Leitfaden der Informatik. Carl August Zehnder Informationssysteme und Datenbanken

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1 Leitfaden der Informatik Carl August Zehnder Informationssysteme und Datenbanken

2 Leitfaden der Informatik Herausgegeben von Prof Dr. Hans-Jiirgen Appelrath, Oldenburg Prof. Dr. Volker Claus, Stuttgart Prof. Dr. Dr. h.c. mult. Giinter Hotz, Saarbriicken Prof. Dr. Lutz Richter, ZUrich Prof. Dr. Wolffried Stucky, Karlsruhe Prof. Dr. Klaus Waldschmidt, Frankfurt Die Leitfaden der Informatik behandeln - Themen aus der Theoretischen, Praktischen und Technischen Informatik entsprechend dem aktuellen Stand der Wissenschaft in einer systematischen und fundierten Darstellung des jeweiligen Gebietes. - Methoden und Ergebnisse der Informatik, aufgearbeitet und dargestellt aus Sicht der Anwendungen in einer fur Anwender verstandlichen, exakten und prazisen Form. Die Bande dieser Reihe wenden sich zum einen ais Grundlage und Erganzung zu Vorlesungen der Informatik an Studierende und Lehrende in Informatik -Stugienlehrgangen an Hochschulen, zum anderen an "Praktiker", die sich einen Uberblick tiber die Anwendungen der Informatik(-Methoden) verschaffen wollen; sie dienen aber auch in Wirtschaft, Industrie und VerwaItung tatigen Informatikern und Informatikerinnen zur Fortbildung in praxisrelevanten Fragestellungen ihres Faches.

3 Informationssysteme und Datenbanken Von Dr. sc. math. Carl August Zehnder o. Professor an der Eidg. Technischen Hochschule Zurich 6., vollig neubearbeitete und erweiterte Auflage EI3 B. G. Teubner Stuttgart 1998

4 Prof. Dr. sc. math. Carl August Zehnder 1937 geboren in Baden (Aargau). Von 1957 bis 1962 Studium der Mathematik an der Eidgenossischen Technischen Hochschule (ETH) ZUrich, anschliebend Assistent am Institut fur angewandte Mathematik bei Prof. Dr. E. Stiefel, Promotion Von 1966 bis 1967 Studienaufenthalt am Massachusetts Institute of Technology in Cambridge (USA) und Industrieberatungen. Seit 1967 wieder an der ETH ZUrich tiitig, zuerst Geschiiftsfiihrer im Institut fur Operations Research, von 1969 bis 1974 Leiter der Koordinationsgruppe fur Datenverarbeitung Ass. Professor, 1973 a.o. Professor und 1979 o. Professor fur Informatik, mit Schwergewicht aufdatenbanken, Anwendungen und Projektfiihrung. Von 1987 his 1990 Vizepriisident der ETH ZUrich. Die Deutsche Bibliothek - ClP-Einheitsaufna1une Zehnder, Carl August: Infonnationssysteme und Datenbanken / von Carl August Zehnder. - 6., v6ilig neubearb. und erw. Aufl. - Stuttgart: Teubner, 1998 (Leitfaden der Infonnatik) ISBN-13: e-isbn-13: DOl: / Das Werk einschliel3lich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschutzt: Jede Verwertung auberhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzuliissig und strafbar. Das gilt besonders fur Vervielfliltigungen, Obersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen B. G. Teubner Stuttgart und vdf Hochschulverlag AG an der ETH Zurich

5 Einfuhrung Dieses Lehrbuch wendet sich an all jene, welche modeme Informationssysteme nicht bloss benutzen, sondern auch verstehen und selbst gestalten wollen. Informationssysteme stiitzen sich auf ihren Inhalt, also auf Daten. Ein Schwergewicht dieses Buches liegt daher auf der prazisen, aber durch viele Beispiele aufgelockerten Methodik zur Beschreibung von Datenbestanden; eine konkrete Entwurfsmethode fur Datenbanken (Kap.3) baut darauf auf. Dieser methodische Teil ist eingebettet in eine uberblicksartige Darstellung von Datenabfragesprachen, Werkzeugen und Konzepten, welche bei Aufbau und Nutzung von Datenbanken und Informationssystemen wichtig sind. Die Darstellung von Zusammenhangen steht dabei im Vordergrund. Fur den Autor stellte sich bei der vorliegenden Neubearbeitung (6. Auflage) die Frage nach den bestgeeigneten Datenbeschreibungssprachen (Datenmodelle) fur die Entwurfsmethode. Objektorientierte und objektrelationale Datenmodelle dominieren seit einigen Jahren die entsprechende Fachliteratur. Mehrere Griinde fuhrten jedoch zur Beibehaltung der schon in den friiheren Auflagen benutzten und in der Praxis bewahrten Entwurfsmethode, die sich auf ER-Modell und Relationenmodell stiitzt: - Auch weiterhin werden Datenbestande in vielen grossen Anwendungen relational gespeichert. (Und noch immer harren manche "vor-relationalen" Systeme aufihre Ablosung durch relationale!) - 1m relationalen Datenmodell lassen sich grundlegende Datenaspekte wie Redundanzfreiheit und Abhangigkeiten besonders einfach verstehen. - Unsere Entwurfsmethode ist auf relationaler Basis so einfach, dass Studierende und Praktiker damit schon nach wenigen Einfuhrungsstunden selbstandig kleinere Datenbanken entwickeln konnen. - Zu dieser Entwurfsmethode steht mit dem Datenbankverwaltungssystem Access aus dem verbreiteten Standardpaket MS-Of ice ein benutzerfreundliches Werkzeug fur Ausbildung und Anwendung zur Verfugung. Das vorliegende Lehrbuch beschrankt sich aber keineswegs auf klassische relationale Datenbanken, sondem stellt auch andere Werkzeuge und Konzepte vor (z.b. Data Warehouses, Internet-basierte Informationssysteme, verteilte Datenbestande), ordnet diese grundsatzlich und begrifflich ein und verweist Interessierte weiter, sei es

6 ~ EinfUhrung innerhalb dieses Buchs (Verweise auf Unterabschnitte mit,,9.9.9", auf Figuren mit "Fig.9.9"), sei es auf weiterfiihrende Literatur (Literaturverweise mit,,[... ]"). V orausgesetzt fur die Lektiire des vorliegenden Buches werden nur grundlegende Informatikkenntnisse, wie sie etwa im Buch "Grundlagen fur den Informatikeinsatz" [Bauknecht, Zehnder 97] vermittelt werden. Der Text verweist daher verschiedentlich auf diese "Grundlagen" als Referenzpunkt und verzichtet auf deren Wiederholung. Verzichtet wird auch auf geschlechtsbezogene Doppelformen; bei Personenbezeichnungen steht jeweils die kurze Form ("der Anwender", "die Person", "das Mitglied") fur beide Geschlechter. Zum Schluss dieser Einfiihrung einige personliche Worte des Ruckblicks und des Dankes. Das vorliegende Buch entstand urspriinglich in den Siebzigerjahren aus Vorlesungsunterlagen und hat seither intensiv von Beitragen meiner Assistenten in Forschung und Unterricht profitiert. Bis 1987 stand dabei die Datenbank-Ausbildung von Fachinformatikern im Vordergrund. Seither hat sich die Zielgruppe verschoben, weg von den Spezialisten, hin zu der grosseren Gruppe von Ingenieuren, Betriebwirtschaftern und Naturwissenschaftern, die heute Datenbanken selbstandig fur ihre Zwecke einsetzen und die daher deren Grundlagen besser verstehen wollen. Fur diesen neuen Benutzerkreis wurde eine vollige Neubearbeitung notig, wobei die Ubersichtsaspekte verstarkt und Hinweise auf bloss experimentell verfugbare Werkzeuge entfernt wurden. Neu ist der systematische Einbezug moderner und verbreiteter Standardprogramme (Access, aber auch Filemaker), urn den Schritt von der Theorie in die Praxis zu erleichtern. Bei den Arbeiten zur 6. Auflage hat mich mein Oberassistent Dr. Daniel Aebi vielfaltig unterstiitzt, angefangen mit der Installation eines Studentenlabors fur die Datenbankausbildung bis zur druckfertigen Gestaltung des Buchtexts. Korrekturen und Hinweise stammen auch von meinen Assistenten Christian Schucan und Beat Dobeli. Dafur danke ich herzlich. Danken mochte ich aber auch den beiden Verlagen vdf Hochschulverlag in Zurich und B.G. Teubner in Stuttgart fur die erneute Herausgabe sowie fur ihre Geduld mit dem Autor. Institut fur Informationssysteme der ETH Zurich, immarz 1998 Carl August Zehnder

7 Inhaltsverzeichnis Einfiihrung Inhaltsverzeichnis 1 Leben mit Information Wir brauchen Informationen Information, Informationssysteme Verschiedenartige Informationssysteme Unterschiedliche Informationsnutzer Datenbank-Grundlagen Betrachtungsebenen rur Informationen und Daten, Datenschema Strukturierte, konsistente und redundante Daten Sprachen rur die Datenbeschreibung Sprachen rur die Datenmanipulation Eigenschaften von Datenbanken Datenbanken, Dateisysteme, Einfachlosungen Begriffe bei Datenbanken Schliissel Konsistenz und Transaktionen Wie entsteht eine Datenbank? Ein erstes Datenbankbeispiel: "Reiseorganisator" mit Klein-Datensystem Filemaker Entwurf des Datenschemas Eine bewahrte Entwurfsmethode Das Entitatenblockdiagramm Entitaten, Entitatsmengen Beziehungen zwischen Entitatsmengen Theorie: Das ER-Modell (Entity Relationship Model) Attribute, Wertebereiche, Formatierung Das Relationenmodell Relationen Identifikationsschliissel Abhangigkeiten Der Normalisierungsprozess Theorie: Das klassische Relationenmodell

8 6 Inholtsverzelchnls 3.5 Beziehungen zwischen Relationen - globale Normalisierung Global- und Lokalattribute Fremdschliissel, dynamische Wertebereiche Normalisierung im Entitatenblockdiagramm Generalisierungen Konsistenzbedingungen StrukturgestUtzte und zusatzliche Konsistenzbedingungen Fortpflanzung oder Kaskadenbildung, eine Konsequenz der Beziehungen Starke und schwache Konsistenzbedingungen Die Entwurfsmethode im Zusammenhang Die einzelnen Schritte der Entwurfsmethode Die Entwurfsmethode als iterativer Prozess (Uberblick) Perfektes Datenschema - praktisches Datenschema Der Einsatz der Entwurfsmethode Das Datenschema ist langlebig! Das konzeptionelle Datenschema Das logische Datenschema fur ein konkretes DBMS Der Einstieg in den Datenbank-Entwurf: Deduktiver und induktiver Ansatz Andere Entwurfsmethoden und Datenbeschreibungssprachen Der objektorientierte Ansatz (00) Traditionelle Datenbeschreibungssprachen: Dateien, Hierarchien und Netzwerke Theoretische Ansatze Ein zweites Datenbankbeispiel: "Reiseorganisator" mit dem DBMS Access Vom Klein-Datensystem zum DBMS Der Entwurf des konzeptionellen Datenschemas Die Entwicklung des logischen Datenschemas Datenmanipulation Transaktionstypen und Benutzerklassen in Datenbanken Unterschiedliche Bediirfnisse Transaktion - Anwenderprogramm - Benutzerschnittstelle Transaktionstypen Zur Gestaltung von Dialog-Schnittstellen fiir professionelle Benutzer Datenmanipulationssprachen in Datenbanken Klassierung und Vergleich von Datenmanipulationssprachen Operatorensprache: Relationenalgebra Pradikatensprache: Relationenkalkiil ALPHA

9 Inhaltsverzeichnis _._._ _..._ Abbildungsorientierte relationale Sprache: SQL Eingebettetes SQL Graphikorientierte relationale Sprache: Query-by-Example QBE, Access-QBE Prozedurale Datenmanipulationssprache: Access-Basic Hierarchische Datenmanipulationssprache: DL/ Netzwerkorientierte Datenmanipulationssprache: Codasyl- DBTG Externe Schemata Daten aus Benutzersicht Operationen auf Benutzersichtdaten Einschrankung der Benutzersichtdaten, Geheimhaltung Definition externer Schemata Indirekte Suchmethoden Informationssysteme sind mehr als Datenbanken Suchsysteme, der Ansatz des "Information Retrieval" Data Warehouses Wissensbasierte Systeme, Expertensysteme Physische Datenorganisation Arbeits- und Sekundarspeicher Organisationsformen fur grosse Dateien Verkniipfungen und Zugriffspfade Internes Schema Datenintegritat Begriffe, Ziele, Zielkonflikte Vielerlei Gefahren Systematische Begleitung der Daten Begriffe Zielkonflikte Nochmals: Konsistenz und Transaktionen Zustandsbedingungen und Ubergangsbedingungen "ACID" -Eigenschaften von Transaktionen Unterschiedlicher Uberpriifungsaufwand Definition von Konsistenzbedingungen Gewahrleistung von Konsistenzbedingungen Parallele Transaktionen Konfliktsituationen Synchronisation von Datenzugriffen Sperrprotokolle Optimistische Synchronisationsmethoden

10 8 Inhalfsverzelchn,-=Is' Datensicherheit Datensicherheit ist ein allgemeines Anliegen Effiziente Redundanzerhohung in der Datenbasis Rekonstruktion der Datenbasis (recovery) Datenschutz Grundsatze des Datenschutzes Sicherstellung des Datenschutzes in einer Datenbank Datenweitergabe in andere Verantwortungsbereiche Architektur einer Datenbank Das Datenbankverwaltungssystem (DBMS} Funktionsschichten Beschaffung eines DBMS, Lizenzfragen Datenschemata und Redundanz Das 4-Schema-Konzept Unterschiedliche Redundanzziele Datensysteme auf mehreren Rechnem Dezentralisierung Zentral oder dezentral? Griinde filr die Dezentralisierung Die Dezentralisierung benotigt Verbindungen Stufen der Dezentralisierung Client-Server-Systeme Auslagerung von Funktionen Auslagerung von Daten Verteilte Datenbanken Die Verteilung aus Sieht des Benutzers Ortstransparenz und Transaktionsverwalter H6here Verfilgbarkeit durch Redundanz bei Verteilung Middleware Foderative Datensysteme Verbundene Datenbanken, Datenaustausch, EDI Aufbau und Betrieb von Informationsdienstleistungen Angemessene Technik Werkzeuge Methoden Daten Menschen Fiihrungshilfen Literaturverzeichnis Sachregister