Set-Typen

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Historische Entwicklung
von Datenbanken
Agenda
1. Einführung
1.1 Historische Entwicklung
1.2 Motivation für Datenbanken
2. Datenmodelle
2.1 Hierarchisches Datenmodell
2.2 Netzwerk-Datenmodell
2.3 Das CODASYL/DTBTG-Konzept
2.4 Das ANSI/X3/SPARC-Konzept
2
Historische Entwicklung von Datenbanken
Jochen Löhl
Mario Lörcher
Ingo Sahm
1. Einführung
1.1 Historische Entwicklung
• Ab 18. Jhd.: Lochkarten
• 1956: Erfindung der Festplatte
• 1968 – 1975: Hierarchisches Datenmodell
• 1975 – 1980: Netzwerkdatenmodell
• Ab 1980: Relationales Datenmodell
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Historische Entwicklung von Datenbanken
Jochen Löhl
Mario Lörcher
Ingo Sahm
1. Einführung
1.2 Motivation für Datenbanken
Klassische Programmiersprachen (FORTRAN, ALGOL,
Pascal) hatten lediglich primitive DateimanipulationsAnweisungen
• Mehr auf Verarbeitung als auf Strukturierung des Datenbestandes
ausgerichtet
• Keine Beschreibung der Beziehungen der Daten untereinander
• Schwierige Pflege der Daten
• Starre Kopplung zwischen Datein und Programmen
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1. Einführung
1.2 Motivation für Datenbanken
• Änderungen in der Datenstruktur bedingen Änderungen in
Programmen und umgekehrt (keine Datenunabhängigkeit)
• Kein koordinierter Zugriff durch mehrere Programme
• Jedes Programm war zuständig für Datenschutz und –sicherheit
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1. Einführung
1.2 Motivation für Datenbanken
Daraus ergaben sich folgende Prinzipien:
• Organisatorisch zentrale Betreuung von Daten
• Trennung von Daten und Programmen
Programm A
DBMS
DB
Programm B
DBS
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1. Einführung
1.2 Motivation für Datenbanken
Erreichte Ziele durch Einsatz von Datenbanken
• Datenunabhängigkeit
• Benutzerorientierte Sicht der Daten
• Datenintegrität
• Vermeidung von Redundanz
• Unterstützung der Datenmanipulation
• Koordinierung des Mehrbenutzerbetriebs
• Datenneutralität
• Flexibilität
• Effizienz
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Ingo Sahm
Agenda
1. Einführung
1.1 Historische Entwicklung
1.2 Motivation für Datenbanken
2. Datenmodelle
2.1 Hierarchisches Datenmodell
2.2 Netzwerk-Datenmodell
2.3 Das CODASYL/DTBTG-Konzept
2.4 Das ANSI/X3/SPARC-Konzept
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2. Datenmodelle
Definition:
Datenstrukturen, die zur Beschreibung von Daten und
deren Beziehung untereinander zur Verfügung stehen,
bezeichnet man als Datenmodell.
[Stegemann, 1993]
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2. Datenmodelle
Es gibt drei „klassische“ Datenmodelle:
• Das hierarchische Modell
• Das Netzwerkmodell
• Das relationale Modell
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2. Datenmodelle
2.1 hierarchisches Datenmodell
•
•
•
•
•
Ältestes Datenmodell
Geht aus Informationsmanagementsystemen (IMS) der 50er und 60er
Jahre hervor (Einsatzgebiete: Banken und Versicherungsunternehmen)
Eignet sich für Beziehungen, bei denen sich aus einem Oberbegriff viele
Unterbegriffe ableiten lassen (1:n-Beziehungen)
Zugriff nur über den Suchschlüssel des Objekts der obersten Ebene
möglich (die anderen entlang der hierarchischen Ordnung)
Anwender muss den Pfad zum gesuchten Datensatz kennen
Beispiel:
Aufbau der Verzeichnisse im Betriebssystem DOS
C:\Studium\EB8\Daba\Präsi.ppt
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2. Datenmodelle
2.1 hierarchisches Datenmodell
•
Strukturelemente sind:
Objekttypen und unbenannte hierarchische Beziehungen
•
„unbenannt“: keine Bezeichnungen für die Beziehung
(Gegensatz dazu: Entity-Relationship-Modell)
•
Wurzelbaum (Graph aus
Objekttypen [Knoten] und
Beziehungen [Kanten])
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2. Datenmodelle
2.1 hierarchisches Datenmodell
Pfad
Wurzel (root)
Pfadlänge: hier Länge = 2
Niveau eines Knoten =
Pfadlänge des Knoten von der
Wurzel + 1
Kante
Höhe eines Wurzelbaums =
max. Pfadlänge
innere
Knoten
Nachbarn
Blätter
Wurzelbaum-Typ / Hierarchie-Typ
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2. Datenmodelle
2.1 hierarchisches Datenmodell
Hierarchische Ordnung
a1
b11
b12
c121
14
a2
b13
c122
b14
C141
b15
c142
b21
c211
b22
c212
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b23
2. Datenmodelle
2.1 hierarchisches Datenmodell
Darstellung von Beziehungen:
NICHT
Vater
Student
MÖGLICH !!
Tochter
Sohn
1:n - Beziehung
15
Matrikelnr.
1:1 - Beziehung
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m:n - Beziehung
2. Datenmodelle
2.1 hierarchisches Datenmodell
•
Darstellungsversuch einer m:n-Beziehung
Lieferant
m
L1
BT1
n
L2
BT2
BT1
BT1
BT3
L1
L2
ERHEBLICHE REDUNDANZ !!!!!
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Bauteil
BT2
BT3
L1
L2
2. Datenmodelle
2.1 hierarchisches Datenmodell
•
Redundanzdarstellung: [Bill/Fritsch, 1991]
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2. Datenmodelle
2.1 hierarchisches Datenmodell
PRO
• Werden Daten in Richtung der Hierarchie gesucht, so ist der Zugriff
sehr schnell
CONTRA
• Werden Daten gegen die Richtung der Hierarchie gesucht, muss ggf.
die gesamt Datenbank durchsucht werden. In diesem Falle sehr
langsam
• Unflexibel
• Bei komplexen Umgebungen schwierig zu modellieren
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2.2 Netzwerkdatenmodell
• Entwicklung
– 1971 von der Database Task Group des CODASYL als Standard
publiziert
– Versuch, die Inflexibilität des Hierarchischen Datenmodells
(Vermischung von interner und externer Ebene, nur 1:nBeziehungen, Abhängigkeit der Performance vom jeweiligen
Datenbestand, Zugriff nur durch Anwendungsprogramm) zu
beseitigen
– Netzwerkartige Beziehungen lassen sich ohne zusätzliche
Konzepte definieren
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2.2 Netzwerkdatenmodell
• Entwicklung
– Das NDM erfuhr nie die Verbreitung und Akzeptanz, da Codd
1970 sein Relationales Datenmodell veröffentlichte; dieses
Modell ging hinsichtlich der Flexibilität und Einfachheit in der
Modellierung weit über den CODASYL-Standard hinaus
– Mit der Idee des Semantic Web gewinnt das
Netzwerkdatenbankmodell wieder mehr an Bedeutung
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2.2 Netzwerkdatenmodell
• Strukturelemente
E1
Member-Typ
b
b: Benennung eines Set-Typs
Rekord-Typ
E2
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Owner-Typ
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2.2 Netzwerkdatenmodell
• Strukturelemente
– Wie beim Hierarchischen Datenmodell bereits erwähnt:
Objekttypen und hierarchische Beziehungen (1:mcBeziehungen), die hier Set-Typen genannt werden
– Im Netzwerkdatenmodell können nur binäre many-one (bzw.
one-many)-Beziehungen dargestellt werden
– Set-Typen sind benannte Beziehungen; d.h. sie tragen einen
Namen
– Ihnen können allerdings keine Attribute zugeordnet werden
– Ein Set-Typ ist also eine benannte hierarchische Beziehung
ohne Attribute
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2.2 Netzwerkdatenmodell
• Darstellung von Strukturen
– Die Darstellung einer 1:m-Beziehung wird durch einen Set-Typ
dargestellt
– Die Darstellung von m:n-Beziehungen wird durch einen
einfachen Trick ermöglicht:
• Zwischen den beiden Objekttypen wird ein Kett-Objekttyp
eingefügt, der mit den beiden anderen Objekttypen je einen
Set-Typ darstellt
• Die beiden Objekttypen sind darin jeweils die Owner
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2.2 Netzwerkdatenmodell
• Darstellung von Strukturen
Bauteil
Lieferant
Kett-Typ „Bauteil-Lieferant“
Geht über in:
Bauteil
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B-L
Lieferant
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2.2 Netzwerkdatenmodell
• Darstellung von Strukturen
B
1
B
2
L
1
B
3
B1
L
2
B1 L1
B2
B1 L2
B2 L2
B3 L1
L1
25
L2
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B3
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B3 L2
2.2 Netzwerkdatenmodell
• Stärken
– Normierter Zugriff und Modellierung.
– Sehr effizient, wenn die Verarbeitung der physischen
Organisation entspricht
– Keine strenge Hierarchie durch Abbildung von m:n-Beziehungen
• Schwächen
– Mangelhafte Datenunabhängigkeit:
• Kleine Änderungen an der Datenorganisation haben
gewaltige Auswirkungen auf die Programme.
– Komplexe Modellierung, da nur eingeschränkte Mechanismen
verfügbar.
– Anwendungsprogramme sind sehr komplex und schwer wartbar
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2.3 Das CODASYL/DBTG-Konzept
CODASYL (Conference on Data Systems Languages)
• Gründung im Rahmen eines Treffens von 40 Fachleuten aus
Herstellerbranche, Rüstungsindustrie, staatlichen und militärischen
Computerzentren am 28. und 29. Mai 1959
• Bedarf nach einer maschinen- und herstellerunabhängigen
Programmiersprache für Verwaltungsanwendungen
• Probleme des Militärs durch Rechnervielfalt und
verwaltungstechnische Expansion
• Nach sechs Monaten Spezifikation und Veröffentlichung der
Programmiersprache COBOL (COmmon Business Oriented
Language)
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2.3 Das CODASYL/DBTG-Konzept
CODASYL (Conference on Data Systems Languages)
• 1969: DBTG-Report (DBTG: Data Base Task Group)
• 1971: Überarbeitete Version des DBTG-Reports
 Vorstellung des CODASYL/DBTG-Konzepts
• 1975: Enhanced Cobol  Cobol erweitert um DB-Manipulationen
• CODASYL als solches exisitert heute nicht mehr  einige
Ausschüsse arbeiten jedoch noch
• Archivierte Dokumente im Charles Babbage Institute, University of
Minnesota
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2.3 Das CODASYL/DBTG-Konzept
Entwicklung des CODASYL/DBTG-Konzepts
• 1967 Gründung der Database Task Group (DBTG)
Ziel:
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Entwicklung eines Datenmodells um die
Inflexibilität des hierarchischen Datenmodells
zu beseitigen
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2.3 Das CODASYL/DBTG-Konzept
Entwicklung des CODASYL/DBTG-Konzepts
Unzulänglichkeiten des hierarchischen Datenmodells:
•
•
•
•
Vermischung von interner und externer Ebene
nur 1:n-Beziehungen
Abhängigkeit der Performance vom jeweiligen Datenmodell
Zugriff nur durch Anwendungsprogramme
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Historische Entwicklung von Datenbanken
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2.3 Das CODASYL/DBTG-Konzept
Entwicklung des CODASYL/DBTG-Konzepts
• Deshalb Entwicklung des CODASYL/DBTG-Konzepts durch die
Data Base Task Group (DBTG)
• Netzwerkdatenmodell
• Erster Vorschlag zur Standardisierung von Datenbanksystemen
 vorgestellt 1971
• Zunächst nur zwei Ebenen der Datenbeschreibung:
– Schema
– Subschema
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Historische Entwicklung von Datenbanken
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2.3 Das CODASYL/DBTG-Konzept
Schema
• Beschreibt die logische Datenstruktur einschließlich der logischen
Zugriffspfade einer Datenbank insgesamt
• Formale Beschreibung durch Data Definition Language (DDL)
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2.3 Das CODASYL/DBTG-Konzept
Subschema
• Beschreibt die logische Datenstruktur aus der Sicht eines
Anwendungsprogramms
• Von einer Anwendung benötigte Datenmenge  In der Regel
Teilmenge aller Daten der Datenbank (kann strukturell anders
zusammengestellt sein)
• Darf jedoch nicht im Widerspruch zum Schema stehen
• Formale Beschreibung durch Subschema-Beschreibungssprache
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2.3 Das CODASYL/DBTG-Konzept
• Datenmanipulation durch DML (Data Manipulation Language)
 benutzt COBOL als Wirtssprache
• Device Media Control Language für die Beschreibung der
physischen Speicherorganisation vorgesehen, jedoch nicht
spezifiziert
• Beschreibung der physischen Speicherschicht erst 1978 als Data
Storage Description Language (DSDL)
34
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2.3 Das CODASYL/DBTG-Konzept
• CODASYL/DBTG-Konzept wurde nach seiner Veröffentlichung als
Verbesserung gegenüber dem hierarchischen Datenmodell begrüßt
• Führende Datenbankhersteller boten darauf basierende DBMS an:
Siemens: UDS
Unisys: DMS-1100
Honeywell: IDS
DEC: DBMS 10
35
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2.3 Das CODASYL/DBTG-Konzept
• Allerdings erreichte das CODASYL/DBTG-Konzept nie die
vorhergesagte Akzeptanz und Verbreitung
• Gründe:
keine Unterstützung durch IBM (Verhinderung der
Entstehung eines Standards)
Veröffentlichung des relationalen Datenbankmodells durch
Ted Codd 1970
Modellierung einfacher und flexibler
noch heute gebräuchlich
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Historische Entwicklung von Datenbanken
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2.3 Das CODASYL/DBTG-Konzept
2.
3.
4.
5.
9.
6.
7.
8.
1. Anwenderprogramm
OS
Datentransfers
DBMS
Datentransfer
Anforderung
greift
wertet
fordert
verwaltet
stellt
aufdem
Speicher
Anforderder
I/O-Operazwischen
zwischen
SystemAnwenDaten
verzu
ung,
tionen
Speichern
Puffer
System-Puffern
derprogramm
arbeitet
vomSubschema
DBMS
für
vom
die
verschiedene
und
OS
Daten
StatusSysteman
und
undArAnwenderprogramme
Schema
Puffern
beitsbereich
informationen
aus der
zurAnwenVerfüdung (z.
gung
entsprechend
B. Fehlermeld.)
Subschema und Anforderung
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2.4 Das ANSI/X3/SPARC-Konzept
• 1975 entwickelt von einer Arbeitsgruppe des American National
Standards Institute (ANSI)
ANSI/X3/SPARC = ANS Committee on Computers / Standards
Planung and Requirement Committee
• Besteht aus drei Ebenen:
 Externes Schema (bei CODASYL Subschema)
 Konzeptionelles Schema (bei CODASYL Schema)
 Internes Schema (physische Organisation der Daten)
• Als Entwurfskonzept und in der Terminologie zu Datenbanksystemen
weitgehend durchgesetzt
38
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2.4 Das ANSI/X3/SPARC-Konzept
Verarbeitet das
konzeptionelle
Schema
Enthält die Metadaten
(Beschreibung der
Daten, logische
Datenorganisation,
Zugriffsrechte,...)
39
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Mario Lörcher
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Vielen Dank
für die
Aufmerksamkeit!
Fragen?
40
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