Vorlesung Datenbanken

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1 Vorlesung Datenbanken Kapitel 1 - Einführung Institut für Informatik

2 2 Übersicht Anforderungen an ein Datenbanksystem Nachteile dateibasierter Datenhaltung ANSI/SPARC Schemaebenen Datenmodelle im Überblick Sprachebenen (DDL, DML) Architektur eines Datenbanksystems

3 3 Datenbankbasierte Anwendungen (1) Beispiele Bibliothek Flugreservierungssystem Buchgroßhändler Bank, Versicherung Geo-Informationssysteme (GIS) Anforderungen aus Anwendersicht dauerhafte Speicherung und Verwaltung großer Datenmengen frei von Redundanzen konsistente Daten Anfragen Aktualisierungen

4 4 Datenbankbasierte Anwendungen (2) Anforderungen aus technischer Sicht effizienter Zugriff Speicherung auf Sekundärspeicher gleichzeitiger Zugriff mehrerer Benutzer Zugriff über das Netz Zugriff auf mehrere Datenbanken Kopplung mit Anwendungssoftware

5 5 Nachteile dateibasierter Datenhaltung (1) Datensätze bestehen aus Kundennummer, Kundenname, Straße, Ort, Kreditnummer, Kreditbetrag Beispieldatensatz: ( , Müller, Einsteinstr. 22, Münster, L-305, 10000) Kreditverwaltung Kreditdatei

6 6 Nachteile dateibasierter Datenhaltung (2) Datensätze in Kredit- und Kontoverwaltung enthalten redundante Kundendaten ( , Müller, Einsteinstr. 22, Münster, L-305, 10000) Kreditverwaltung ( , Müller, Einsteinstr. 22, Münster, A-101, ) Girokontoverwaltung Kreditdatei Kontodatei

7 7 Nachteile dateibasierter Datenhaltung (2) Redundanz auf Ebene der Anwendungen potentielle Inkonsistenzen Kreditverwaltung Girokontoverwaltung Kreditdatei Kontodatei

8 8 Nachteile dateibasierter Datenhaltung (3) ( , Müller, Einsteinstr. 22, Münster, L-305, 10000) Kreditverwaltung ( , Müller, Einsteinstr. 22, Münster) Kundenverwaltung ( , Müller, Einsteinstr. 22, Münster, A-101, 4859,84) Girokontoverwaltung Kreditdatei Kontodatei

9 9 Nachteile dateibasierter Datenhaltung (3) Redundanz auf Systemebene potentielle Inkonsistenzen Kreditverwaltung Kundenverwaltung Girokontoverwaltung Kreditdatei Kontodatei

10 10 Nachteile dateibasierter Datenhaltung (4) Auswertungen und Veränderungen in den Anwendungen kodiert ad hoc Anfragen nicht vorgesehen Inflexibilität Kreditverwaltung Kundenverwaltung Girokontoverwaltung Kreditdatei Kontodatei

11 11 Nachteile dateibasierter Datenhaltung (5) Integritätsbedingungen in Anwendungen kodiert Beispiel: Kontostand eines Sparkontos muss immer > 0 sein Fehleranfälligkeit Inflexibilität Kreditverwaltung Kundenverwaltung Girokontoverwaltung Kreditdatei Kontodatei

12 12 Nachteile dateibasierter Datenhaltung (6) Umbuchung von 50 EUR als eine (atomare) Transaktion ausführen read(a,standa); write(a,standa-50); read(b,standb); write(b,standb+50) alle Operationen vollständig oder überhaupt nicht ausführen kein Transaktions- und kein Recoverykonzept Kreditverwaltung Kundenverwaltung Girokontoverwaltung Kreditdatei Kontodatei

13 13 Nachteile dateibasierter Datenhaltung (7) gleichzeitige Umbuchung und Barabhebung von einem Koto (1) read(a,stand1); write(a,stand1-50); (2) read(a,stand2); write(a,stand2 300); Transaktionen (1) und (2) isoliert ausführen keine parallelen Transaktionen (Concurrency Control) Kreditverwaltung Kundenverwaltung Girokontoverwaltung Kreditdatei Kontodatei

14 14 Nachteile dateibasierter Datenhaltung (8) Zugriffsrechte über Dateizugriffe nur schwer zu organisieren muss in Programmcode integriert werden Fehleranfälligkeit Inflexibilität Kreditverwaltung Kundenverwaltung Girokontoverwaltung Kreditdatei Kontodatei

15 15 Datenbanksystem (DBS) Datenbanksystem (DBS) besteht aus Datenbank-Management-System (DBMS): Software-Module zur Verwaltung einer Datenbank Datenbank(en) Sammlung(en) von Daten Ziel Bereitstellung einer abstrakten Sicht auf die Daten Verbergen von Details, z.b. wie Daten gespeichert werden

16 16 ANSI/SPARC Schemaebenen (1) Anwendung 1 Anwendung 2 Anwendung n Sicht 1 Sicht 2 Sicht n Sichtenebene logische Ebene physische Ebene

17 17 ANSI/SPARC Schemaebenen (2) physische (interne) Ebene interne Datensätze (Speicherungsstruktur) Art und Aufbau der verwendeten Datenstrukturen Anordnung der Datensätze Lokalisierung der Daten auf dem Sekundärspeicher logische Ebene logische Gesamtsicht Beschreibung der Daten und deren Beziehungen Sichtenebene (externe Ebene) individuelle Sichten auf die Daten, jeweils beschrieben durch ein Schema Benutzer sehen nur Ausschnitt der Datenbank in der Regel Zugriff über zu den Sichten korrespondierende Anwendungen Beitrag zur Datensicherheit

18 18 Analogie zu Programmiersprachen physische Ebene Beschreibung eines Objekts durch Folge von Speicherzellen logische Ebene Beschreibung eines Objekts durch die zugehörige Klassendefinition Sichtenebene Nutzung der Methoden des Objekts, Details bleiben verborgen

19 19 Schema und Instanz (1) Schema beschreibt die logische Struktur der Datenbank wird zum Entwurfszeitpunkt festgelegt entspricht Klassendeklaration in Programmiersprache Ausprägung (Instanz) der konkrete Inhalt einer Datenbank abhängig vom jeweiligen Zeitpunkt muss die im Schema definierten Strukturbedingungen erfüllen entspricht dem Zustand eines Objekts

20 20 Schema und Instanz (2) Schemata für die einzelnen Abstraktionsebenen physisches Schema Beschreibung von Speicherungsstrukturen konzeptionelles Schema Beschreibung der Daten unabhängig von einem konkreten DBMS logisches Schema konzeptionelles Schema für ein konkretes DBMS externe Schemata (Subschemata) Beschreibung der Sichten

21 21 konzeptionelles Schema Bankanwendung account: (branch_name, account_number, balance) Konto: (Zweigstellenname, Kontonummer, Kontostand) branch: (branch_name, branch_city, branch_street, assets) Zweigstelle: (Zweigstellenname, Stadt, Straße, Einlagen) customer: (customer_id, customer_name, customer_street, customer_city) Kunde: (Kunden_Id, Name, Straße, Stadt) depositor: (customer_id, account_number) Kontoinhaber: (Kunden_Id, Kontonummer) loan: (branch_name, loan_number, amount) Kredit: (Zweigstellenname, Kreditnummer, Betrag) borrower: (customer_id, loan_number) Kreditnehmer: (Kunden_Id, Kreditnummer)

22 22 Datenunabhängigkeit Möglichkeit der Änderung eines Schemas ohne Beeinflussung der Schemata der darüber liegenden Ebenen physische Datenunabhängigkeit logisches Schema ist invariant gegenüber Änderungen des physischen Schemas Anwendungen müssen nicht angepasst werden logische Datenunabhängigkeit Änderungen des logischen Schemas betreffen nur wenige Sichten Anpassung nur weniger Anwendungen Datenbanksysteme sind anpassungsfähig

23 23 Datenmodelle Möglichkeiten zur Beschreibung von Daten Beziehungen zwischen Daten Integritätsbedingungen Objekt-basierte logische Modelle Entity-Relationship-Modell Objektorientiertes Modell Record-basierte logische Modelle Relationales und Objektrelationales Modell Hierarchisches Modell Netzwerkmodell semistrukturierte Modelle XML

24 24 Beispiel Entity-Relationship-Modell customer_name account_number customer_id customer depositor account customer_city customer_street balance

25 25 Netzwerk- und Hierarchische Datenbanken kommerziell verfügbar seit den 70er Jahren erstmals Trennung logischer und physischer Sicht Beschreibung des Schemas als Graphen (Netzwerkmodell) Bäume (Hierarchisches Datenmodell) Knoten: Recordtypen Kanten: Settypen Datenbank besteht aus Records und Links zwischen den Records Recordtypen beschreiben den Aufbau von Records Settypen beschreiben die möglichen Kanten (Links)

26 26 Beispielschema im Netzwerkdatenmodell Professor PersonalNr Name Fachbereich Student MatNr Name Adresse veranstaltet Prüfer Kandidat Veranstaltung Titel Raum Zeit Prüft Fach Note Recordtypen Settypen

27 27 Beispielausprägung im Netzwerkdatenmodell V: Datenbanken M4 MO MI Müller Mathematik Schmidt Mathematik S: Datenstrukturen SR4 DI 9-10 V: Compilerbau M4 DI DO 15-17

28 28 Netzwerk- und Hierarchische Datenbank navigierender Zugriff i.a. keine Anfragesprache Zugriff nur über Anwendungsprogramme Anwendungsprogramme abhängig von Datenbankstruktur Sichten durch verschiedene Programme

29 29 Tabelle im Relationalen Modell Tupel Attribute customer_id customer_ name customer_street customer_city account_ number Müller Einsteinstr. 22 Münster A Meier Grevener Str. 280 Münster A Schmidt Grevener Str. 280 Münster A Müller Einsteinstr. 22 Münster A Fischer Bergstr. 73 Oberhausen A-225

30 30 Beispielausprägung Relationales Modell account_number balance A ,84 A ,29 A ,23 A ,34 customer_id account_ number A A A A A-225 customer_id customer_ name customer_street customer_city Müller Einsteinstr. 22 Münster Meier Grevener Str. 280 Münster Schmidt Grevener Str. 280 Münster Fischer Bergstr. 73 Oberhausen

31 31 Beispiel: Schemadefinition im Relationalen Modell create table customer( customer-id char(11), customer-name char(32), customer-street char(32), customer-city char(32), primary key (customer-id)); create table account( account-number char(10), balance integer, primary key (account-number)); create table depositor( customer-id char(11), account-number char(10), primary key (customer-id, account-number), foreign key (customer-id) references customer, foreign key(account-number) references account);

32 32 Relationale Datenbanksysteme seit Anfang der 80er Jahre kommerziell verfügbar heute erfolgreich in Anwendungen aus Wirtschaft und Verwaltung integriert relationale Systeme unterstützen einfach strukturierte Datenobjekte einfache Datentypen kurze Anfragen (Transaktionen) hohe Transaktionsraten Modifikationen mit Überschreiben des alten Werts (keine Speicherung der Historie)

33 33 Objektbasierte Datenmodelle neue Anwendungsgebiete - neue Anforderungen Computer Aided Design, CAD Computer Integrated Manufacturing, CIM Computer-Aided Software Engineering, CASE Geo-Informationssysteme, GIS Objektorientiertes Datenmodell Übertragung des Paradigmas objektorientierter Programmiersprachen auf Datenbankumgebung (persistente Programmiersprache) Objektrelationales Datenmodell Erweiterung des relationalen Datenmodells, um komplexe Attributtypen prozedurale Elemente

34 34 Bsp: Objektorientiertes Datenmodell (1) class Customer ( extent Customers, key (customer-id) ) { attribute string customer-id; attribute string customer-name; attribute string customer-city; attribute string customer-street; relationship set<account> depositorfor inverse Account::depositor; }

35 35 Bsp: Objektorientiertes Datenmodell (2) class Account ( extent Accounts, key(account-number)) { attribute string account-number; attribute int balance; relationship set<customer> depositor inverse Customer::depositorFor; }

36 36 Sprachebenen - Data Definition Language DDL: Sprache zur Definition der Datenbankschemata DDL Compiler erzeugt Einträge für das Data Dictionary Data Dictionary enthält Metadaten (Daten über Daten) Schema Integritätsbedingungen Zugriffsrechte Speicherung der Daten Indizes

37 37 Sprachebenen - Data Manipulation Language DML: Sprache zum Abfragen und Ändern der Daten Realisierung durch eigenständige Dialogsprache (z. B. SQL) eingebettet in eine Wirtssprache (Host-Language), Varianten Bibliotheksaufrufe (z. B. JDBC, ODBC) Precompiler Erweiterung des Compilers der Wirtssprache Erweiterung der DML zu einer Programmiersprache zwei Klassen von DML s prozedural: Benutzer beschreibt, welche Daten benötigt werden und wie diese erhalten werden deklarativ (nicht prozedural): Benutzer beschreibt, welche Daten benötigt werden, aber nicht, wie diese erhalten werden

38 38 SQL wichtigste Anfragesprache für relationale Datenbanken Beispiel: alle Kontonummern und Kontostände von Konten mit einem Kontostand von mindestens 2000, aufsteigend sortiert nach Kontoständen select account_number, balance from account where balance > 2000 order by balance Anwendungsprogramme nutzen für Datenbankzugriffe Spracherweiterungen für Embedded SQL API's (z.b. ODBC/JDBC)

39 39 XML definiert durch das WWW Konsortium (W3C) als Dokumentauszeichnungssprache (Markup Language) entworfen gut geeignet zum Datenaustausch, da durch neue Tags geschachtelte Strukturen erzeugt werden können Grundlage für viele Datenaustauschformate zahlreiche Tools zur Bearbeitung von XML-Dokumenten nicht Gegenstand dieser Veranstaltung

40 40 Verarbeitung einer Anfrage select customer_street from customer where customer_name = 'Johnson' Schritte zur Verarbeitung der Anfrage Überprüfung der Syntax Semantische Überprüfung (Tabelle vorhanden, Zugriffsrechte) interne Operationen zur Beantwortung der Anfrage bestimmen Erstellung eines (möglichst effizienten) Programms (Zugriffsplan) zur Beantwortung der Anfrage Programm ablaufen lassen, dabei sicherstellen, dass die Operanden nicht von anderer Seite verändert werden Aufbereitung der Daten für die Ausgabe

41 41 Schichtenmodell eines DBMS Benutzersprache Mengenschnittstelle Anfrageverarbeitung Tupelschnittstelle Zugriffsstrukturen und Code-Erzeugung Synchronisation paralleler Zugriffe Speicherverwaltung Recordschnittstelle Seitenschnittstelle

42 naive Benutzer Anwendungsprogrammierer erfahrene Benutzer Datenbankadministrator Benutzer / DBA Vorlesung Datenbanken, SS 2008, Kapitel 1: Einführung 42 Anwendungs- Anwendungs- Anfrage Datenbankschnittstelle programm schema Anwendungsprogramm ObjectCode embedded DML- Precompiler Benutzersprache Autorisierungskontrolle DML- Parser DDL- Interpreter Integritätsprüfung Update- Anfrageverarbeitung Query- Prozessor Prozessor Optimierer Zugriffsstrukturen Zugriffsplanerstellung und Code-Erzeugung Codeerzeugung Transaction-Manager Synchronisation paralleler Scheduler Zugriffe Recovery-Manager Speicherverwaltung File-Manager Buffer-Manager Indizes Dateien Statistische Daten Data Dictionary

43 naive Benutzer Anwendungsprogrammierer erfahrene Benutzer Datenbankadministrator Benutzer / DBA Vorlesung Datenbanken, SS 2008, Kapitel 1: Einführung 43 Anwendungs- Anwendungs- Anfrage Datenbankschnittstelle programm schema Anwendungsprogramm ObjectCode embedded DML- Precompiler Autorisierungskontrolle DML- Parser DDL- Interpreter Integritätsprüfung Update- Prozessor Query- Prozessor Optimierer Zugriffsplanerstellung Codeerzeugung Transaction-Manager Scheduler Recovery-Manager File-Manager Buffer-Manager Indizes Dateien Statistische Daten Data Dictionary

44 44 Datenbankbenutzer Anwendungsprogrammierer nutzen die DML in einer Wirtssprache zur Erstellung von Anwendungsprogrammen erfahrene Benutzer nutzen dialogorientierte DML (z.b. SQL) naive Benutzer verwenden Anwendungsprogramme DatenBankAdministrator (s.u.)

45 45 Aufgaben des DBA Definition der Schemata Definition von Speicherungsstrukturen und Zugriffsmethoden Anpassung der Schemata und der physischen Organisation Vergabe von Zugriffsrechten Definition von Integritätsbedingungen Überwachung der Leistungsfähigkeit des Systems Anpassungen aufgrund geänderter Nutzung gutes Gesamtverständnis des Problembereichs erforderlich

46 46 Komponenten der Ebene Benutzersprache embedded DML Precompiler übersetzt DML-Kommandos in Anwendungsprogrammen in Aufrufe von Bibliotheksfunktionen weitere Bearbeitung mit Compiler der Wirtssprache DML Parser übersetzt Anfragen nach syntaktischer und semantischer Überprüfung in eine interne Form DDL Interpreter interpretiert DDL-Anweisungen Autorisierungskontrolle überwacht Zugriffsberechtigung für die Datenbank

47 47 Komponenten der Ebene Anfrageverarbeitung Integritätsprüfung Sicherstellung von Integritätsbedingungen bei Updates Update-Prozessor Bearbeitung von Update-Operationen interne Zwischenform wird unter Zuhilfenahme der Integritätsprüfung erweitert Query-Prozessor Ersetzung von Komponenten der externen Schemata durch entsprechende Komponenten des logischen Schemas Vereinfachung der Anfrage Optimierer Umformung der Anfrage in eine "bessere" Form Auswahl des "günstigsten" Zugriffsplans verwendet statistische Daten über die Datenbank

48 48 Komponenten der Ebene Zugriffsstrukturen und Code- Erzeugung Zugriffsplanerstellung Erstellung eines Zugriffsplans (Ausführungsplans) für eine Anfrage Auswahl geeigneter Indexstrukturen Auswahl geeigneter Implementierungen von Operationen Codeerzeugung Erzeugung einer Repräsentation des Zugriffsplans, die unmittelbar ausführbar ist

49 49 Komponenten der Ebene Synchronisation paralleler Zugriffe Transaktion Folge von Operationen, die eine logische Funktion einer Anwendung realisieren Transaction-Manager lässt Datenbank nach außen als exklusiv verfügbares Betriebsmittel erscheinen arbeitet nach dem "Alles oder Nichts" Prinzip Recorvery-Manager stellt im Fehlerfall einen konsistenten Datenbankzustand her Fehlerquellen: Hardware, Stromversorgung, Betriebssystems, DBMS-Code,... Scheduler (Concurrency-Control-Manager) lässt mehrere Transaktionen parallel ablaufen

50 50 Komponenten der Ebene Speicherverwaltung Buffer-Manager verwaltet den Systempuffer File-Manager realisiert Zugriff auf Dateien und Zugriffsstrukturen (Indexstrukturen)

51 51 Beispiel: Anfrageverarbeitung... select account_number, balance from account where balance > 2000 order by balance DML-Parser erzeugt interne Repräsentation (fiktives Beispiel) sort (account, balance) select (balance > 2000) Optimierer formt Ausdruck um select (account, balance > 2000) sort (balance)

52 52... Beispiel: Anfrageverarbeitung Zugriffsplanerstellung scan (account, balance > 2000) quicksort (balance) Codeerzeugung formt Ausdruck in ausführbare Form um Transaction-Manager und Scheduler verhindern Konflikte bei gleichzeitig ausgeführten Aktualisierungen

53 53 Architektur von Datenbankanwendungen Benutzer Anwendung two-tier Architektur DBMS Client Server Benutzer Anwendungsclient three-tier Architektur Anwendungsserver DBMS

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