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THEMA: Datenbank (Grundbegriffe)
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Grundbegriffe
Schauen wir uns zunächst die Grundbegriffe zum Thema "Datenbanken" in seiner Bedeutung
etwas genauer an.
Daten
Das allseits beliebte Online-Lexikon wikipedia weist dem zentralen Begriff "Daten" als logisch
gruppierte Informationseinheiten (engl., aber auch in der Informationstheorie Datum, von
lat. dare = geben, datum = das Gegebene) aus, die zwischen Systemen übertragen werden
oder auf Systemen gespeichert sind.
Für Informatiker sind Daten nicht nur Gebilde aus Zeichen, die aufgrund bekannter oder
unterstellter Abmachungen Informationen zu Objekte und Subjekte der realen Welt
vermitteln, vorrangig zum Zweck der Sammlung und Verarbeitung, sondern inzwischen
jegliche Formen digitalisierbarer Informationen (Bilder, Video, Sound).
Um aus Daten Informationen zu gewinnen, müssen sie in einem Bedeutungskontext
interpretiert werden. So kann die Zahlenfolge „12345678“ zum Beispiel nur in ihrem Kontext
als eine Telefonnummer, eine Kontonummer oder die Anzahl von Meerschweinchen in
deutschen Haushalten stehen. Als reiner Datenblock betrachtet handelt es sich bei
„12345678“ erst einmal nur um eine Aneinanderreihung von Ziffern oder Symbolen. Die
Bedeutung wird erst im jeweiligen Kontext sichtbar.
Die Speicherung von Daten in datenverarbeitenden Maschinen erfolgt in der Regel in binärer
Form, in Form von Bits als kleinste Speichereinheit, denn in der Computertechnik finden wir
Speichersysteme, die nur die Zustände „An“ und „Aus“ kennen, die als 1 und 0 und damit die
Basiswerte des Binärsystems interpretiert werden.
Man unterscheidet:

unstrukturierte Daten (beispielsweise Textdokumente)

strukturierte Daten (zum Beispiel Datenbanken)

semistrukturierte Daten (z. B. XML - Extensible Markup Language)
Datenbank
In der Informatik versteht man unter Datenbank (engl. database) einen logisch
zusammengehörigen Datenbestand, also eine Ansammlung von Informationen, die sich auf
ein bestimmtes Thema oder einen bestimmten Zweck beziehen, z. B. Bücher in einer
Bibliothek, Waren im Warenlager, Personal in einem Unternehmen, usw. Eine Datenbank ist
also die elektronische Form eines Karteikastens.
Die erste Generation von Datenbanken bestand aus Lochkarten, die hintereinander
(sequentiell) ausgelesen werden mussten, was zur Folge hatte, dass alle Informationen, die
vor der gesuchten standen, ausgelesen und verarbeitet werden mussten. Ähnlich
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funktionierten Magnetbänder, auf denen nur sequentielle Dateien gespeichert werden
konnten.
Die zweite Generation der Datenbanken wurde ca. 1960 entwickelt. Zu diesem Zeitpunkt
begann man, die Daten auf Festplatten zu halten, was zu einem erheblichen PerformanceVorteil führte und zudem der Mehrbenutzerbetrieb möglich machte, d.h. vielen Benutzern
hattengleichzeitige Zugriff auf die Datenbank.
Zwischen 1965 und 1975 wurde die dritte Generation der Datenbanken entwickelt. In dieser
Zeit entstanden das Hierarchische Datenbankmodell und die Netzwerkdatenbank, auf die hier
nicht eingegangen werden soll; ebenso bleiben neuere Entwicklung, so genannte
objektorientierte Datenbanken (OODBMS) aussen vor.
Einen wesentlichen Fortschritt in der dritten Generation erzielte in den 60er und 70er
Jahren Edgar F. Codd mit seiner Forschungsarbeit am IBM Almaden Research Center in San
Jose. Codd entwickelte die Grundlagen der relationalen Datenbanken.
Relationale Datenbanken
Relationale Datenbanken sind heute am weitesten verbreitet. In ihnen werden Daten (Texte,
Zahlen und Binärdaten) in Tabellen abgespeichert. Die Bezeichnung Relational entstammt
dem zugrunde liegenden mathematischen Modell, der Relationalen Algebra, auf dem diese
Datenbanken beruhen.
Tabelle
Eine Tabelle ist eine Zusammenfassung einer Anzahl von Datensätzen mit gleicher
Struktur, vergleichbar einem Karteikasten. Im DBMS werden diese Datensätze üblicherweise
auch tabellarisch dargestellt. Eine Adresstabelle könnte z.B. speichern: Name, Vorname,
Straße, Hausnummer, Ort, Telefonnummer.
Datensatz
Alle Informationen, die zusammen einen Datensatz (Record, Tupel) ausmachen, sind als
eine Zeile der Tabelle realisiert. Man kann den Datensatz als Zeile anschauen oder
übersichtlicher als Formular auf einer Seite darstellen. Ein Datensatz ist vergleichbar mit einer
Karte aus einem Karteikasten.
Datenfeld
Ein (Daten-) Feld bzw. Attribut ist ein Teil eines Datensatzes, z. B. in einer Adresstabelle das
Feld mit dem Nachnamen. In Feldern können sich Daten unterschiedlichster Art - aber eines
definierten Datentyps - befinden, z. B. Text, Zahlen, Bilder, Sound, etc. Ein Feld ist
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vergleichbar einer Zeile auf einer Karte eines Karteikastens. Hierbei werden Schlüsselattribute
und sonstige Attribute unterschieden. Das Schlüsselattribut dient zum Identifizieren und
Verknüpfen von Datensätzen, während die restlichen Attribute nur vom Schlüssel abhängige
Daten enthalten. (Beispiel: Personalnummer ist Schlüssel; Eintrittsdatum und Geburtsdatum
sind Attribute).
Datenbankmanagementsystem
Der Datenbestand wird von einem Datenbankmanagementsystem (DBMS) auf einem
Speichermedium verwaltet. Das DBMS ist die eingesetzte Software, die für das
Datenbanksystem installiert und konfiguriert wird. Datenbankmanagementsysteme selbst
sind hochkomplexe Softwaresysteme, deren Auswahl eine kritische Entscheidung ist und die
von dem zugrunde gelegten Datenbankmodell abhängen.
Dieses Verwaltungssystem ermöglicht dem Nutzer, bestimmte Informationen (Daten) zu
erfassen, zu speichern, wieder aufzufinden, zu aktualisieren oder weitere Operationen mit
den Daten durchzuführen, wie z. B. das Sortieren nach bestimmten Kriterien.
Um einen effizienten Zugriff auf die Daten zu gewährleisten, verwaltet das DBMS in der Regel
eine Speicherhierarchie, die insbesondere auch einen schnellen Zwischenspeicher (Pufferpool)
umfasst. Zur Wahrung der Integrität des Datenbestandes müssen sich alle Softwaresysteme,
egal ob Betriebssystem oder Textverarbeitung, an das DBMS wenden, um die Datenbank
nutzen zu können.
Einzelne DBMS-Hersteller verwenden geringfügig voneinander abweichende Begrifflichkeiten
dafür, was man genau unter einer Datenbank versteht: entweder alle Daten, die von einem
laufenden DBMS bzw. der Instanz verwaltet werden, oder nur die jeweils inhaltlich
zusammengehörigen Daten. Bei verteilten Datenbanken gibt es auch im Modell mehrere
Datenbanken auf unterschiedlichen Systemen, die miteinander verbunden sind.
Wir wollen uns mit einem Relationalen Datenbankmodell beschäftigen und uns dabei die
Funktionsweise eines RDBMS (relationales Datenbankmanagementsystem) am Beispiel von
MS ACCESS anschauen. Der Begriff relational deutet dabei schon an, dass Tabellen und
deren Beziehungen eine wichtige Rolle spielen. Derzeit verwenden alle wichtigen DesktopDatenbanksysteme dieses Schema.
MS ACESS beinhaltet alle Komponenten, die zur Eingabe, Speicherung, Auswertung und
Ausgabe von Informationen dienen. Dazu zählen im einzelnen:

Tabellen zur Informationsspeicherung

Abfragen, um gezielt Informationen zu finden

Formulare zur Ein- und Ausgabe von Informationen und zur Benutzerführung

Berichte, um Informationen auszudrucken

Makros, um Arbeitsabläufe zu automatisieren

Module zur individuellen Programmierung
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Microsoft ACCESS ist ein DBMS, mit dem sich auch größere Datenbestände schnell und
komfortabel in Datenbanken verwalten lassen.
Funktionen von DBMS
Zur Wahrung der Datenintegrität und Konsistenz der Daten erfüllen moderne DBMS folgende
Funktionen:
Datensicherheit
Das RDBMS speichert neben den eigentlichen Daten zusätlich Informationen über die
Datenstruktur und Zugriffsrechte von Benutzern. Letztere sind wichtig, um die
Datensicherheit zu garantieren. Dazu gehört sowohl Schutz gegen Datenverlust sowie Schutz
gegen unerlaubten Zugriff. Die Metadaten eines DBMS werden auch als das Data Dictionary
oder Katalog des Systems bezeichnet.
Ein weiterer Wichtige aufgabe des RDBMS ist das Sichern des Datenbestandes durch
Backups.
Transaktionen
Ein weiterer wichtiger Teil der Datensicherheit ist das Transaktionskonzept, das Datenverlust
durch den parallelen Zugriff mehrerer Benutzer schützt. Das Ergebnis der Änderungen würde
dann vom Zufall abhängen. Vereinfacht dargestellt, sperren Transaktionen Daten
vorübergehend für den Zugriff durch einen Benutzer, bis eine Transaktion beendet ist.
Danach werden die geänderten Daten wieder freigegeben.
Datenintegrität
Die Integrität der Daten kann durch sog. Constraints sichergestellt werden: Regeln im
Managementsystem beschreiben, wie Daten verändert werden dürfen. Der wichtigste
Vertreter bei relationalen Datenbanksystemen ist der Foreign Key Constraint, denn dieser
verhindert, dass Daten gelöscht werden können, die noch von einer anderen Tabelle benötigt
werden. Das sind Daten, die über einen Foreign Key (Fremdschlüssel) verknüpft sind.
Abfrageoptimierung
Damit Daten abgefragt und manipuliert werden können, stellt das DBMS eine
Datenbanksprache zur Verfügung, die die Abfrage an das Datenbanksystem in die Sprache
der logischen Operationen übersetzt. Die Wahl der Operatoren und die Reihenfolge ihrer
Ausführung nennt man das Erstellen eines Ausführungsplans durch den Abfrageoptimierer
der ein besonders komplexer Teil und wichtiger der Datenbanksoftware ist.
Bei der Abfrage spielen Indizes eine wichtige Rolle. Sie dienen dazu, besondern in großen
datenbeständen, schneller einen bestimmten Datensatz zu finden. Welche Daten einen Index
erhalten, wird beim Anlegen der Datenbankstruktur festgelegt, kann aber später noch
angepasst werden.
Die Datenbanksprache hat folgenden Zwecke:

Datenabfrage und -manipulation (DML)
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
Verwaltung der Datenbank und Definition der Datenstrukturen (DDL)

Berechtigungssteuerung (DCL)
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Bei den relationalen DBMS sind diese Bereich durch die Sprache SQL (das Kürzel für
Structured Query Language; offizielle Aussprache [ɛskjuːˈɛl]) abgedeckt.
Anwendungsunterstützung
Benutzerfreundliche Systeme ermöglichen das Programmieren von Datenbankapplikationen,
die über Trigger und Stored Procedures mit der Datenbank kommunizieren. Ein Trigger löst
eine Aktion in der Datenbank aus, wenn ein bestimmtes Ereignis eingetreten ist, z.B. wenn
der Benutzer in seiner Datenbankanwendung auf den Löschen-button klickt. Stored
Procedures dienen dem Ausführen von Scripten in der Datenbank. Datenbanken, die Trigger
und Stored Procedures unterstützen, werden auch als aktive Datenbanken bezeichnet
Mehrbenutzerfähigkeit
Für den Zugriff auf die Daten des DBS müssen Berechtigungen verwaltet werden. Ohne
Berechtigung kann die entsprechende Operation nicht durchgeführt werden.
Für den (pseudo-)gleichzeitigen Zugriff mehrerer Anwendungen bzw. Anwender regelt das
DBMS die Zugriffe durch

Sperren (engl. locks),

Systemprotokolle (engl. logs bzw. log files)

Transaktionen.
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