Michael AndriczkaDBMS1 Vorlesung DBMS Thema:Datenbanktechnologie - Von der Realwelt zur Datenbank -...

Michael Andriczka DBMS 1

Vorlesung DBMS

Thema: Datenbanktechnologie- Von der Realwelt zur

Datenbank -

Michael Andriczka

Sommersemester 2003


Inhalt

1. Einleitung

1.1 Charakteristika

1.2 Vergleich Datenredundanz vs. Datenintegrität

1.3 Prinzipien

1.4 Eigenschaften aktueller DBS

1.5 Einige konkrete Systeme

1.6 Datenbankgrößen

1.7 Gegenwärtiger Entwicklungsstand

2. Von der Realwelt zum ER-Modell

2.1 Die sogenannte Miniwelt (1)

2.2 Entität

2.3 Attribute

2.4 Schlüssel

2.5 Beziehungen

2.6 Die sogenannte Miniwelt (2)


Inhalt

3. Vom Modell zur Datenbank

3.1 Umsetzung des ER-Modells in das relationale Datenbankschema

3.2 Normalisierung

4. Schlussbetrachtung


1. Einleitung

1.1 Charakteristika von Datenbanken

• Eine Datenbank hat die langfristige Aufbewahrung

von Daten als Aufgabe

• Die Sicherheit vor Verlusten ist eine Hauptmotivation,

etwas „auf die Bank zu bringen“.

• Eine Bank bietet Dienstleistungen für mehrere Kunden

an, um effizient arbeiten zu können.


1. Einleitung

1.2 Datenredundanz vs. Datenintegration

Ohne Datenbanken: Datenredundanz• Basis- oder Anwendungssoftware verwaltet ihre eigenen

Daten in ihren (eigenen) Dateiformaten- Textverarbeitung: Texte, Artikel und Adressen- Buchhaltung: Artikel, Adressen- Lagerverwaltung: Artikel, Aufträge- Auftragsverwaltung: Aufträge, Artikel, Adressen- CAD-System: Artikel, Technische Bausteine

• Daten sind redundant: mehrfach gespeichert;Probleme: Verschwendung von Speicherplatz,

„Vergessen“ von Änderungen; keine zentrale, „genormte“ Datenhaltung


1. Einleitung

• Mehrere Benutzer oder Anwendungen können nicht parallel

auf den gleichen Daten arbeiten, ohne sich zu stören

• Anwendungsprogrammierer/Benutzer können Anwendungen nicht programmieren/benutzen, ohne

- interne Darstellung der Daten

- Speichermedien oder Rechner

zu kennen (Datenunabhängigkeit nicht gewährleistet)

• Datenschutz und Sicherheit sind nicht gewährleistet


1. Einleitung

1.2 Datenredundanz vs. Datenintegration

Mit Datenbanken: Datenintegration

• Die gesamte Basis- und Anwendungssoftware arbeitet auf

den selben Daten, z.B. Adressen und Artikel werden nur einmal gespeichert

- Datenbanksysteme können große Mengen an Daten

effizient verwalten (Anfragesprachen)

- Benutzer können parallel auf Datenbanken arbeiten

(Transaktionskonzept)

- Datenschutz (kein unbefugter Zugriff) und Datensicherheit

(kein ungewollter Datenverlust) werden vom System

gewährleistet

1.3 Prinzipien

Datenbank-Management-SystemUnter einem Datenbank-Management-System (DBMS) versteht man ein Softwarepaket, welches in der Lage ist, (Anwender-) Daten in einem Computersystem zu verwalten. Spricht man von einem relationalen Datenbank-Management-System, meint man damit, dass dieses DBMS für die Verwaltung der Daten intern eine bestimmte Technologie benutzt und dass es bestimmten Anforderungen genügt.

Datenbank-SystemUnter einem Datenbank-System versteht man ein DBMS mit zusätzlich einer oder mehreren Datenbanken zur Sammlung von nicht redundanten Daten, die von mehreren Applikationen benutzt werden.

1. Einleitung


1. Einleitung

DB: Strukturierter, von DBMS verwalteter Datenbestand

DBS: Datenbanksystem (DBMS + Datenbank)

DBMS: Datenbank-Management-System


1. Einleitung

• Grundmerkmale von DBMS

- verwalten persistente (langfristig zu haltende) Daten

- verwalten große Datenmengen effizient

- Datenmodell, mit dessen Konzepten alle Daten einheitlich

beschrieben werden (Integration)

- Transaktionskonzept

- Datenschutz, Datenintegrität (Konsistenz), Datensicherheit

• Grundprinzip moderner DBS

- 3-Ebenen-Architektur

- Trennung zwischen Schema (Tabellenstruktur)

und Instanz (etwa Tabelleninhalt)


1. Einleitung

1.4 Eigenschaften aktueller Datenbanksysteme

• 3-Ebenen-Architektur nach ANSI-SPARC

– Externe Ebene (Benutzersichten)

– Konzeptionelle Ebene (Logische Gesamtsicht)

– Interne Ebene (Physische Schicht)

• Einheitliche Datenbankanfragesprache SQL

• Einbettung dieser Sprache in kommerzielle Programmier-

sprachen

• Diverse Werkzeuge für die Definition, Anfrage und Darstellung von Daten und den Entwurf von Datenbankanwendungsprogrammen und der Benutzer-Interaktion, sowie

• Kontrollierter Mehrbenutzerbetrieb, Zugriffskontrolle und Datensicherheitsmechanismen


1. Einleitung

1.5 Einige konkrete Systeme

• (Objekt-)Relationale DBMS

- Oracle 9i, DB2 V.8, Microsoft SQL-Server 2000

- MySQL, PostgreSQL, FireBird

• Pseudo DBMS

- MS Access

• Objektorientierte DBMS

- Poet, Versant, ObjectStore

• XML-DBMS

- Tamino, eXcelon


1. Einleitung

1.6 Datenbankgrößen

• Slolan Digital Sky Survey 40 TB

Himmelsdaten (Bilder und Objektinformationen);

• WalMart Data WareHouse 24 TB

Produktinfos (Verkäufe, etc.) von 2900 Märkten;

50.000 Anfragen pro Wochen

• US Libary of Congress 10-20 TB

nicht digitalisiert

• Indexierbares WWW (1999) 6 TB

ca. 800 Millionen Dokumente

• Microsofts TerraServer 3,5 TB

unkomprimierte Bilder und Daten (komprimiert: ca. 1 TB)


1. Einleitung

SAP R/3-Installation der Deutschen Telekom AG (1998)

• Financial Accounting: Rechnungen, Lastschriften

Zahlungsaufforderung, Mahnungen, etc.

• 15 SAP R/3-Systeme; jedes

- verarbeitet 200.000 Rechnungen, 12.000 Mahnungen,

10.000 Änderungen von Kundendaten pro Tag

- bis zu jeweils 1000 Nutzer gleichzeitig

• Über 13.000 Datenbanktabellen


1. Einleitung

1.7 Gegenwärtiger Entwicklungsstand

• Unterstützung für spezielle Anwendungen

- Multimedia-Datenbanken: Verwaltung multimedialer

Objekte (Bilder, Audio, Video)

- XML-Datenbanken: Verwalten semistrukturierter Daten

- Verteilte Datenbanken: Verteilung von Daten auf

verschiedenen Rechnerknoten

- Förderierte Datenbanken: Multimedia-Datenbanken

- Mobile Datenbanken: Datenverwaltung auf Kleinstgeräten

(PDA, Handy)



2.1 Die sogenannte Miniwelt (1)Um zu einem geeigneten Modell zu gelangen, muss zunächst durch eineAnalyse der realen Welt ein zu modellierender Teilausschnitt dieser realenWelt definiert werden. Diesen Teilausschnitt nennt man auch Miniwelt.

Beispiel:Die Firma Mustermann handelt mit PCs und Zubehör. Aus dem Produktkatalog der Firma Mustermann können Kunden per Telefon oder per Bestellkarte ein oder mehrere Artikel zur Bestellung aufgeben.Aufgrund der enormen Nachfrage nach PCs und Zubehör kann dasGeschäftsaufkommen mittlerweile nicht mehr über Karteikarten abgewickelt werden. Somit entschließt man sich zur Einführung eines relationalen DBS und der dazu gehörigen Anwendungsprogramme.

Beim Betrachten dieser Miniwelt erkennt man gewisse Objekte (sog. Entities)wie Artikelnamen, Kundennamen, Bestellungen usw. Zwischen diesen Objekten existieren Beziehungen (sog. Relationships), die bestimmte Abläufe oder Abhängigkeiten in der Miniwelt darstellen.



Um zu einem Datenmodell zu gelangen, fasst man gleichartige Objekte und gleichartige Beziehungen zu Klassen zusammen. Somit ergeben sich:

• Objekttypen wie Artikel, Bestellung, Kunden und• Beziehungstypen wie Bestellposition, welche die Objekte in eine gewisse Beziehung bringen.

Jedem Objekttyp oder Beziehungstyp sind gewisse Eigenschaften zu-geordnet, wie z.B. dem Objekttyp Artikel die Eigenschaften Bezeichnung und Preis. Man nennt diese Eigenschaften eines Objekttyps oder Beziehungstyps auch Attribute.

Zur Darstellung von Objekten (Entities) und vor allem der Beziehungen zwischen den Objekten dienen die sogenannten ER-Diagramme.



2.2 Entität

Ausgangspunkt des ER-Modells ist der Begriff der Entität. Eine Entität ist

ein individuelles und identifizierbares Exemplar von Dingen, Personen oder

Begriffen der realen oder der Vorstellungswelt. Die Entität wird durch

Attribute näher beschrieben. Die Entitätsmenge (auch Entitytyp genannt) wird im ER-Modell durch ein

Rechteck dargestellt. In dem Rechteck steht der Name der Entität. Der

Name beschreibt die Entitätsmenge und steht im Singular.

Die Entität (Entity) ist also das konkrete, individuell identifizierbare Objekt

bzw. Exemplar von Dingen, Personen oder Begriffen der realen oder

der Vorstellungswelt.

KUNDE



Beispiele:

Individuen: Mitarbeiterin Brecht, Student Weber, Kunde Meier

Reales Objekt: Maschine 2, Raum 7, Artikel 4711....

Ereignis: Zahlung, Buchung, Mahnung, Start, Landung.....

Abstraktes: Unterricht, Dienstleistung, Verarbeitungsart, Zahlungsart....

Der Kunde Meier ist also ein konkretes individuell identifizierbares Objekt, über

den Informationen abgespeichert werden müssen. Er gehört zur Gruppe der

Kunden. Man kann auch sagen, er ist vom Entitätstyp Kunde. Alle

Informationen, die über Kunden abgespeichert werden, sind von der Struktur

her gleich.



2.3 Attribute

Attribute beschreiben die Entitäten.

Beispiel: Kunde (KdNr, KName, KAdresse,...)

Man unterscheidet zwischen

• identifizierenden Attributen, sog. Schlüssel (z.B.: KdNr, FirmenNr, PersNr...)

• beschreibenden Attributen (z.B.: KName, MitarbeiterName, ArtikelBez, ... )

KUNDEKdNr

KName



2.4 Schlüssel:Eine minimale Menge von Attributen, deren Werte das zugeordnete Entityeindeutig innerhalb aller Entities seines Typs identifiziert. Man unterscheidetPrimärschlüssel und Fremdschlüssel.

2.4.1 Primärschlüssel: Der Primärschlüssel wird benötigt, um Datensätzeeindeutig zu identifizieren, also der Datensatz darf nicht doppelt (z.B. ineiner Tabelle) vorkommen.Der Primärschlüssel ist in einem ER-Modell anhand des unterstrichenemAttributes zu erkennen.

Die Merkmale eines Feldes mit Primärschlüssel sind:• Der Inhalt eines Feldes ist eindeutig• In jedem Datensatz müssen Daten stehen• Ein Primärschlüssel kann sich auch aus mehreren Feldern

zusammensetzen



2.4.2 Fremdschlüssel: Der Fremdschlüssel ist ein Attributwert, der einen

Schlüsselwert in einer anderen Tabelle darstellt und somit als eindeutiger

Verweis auf einen Datensatz in einer anderen Tabelle zeigt. Dies wird

auch als referentielle Integrität benannt.

Beispiel Fremdschlüssel:

Fremdschlüssel Primärschlüssel

Referentielle Integrität

KNr PNr Kurs BereichsNr

44 15 D 1

45 15 G 2

47 6 M 6

48 6 I 6

49 6 E 1

BereichsNr

Bereich

1 Sprache

2 Geisteswissenschaften

6 Naturwissenschaften



2.5 Beziehungen

Die Wechselwirkungen und Abhängigkeiten zwischen Entitäten werden

durch Beziehungen (relationship) dargestellt. Die

Zusammenfassung gleichartiger Beziehungen zwischen Entitäten

erfolgt durch Beziehungsmengen.

Eine Beziehung wird nach Chen graphisch durch eine Raute

dargestellt. In ihr steht der Name der Beziehung. Als Name sollte ein

Verb gewählt werden.

gibt auf



Die Beziehung wird durch eine Verbindungslinie, zwischen der die

Raute steht, dargestellt.

Zwischen den Entitätstypen KUNDE und BESTELLUNG besteht ein

Beziehungstyp „gibt auf“. Wenn es einen solchen Beziehungstyp gibt,

so kann (muss) eine konkrete Beziehung zwischen einem Paar der

dazu gehörenden Entitäten bestehen

1 n

Man liest: KUNDE gibt auf Bestellungen bzw. Bestellungen werden

aufgegeben von Kunde.

gibt aufKUNDE BESTELLUNG



2.6 Die sogenannte Miniwelt (2)Drei der wichtigsten Objekttypen aus der Miniwelt der Firma Mustermannwerden nun mit den dazugehörigen Attributen als Datenmodell dienen. Es handelt sich hierbei um die Objekte

Kunden: alle Kunden, die Bestellungen aufgebenBestellung: die offenen Bestellungen der KundenArtikel: alle lieferbaren Artikel



KUNDE

BESTELLUNG

ARTIKEL

gibt auf

Bestellposition

KNameKdNr

BestellNr

Datum

Bez

Menge

Preis

ArtikelNr

ER-Modell:

1

n

n

n



3.1 Umsetzung des ER-Modells in das relationale Datenmodell

Das ER-Modell besitzt zwei grundlegende Strukturierungskonzepte:• Entitytypen und• Beziehungstypen

Dem steht im relationalen Modell nur ein einziges Strukturierungskonzept – nämlich die Relation – gegenüber. Also werden sowohl Entitytypen als auchBeziehungstypen jeweils auf eine Relation (Tabelle) abgebildet.Zu den Entitytypen als auch zu den Beziehungstypen aus dem vorherigen ER-Modell werden nun Relationen gebildet.Hierbei werden die Spalten als Attribute (Felder) bezeichnet. Die Attribute müssen innerhalb einer Relation eindeutig benannt sein. Die Zeilen der Tabelle entsprechen den Tupeln der Relation.



KUNDE : {KdNr, KName}

BESTELLUNG : {BestellNr, Datum, KdNr}

BESTELLPOSITION : {BestellNr, ArtikelNr, Menge}

ARTIKEL : {ArtikelNr, Bez, Preis}

ER-Modell Relationales Modell

Entity = Objekt Relation = zweidimensionale

Relationship = Beziehung Tabelle

Entität Schlüsselattribut Schlüsselattribut Entität

KUNDEKdNr

KName

KUNDE

KdNr KName

001112 Meier

001535 Schulz



3.2 Normalisierung

Unter Normalisierung versteht man das Aufteilen der Daten in Relationen

in der Art und Weise, dass sie am Ende den Normalisierungsregeln

entsprechen.

Normalisierungsgründe

• Minimierung redundanter Daten

• Vermeidung von Änderungsanomalien

• Reduzierung inkonsistenter Daten

• Entwerfen von Datenstrukturen, die eine einfache Pflege erlauben



3.2.1 0.Normalform

Die Normalformenlehre von Codd besagt, dass sich eine Relation nur dann

in der ersten Normalform befindet, wenn der Wertebereich der Attribute

elementar ist.

PNr

Vorname

Name Straße PLZ Wohnort

KNr Kurs

15 Hugo Meier Schulstr.1

10124

Berlin 44, 45

D, G

6 Detlef Euler Maiweg 5

54294

Trier 47, 48, 49

M,I, E



3.2.2 1.Normalform

Eine Relation ist in der ersten Normalform, wenn alle Attribute nur atomare

Werte beinhalten.

Eindeutige Identifikation durch Primärschlüssel Redundanzfreiheit

Da hier Anomalien in der 1NF auftreten können, ist es sinnvoll, die Relation

in die 2NF zu überführen.

PNr

Vorname


KNr Kurs


10124

Berlin 44 D


10124

Berlin 45 G


54294

Trier 47 M


54294

Trier 48 I


54294

Trier 49 E



3.2.3 2.Normalform

Eine Relation ist in der zweiten Normalform, wenn sie sich in der erstenNormalform befindet und jedes Nicht-Schlüssel-Attribut funktional vomGesamtschlüssel abhängig ist, nicht aber von einzelnen Schlüsselteilen.

Vermeidung der Anomalien der 1NF durch Aufteilung der Entitäten in seperate Tabellen.

PNr

Vorname


KNr

Kurs

Bereich


10124

Berlin 44 D Sprache


10124

Berlin 45 G Geisteswissenschaften


54294

Trier 47 M Naturwissenschaften


54294

Trier 48 I Naturwissenschaften


54294

Trier 49 E Sprache



Tabelle Lehrer

Wie man sieht, entfallen somit die Zeilen mit unterschiedlichen Kursen

derselben Lehrer. Die Kurse wurden in eine andere Tabelle ausgelagert, da

sie nicht voll funktional von dem Schlüsselattribut PNR abhängen.

Tabelle Kurse

PNr

Vorname



10124

Berlin


54294

Trier

KNr Kurs Bereich

44 D Sprache

45 G Geisteswissenschaften

47 M Naturwissenschaften

48 I Naturwissenschaften

49 E Sprache



Mit den Tabellen Lehrer und Kurse besitzt man nun zwei Tabellen, die

nichts miteinander zu tun haben und somit nicht mehr den Zustand der

1NF genügen. Es muss also eine Tabelle geschaffen werden, die beide

Tabellen verbindet, jedoch die Redundanzen der Tabelle in der 1NF

vermeidet.

PNr wurde zur Herstellung der referentiellen Integrität als Fremdschlüssel

in die Tabelle Kurse eingefügt.

KNr Kurs Bereich PNr

44 D Sprache 15

45 G Geisteswissenschaften

15

47 M Naturwissenschaften 6

48 I Naturwissenschaften 6

49 E Sprache 6


3.2.4 3.Normalform

Beim Betrachten der Tabelle Kurse in der 2NF treten folgende Anomalien auf:• Bereichsnummer hat mehrmals den selben Wert, während sich der Wert

des Primärschlüssels ändert• Bereichsnamen treten mehrfach auf und müssten Änderungen in

mehreren Datensätzen geändert werden transitive Abhängigkeit

Transitive Abhängigkeit: Abhängigkeit zwischen nicht Schlüsselattributen


KNr PNr Kurs Bereich BereichsNr

44 15 D Sprache 1

45 15 G Geisteswissenschaften

2

47 6 M Naturwissenschaften 6

48 6 I Naturwissenschaften 6

49 6 E Sprache 1



Codd erkannte das Problem oder möglichen Schwachpunkt der 2NF

und entwickelte die 3NF.

Eine Relation ist in der dritten Normalform, wenn sie sich in der ersten

und in der zweiten Normalform befindet. Ferner sind keine funktionalen

Abhängigkeiten zwischen Attributen erlaubt, die nicht als Schlüssel

definiert sind.


44 15 D 1

45 15 G 2

47 6 M 6

48 6 I 6

49 6 E 1

BereichsNr

Bereich

1 Sprache





3.2.5 Normalisierte Tabellen:

Tabelle Lehrer:

Tabelle Kurse:

Tabelle Bereich:


44 15 D 1

45 15 G 2

47 6 M 6

48 6 I 6

49 6 E 1

BereichsNr

Bereich

1 Sprache



PNr

Vorname



10124

Berlin


54294

Trier


4. Schlussbetrachtung

Jede in der Datenbank gespeicherte Information wird in solchen

„einfachen“ Tabellen festgehalten. Eine Tabelle hat immer einen fest

strukturierten Aufbau aus Zeilen (Tupeln) und Spalten (Attributen), der

einmalig beim Anlegen der Tabelle definiert wird und sich während der

gesamten Lebensdauer der Tabelle nur mittels DDL-Befehlen ändern

kann.

Zur Kommunikation mit dem DBMS wird dem Endbenutzer in der Regel

ein Programm zur Verfügung gestellt, welches mit dem DBS

kommuniziert. Dieses Anwendungsprogramm bildet die Schnittstelle

zwischen dem Benutzer und dem DBMS.

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