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Datenbanken1 Datenbankentwurf

Karl Meier [email protected] 21.09.2010

221.09.2010 1 Datenbankentwurf

Inhalt 3-Phasen-Modell

Datenbank – Lebenszyklus

Datenbankentwurf

ER - Modell

Übung

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3 – Ebenen – Modell(ANSI-SPARC 1978)

Externe Ebene

Konzeptionelle Ebene

Interne Ebene

Transformationsregeln

Transformationsregeln

Sicht 3Sicht 2Sicht 1

Konzeptionelles Schema

Internes Schema

Logische Gesamtsicht

Physikalische Beschreibung

Benutzerdefinierte Sichten


Datenbankentwurf

Datenbankentwurf ist der Planungs-prozess der Datenbank mit folgendenAspekten:

Logische Struktur Physische Struktur Zusätzliche Bedingungen

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Entwicklungsprozess eines DBS

AnalyseDesign /

Redesign

Betrieb Implementation


Datenbank - Lebenszyklus

Verschiedene Phasen der Entwicklungvon Software können auch auf dieDatenbankentwicklung angewendetwerden.

AnalysePlanung

Entwicklung

Test BetriebEntwurf

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Anforderungsanalyse

• Anforderungskatalog / Lastenheft

• Pflichtenheft

• Benutzergruppen

• Anwendungen

• Prozesse / Vorgänge

• Randbedingungen

• Dialog mit Anwendern


PflichtenheftDas Pflichtenheft ist die vertraglich bindende,detaillierte Beschreibung einer zu erfüllenden Leistung,zum Beispiel der Erstellung eines Computerprogramms.Laut DIN 69905 umfasst das Pflichtenheft die "vomAuftragnehmer erarbeiteten Realisierungsvorhabenaufgrund der Umsetzung des vom Auftraggebervorgegebenen Lastenhefts."Die Inhalte des zuvor ausgearbeiteten Lastenhefts (auchgrobes Pflichtenheft genannt) sind nun präzisiert,vollständig und nachvollziehbar sowie mit technischenFestlegungen der Betriebs- und Wartungsumgebungverknüpft.

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Motivation


Inhalt eines Pflichtenheftes1. Zielbestimmung: muss / soll / kann und Abgrenzungen2. Produkteinsatz: Anwendungsbereiche / Zielgruppen /

Betriebsbedingungen3. Produktübersicht: kurze Übersicht über das Produkt4. Produktfunktionen: genaue und detaillierte Beschreibung5. Produktdaten: langfristig zu speichernde Daten aus Benutzersicht6. Produktleistungen: Anforderungen bezüglich Zeit und Genauigkeit7. Qualitätsanforderungen8. Benutzeroberfläche: grundlegende Anforderungen, Zugriffsrechte9. Nichtfunktionale Anforderungen: einzuhaltende Gesetze und

Normen, Sicherheitsanforderungen, Plattformabhängigkeiten 10. Technische Produktumgebung: Software / Hardware /

Organisatorisches / Schnittstellen11. Spezielle Anforderungen an die Entwicklungs-Umgebung12. Gliederung in Teilprodukte13. Ergänzungen

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Konzeptioneller Entwurf

• Modellierung der SichtenTop-Down-Methode

• Integration in GesamtschemaBottom-Up-Methode

• ER – Modell (ERM)

• UML – Diagramme

UML – Unified Modeling Language http://ivs.cs.uni-magdeburg.de/~dumke/UML/index.htm


Logischer Entwurf

• Transformation der Konzepte

• Datenmodell

z.B. relationales Datenmodell

• Normalisierung

• Entwurf für Verteilung im Netz

Datenintegrität

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Implementierung

• Physischer Entwurf

• Datenbankerstellung

• SQL

• Datenkonvertierung

• Datenimport

Performance, Datensicherheit, Wartbarkeit


Test

• Datenbank und Abfragen

• Systemtest

• Benutzertest

• Validierung Anforderungen

Qualitätssicherung

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Betrieb

• Wartung des DBS

• Datenbankadministration

• Datenadministration

• Änderungsanforderungen


EntwurfsphasenAnforderungsanalyse

Konzeptioneller Entwurf

Logischer Entwurf

Verteilung im Netz

Physischer Entwurf / Implementierung

Test

Betrieb

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Fazit: Datenbankentwurf

Hoher Einfluss auf Qualität Je später Änderungen notwendig werden, desto höher fallen die Kosten aus!!! Bei der Modellierung zu beachten: Vollständigkeit Korrektheit Lesbarkeit Minimalität Modifizierbarkeit


Datenmodell

Abstraktionsprozess

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Abstraktionsprozess 1/2

Klassifikation Klassen gleichartiger Objekte

Aggregation Klasse aus bereits existierenden Klassen

Generalisierung Teilmengenbeziehung Vererbung der Eigenschaften


Abstraktionsprozess 2/2

Assoziation Beziehung zwischen den Objekten Basierend auf Identifikation

Identifikation Eigenschaften als Schlüssel definiert Eindeutige Objektidentifizierung

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Entity-Relationship-Modell

ER-Modell oder kurz ERM (E. F. Codd) bekanntestes und meistverwendetes grafisches Hilfsmittel für DB-Entwurf Unabhängig vom Datenmodell leicht verständlich Abstraktionskonzepte anwendbar

Ein Ausschnitt aus der realen Welt wird modelliert.


Grundbausteine des ERM

Entitäten (Entities)

Beziehungen (Relationships)

Subjekte oder Objekte aus der realen Welt

(z.B. Kunde, Lieferung, …)

Zusammenhänge zwischen Gegenständen

(z.B. kaufen, liefern, …)

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Definition Entität

Substantiv Objekt von Bedeutung Notwendigkeit, Information zu besitzen

Entität stellt ein bedeutendes Objekt aus derrealen Welt dar, worüber dem UnternehmenInformationen vorliegen müssen.


Konventionen

MITARBEITER

ABTEILUNGFIRMA(KUNDE)

• Box

• eindeutiger Entitätsname

• Synonym (optional)

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Entität - Instanzen

MITARBEITER ABTEILUNG

Leitung

Produktion Verkauf

Eine Entität identifiziert eine Gruppe von Dingen.

Innerhalb dieser Gruppe gibt es einzelne Instanzen.


Beispiel

Instanz

Gruppe

Entität MITARBEITER ABTEILUNG

Alle Mitarbeiter

Alle Abteilungen

Mitarbeiter Meier

Abteilung Verkauf

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Entitäten modellieren

Substantiv identifizieren Ist es von Bedeutung? Liegen benötigte Informationen vor? Ist es Gruppe oder Instanz?Entität benennenIdentifikation der wichtigsten AttributeErstellen der BeschreibungZeichnen der Box


Aufgabe

Entwickeln Sie Entitäten zur Darstellungder Information aus dem Interview„Videothek Hollywood“

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Videothek „Hollywood“„Ich bin der Geschäftsführer einer Videothek namens Hollywood.Wir führen mehr als 3'000 Kopien von Videofilmen, über die wir Buch führen müssen.Von jedem Videofilm müssen wir den Titel und die Kategorie, wie z.B. Horror,Spannung, Drama wissen.Wir führen von jedem Titel mehrere Kopien und jede dieser Kopien erhält eineeindeutige Nummer, so dass über diese Buch geführt werden kann. Ein Medium kannentweder das Format DVD oder VHS haben. Wir haben immer mindestens eineKopie von jedem Titel und jedes Medium enthält nur einen Film. Einige dieser Filesind sehr lang und trotzdem sind sie stets nur auf einem Band oder einer DVDenthalten.Trotz unserer vielen Kunden stellen wir immer sicher, dass wir Videos nur anPersonen verleihen, die Mitglied unseres Verleih-Clubs geworden sind. Von jedemMitglied haben wir Name und Vorname, Telefonnummer, die Adresse und natürlichseine Mitgliedsnummer gespeichert.Ausserdem müssen wir Buch darüber führen, welche Videos ein Mitglied im Momentausgeliehen hat. Es können jederzeit mehrere Filme ausgeliehen werden. Wirbenötigen keine Historie der ausgeliehenen Filme, wir müssen nur wissen, werwelche Kopie hat und wann sie ausgeliehen wurde.Wir berechnen unterschiedliche Gebühren abhängig davon, wer das Video ausleiht,wann es voraussichtlich zurückgegeben wird, um welchen Film es sich dabei handeltund welche Qualität die Kopie hat.“


Mögliche Lösung

MITGLIED TITELKOPIE

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Beziehung (Relationship)

Benannte und bedeutsame Verbindung zwischen zwei Entitäten (oder zwischen 2 Instanzen einer Entität) „Was hat eine Sache mit einer anderen zu tun?“ Bidirektional Unternehmensregeln


Bidirektionale Beziehung

DOZENT VORLESUNG

Ein Dozent kann eine Vorlesung halten.

Eine Vorlesung kann von einem Dozenten gehalten werden.

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Eine Linie zwischen zwei Entitäten Infinitiv in Kleinbuchstaben Optionalität (Modalität)

Grad (Kardinalität)

Konventionen

Muss – erforderlich

Kann - möglich

Eine einzige

Eine oder mehrere („Krähenfuss“)


Beispiel

DOZENT VORLESUNG

Ein Dozent kann eine oder mehrere Vorlesungen halten.

Eine Vorlesung kann von einem Dozenten gehalten werden.

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Beziehungssyntax

JedeEntität 1

Entität 2Beziehungs-name

mussoderkann

eine odermehrere

oder

eine einzige

Subjekt-Entität

Modalität Name Grad Objekt-Entität


Beispiel

Jeder Dozent kann zugeteilt sein zu einer oder mehrerenVorlesungen.

Jede Vorlesung kann gehalten werden von einem einzigenDozenten.

DOZENT VORLESUNG

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Beziehungstypen

1:1

M:N

M:1


M:1 Beziehung

Kommt am häufigsten vor Vater-Kind-Beziehung Übergeordnete-Untergeordnete-Beziehung

muss – kann Übergeordnete Entität wird zuerst erstellt

kann – kann Reihenfolge der Erstellung unwichtig

muss – muss (sehr selten) Instanzen gegenseitig abhängig voneinander

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M:N Beziehungen

Zu Beginn der Analyse häufig verwendet Mehrzahl sind kann-kann-Beziehungen muss-muss-Beziehungen sehr selten (Gleichzeitige Erstellung der Instanzen)

Auflösen von M:N Beziehungen


1:1 Beziehungen

Eventuell identische Entitäten muss-muss-Beziehungen sehr selten

AUTO FAHRERgefahren werden von

Fahrer sein von

Das ER-Diagramm ist eine Momentaufnahme

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Krähenfussnotation


Beziehungen modellieren

Existenz einer Beziehung bestimmen (Auch Beziehung der Entität zu sich selbst)

Jeder Richtung einer Beziehung einenNamen gebenGrad der einzelnen RichtungenbestimmenOptionalität jeder Richtung bestimmenValidierung der Beziehung (vorlesen)

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Aufgabe

Modellieren Sie Beziehungen zwischenden Entitäten aus dem Beispiel „VideothekHollywood“

MITGLIED TITELKOPIE


TITEL

Mögliche Lösung

MITGLIED

KOPIE

ausleihen

ausgeliehenwerden von haben

verfügbar sein als

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Beziehungen prüfen

1:1 Beziehungen Sind es wirklich zwei Entitäten?

1:M (muss – kann)„Titel, die als mindestens eine Kopie vorliegenmüssen, um den Titel erfassen zu können“

muss – muss Beziehungen


• Klar und sauber

• Eindeutiger Text

• Erkennbare Muster

• Möglichst wenige

Überschneidungen

• „lebhaftere“ Entitäten oben und links

Layout Konventionen

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Beispiel Hollywood

MITGLIED

KOPIE TITEL

ausleihen

ausgeliehenwerden von

haben

verfügbar sein als


Attribute

Sind Informationen über eine Entität Attribute beschreiben eine Entität Klarer und eindeutiger Name Zusammengesetzte Namen auflösen Hat keine eigenen Attribute Ein einziger Wert für jede Instanz Formatinformationen sind zugeordnet Domäne: Zulässiger Wertebereich der Attribute

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Konventionen

MITGLIED

namevornametelefonnummeradressemitgliedernummer

• Innerhalb der Entität

• Singular

• Kleinbuchstaben

Im ERM müssen nicht alle Attributedargestellt werden


Gemeinsame Daten

Gleiche Daten in mehreren Entitäten

Dieselbe Information liegt oft an zweiverschiedenen Stellen vor, um den Zugriffdarauf zu vereinfachen.

Thema für Design-Phase

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Abgeleitete Daten

Abgeleitete Attribute sind redundant undkönnen zu inkonsistenten Werten führen

• Anzahl

• Summe

• Maximum, Minimum, Durchschnitt

• Berechnung

Design-Thema: Speicherplatz vs. Verarbeitungszeit


Attribut - Optionalität

Muss – Attribute (Volumen 100%) Für jede Instanz muss ein Wert

gespeichert sein Markierung: *

Kann – Attribute (Volumen ≤100%) Für jede Instanz kann ein Wert gespeichert sein Markierung: o

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Aufgabe

Verwenden Sie das ERM aus demInterview „Videothek Hollywood“ undergänzen Sie es mit den notwendigenAttributen


Mögliche Lösung

MITGLIED

* name* vorname° telefonnummer* adresse* mitgliedernummer* rabattstufe

TITEL

* titel° länge* kategorie* preisklasse

KOPIE

* nummer* format° zustand° rückgabedatum° ausleihdatum

haben

verfügbar seinals

ausleihen


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Instanz

Jede Instanz einer Entität ist eindeutig Attribut(e) als eindeutiger Bezeichner ( UID – Unique Identifier )

MITARBEITER

personalnummernamevornamegeburtsdatum


Einfacher UID

MITGLIED

# * mitgliedernummer

• Einzelnes Attribut

• UID mit # kennzeichnen

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Zusammengesetzter UID:Attribute

MITGLIED

# * name# * vorname# * adresse# * geburtsdatum

• mehrere Attribute

• diese Attribute mit # kennzeichnen


Zusammengesetzter UID:Kombination

KONTO

# * nummer# * blz (FK)

BANK

# * blz

• Kombination aus Attributen und Beziehung

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Zusammengesetzter UID:Beziehungen

LEIHGEGENSTAND# * nummer (FK)# * inventarnummer (FK)* ausleihperiode° rückgabe

KOPIE

# * inventarnummer * einkaufspreis

VERLEIH

# * nummer * verleihdatum


Beziehungs-UIDs mit mehrerenEbenen

TICKET# * name (FK)# * datum (FK)# * zeit (FK)# * titel (FK)# * haus (FK)

THEATER

# * haus

KUNDE

# * name

STÜCK

# * titel# * haus (FK)

VORSTELLUNG

# * datum# * zeit# * titel (FK)# * haus (FK)

Name des Theaters + Titel des Stücks +

Vorstellungsdatum + Zeit der Vorstellung +

Kundenname

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Schlüssel und Primärschlüssel

Umfassen eines oder mehrere Attribute Sollte Minimalitätsanforderung erfüllen Allenfalls künstliches Attribut einführen Index

Primärschlüssel zur eindeutigen Identifizierung Ein Primärschlüssel pro Entität


Aufgabe

Verwenden Sie das ERM aus demInterview „Videothek Hollywood“ undidentifizieren Sie eindeutige Bezeichner(UIDs) für jede Entität

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Mögliche Lösung

MITGLIED

# * mitgliedernummer * name * vorname ° telefonnummer * adresse * rabattstufe

TITEL

# * id * titel ° länge * kategorie * preisklasse

KOPIE

# * nummer * format ° zustand ° rückgabedatum ° ausleihdatum

haben

verfügbar seinals

ausleihen



Sonderfälle

Verknüpfungsentitäten Rekursive Beziehung Hierarchische Daten Netzwerkstrukturen

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Verknüpfungsentität

Mit einer Verknüpfungsentität werden M:NBeziehungen aufgelöst

TITEL

# * prod code * name

LIEFERANT

# * lieferant nr * name

Problem: Wo kommt der „kaufpreis“ hin?


Auflösung

TITEL


LIEFERANT


KATALOGARTIKEL

# * artikelnummer * kaufpreis

sein für

verfügbar sein als

sein für

Lieferant sein von

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oder

TITEL


LIEFERANT


KATALOGARTIKEL# * prod code (FK)# * lieferant nr (FK) * kaufpreis

sein für

verfügbar sein als

sein für

Lieferant sein von


Aufgabe

Lösen Sie folgende M:N Beziehung auf:

KUNDE# * id * vorname * name

PRODUKT

# * nummer * name * mengeneinheit

der Auftraggebersein von

bestelltwerden von

Fügen Sie die Attribute bestelldatum, bestellmenge und preis hinzu

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LösungPRODUKT# * nummer * name * mengeneinheit

KUNDE# * id * vorname * name

AUFTRAG# * bestellnr * bestelldatum

AUFTRAGSPOSITION# * nummer# * bestellnr (FK) * menge * preis

beinhalten

vorkommen inenthaltensein in

umfassen

stammen von

Auftraggebersein von


Rekursive Beziehung

MITARBEITER

Managersein von

betreutwerden von

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Hierarchien sequentiell

Firma

Bereich

Abteilung

Gruppe

GRUPPE# * name

ABTEILUNG# * name

BEREICH# * name

FIRMA# * name

Beispiel Organisationsstruktur


Hierarchien rekursivGRUPPE# * name

ABTEILUNG# * name

BEREICH# * name

FIRMA# * name

ORGANISATIONSELEMENT

# * name * typ

bestehen aus

enthaltensein in

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Rekursive Hierarchien

Eine rekursive Hierarchie muss immer inbeide Richtungen optional sein.

Sonst würde eine unendliche Hierarchieohne jegliche praktische Anwendung inder Realität entstehen!


Netzwerkstrukturen

KOMPONENTE

# * identifizierer

ein Teilsein von

bestehenaus

Beispiel StücklisteRekursive M:N Beziehung

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Netzwerkstrukturen

FERTIGUNGSREGEL# * identifizierer produkt (FK)# * identifizierer bestandteil (FK)° menge

KOMPONENTE

# * identifizierer

sein für sein für

bestehen aus ein Teil sein von


Tools zur Modellierung Visio 2010 (Microsoft)

Powerdesigner (Sybase)

AllFusion ERwin Data Modeller (CA)

ORACLE Designer

DBDesigner 4 (Fabforce)

MySQL Workbench

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Visio 2010


Powerdesigner

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AllFusion ERwin Data Modeller


AllFusion ERwin Data Modeller

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ORACLE Designer


DBDesigner 4

http://www.fabforce.net

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DBDesigner 4

MySQL DatenbankenGPLWindows und LinuxEinfache Weiterverarbeitung, da Daten inXML gespeichert sindQuery Mode zur Erstellung komplexer DB-Abfragen


MySQL Workbench

http://www.mysql.com/products/workbench

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MySQL Workbench

Mit einem einzigen, integrierten Framework aufvisueller Basis lassen sich Datenbankenentwerfen, modellieren, ändern und anpassen.Auch Hilfsmittel zum Erstellen der Dokumentationwerden mitgeliefert. MySQL Workbench ist unterGPL veröffentlicht als kostenlose CommunityEdition / kommerzielle Standard Edition.WB wurde von Sun-Mitarbeiter Michael G. Zinnerentwickelt, gleichzeitig der Autor des Open-Source-Datenbankwerkzeugs DBDesigner 4.


Komplexe Strukturen

Exklusivität Zeit Verbindungsfallen

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Exklusive Entitäten

BUCH° autor

CD° interpret° laenge

TITEL# * produktcode * titel * beschreibung * kategorie

SUPERTYP / SUBTYP


Supertyp / Subtyp

Supertyp Kann eigene Attribute haben oder auch nur

als Gruppenname verwendet werden Beinhaltet kleinere Gruppen

Subtyp Müssen sich gegenseitig ausschliessen Erbt Attribute des Supertyps Kann auch ohne eigene Attribute bestehen UID des Supertyps auch für Subtyp gültig

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Beispiel „Videothek“

FIRMA

# * firmennr * name * telefonnummer ° lieferantennr ° vertrieb

KOPIE

# * regnr ° zustand

gekauft von

verkaufen

MITGLIEDSCHAFT

# * nummer * startdatum * gültigkeit ° bemerkungen

lauten auf

Inhabersein von


ver-kaufen

Beispiel „Videothek“

FIRMA

# * firmennr * name * telefonnummer

KOPIE

# * regnr ° zustand

gekauft von

MITGLIEDSCHAFT

# * nummer * startdatum * gültigkeit ° bemerkungen

lauten auf

Inhabersein von

ANDERE

LIEFERANT ° lieferantennr ° vertrieb

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Entitäten verschachteln

MITARBEITER

VERTRIEB

VERTRETER

TELEFON-VERKAUF

INFORMATIKER

MECHANIKER

FIRMENWAGEN

Auf Klarheit achten!


ERM mit Historie

Was tun, wenn die Videothek eineVermiethistorie einer Kopie festhaltenmöchte?

KOPIE MITGLIED

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Lösung

KOPIE# * inventarnr

MITGLIED# * mitgliedernr

MIETVERTRAG# * ausleihdatum# * inventarnr (FK) ° rueckgabedatum

Verknüpfungsentität für sichändernde Daten.

Aber: Das Speichern historischerDaten, die nicht benötigt werden,kann teuer werden.


AufgabePERSON# * personalnr * name * vorname

POSITION# * jobbezeichnung ° beschreibung

ABTEILUNG# * abteilungsnr * name

Entwickeln Sie ein ERD für eine Beschäftigungshistorie.

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Achtung: FächerfallePERSON# * personalnr * name * vorname



POSITIONS- HISTORIE

ABTEILUNGS- HISTORIE

ORGANISATIONS- HISTORIE

Unmöglichkeit, Positionund Firma zum Zeitpunktx festzustellen.


Lösung

PERSON# * personalnr * name * vorname



BESCHÄFTIGUNGSHISTORIE# * startdatum# * personalnr (FK)# * abteilungsnr (FK)# * jobbezeichnung (FK) ° enddatum

Eine einzige Verknüpfungsentität !

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Abgrundfalle

MITARBEITER

FIRMENWAGENABTEILUNG

Falls der letzte Mitarbeiter, der zur Benutzung eines Abteilungswagensberechtigt ist, die Firma verlässt, geht die Verbindung verloren.


Lösung der Abgrundfalle

MITARBEITER

FIRMENWAGENABTEILUNG

ZUWEISUNG

Eine Abgrundfalle istZeichen für einefehlende Beziehung.

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Konvergenz

Vereinfachung des Modells Anzahl Entitäten und Beziehungen reduzieren Oftmals ineinander verschachtelte Subtypen Unternehmensregeln können verloren gehen Achtung vor übermässiger Vereinfachung

DING !


Divergenz

Detaillierung des Modells Gefahr der überflüssigen Komplexität Kann zu Unlesbarkeit des Modells führen „Ist dieser Detaillierungsgrad wirklich nötig?“

ADRESSE

ADRESSZEILEWORT

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Qualitätsicherung

Am Ende der Modellierung sollte das ERDauf seine Qualität geprüft werden.

Fragen und Checklisten zu Entitäten Attributen Beziehungen Domänen


Unterschiedliche ERD Notationen

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Beispiel


Aufgabe

ANGESTELLTER

MITARBEITER

SACHBEARBEITER

PROJEKT

KUNDE

AUFTRAG

ABTEILUNG?

Jeder Mitarbeiter kann in mehreren Projekten tätig sein. Das Projekt wiederum kannmehrere Mitarbeiter haben. Jeder Auftrag wird von einem Projekt initiiert. Ein Projektkann zu mehreren Aufträgen führen. Diese Aufträge sind jeweils einem Kundenzugeordnet. Jeder Kunde wird von einem Sachbearbeiter betreut. Dieser kann fürmehrere Kunden zuständig sein. Die Projekte sind jeweils einer Abteilung zugeordnet.

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Lösung

ANGESTELLTER# * personalnummer * name … * position

MITARBEITER

SACHBEARBEITER

ABTEILUNG# * abteilungsnr * abteilungsname

PROJEKT# * projektnr * name * startdatum * enddatum

PROJEKT/MA# * personalnummer (FK)# * projektnr (FK) * funktion * prozent

AUFTRAG

# * aufnr

KUNDE

# * kdnr * name


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