Datenbanken Belegnummer NFA008

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1 Datenbanken Belegnummer NFA008 WS 2010/11 (Cnam) Materialien zur Vorlesung Inge Schestag Hochschule Darmstadt Fachbereich Informatik Schestag Datenbanken (Cnam) Organisatorisches - 1

2 Motivation Schwerpunkte der Grundvorlesungen des Anfangszyklus im Bereich Anwendungsentwicklung: Einführung in die objektorientierte Programmiersprache Java (oder C++) Im Kontext dieser Programmiersprache(n) wurden (bisher) ausschließlich objektorientierte Konzepte besprochen und angewandt. Objektorientierte Analyse und Design (OOA / OOD) mit UML (= Unified Modeling Language) als Beschreibungssprache für objektorientierte Systeme werden im Rahmen der Lehrveranstaltungen Systementwicklung und Softwaretechnik eingeführt. Konzepte zu dauerhaft gespeicherten Daten (= persistente Daten Persistenzschicht) beinhalten bisher nur die selbst organisierte Verwaltung von Daten in Dateien (Textdateien, Binärdateien) Nachteile? Datenbanken nutzen die Dienste von zugrunde liegenden Datenbankservern (Datenbank-Managementsystemen = DBMS), um das Datenmanagement effizient, performant und sicher zu unterstützen. Schestag Datenbanken (Cnam) Organisatorisches - 2

3 Ziele der Lehrveranstaltung Verständnis entwickeln für die Integration der Persistenzschicht in allen Phasen des Software-Lifecycle Besonderheiten und Einschränkungen relationaler DBMS gegenüber den objektorientierten Paradigmen verstehen und beherrschen ER-Diagramm und Relationenmodell mit ihren Analogien zum Klassendiagramm der OOA und OOD verstehen und die Unterschiede kennen SQL als standardisierte Data Sub-Language für relationale Datenbanksysteme verstehen und einsetzen können Konzepte der objektorientierten Anwendungsentwicklung im Kontext relationaler Datenbanksysteme kennen lernen Konzepte zur Berücksichtigung des konkurrierenden Zugriffs mehrerer Benutzer und der Behandlung von Fehlersituationen kennen und anwenden können Schestag Datenbanken (Cnam) Organisatorisches - 3

4 Vorlesungsinhalte: Überblick Einführung Semantische Datenmodellierung Relationenmodell Interne Datenorganisation SQL - Structured Query Language Datenbank-Anwendungsentwicklung Transaktionsmanagement Objekt-relationales Mapping Rückblicke und Ausblicke Schestag Datenbanken (Cnam) Organisatorisches - 4

5 Praktikum: Vertiefung DB-AE NFA011 Ziel des Praktikums Datenmodellierung relationaler Schemata verstehen und im Umgang mit entsprechenden CASE-Tools *) vertraut werden Datenbankschemata implementieren, Daten manipulieren und recherchieren DB-Anwendungsentwicklung auf dem DB-Server und im Kontext von (objektorientierten) Host-Sprachen kennen lernen Transaktionsmanagement für konkurrierende DB-Zugriffe verstehen Organisatorisches Termine und Aufgabenstellungen auf der Homepage Leistungsnachweis durch Testat *) CASE = Computer Aided Software Engineering Schestag Datenbanken (Cnam) Organisatorisches - 5

6 Praktikum: Vertiefung DB-AE NFA011 Praktikumsinhalte Erstellung eines ER-Diagramms (CASE-toolbasiert); Algorithmen zum effizienten Datenmanagement (Java) Erstellung eines Relationenmodells (CASE-toolbasiert) Generierung eines relationalen Datenbankschemas, SQL DDL und DML Abfragen auf relationalen Datenbanken, Umgang mit Views Generierung und Einsatz von Stored Procedures und Triggern JDBC und Transaktionsmanagement Einsatz eines OR-Mappers (Hibernate) Tools, IDEs, DBMS, die im Praktikum zum Einsatz kommen: Sybase, Power Designer 15 (CASE-Tool zur Datenmodellierung) Oracle mit Oracle SQL Developer als Client und DB2 als DBMS Eclipse als IDE zur Java-Anwendungsentwicklung Am ersten Praktikumstermin findet eine Einführung zu Installation und Konfiguration für alle Tools statt, die im Rahmen des Praktikums genutzt werden. Schestag Datenbanken (Cnam) Organisatorisches - 6

7 Literatur Heuer, Andreas, Saake, Gunter. Datenbanken: Konzepte und Sprachen. MITP-Verlag, Bonn, 2. Auflage Date, C.J. An Introduction to Database Systems. International Edition. Addison- Wesley Systems. 8th ed Alfons Kemper, Andre Eickler: Datenbanksysteme. Eine Einführung, Oldenbourg, 6. Auflage März 2006 Zehnder, Carl August. Informationssysteme und Datenbanken. VdF Hochschulverlag, 8. Auflage G. Vossen, Datenbankmodelle, Datenbanksprachen und Datenbankmanagement- Systeme, 3. Auflage 1999, Oldenbourg. Erbs, Karczewski, Schestag. Datenbanken. Datenmodelle, Objekte, WWW, XML. VDE Verlag 2003 Saake, Gunter, Sattler, Kai-Uwe. Datenbanken & Java. JDBC, SQLJ, ODMG und JDO. dpunkt.verlag, 2. Auflage Schestag Datenbanken (Cnam) Organisatorisches - 7

8 Datenbanken Kapitel 1: Einführung Schestag Datenbanken (Cnam) Kapitel 1-1

9 Einführung Inhalte des Kapitels Einsatzgebiete von Datenbanken Datenbank Datenbanksystem Datenbankmanagementsystem Historische Entwicklung unterschiedlicher Datenbankmodelle Lernziele Sensibilisierung für die Vielfalt von Datenbanksystemen Grundlegende Begriffsklärung im Datenbankkontext Einordnung relationaler Datenbanksysteme in der Historie Schestag Datenbanken (Cnam) Kapitel 1-2

10 Einsatzgebiete von Datenbanken Banken und Versicherungen Kontoverwaltung, Finanzprodukte, Handel, Controlling,... ERP-Systeme (Enterprise Resource Planning) z. B. SAP R/3, Navision für KMU (Kleine und mittelständische Unternehmen), etc. Personal (HR), Buchhaltung, Bestellwesen, Lagerverwaltung, Logistik,... zentrale Abrechnungssysteme Telekommunikationsbranche Gastronomiebetriebe deutscher Autobahn-Raststätten, Kaufhäuser etc. Auskunftssysteme / Kundendaten Telefonauskunft,... Buchungssysteme... Reisebüros, Flugunternehmen, Hotels etc.? Screenshot aus einem Navision-System Welche Arten von Daten werden in solchen Systemen primär verwaltet? Schestag Datenbanken (Cnam) Kapitel 1-3

11 Einsatzgebiete von Datenbanken ebusiness online-shops, online Auktionen (ebay),... Bibliotheken hier auch Volltextsuche geographische Datenbanken topologische Daten, Satellitenbilder,... Produkt-Datenbanken strukturierte Daten, Konstruktionsdaten (CAD),... Welche Arten von Daten werden in diesen Systemen darüber hinaus verwaltet?? Datenbanken müssen nicht immer "groß" sein! Schestag Datenbanken (Cnam) Kapitel 1-4

12 Anwendungsszenarien Wir unterscheiden zwei grundsätzlich unterschiedliche Szenarien OLTP- Online Transaction Processing OLTP-Systeme nennt man häufig auch Operativsysteme lesende und schreibende Zugriffe transaktionsorientiert online viele gleichzeitige Benutzer kurze Antwortzeiten erforderlich DB eines Operativ-Systems Schestag Datenbanken (Cnam) Kapitel 1-5

13 Anwendungsszenarien DSS - Decision Support Systems ausschließlich lesende Zugriffe kein Transaktionsmanagement notwendig Antwortzeiten unkritisch(er) Reports OLAP (Online Analytical Processing) auf Basis eines Data Warehouse, Data Mining z.b. im CRM Customer Relationship Management Data Warehouse beide Szeanarien wachsen immer mehr zusammen! Schestag Datenbanken (Cnam) Kapitel 1-6

14 Einführung Einsatzgebiete von Datenbanken Datenbank Datenbanksystem Datenbankmanagementsystem Historische Entwicklung unterschiedlicher Datenbankmodelle Schestag Datenbanken (Cnam) Kapitel 1-7

15 Begriffsklärungen Datenbanksystem Datenbank Datenbank- Managementsystem Anwendungsprogramme End- Anwender in Anlehnung an Date, An Introduction Schestag Datenbanken (Cnam) Kapitel 1-8

16 Begriffsklärungen Datenbanksystem Ein Datenbanksystem ist im weitesten Sinne ein System zur rechnerunterstützten Verwaltung von Daten und umfasst die Gesamtheit aller im folgenden beschriebenen Komponenten (vgl. auch die vorhergehende Grafik). Datenbank Die Daten stellen in ihrer physischen Speicherform die eigentliche Datenbank dar und bilden den Kern eines jeden Datenbanksystems. Datenbank-Managementsystem (DBMS) Die proprietäre Software eines Datenbanksystems ist das Datenbank-Managementsystem (DBMS). Das DBMS besteht aus einer Vielzahl komplexer Dienste, die zur Verwaltung der Daten zur Verfügung stehen und die Konsistenz der Daten zu jedem Zeitpunkt gewährleisten. Man spricht deshalb auch von einem Datenbankserver. Das DBMS stellt die Schnittstelle zwischen einer Datenbank und den Anwendern des Datenbanksystems dar. Schestag Datenbanken (Cnam) Kapitel 1-9

17 Begriffsklärungen Datenbankmodell Ein Datenbankmodell definiert die Speicherstruktur, die ein DBMS zur internen Datenverwaltung verwendet. Datenbanksprache In der Regel stellt ein Datenbank-Managementsystem eine spezifische Datenbanksprache (Data Sub-Language - DSL) zur Verfügung, die einen Zugriff auf die Daten ermöglicht, ohne dass der Anwender selbst Kenntnisse von der internen, physischen Datenorganisation hat Mit Hilfe der DSL eines Datenbanksystems kann man Informationen / Daten verwalten (Insert, Update und Delete), und Informationen / Daten auf Anfrage (Query) verfügbar machen (Retrieval). Hardware In Bezug auf die Hardware unterscheidet man den Plattenspeicher (mit dazugehöriger Ein-/ Ausgabeperipherie) und den Hauptspeicher sowie die Prozessoren zur Ausführung der Datenbank-Systemsoftware. Schestag Datenbanken (Cnam) Kapitel 1-10

18 Einführung Einsatzgebiete von Datenbanken Datenbank Datenbanksystem Datenbankmanagementsystem Historische Entwicklung unterschiedlicher Datenbankmodelle Schestag Datenbanken (Cnam) Kapitel 1-11

19 Historische Entwicklung von Datenbankmodellen CODASYL Oracle (1979) DB2 v9 (2007, IBM) Relational / XML IMS/VS seit 1968 (IBM) System R (1977) DB2 (1983 unter MVS) ObjectStore (1988, ObjectDesign) Tamino (2000, SAG, Darmstadt) Hierarchisches Datenbankmodell Netzwerk Datenbankmodell (1971, Data Base Task Group) Relationales Datenbankmodell (1970, Edgar F. Codd) Objektorientiertes Datenbankmodell Objektrelationales Datenbankmodell NoSQL Semistrukturierte Datenbankmodelle z.b. XML-Datenbanken Schestag Datenbanken (Cnam) Kapitel 1-12???

20 Historische Entwicklung Hierarchische Datenbanken Die Daten lassen sich über hierarchische Strukturen (Baumstrukturen) in Beziehung zueinander setzen. Einsatzbereiche heute: Großrechnerbereich (Mainframes) von Banken, Versicherungen etc., z.b. IMS-DB (Information Management System). Netzwerk-Datenbanken Die zugrunde liegende Struktur stellt einen Graphen mit beliebigen Navigationsmöglichkeiten über Cursortabellen dar. Heute nicht mehr häufig im Einsatz. CODASYL. Relationale Datenbanken Die mathematische Basis dieses Datenbank-Modells ist die Relationenalgebra. Datensätze werden als Relationen (Menge von Tupeln gleicher Länge) angesehen Als Speicher- und Darstellungsform bieten sich Tabellen an. Schestag Datenbanken (Cnam) Kapitel 1-13

21 Historische Entwicklung Die standardisierte Abfragesprache für relationale Datenbanken ist SQL (Structured Query Language). Im Bereich relationaler Datenbank-Managementsysteme (RDBMS) unterscheidet man - RDBMS aus dem personal Bereich, wie MS-ACCESS und FoxPro, und - Datenbankserver wie z. B. DB2 (IBM), Oracle, Sybase, Informix (IBM), Ingres, MS SQL-Server, MySQL, PostgreSQL, Adabas etc. Objektorientierte Datenbanken Diese Datenbanken haben sich aus objektorientierten Sprachen entwickelt. Gespeichert werden Objekte auf der Basis objektorientierter Klassenstrukturen mit Attributen und Methoden, die i.d.r. komplexere Datentypen als die relationalen Datenbanken zulassen. Navigation ist möglich über direkte Referenz der Objekte durch Object Ids (OID = physische Adresse, pointer). Beispiele objekt-orientierter Datenbanken: ObjectStore, Versant, FastObjects (Poet), Jasmine, etc. Schestag Datenbanken (Cnam) Kapitel 1-14

22 Historische Entwicklung Objektrelationale Datenbanken Dies sind relationale Datenbanken mit objektorientierten Erweiterungen. Sie werden mittlerweile von allen Herstellern großer relationaler Systeme angeboten. Ziel der objekt-relationalen Datenbanken ist das Mapping objektorientierter Datenstrukturen aus dem Applikationsbereich auf relationale Datenstrukturen in der Persistenzschicht. weitere Nicht-Standard Datenbanken und NoSQL Neben den objektorientierten und objekt-relationalen Datenbanken zählen zu den Nicht-Standard Datenbanken u.a. die XML-Datenbanken (wie z.b. Tamino von der Software AG) geographische Datenbanken deduktive Datenbanken Die parallele Verwaltung von relationalen Schemata und XML-Schemata wird ermöglicht ab der Version DB2 v9 (IBM). Unter der Bezeichnung NoSQL Not only SQL werden unterschiedlichste, nichtrelationale DBMS bzw. Speicherkonzepte subsumiert, die entsprechend ihrer Architektur und Anwendungsdomänen in unterschiedliche Kategorien unterteilt sind ( s. auch Kapitel 7,Transaktionsmanagement) nosql-database.org/ Schestag Datenbanken (Cnam) Kapitel 1-15

23 Zusammenfassung Datenbanksysteme erfordern vor allem in großen und verteilten Architekturen spezifisches Wissen über den Aufbau und die Administration einer Datenbank sowie die Integration als Persistenzschicht in (objektorientierte) Anwendungsarchitekturen. Die relationalen DBMS sind bereits vor der Entwicklung objektorientierter Systeme entstanden. Dennoch stellen sie heute immer noch zusammen mit den hierarchischen Datenbanken den größten Anteil an Datenbankservern in bestehenden und neu entwickelten Anwendungssystemen dar. Schestag Datenbanken (Cnam) Kapitel 1-16

24 Datenbanken Einführung Semantische Datenmodellierung Relationenmodell Interne Datenorganisation SQL - Structured Query Language Datenbank-Anwendungsentwicklung Transaktionsmanagement Objekt-relationales Mapping Rückblicke und Ausblicke Schestag Datenbanken (Cnam) Kapitel 1-17

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