Datenmodelle, Datenbanksprachen und Datenbankmanagementsysteme

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1 Datenmodelle, Datenbanksprachen und Datenbankmanagementsysteme von Prof. Dr. Gottfried Vossen 5. überarbeitete und erweiterte Auflage Oldenbourg Verlag München Wien

2 Inhaltsverzeichnis Auszug... xiv... aus dem Vorwort zur ersten Auflage xiv... aus dem Vorwort zur zweiten Auflage xv... aus dem Vorwort zur dritten Auflage xvi Vorwort zur fünften Auflage xix I Einführung 1 1 Motivationen, Historisches, Abgrenzungen Daten-intensive Anwendungen und deren Anforderungen Datenbanken und Informationssysteme Entwicklung von Datenbanksystemen und Datenmodellen Filesysteme Generische Sicht eines Datenbanksystems Netzwerk- und hierarchische Datenbanken Relationale Datenbanken Objektrelationale Datenbanken XML-Datenbanken Bibliographische Hinweise und Ergänzungen Übungen 23 2 Aufbau von Datenbanken und Datenbanksystemen Datenunabhängigkeit Die ANSI/SPARC-Schemaebenen Sprachebenen und -klassen Ein Schichtenmodell für Datenbanksysteme Bibliographische Hinweise, Ergänzungen, Querbezüge Übungen 41

3 Inhalt II Klassische Konzepte: ER- und relationales Datenmodell. SQL 43 3 Datenbank-Entwurf mit dem Entity-Relationship-Modell Der Datenbank-Lebenszyklus Aspekte der Qualitätssicherung Qualitätskriterien für den Datenbankentwurf Die Grundzüge ordnungsmäßiger Modellierung Phasen des Entwurfsprozesses Anforderungsanalyse und -Spezifikation Konzeptioneller Entwurf Logischer Entwurf Physischer Entwurf Weitere Entwurfsschritte Allgemeine Abstraktionskonzepte Das Entity-Relationship-Modell Entities und Attribute Relationships IS-A-Beziehungen Zusammenfassung Konzeptioneller Entwurf mit dem ER-Modell Bibliographische Hinweise und Ergänzungen Übungen 90 4 Das relationale Datenmodell Relationen Datenabhängigkeiten. Relationenschemata Transformation eines ER-Diagramms in das Relationenmodell Datenbank-Definition mit SQL Datenbankschema-Definition Tabellen-Definition Integritätsbedingungen Weitere Definitionsaspekte Fallstudie Medienhandel Bibliographische Hinweise und Ergänzungen Übungen Grundlagen von SQL SQL von 1980 bis Datenbank-Updates Datenbank-Anfragen Einführung Zur Syntax von SELECT Exkurs in die Relationenalgebra Semantik von SELECT am Beispiel von RA-Ausdrücken Verbund-Operatoren in SQL Beispiele für SQL-Anfragen Selektionen und Projektionen 141

4 Inhalt vii Verbundanfragen Aggregatfunktionen und Unteranfragen Abschließende Bemerkungen Rekursive Anfragen Bibliographische Hinweise und Ergänzungen Übungen Anhang: Beispieltabellen der Fallstudie Medienhandel Integrität in relationalen Datenbanken Arten von Integritätsbedingungen Funktionale Abhängigkeiten Definition. Implikation Ableitung. Das Membership-Problem Anwendungen des Membership-Algorithmus. Schlüssel (Abhängigkeits-) Basen Allgemeine Implikation Inklusionsabhängigkeiten Allgemeine Assertions Aktive Integritätskontrolle über Trigger Bibliographische Hinweise, Ergänzungen, Querbezüge Übungen Relationale Sprachen: Relationenalgebra, Kalküle, Datalog Die Relationenalgebra Relationale Operationen und ihre Rechenregeln Ausdrücke der Relationenalgebra Eigenschaften der Relationenalgebra Algebraische Optimierung Relationenkalküle Der Relationen-Tupelkalkül Der Relationen-Domainkalkül View-Updates Grundlagen von Datalog Motivationen Logik als Anfragesprache Intensionale und extensionale Datenbanken Rekursion Integritätsbedingungen Datalog-Programme und deren Interpretation Ausdruckskraft von Datalog Konzepte der Theorie von Anfragesprachen Konjunktive Anfragen Vollständigkeit von Anfragesprachen Ausdruckskraft und Komplexität von Anfragesprachen Bibliographische Hinweise und Ergänzungen Übungen 246

5 viii Inhalt 8 Qualitätsorientierter Datenbankentwurf Universalrelationen und Update-Anomalien Zweite, dritte und Boyce-Codd-Normalform Dekomposition und Synthese Mehrwertige und Verbund-Abhängigkeiten Vierte und fünfte Normalform Bibliographische Hinweise und Ergänzungen Übungen 277 III Moderne Konzepte: Objekt-Basierung und XML-Dokumente Objekt-relationale Datenbanken Evolution von Datenmodellen Grenzen relationaler Datenmodelle Höhere Datenmodelle Daten-, Funktions- und Prozessentwurf Objekt-Orientierung Das Paradigma Objekt-Orientierung und Datenbanken Unterscheidung von Typen und Klassen Objekt-Orientierung im relationalen Datenmodell Datenbankmodellierung mit der UML Klassen Assoziationen Aggregationen und Kompositionen Generalisierung und Spezialisierung Weitere Modellierungsmöglichkeiten Fallstudie Medienhandel Objekt-relationale Definitionskonzepte in SQL Basisdatentypen und Typkonstruktoren Benutzerdefinierte Typen und Typhierarchien Tabellen Fallstudie Medienhandel SQL-Anfragen an objekt-relationale Datenbanken Bibliographische Hinweise und Ergänzungen Übungen Anhang: Beispieltabellen der Fallstudie Medienhandel Einführung in XML Elemente, Tags und Attribute Validierung von XML-Dokumenten: DTDs und XML Schema Normalisierungsaspekte Verarbeitung von XML-Dokumenten XPath XSLT Bibliographische Hinweise und Ergänzungen 363

6 Inhalt ix 10.6 Übungen Anhang: XML-Spezifikationen für die Fallstudie Medienhandel Document Type Definition XML Schema Definition SQL und Programmiersprachen Web-Anbindung von Datenbanken Grundlegendes Scripting MySQL-Anbindung per PHP Eingebettetes SQL Arten der Einbettung JDBC und SQLJ Bibliographische Hinweise und Ergänzungen Übungen XQuery und SQL/XML XQuery Ausdrücke FLWOR-Ausdrücke Funktionen Update-Operationen SQL/XML XML-Datentypen Publikations-Funktionen XQuery-Funktionen SQL/XML-Unterstüzung in IBM DB2 V Speicherung von XML-Dateien Anfragen mit SQL/XML Anfragen mit XQuery Generierung von XML- oder HTML-Strukturen Bibliographische Hinweise und Ergänzungen Übungen 426 IV Datenintegration und ihre Anwendungen Architekturkonzepte für Datenbanksysteme Das Client/Server-Konzept Anfrageserver Objekt- und Seitenserver Verteilte Datenbanksysteme Vor- und Nachteile Klassifikationen Homogene Verteilung Heterogene Verteilung und Föderation Parallele Datenbanksysteme Bibliographische Hinweise und Ergänzungen 458

7 x Inhalt 13.5 Übungen Datenintegration Einführung. Architekturkonzepte Übersetzer, Integratoren und Koordinatoren Integration mittels logischer Sichten Verteilte Objekte und Web Services Bibliographische Hinweise und Ergänzungen Übungen Data Warehouses (Datenlager) und OLAP Grundlagen Anwendungen und Architektur von Datenlagern Der ETL-Prozess Daten-Bereinigung zur Erzielung von Datenqualität Mehrdimensionale Datenmodelle Fakten, Maße und Dimensionen Sternschemata und Varianten Effiziente Speicherung von Faktentabellen mittels Bitmaps Qualitätsorientierter Schemaentwurf für Datenlager Der Entwurfsprozess Qualitätskriterien Summierbarkeit und Normalformen Selbstwartbarkeit Grundlagen des OLAP Datenwürfel und OLAP-Operatoren Von Vereinigungs- zu Würfel-Anfragen SQL Roll-Up SQL Cube SQL Grouping Sets Bibliographische Hinweise und Ergänzungen Übungen Grundlagen des Data Mining Einführung Klassifikation Cluster-Bildung Assoziationsanalyse Häufige Mengen und Assoziationsregeln Der Apriori-Algorithmus Verbesserungspotenziale beim Apriori-Algorithmus Alternativen zum Apriori-Algorithmus Interessantheitsmaße Sequenzanalyse Web-Mining Web-Struktur-Mining Web-Inhalts-Mining Web-Log-Mining 551

8 Inhalt xi 16.7 Bibliographische Hinweise und Ergänzungen Übungen 554 V Datenbanksystemtechnik Interne Datenbank- und Speicherorganisation Plattenspeicher Blöcke und Blockzugriffe RAID-Architekturen Pufferverwaltung Files Sequentielle Files Effizienter Filezugriff durch Indexierung Spezielle Indexstrukturen ISAM Baumstrukturen für eindimensionale Punktdaten Baumstrukturen für mehrdimensionale Punktdaten Hash-Organisationsformen Beispiel: Speicherorganisation bei DB Speicherung und Indexierung von XML-Dokumenten Speicherungsoptionen Indexierung Bibliographische Hinweise und Ergänzungen Übungen Verarbeitung und Optimierung von Anfragen Anfrageverarbeitung im Überblick Anfrage-Optimierung Ziele und Ansätze High-Level-Optimierung Low-Level-Optimierung Implementierungstechniken für den Verbund Nested-Loop-Join Sort-Merge-Join Hash-Join Spezielle QEP-Parameter Anfrage-Prozessoren Bibliographische Hinweise und Ergänzungen Übungen Physischer Datenbankentwurf und Tuning Grundlagen des physischen Datenbankentwurfs Fragmentierung und Rephkation bei Datenverteilung Datenbank-Tuning Grundlegende Prinzipien Tuning von Indexen Tuning in relationalen Systemen 629

9 xii Inhalt 19.4 Datenbank-Benchmarks Bibliographische Hinweise und Ergänzungen Übungen Transaktionen und Serialisierbarkeit Das Transaktionskonzept Beispiele für Synchronisationsprobleme Das ACID-Prinzip Das Read-Write-Modell für Transaktionen Serialisierbarkeit von Schedules Schedules View-Serialisierbarkeit Konflikt-Serialisierbarkeit Commit-Serialisierbarkeit Fehlersicherheit von Schedules Motivation Rücksetzbarkeit Vermeidung kaskadierender Aborts Striktheit Korrektheit von Schedules Bibliographische Hinweise und Ergänzungen Übungen Concurrency Control Überlegungen zum Scheduler-Entwurf Sperrende Scheduler Einführung Das 2-Phasen-Sperrprotokoll Varianten des 2-Phasen-Sperrprotokolls Das MGL-Protokoll Das TL-Protokoll Tuning in Gegenwart sperrender Scheduler Nicht sperrendes Timestamp-Ordering Concurrency Control auf höherer Abstraktionsebene Bibliographische Hinweise und Ergänzungen Übungen Grundlagen der Crash Recovery Einführung Organisation eines Data-Managers Der Recovery-Manager Ein Undo/Redo-Protokoll Alternativen zum Undo/Redo-Protokoll Recovery-Tuning Bibliographische Hinweise Übungen 709

10 Inhalt xiii 23 Verteilte Transaktionsverarbeitung Homogene Verteilung Verteilte Transaktionen und Schedules Verteiltes Concurrency Control Verteilte Recovery-Protokolle Transaktionen auf replikativen Datenbanken Heterogene Verteilung. System-Föderationen Einführung Ein MDBS-Modell Transaktionen und Schedules in einem MDBS Globale Serialisierbarkeit Gewährleistung globaler Serialisierbarkeit Bibliographische Hinweise Übungen 746 VI Neuere Entwicklungen Ausblicke Temporale Datenbanken Probabilistische Datenbanken Räumliche Daten und GIS Datenströme (Data Streams) Data Provenance Column Stores Bibliographische Hinweise und Ergänzungen 764 Literaturverzeichnis 767 Index 808