Folien zum Thema Datenbanken

THEMADatenbankenundDatenbanksysteme1 Vorlesung Datenbanken – FHDW© Prof. Dr. G. Hellberg Juli 2001

Gliederung• Datenbank (DB) und Datenbank-Management-System (DBMS)• Drei-Schema-Architektur• Dateisystem vs. Datenbanksystem (DBS)• Datenmodelle• Die 12 Regeln zu relationalen DBMS (RDBMS) nachE. F. Codd• Beurteilungskriterien für die Qualität eines DBMS• Das RDBMS der Oracle Corporation; andereAnbieter2 Vorlesung Datenbanken – FHDW© Prof. Dr. G. Hellberg Juli 2001

DefinitionenDatenZeichen, die zum Zweck der Verarbeitung Informationenaufgrund bekannter oder unterstellter Vereinbarungendarstellen.Datenbank (DB)Eine DB ist eine selbständige und auf Dauer ausgelegteDatenorganisation, welche einen Datenbestand sicher undflexibel verwalten kann. Diese beinhaltet zusätzlich alleMetainformationen und steht einer Gruppe von Benutzern innur einem Exemplar zur Verfügung.Datenbank-Management-System (DBMS)Die Gesamtheit aller Programme zur Erzeugung, Verwaltungund Manipulation einer DB. Es gilt: DB = Daten + DBMS.Datenbank (DB) und Datenbank-Management-System (DBMS)3 Vorlesung Datenbanken – FHDW© Prof. Dr. G. Hellberg Juli 2001

Aufgaben einer Datenbank1. BenutzerfreundlichkeitFür den Zugriff eines Benutzers auf die gespeicherten Datensind keine Kenntnisse über die Organisation der Datenerforderlich.2. ZugriffssicherheitEin Benutzer kann nur die Daten sichten und bearbeiten, fürdie er eine entsprechende Zugriffsberechtigung besitzt.3. Applikationsunabhängige DatenorganisationDie interne Organisation einer DB muss änderbar sein, ohnedass die Anwenderprogramme, die auf diese DB zugreifen,angepasst werden müssen.Datenbank (DB) und Datenbank-Management-System (DBMS)4 Vorlesung Datenbanken – FHDW© Prof. Dr. G. Hellberg Juli 2001

Eigenschaften einer Datenbank1. DatenintegritätDie Daten müssen in überschaubaren Strukturen abgelegtwerden, wobei die Informationen nicht mehrfach (redundant)gespeichert werden sollen.2. AnwendungsunabhängigkeitDie Benutzeranwendungen müssen von den gespeichertenDaten unabhängig funktionieren können.3. FlexibilitätEs müssen neue Anwenderprogramme entwickelt werdenkönnen, um die Handhabung der Daten zu erweitern.Datenbank (DB) und Datenbank-Management-System (DBMS)5 Vorlesung Datenbanken – FHDW© Prof. Dr. G. Hellberg Juli 2001

Bestandteile einer DBDaten• PhysischeDarstellungMaskengenerator• Eingabemasken• Integritätsprüfung• DarstellungS112S2HalsfgS3sdafdsfgSQLDBMSAbfragesprache• Datendefinition DDL• DatenmanipulationDML• Datenabfrage DQ• Datenschutz DSMenügenerator• Auswahl mehrererMasken• Organisation vonUnterprogrammenReportgenerator• Listen• Berichte• ÜbersichtenDatenbank (DB) und Datenbank-Management-System (DBMS)6 Vorlesung Datenbanken – FHDW© Prof. Dr. G. Hellberg Juli 2001

SchalenmodellMaskengeneratorReportgeneratorMenügeneratorSQLExport / ImportDDLDBMSDQAdministrationsprogrammeDMLDSSQL-InterpreterNetzwerkanbindungSonstige ProgrammeDatenbank (DB) und Datenbank-Management-System (DBMS)7 Vorlesung Datenbanken – FHDW© Prof. Dr. G. Hellberg Juli 2001

Nächster Abschnitt• Datenbank (DB) und Datenbank-Management-System (DBMS)• Drei-Schema-Architektur• Dateisystem vs. Datenbanksystem (DBS)• Datenmodelle• Die 12 Regeln zu relationalen DBMS (RDBMS) nachE. F. Codd• Beurteilungskriterien für die Qualität eines DBMS• Das RDBMS der Oracle Corporation; andereAnbieter8 Vorlesung Datenbanken – FHDW© Prof. Dr. G. Hellberg Juli 2001

Anforderungen an ein DBMS I• Systemkatalog (Data Dictionary, DD)Die physische und logische Beschreibung der Datenbank sowiealle Informationen hinsichtlich Benutzung undBenutzungsvorschriften, Speicherbelegung und physischerSpeicherreservierung werden im DD gehalten.• DatenunabhängigkeitAnalog zum Konzept des abstrakten Datentyps dürfenexistierende Anwendungen nicht beeinflusst werden von Ortund Art der physischen Abspeicherung (physischeDatenunabhängigkeit) und auch nicht voninformationserhaltenden Änderungen der Logik der Datenbank(logische Datenunabhängigkeit), wie z. B. Hinzufügung undUmbenennungen.Drei-Schema-Architektur9 Vorlesung Datenbanken – FHDW© Prof. Dr. G. Hellberg Juli 2001

Anforderungen an ein DBMS II• ViewsBereitstellung von Sichten auf die Datenbank und Vergabe vonRechten (z.B. nur Lesen).• SprachschnittstellenZum Einrichten, Manipulieren und Verwalten der Datenbank undzur Programmierung von Anwendungen.• SynchronisationMehreren Anwendungen den gleichzeitigen Zugriff auf dieDaten ermöglichen.Drei-Schema-Architektur10 Vorlesung Datenbanken – FHDW© Prof. Dr. G. Hellberg Juli 2001

Architektur eines DBMSDatenträgerhierarchischDatensatzinformationenrelationalDruckausgabeDateisysteminternes Schemaobjektorientiertkonzeptuelles SchemaBildschirmanzeigeexternes SchemaDrei-Schema-Architektur11 Vorlesung Datenbanken – FHDW© Prof. Dr. G. Hellberg Juli 2001

Nächster Abschnitt• Datenbank (DB) und Datenbank-Management-System (DBMS)• Drei-Schema-Architektur• Dateisystem vs. Datenbanksystem (DBS)• Datenmodelle• Die 12 Regeln zu relationalen DBMS (RDBMS) nachE. F. Codd• Beurteilungskriterien für die Qualität eines DBMS• Das RDBMS der Oracle Corporation; andereAnbieter12 Vorlesung Datenbanken – FHDW© Prof. Dr. G. Hellberg Juli 2001

VergleichskriterienEigenschaftDateisystem DatenbankHardware-Unabhängigkeit ☺ ☺Software-Unabhängigkeit ☹ ☺Redundanzfreiheit ☹ ☺Inkonsistenz-Schutz ☹ ☺Flexibilität ☹ ☺Datenschutz ☹ ☺Beachtung von Standards ☹ ☺Dateisystem vs. Danbanksystem13 Vorlesung Datenbanken – FHDW© Prof. Dr. G. Hellberg Juli 2001

Kriterium Hardware-UnabhängigkeitBeide Systeme erlauben es, Hardwarekomponentenauszutauschen, ohne dass der Benutzer des jeweiligenSystems davon etwas bemerken muss. Beide Systemeabstrahieren von den technischen Gegebenheiten desverwendeten Rechnersystems.Beispiel:Es können Platten und/oder Prozessoren ausgetauscht werden,ohne daß ein Systembenutzer seine Datenzugriffe im Programmändern müßte.Dateisystem vs. Danbanksystem14 Vorlesung Datenbanken – FHDW© Prof. Dr. G. Hellberg Juli 2001

Kriterium Software-UnabhängigkeitDateisysteme speichern die Daten entsprechend ihrerVerwendung; Datenbanken enthalten die Datenproblembezogen. Die Speicherung der Daten erfolgtsomit unabhängig von der sie verwendenden Software.Beispiel:Die Speicherung von Daten in einer Datei wird in einemAnwendungsprogramm definiert. Die Speicherung in einerDatenbank wird in der Datenbank selbst definiert (konzeptuellesSchema). Die Verwendung der Datensätze wird wiederum imAnwendungsprogramm definiert.Dateisystem vs. Danbanksystem15 Vorlesung Datenbanken – FHDW© Prof. Dr. G. Hellberg Juli 2001

Kriterium RedundanzfreiheitDurch häufiges Kopieren von Datensatzdateien undderen geringfügigen Änderungen durch Nutzer, entstehtim Dateisystem eine unkontrollierte Redundanz großerTeile des Datenbestandes. Die zentrale Pflege des voneiner Anwendung unabhängigen Datenbestandes ineiner Datenbank verhindert unkontrollierte Redundanz.Beispiel:25 Arbeitsplätze in fünf Abteilungen erzeugen fünfTeildatenbestände.Dateisystem vs. Danbanksystem16 Vorlesung Datenbanken – FHDW© Prof. Dr. G. Hellberg Juli 2001

Kriterium InkonsistenzDurch unbemerktes Ändern der Daten entsteht einGesamtdatenbestand, der nicht mehr konsistent ist.Analog zur Redundanz verhindert die zentrale Pflegedes anwendungsunabhängigen Datenbestandes ineiner Datenbank weitestgehend die Inkonsistenz.Beispiel:Die eigentlich "redundanten Teile" der Daten werden in denAbteilungen jeweils leicht modifiziert und nicht global abgeglichen- es entsteht Inkonsistenz.Dateisystem vs. Danbanksystem17 Vorlesung Datenbanken – FHDW© Prof. Dr. G. Hellberg Juli 2001

Kriterium FlexibilitätEin zentraler Datenbestand kann leicht nach diversenKriterien ausgewertet werden. Die Anpassung desDatenbestandes an neue Aufgabenstellungen (neueProgramme) ist meist nicht oder nur in sehr geringemUmfang notwendig.Beispiel:Wer greift wann und wie häufig auf welche Daten zu? WelcheDaten werden besonders häufig verwendet? Welche Abteilungenverwenden die Datenbank am meisten?Dateisystem vs. Danbanksystem18 Vorlesung Datenbanken – FHDW© Prof. Dr. G. Hellberg Juli 2001

Kriterium DatenschutzEin zentraler Datenbestand kann sinnvoll und einfachvor unberechtigtem Zugang geschützt werden - dieswird durch das DBMS vorgenommen. Im Dateisystemist jeder Benutzer für den Schutz seiner Daten selbstzuständig.Beispiel:Jeder Erzeuger von Daten in der Datenbank ist quasi Besitzerdieser Daten und kann anderen den Zugang gestatten. DasDBMS überprüft durch Authentifizierung der Benutzer, ob es sichbei dem Zugreifenden wirklich um die berechtigte Person oderdas berechtigte Programm handelt.Dateisystem vs. Danbanksystem19 Vorlesung Datenbanken – FHDW© Prof. Dr. G. Hellberg Juli 2001

Kriterium Beachtung von StandardsDie Durchsetzung und Einhaltung von Standards, z.B.Datenformaten, kann einfach gewährleistet werden.Dies ist teilweise sogar durch eine entsprechendeSchema-Modellierung möglich, wodurch Benutzer dannkeine Datensätze erzeugen können, die im Widerspruchzum jeweils festgelegten Standard stehen.Beispiel:- STEP-Datenbanken im Produktionsbereich- EDI-Datenbanken im Warenaustausch- IGES-Datenbanken für graphische InhalteDateisystem vs. Danbanksystem20 Vorlesung Datenbanken – FHDW© Prof. Dr. G. Hellberg Juli 2001

Nächster Abschnitt• Datenbank (DB) und Datenbank-Management-System (DBMS)• Drei-Schema-Architektur• Dateisystem vs. Datenbanksystem (DBS)• Datenmodelle• Die 12 Regeln zu relationalen DBMS (RDBMS) nachE. F. Codd• Beurteilungskriterien für die Qualität eines DBMS• Das RDBMS der Oracle Corporation; andereAnbieter21 Vorlesung Datenbanken – FHDW© Prof. Dr. G. Hellberg Juli 2001

Betrachtungsebenen für DatenBevor man die Datenformateund eine Datenorganisationfestlegt, um die Informationeneines Teils der realen Welt zubeschreiben, muss man dieBetrachtungsebenenbeschreiben, die dieSachverhalte beschreiben.Teil der realenWeltInformation überden Teil derrealen WeltLogischesDenkschemaFr. Meier leiht einLehrbuch ausLehrbuch an Fr. MeierBuchanAusleiherDatenträger Bücher AusleiherPhysikalischeSpeicherungDatenmodelle22 Vorlesung Datenbanken – FHDW© Prof. Dr. G. Hellberg Juli 2001

Was ist ein Datenmodell?Ein Datenmodell ist ein formales Konzept zurBeschreibung von Datenstrukturen, die die Strukturender realen abzubildenden Informationen repräsentieren.Man unterscheidet die folgenden Modelle Sequentielles Modell Hierarchisches Modell Netzwerkmodell Objektorientiertes Modell Relationales ModellDatenmodelle23 Vorlesung Datenbanken – FHDW© Prof. Dr. G. Hellberg Juli 2001

Bestandteile eines Datenmodells IEin Datenmodell besteht aus:• Objekten (Entities)Benannte Elemente mit charakterisierenden Eigenschaftenohne Berücksichtigung der Datenart oder des Datentyps.• BenennungskonventionenRegeln zur Vergabe von Objekt- und Eigenschaftsnamen.• KonsistenzregelnEigenschaften der Beziehungen zwischen zwei oder mehrerenObjekten, die sich aus dem Modell (inhärent) oder derabzubildenden Realität (explizit) ergeben.Datenmodelle24 Vorlesung Datenbanken – FHDW© Prof. Dr. G. Hellberg Juli 2001

Bestandteile eines Datenmodells IIEin Datenmodell besteht weiter aus:• Datenbankoperationen und –sprachenFestlegung der durchzuführenden Operationen (INSERT,UPDATE, DELETE) und der unterstützenden Abfragesprache(SQL, PL/SQL, INFORMIX/SQL)• Konventionen zur physischen AbspeicherungOrt der Datenbank- und Sekundärdateien, wie Indizes undHashing-Tabellen.Datenmodelle25 Vorlesung Datenbanken – FHDW© Prof. Dr. G. Hellberg Juli 2001

Sequentielles ModellAlle Daten werden als sequentielle Liste gehalten. Die strukturierendenMerkmale sind z.B. Wort, Satz, Absatz, Kapitel und Dokument. DiesesDatenmodell eignet sich besonders für Volltextdatenbanken, wobeiIndexdateien für einen schnelleren Zugriff erzeugt werden.DokumentdatenbankIndexDokumenteDatenmodelle26 Vorlesung Datenbanken – FHDW© Prof. Dr. G. Hellberg Juli 2001

Hierarchisches Modell (HDM)Ältestes Datenmodell, bei dem ein Datensatz mit allen hierarchisch vonihm abhängigen Datensätzen als Einheit betrachtet wird. Dieses Konzepteignet sich für Beziehungen, bei denen sich aus einem Oberbegriff vieleUnterbegriffe ableiten lassen (1:n-Beziehungen).Datenmodelle27 Vorlesung Datenbanken – FHDW© Prof. Dr. G. Hellberg Juli 2001

Netzwerkmodell (NDM)Beim Netzwerkmodell kann ein Datensatz eine beliebige Anzahlübergeordneter Datensätze aufweisen (n:m-Beziehungen). DasNetzwerkmodell eignet sich z. B. für die Modellierung einer Stückliste, daein Bauteil aus mehreren untergeordneten Teilen bestehen und zumanderen in mehrere übergeordnete Baugruppen eingehen kann.Datenmodelle28 Vorlesung Datenbanken – FHDW© Prof. Dr. G. Hellberg Juli 2001

Objektorientiertes Modell (OODM)Das objektorientierte Datenmodellbeinhaltet eine Kombination vonAnsätzen der klassischenDatenmodelle, der objektorientiertenProgrammierung und derWissensrepräsentation. Ziel ist es,die Struktur und das Verhaltenkomplexer Objekte 1:1 in derDatenbank abzubilden.Datenmodelle29 Vorlesung Datenbanken – FHDW© Prof. Dr. G. Hellberg Juli 2001

Relationales Modell (RDM)Beim relationalen Datenmodell stehen als Strukturelemente ausschließlichRelationen, die sich durch Tabellen darstellen lassen, zur Verfügung. DieDatensätze bilden die Zeilen, und die Merkmale des Objekts bzw. dieDatenfelder entsprechen den Spalten der Tabelle. Beziehungen zwischenbeliebigen Datensätzen werden über gleiche Feldinhalte hergestellt. DerBenutzer arbeitet nur mit logischen, mengenorientierten Abfragen, wobeidie physische Speicherung und der Datenzugriff für ihn im Hintergrundbleiben.1 nPS:Kunden#001002KundenNameMeierMüllerhat RechnungPS:RechnungenRech#R01R02R03ArtikelSchraubenZangenHammerKunden#001002001RSDatenmodelle30 Vorlesung Datenbanken – FHDW© Prof. Dr. G. Hellberg Juli 2001

Vergleich der Datenmodelle IDatenmodelle31 Vorlesung Datenbanken – FHDW© Prof. Dr. G. Hellberg Juli 2001

Vergleich der Datenmodelle IIDatenmodelle32 Vorlesung Datenbanken – FHDW© Prof. Dr. G. Hellberg Juli 2001

Vergleich der Datenmodelle IIDatenmodelle33 Vorlesung Datenbanken – FHDW© Prof. Dr. G. Hellberg Juli 2001

Vergleich der Datenmodelle IIRasch wachsende Praxisverbreitung der relationalen und objektorientiertenModelleRDM: Einfachheit und gute formale GrundlageOODM: Hohe Modellierungsmächtigkeit und explizite Unterstützung desObjektbegriffsRDM und OODM:– Mengenorientierte, deskriptive Anfragesprache mit hoherBenutzerfreundlichkeit– Hohes Maß an DatenunabhängigkeitNDM und HDM erfüllen heute nicht mehr die Anforderungen an einDatenbankmodell (Datenbanksystem) wegen– mangelnder Datenunabhängigkeit,– komplexer, schwer durchschaubarer Semantik der Navigationsoperationen,– Abhängigkeit der Navigationsoperationen von den Aktualitätszeigern und– prozeduraler, satzorientierter Anfragesprachen, die dem Benutzer dieKontrolle der Iteration aufbürden.Datenmodelle34 Vorlesung Datenbanken – FHDW© Prof. Dr. G. Hellberg Juli 2001

Nächster Abschnitt• Datenbank (DB) und Datenbank-Management-System (DBMS)• Drei-Schema-Architektur• Dateisystem vs. Datenbanksystem (DBS)• Datenmodelle• Die 12 Regeln zu relationalen DBMS (RDBMS)nach E. F. Codd• Beurteilungskriterien für die Qualität eines DBMS• Das RDBMS der Oracle Corporation; andereAnbieter35 Vorlesung Datenbanken – FHDW© Prof. Dr. G. Hellberg Juli 2001

Oberste Regel und die Regeln 1 und 2 von E. F. CoddOberste Regel:Ein relationales DBMS muß in der Lage sein, Datenbankenvollständig über seine relationalen Fähigkeiten zu verwalten.1. Darstellung von Informationen: Alle Informationen in einerrelationalen Datenbank (einschließlich Namen von Tabellen undSpalten) sind explizit als Werte in Tabellen darzustellen.2. Zugriff auf Daten: Jeder Wert einer relationalen Datenbank mußdurch eine Kombination von Tabellenname, Primärschlüssel undSpaltenname auffindbar sein.Die 12 Regeln zu relationalen DBMS (RDBMS) nach E. F. Codd36 Vorlesung Datenbanken – FHDW© Prof. Dr. G. Hellberg Juli 2001

Regel 3 bis 5 von E. F. Codd3. Systematische Behandlung von Nullwerten: Das DBMSbehandelt Nullwerte durchgängig gleich als unbekannte oderfehlende Daten und unterscheidet diese von Standardwerten.4. Struktur einer Datenbank: Die Datenbank und ihre Inhaltewerden in einem sogenannten Systemkatalog auf derselbenlogischen Ebene wie die Daten selbst - also in Tabellen -beschrieben. Demzufolge lässt sich der Katalog mit Hilfe derDatenbanksprache abfragen.5. Abfragesprache: Zu einem relationalen System gehörtmindestens eine Abfragesprache mit einem vollständigenBefehlssatz für Datendefinition, Manipulation, Integritätsregeln,Autorisierung und Transaktionen.Die 12 Regeln zu relationalen DBMS (RDBMS) nach E. F. Codd37 Vorlesung Datenbanken – FHDW© Prof. Dr. G. Hellberg Juli 2001

Regeln 6 bis 8 von E. F. Codd6. Aktualisieren von Sichten: Alle Sichten, die theoretischaktualisiert werden können, lassen sich auch vom Systemaktualisieren.7. Abfragen und Bearbeiten ganzer Tabellen: Das DBMSunterstützt nicht nur Abfragen, sondern auch die Operationen fürEinfügen, Aktualisieren und Löschen in Form ganzer Tabellen.8. Physikalische Datenunabhängigkeit: Der logische Zugriff auf dieDaten durch Anwendungen und Ad-Hoc-Programme mussunabhängig von den physikalischen Zugriffsmethoden oder denSpeicherstrukturen der Daten sein.Die 12 Regeln zu relationalen DBMS (RDBMS) nach E. F. Codd38 Vorlesung Datenbanken – FHDW© Prof. Dr. G. Hellberg Juli 2001

Regeln 9 bis 12 von E. F. Codd9. Logische Datenunabhängigkeit: Änderungen derTabellenstrukturen dürfen keinen Einfluss auf die Logik derAnwendungen und Ad-Hoc-Programme haben.10. Unabhängigkeit der Integrität: Integritätsregeln müssen sich inder Datenbanksprache definieren lassen. Die Regeln müssen imSystemkatalog gespeichert werden. Es darf nicht möglich sein,die Regeln zu umgehen.11. Verteilungsunabhängigkeit: Der logische Zugriff auf die Datendurch Anwendungen und Ad-Hoc-Programme darf sich beimÜbergang von einer nicht-verteilten zu einer verteiltenDatenbank nicht ändern.12. Kein Unterlaufen der Abfragesprache: Integritätsregeln, dieüber die Datenbanksprache definiert sind, dürfen sich nicht mitHilfe von Low-Level-Sprachen umgehen lassen.Die 12 Regeln zu relationalen DBMS (RDBMS) nach E. F. Codd39 Vorlesung Datenbanken – FHDW© Prof. Dr. G. Hellberg Juli 2001