Datenbanksysteme

Datenbanksysteme
Vorlesung im SS '99
[Version vom 22. Juli 1999]
Oliver Vornberger
Praktische Informatik
Fachbereich Mathematik/Informatik
Universitat Osnabruck
2
Literatur
Date, C.J:
An Introduction to Database Systems,
Addison-Wesley, 6. Auage 1995.
Elmasri R. & S. Navathe:
Fundamentals of Database Systems ,
Benjamin/Cummings Publishing Company, 2. Auage 1994 (3. Auage erscheint Herbst
99).
Hamilton G., R. Cattell, M. Fisher:
JDBC. Datenbankzugri mit Java ,
Addison-Wesley, Bonn, 1998
Heuer, A. & G. Saake:
Datenbanken - Konzepte und Sprachen ,
International Thompson Publishing, 1. korrigierter Nachdruck 1997.
Kemper, A. & A. Eickler:
Datenbanksysteme - Eine Einfuhrung
Oldenbourg, 2. aktualisierte Auage 1997.
Schlager, G. & W. Stucky:
Datenbanksysteme: Konzepte und Modelle
Teubner Studienbuch Informatik, 2. Auage 1983
Silberschatz, A. & H.F. Korth & S. Sudarshan:
Database System Concepts,
Mc Graw-Hill, 1991.
Ullman, J. D.:
Principles of Data and Knowledge-Base Systems,
Computer Science Press, 1988.
Vossen, G.:
Datenmodelle, Datenbanksprachen und Datenbank-Management-Systeme,
Addison-Wesley, 2.aktualisierte Ausgabe 1994.
Die Vorlesung orientiert sich uberwiegend an dem Buch von Kemper/Eickler. Zahlreiche Beispiele und Graken wurden von dort u bernommen. 10 Exemplare sind in der Lehrbuchsammlung vorhanden (Standort: N-LB, Signatur: TWY/Kem).
HTML-Version
Der Inhalt dieser Vorlesung und die dazu gehorenden U bungsaufgaben konnen online abgerufen werden unter http://www-lehre.informatik.uni-osnabrueck.de/~dbs
3
Danksagung
Ich danke ...
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Frau Astrid Heinze fur sorgfaltiges Erfassen zahlreicher Texte, Graken und Tabellen.
den Studenten Ralf Kunze, Stefan Rauch und Benjamin Stark fur Installation und
Erprobung diverser Software-Beispiele.
Herrn Viktor Herzog fur die Konvertierung des Skripts nach HTML.
Osnabruck, im Juli 1999
(Oliver Vornberger)
4
Inhaltsverzeichnis
1 Einfuhrung
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
Denition . . . . . . .
Motivation . . . . . .
Datenabstraktion . . .
Transformationsregeln
Datenunabhangigkeit .
Modellierungskonzepte
Architektur . . . . . .
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2 Konzeptuelle Modellierung
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
Das Entity-Relationship-Modell . . . . .
Schlussel . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Charakterisierung von Beziehungstypen
Die (min, max)-Notation . . . . . . . . .
Existenzabhangige Entity-Typen . . . .
Generalisierung . . . . . . . . . . . . . .
Aggregation . . . . . . . . . . . . . . . .
Konsolidierung . . . . . . . . . . . . . .
3 Logische Datenmodelle
3.1
3.2
3.3
3.4
Das Hierarchische Datenmodell . .
Das Netzwerk-Datenmodell . . . .
Das Relationale Datenmodell . . .
Das Objektorientierte Datenmodell
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4 Physikalische Datenorganisation
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4.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
11
11
11
12
13
14
14
16
19
19
20
20
21
22
23
24
25
29
29
31
32
33
35
35
INHALTSVERZEICHNIS
6
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
Heap-File . . . . . . .
Hashing . . . . . . . .
Erweiterbares Hashing
ISAM . . . . . . . . .
B*-Baum . . . . . . .
Sekundar-Index . . . .
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5 Mehrdimensionale Suchstrukturen
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
5.6
Problemstellung . . . . . . . . . . . . . . . .
k-d-Baum . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Gitterverfahren mit konstanter Gittergroe
Grid File . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufspalten und Mischen beim Grid File . .
Verwaltung geometrischer Objekte . . . . .
6 Das Relationale Modell
6.1
6.2
6.3
6.4
6.5
6.6
6.7
6.8
Denition . . . . . . . . . . . . . . . .
Umsetzung in ein relationales Schema
Verfeinerung des relationalen Schemas
Abfragesprachen . . . . . . . . . . . .
Relationenalgebra . . . . . . . . . . . .
Relationenkalkul . . . . . . . . . . . .
Der relationale Tupelkalkul . . . . . .
Der relationale Domanenkalkul . . . .
7 Relationale Anfragesprachen
7.1
7.2
7.3
7.4
7.5
7.6
7.7
7.8
7.9
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Oracle Datenbank . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
SQL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Datentypen in Oracle . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schemadenition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufbau einer SQL-Query zum Anfragen . . . . . . . .
SQL-Queries zum Anfragen . . . . . . . . . . . . . . .
SQL-Queries zum Einfugen, Modizieren und Loschen
SQL-Queries zum Anlegen von Sichten . . . . . . . . .
Query by Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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85
85
87
INHALTSVERZEICHNIS
7
8 Datenintegritat
8.1
8.2
8.3
8.4
8.5
Grundlagen . . . . . . . . . . .
Referentielle Integritat . . . . .
Referentielle Integritat in SQL
Statische Integritat in SQL . .
Trigger . . . . . . . . . . . . . .
9 Datenbankapplikationen
9.1
9.2
9.3
9.4
9.5
MS-Access . . . .
PL/SQL . . . . .
Embedded SQL .
JDBC . . . . . .
Cold Fusion . . .
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10 Relationale Entwurfstheorie
10.1
10.2
10.3
10.4
10.5
10.6
10.7
10.8
Funktionale Abhangigkeiten . . . . . . . .
Schlussel . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Bestimmung funktionaler Abhangigkeiten
Schlechte Relationenschemata . . . . . . .
Zerlegung von Relationen . . . . . . . . .
Erste Normalform . . . . . . . . . . . . .
Zweite Normalform . . . . . . . . . . . . .
Dritte Normalform . . . . . . . . . . . . .
11 Transaktionsverwaltung
11.1
11.2
11.3
11.4
11.5
11.6
Begrie . . . . . . . . . . . . . . . . .
Operationen auf Transaktionsebene . .
Abschlu einer Transaktion . . . . . .
Eigenschaften von Transaktionen . . .
Transaktionsverwaltung in SQL . . . .
Zustandsubergange einer Transaktion
12 Mehrbenutzersynchronisation
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139
139
140
140
140
141
143
12.1 Multiprogramming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
12.2 Fehler bei unkontrolliertem Mehrbenutzerbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . 143
12.2.1 Lost Update . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
INHALTSVERZEICHNIS
8
12.3
12.4
12.5
12.6
12.7
12.8
12.9
12.2.2 Dirty Read . . . . . . . . . . . . . . . .
12.2.3 Phantomproblem . . . . . . . . . . . . .
Serialisierbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . .
Theorie der Serialisierbarkeit . . . . . . . . . .
Algorithmus zum Testen auf Serialisierbarkeit:
Sperrbasierte Synchronisation . . . . . . . . . .
Verklemmungen (Deadlocks) . . . . . . . . . . .
Hierarchische Sperrgranulate . . . . . . . . . .
Zeitstempelverfahren . . . . . . . . . . . . . . .
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13 Recovery
13.1 Fehlerklassen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.1.1 Lokaler Fehler einer Transaktion . . . . .
13.1.2 Fehler mit Hauptspeicherverlust . . . . .
13.1.3 Fehler mit Hintergrundspeicherverlust . .
13.2 Die Speicherhierarchie . . . . . . . . . . . . . . .
13.2.1 Ersetzen von Puerseiten . . . . . . . . .
13.2.2 Zuruckschreiben von Puerseiten . . . . .
13.2.3 Einbringstrategie . . . . . . . . . . . . . .
13.3 Protokollierung der A nderungsoperationen . . . .
13.3.1 Struktur der Log-Eintrage . . . . . . . . .
13.3.2 Beispiel einer Log-Datei . . . . . . . . . .
13.3.3 Logische versus physische Protokollierung
13.3.4 Schreiben der Log-Information . . . . . .
13.3.5 WAL-Prinzip . . . . . . . . . . . . . . . .
13.4 Wiederanlauf nach einem Fehler . . . . . . . . .
13.5 Lokales Zurucksetzen einer Transaktion . . . . .
13.6 Sicherungspunkte . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.7 Verlust der materialisierten Datenbasis . . . . . .
14 Sicherheit
14.1
14.2
14.3
14.4
Legislative Manahmen . . .
Organisatorische Manahmen
Authentisierung . . . . . . . .
Zugriskontrolle . . . . . . .
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INHALTSVERZEICHNIS
9
14.5 Auditing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.6 Kryptographie . . . . . . . . . . . . . . . .
14.6.1 Public Key Systems . . . . . . . . .
14.6.2 Das RSA-Verfahren . . . . . . . . .
14.6.3 Korrektheit des RSA-Verfahrens . .
14.6.4 Ezienz des RSA-Verfahrens . . . .
14.6.5 Sicherheit des RSA-Verfahrens . . .
14.6.6 Implementation des RSA-Verfahrens
14.6.7 Anwendungen des RSA-Verfahrens .
15 Objektorientierte Datenbanken
15.1 Schwachen relationaler Systeme . . . . . . .
15.2 Vorteile der objektorientierten Modellierung
15.3 Der ODMG-Standard . . . . . . . . . . . .
15.4 Eigenschaften von Objekten . . . . . . . . .
15.5 Denition von Attributen . . . . . . . . . .
15.6 Denition von Beziehungen . . . . . . . . .
15.7 Extensionen und Schlussel . . . . . . . . . .
15.8 Modellierung des Verhaltens . . . . . . . . .
15.9 Vererbung . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.10Beispiel einer Typhierarchie . . . . . . . . .
15.11Verfeinerung und spates Binden . . . . . . .
15.12Mehrfachvererbung . . . . . . . . . . . . . .
15.13Die Anfragesprache OQL . . . . . . . . . .
15.14C++-Einbettung . . . . . . . . . . . . . . .
16 Data Warehouse
16.1
16.2
16.3
16.4
16.5
16.6
16.7
Datenbankentwurf fur Data Warehouse .
Star Join . . . . . . . . . . . . . . . . .
Roll-Up/Drill-Down-Anfragen . . . . . .
Materialisierung von Aggregaten . . . .
Der Cube-Operator . . . . . . . . . . . .
Data Warehouse-Architekturen . . . . .
Data Mining . . . . . . . . . . . . . . .
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