1
Benutzer2
externe
Sicht2
Benutzer3
Ebene
Sichten
der
einzelnen
Benutzer
Sicht3
Konzeptionelle Ebene / Logisches Datenmodell
Physikalische Ebene
Physikalische
Datenorganisation
und Zugriff
Datei1
Datei2
Datei3
Datei4
Datei5
48
Datenunabhängigkeit
• Die ANSI SPARC 3 Schema-Architektur ermöglicht
Datenunabhängigkeit
• An jedem Schema können Änderungen
vorgenommen werden, ohne dass die anderen
Schemata davon betroffen sind.
• Am der konzeptionellen Schemata können
Änderungen durchgeführt werden, ohne dass
Anwendungen, die auf dem externen Schema
aufsetzen, dadurch angepasst werden müssten.
• Gleiches gilt für Änderungen auf dem internen
Schema
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Datenqualität
•
•
•
•
•
•
Korrektheit der Daten
Aktualität der Daten
Vollständigkeit der Daten
Widerspruchsfreiheit der Daten
Relevanz der Daten
„Algorithmen und Datenstrukturen“
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Formalisierung der
Realität
Formalisierung der Realität
• Gegenstände, Individuen, Objekte
– Eigennamen (Peter, Hasso, USA)
– Kennzeichnungen (der Pförtner von IBM)
– Nominalphrasen (der Chef von IBM)
• Begriffe, Klassen, Objekttypen,
Eigenschaften, Attribute, Merkmale
(Mensch, Tier, Lebewesen, Staat)
• Relationen (z.B.: grösser als, höher als)
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Formalisierung der Realität
Begriffe
Klassen
Objekttypen
is-a
Ding
is-a
Lebewesen
Sache
is-a
is-a
Mensch
instanz
Paul
is-a
is-a
Tier
Pflanze
is-a
is-a
Mitarbeiter
Idee
is-a
Hund
Baum
instanz
Hasso
Haus
is-a
Stein
Teil-von
is-a
Birke
Oberbegriffe
Unterbegriffe
Objekte
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Formalisierung der Realität
Logik:
is-a(Mensch, Lebewesen)
Mensch(Paul), Lebewesen(Paul)
 G  H is-a(G,H) ( x G(x)  H(x))
instanz(Paul,Mensch), Mensch(Paul)
 x  G instanz(x,G)  G(x)
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Formalisierung der Realität
Extensional: „G ist Teilmenge von H“
Paul
.
Mensch
Tier
Lebewesen
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55
Formalisierung der Realität
Eigenschaften / Attribute
• Klassenzugehörigkeit (Lebewesen)
• „pure“ Eigenschaft (Attribut)
Beispiele:
Gewicht, Grösse, Alter,Farbe, Name,
Gehaltsstufe, Höchstgeschwindigkeit
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Formalisierung der Realität
grün(Bank1)  Farbe(Bank1, grün).
schwer(Bank1)  Gewicht(Bank1,schwer).
Tabelle
Objektname
Farbe
Bank1
grün
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Gewicht
schwer
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Formalisierung der Realität
Eigenschaft
Farbe
grün
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Gewicht
blau
schwer
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Modelle
Modelle
• Bilden die Wirklichkeit ab durch
– Zweckbezogene Abstraktion
– Zweckbezogene Reduktion der
Komplexität
• schaffen bessere Einsicht in die
relevanten Zusammenhänge
relevanten Eigenschaften
relevanten Beziehungen der
relevanten Komponenten.
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Modelle
• Zwischenrepräsentationen für die Entwicklung
komplexer Systeme
• Darstellungen, Muster, oder Schemata gegebener
oder erst noch zu schaffender Phänomene,
• Dienen in einem gegebenen Kontext bestimmten
Personen bei der Verfolgung bestimmter Ziele und
Zwecke.
• Sind für gewisse Aufgaben und innerhalb eines
gewissen pragmatischen Kontextes geschaffen
• Unterstützen die Kommunikation zwischen
Entwicklern und Anwendern
• Ermöglichen übersichtliche Spezifikation und
Dokumentation
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Modelle - Merkmale
• Abbildungsmerkmal
(Modell von was?)
• Verkürzungsmerkmal
(Selektionsmerkmal)
• Pragmatisches Merkmal
(Funktion - Intention,
Modell wozu? für wen? wann?)
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Modellierung
Die methodisch geleitete
Tätigkeit
der Erstellung von
Modellen
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Modellierungsansatz
ist eine aufeinander abgestimmte
Kombination von
• Methoden (wie ist etwas zu tun?)
• Vorgehen (was ist wann zu tun?)
• Werkzeugen (Womit ist etwas zu tun?)
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Datenmodellierung
Datenmodellierung
• Tätigkeit zur Strukturierung der
Datenbestände
Ziel:
Redundanzarme systematische
Beschreibung der zur
computerunterstützten Arbeit mit einem
DBMS benötigten Gegenstände,
Begriffe und deren Zusammenhänge.
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Datenmodellierung im Relationalen Modell
• Bestimmung der relevanten Objekttypen
• Bestimmung der relevanten
Eigenschaften (Attribute)
• Bestimmung der Beziehungen zwischen
den Objekttypen
• Abbildung der Objekttypen und der
Beziehungen auf Tabellen
• Normalisierung der Tabellen
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67
Datenmodellierung im Relationalen Modell
Objekte (Entities) können sein:
• Dinge
• Personen
• Gegenstände
• Vorgänge
alles was Eigenschaften hat!!!
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Datenmodellierung im Relationalen Modell
Definition:
Relation
Eine Relation R ist eine Teilmenge des kartesischen
Produktes von Domänen Di (1 i  n):
R  D1 x ... x Dn.
Endliche Relationen kann man auch als
zweidimensionale Tabellen darstellen.
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Datenmodellierung im Relationalen Modell
Tabellen
• Tabellenname
• Zeilen, Spalten, Zellen
• Merkmale, Attribute  Spalten
• Datensätze  Zeilen
• Datenelemente  Zellen
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Datenmodellierung im Relationalen Modell
Beispiel
Spalte / Attribut
Mitarbeiter
Datensatz
M#
M1
M2
Name
Becker
Meier
Ort
Basel
Lörrach
Datenelement / Datenwert
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Datenmodellierung im Relationalen Modell
Beziehung Tabelle / Relation
R= {(M1, Becker, Basel), (M2, Meier, Lörrach)}
M#
Name
Ort
M1
M2
Becker
Meier
Basel
Lörrach
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72
Relationen / Tabellen / ERM
Relation
Tabelle
ERM
Objekttyp
Relation
Tabelle
Entity-Typ
Objekt
Tupel
Zeile
Entity
Eigenschaft
"Stelle" in der Spalte mit
Relation
Attributname
Mittels
Durch
eigener
Verknüpfung
Relation
von
zwischen
SchlüsselObjektnamen attributen
Beziehung
zwischen
Objekten
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Attribut
Relationship
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Datenmodellierung im Relationalen Modell
Tabellendefinition
• Eindeutiger Tabellenname
• Eindeutiger Merkmalsname pro Tabelle
• Reihenfolge der Merkmale ist egal
• Anzahl der Merkmale ist beliebig (endlich)
• Anzahl der Datensätze ist beliebig (endlich)
• Die Reihenfolge der Datensätze ist beliebig
• Mit jedem Merkmal wird ein Datentyp verknüpft
• Schlüsselfeld dient der eindeutigen Identifikation
eines Datensatzes
• Es gibt keine 2 Datensätze mit identischen
Schlüsselwerten
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Datenmodellierung im Relationalen Modell
Atomare Attributwerte:
Für das Relationale Modell gilt folgende
wesentliche Einschränkung:
• Der Wert eines Attributs darf nur aus
einem „atomaren“ Attributwert bestehen.
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Datenmodellierung im Relationalen Modell
Beispiel:
Die Relation
Hobby(Name, Hobbies)
enthalte die folgenden Tupel:
• (Huber, {Drachenfliegen,Segeln, Bergsteigen})
• (Meier, Musik)
• (Mueller, {Musik, Literatur, Theater})
Nicht-atomare Attributwerte sind
• {Drachenfliegen, Segeln, Bergsteigen} und
{Musik, Literatur, Theater}.
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76
Datenmodellierung im Relationalen Modell
Definition:
erste Normalform
Eine Relation ist in erster Normalform
(1NF), wenn alle ihre Attribute nur
atomare Attributwerte besitzen.
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77
Datenmodellierung im Relationalen Modell
Beispiel:
Normalisierung in 1NF
Die Relation Hobby kann auf einfache Weise in eine Relation „Hob“
in erster Normalform überführt werden:
Relationenschema
Hob(Name: varchar(20), Hobby: varchar(30))
und folgenden Tupeln
(Huber, Drachenfliegen)
(Huber, Segeln)
(Huber, Bergsteigen)
(Meier, Musik)
(Mueller, Musik)
(Mueller, Literatur)
(Mueller, Theater)
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