Daten- und Informationsmodellierung
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- Angelika Meyer
- vor 8 Jahren
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1 Institute for Web Science & Technologies WeST Grundlagen der Datenbanken Daten- und Informationsmodellierung Dr. Thomas Gottron Wintersemester 2012/13
2 Lernziele Kenntnis der Vorgehensweise beim DB-Entwurf Grundkonzepte von ER Modell und UML Klassendiagrammen für Kenntnis der Abstraktionskonzepte (Generalisierung, Aggregation) Fähigkeit zur praktischen Anwendung der Konzepte Erstellung von Modellen für gegebene Anwendungsszenarien Festlegung der Primärschlüssel, Beziehungstypen, Kardinalitäten, Existenzabhängigkeiten etc. Interpretation gegebener Modelle Thomas Gottron GLDB 2012/13 2
3 Wiederholung: Abstraktionsebenen des Datenbankentwurfs Abstraktion Konzeptuelle Ebene Wie sieht die Welt aus? Logische Ebene Welche Strukturen werden von der Anwendung manipuliert? Physische Ebene Wie wird gespeichert? Thomas Gottron GLDB 2012/13 3
4 Datenbankentwurf Thomas Gottron GLDB 2012/13 4
5 Entwurf Implementierung Allgemeine Vorgehensweise reales System Auswertungen Modifikationen Anforderungsermittlung und Analyse Konzeptioneller Entwurf (Informationsmodellierung) Logischer Entwurf (DB-Schema, externe Schema) physischer Entwurf (internes Schema) Anwendungserstellung, Systemintegration Tests Evaluationen Informationssystem Verwendung Thomas Gottron GLDB 2012/13 5
6 Informationsmodellierung " Miniwelt " Objekte Sachverhalte Zusammenhänge Gegenstände Attribute Informationen Formalisierung Personen Tatsachen Beziehungen Darstellungselemente + Regeln: - Objekte und Beziehungen (Relationships) - Klassen von Objekten / Beziehungen - Eigenschaften (Attribute) Informationen über Objekte und Beziehungen nur wenn: - relevant Vorgänge, Veränderungen.. - unterscheidbar und identifizierbar, selektiv beschreibbar Thomas Gottron GLDB 2012/13 6
7 Beispielszenario SUNRISE SUNRISE (Schönes UNiveRsitäres Informations SystEm) Universität Angestellte Professoren Assistenten Studenten Vorlesungen Räume Bibliothek Prüfungen Zeugnisse... Welche Objekte? Welche Eigenschaften? Welche Beziehungen? Welche Prozesse? Thomas Gottron GLDB 2012/13 7
8 Objektbeschreibung Uni-Angestellte - Anzahl: Attribute PersonalNummer Typ: char Länge: 9 Wertebereich: Anzahl Wiederholungen: 0 Definiertheit: 100% Identifizierend: ja Gehalt Typ: dezimal Länge: (8,2) Anzahl Wiederholung: 0 Definiertheit: 10% Identifizierend: nein Rang Typ: String Länge: 4 Anzahl Wiederholung: 0 Definiertheit: 100% Identifizierend: nein Thomas Gottron GLDB 2012/13 8
9 Beziehungsbeschreibung: prüfen Beteiligte Objekte: - Professor als Prüfer - Student als Prüfling - Vorlesung als Prüfungsstoff Attribute der Beziehung: - Datum - Uhrzeit - Note Anzahl: pro Jahr Thomas Gottron GLDB 2012/13 9
10 Prozeßbeschreibungen: Zeugnisausstellung Häufigkeit: halbjährlich benötigte Daten Prüfungen Studienordnungen Studenteninformation... Priorität: hoch Zu verarbeitende Datenmenge 500 Studenten 3000 Prüfungen 10 Studienordnungen Thomas Gottron GLDB 2012/13 10
11 Abstraktionskonzepte Informations- und Datenmodelle basieren auf drei grundlegenden Abstraktionskonzepten: Klassifikation: fasst Objekte (Entities, Instanzen) mit gemeinsamen Eigenschaften zu einem neuen (Mengen-) Objekt (Entity-Menge, Klasse, Objekttyp) zusammen. Instanzen/Objekten einer Klasse unterliegen gleicher Struktur (Attribute), gleichen Integritätsbedingungen, gleichen Operationen mathematisch: Mengenbildung Aggregation: Zusammenfassung potentiell unterschiedlicher Teilobjekte (Komponenten) zu neuem Objekt mathematisch: Bildung von kartesischen Produkten Generalisierung: Teilmengenbeziehungen zwischen Elementen verschiedener Klassen mathematisch: Bildung von Potenzmengen (bzw. Teilmengen) wesentlich: Vererbung von Eigenschaften an Teilmengen Thomas Gottron GLDB 2012/13 11
12 Entity-Relationship-Modell Thomas Gottron GLDB 2012/13 12
13 ER-Modell Peter P-S. Chen (1976) The Entity-Relationship Model Toward a Unified View of Data, ACM TODS Elemente: Entity: Gegenstände / Objekte Relationship: Beziehungen zwischen Entities Attribute: Eigenschaften Rollen: von Entities in Relationships Entität Entitätstyp Beziehung Beziehungstyp Thomas Gottron GLDB 2012/13 13
14 Grundlagen ER-Modell Entity Studenten Vorlesungen Dozent Relationship hört liest Attribute Name MatrNr Titel Verbindungen Raum Studenten hört Vorlesungen MatrNr Name Titel VorlNr Thomas Gottron GLDB 2012/13 14
15 Schlüssel Minimale Menge von identifizierenden Attributen {Matrikelnummer} {Vorname, Nachname, Geburtsdatum, Geburtsort} Oft künstlicher Schlüssel bestehend aus einem Attribut (Vorlesungsnummer, Kundennummer, Personalausweisnummer, ) Mehrere Schlüssel möglich; dann Auswahl eines Primärschlüssel Thomas Gottron GLDB 2012/13 15
16 Relationships Binär: Studenten hört Vorlesungen Mehrstellig: Dozent Studenten prüft Vorlesungen Mit Eigenschaften: Dozent Studenten prüft Vorlesungen Note Thomas Gottron GLDB 2012/13 16
17 Relationships Rollen Dozent Studenten Prüfling Prüfer Thema prüft Vorlesungen Note Manchmal notwendig zur Klärung von Sachverhalten: Vorgänger voraus setzen Nachfolger Vorlesungen Thomas Gottron GLDB 2012/13 17
18 Beispiel Bibliothek Bücher Standort Nutzer Ausleihe... Entitäten, Beziehungen, Attribute, Rollen? Thomas Gottron GLDB 2012/13 18
19 Beispiel Bibliothek (ein Ansatz) Name NutzerId Nutzer entleihen Fälligkeit Autor Titel Bücher steht Standort Signatur Quelle zitiert Referenzierendes Werk Ort RegalNr Thomas Gottron GLDB 2012/13 19
20 Relationships Formal E Menge aller Entity(typen) Ein n-stelliger Beziehungstyp R kann als Relation definiert werden: R E 1 E 2 E n Wobei E i E Rollen: Gilt E i = E j in einer Beziehung, so charakterisiert man die Entitäten durch Rollen: Vorgänger:v 1, Nachfolger:v 2 Vorgänger voraus setzen Vorlesungen Nachfolger Thomas Gottron GLDB 2012/13 20
21 Funktionalität von Beziehungen Einschränkung der Zahl von Beziehungen eines Beziehungstyps, an der eine Entität beteiligt sein kann. (Funktions-)Eigenschaften der Relation R E 1 E 2 R: E 1 E 2 Total partiell Rechtseindeutig (sonst keine Funktion) Linkseindeutig (injektiv) Inverse (R 1 ) Thomas Gottron GLDB 2012/13 21
22 1:1 Beziehungen Jedes Element aus E 1 ist höchstens einem Element aus E 2 zugeordnet und umgekehrt rechtseindeutig, linkseindeutig, partiell Beispiel-Beziehungen hatpass Studenten 1 hatpass 1 Reisepass Studenten Reisepass Thomas Gottron GLDB 2012/13 22
23 1:N Beziehungen Jedes Element aus E 1 kann beliebig vielen Element aus E 2 zugeordnet sein, aber jedes Element in E 2 nur einem Element aus E 1 (keine Funktion), linkseindeutig, partiell Beispiel-Beziehungen Buchausleihe Studenten 1 leiht N Buch Studenten Buch Thomas Gottron GLDB 2012/13 23
24 N:1 Beziehungen Umgekehrter Fall zu 1:N rechtseindeutig, partiell Beispiel-Beziehungen Übungsgruppen Studenten N gehörtzu 1 Gruppe Studenten Gruppe Thomas Gottron GLDB 2012/13 24
25 N:M Beziehungen Keine Einschränkung Beispiel-Beziehungen Hört (Vorlesung) Liest (Vorlesung) Studenten N hört M Vorlesung Studenten Vorlesung Thomas Gottron GLDB 2012/13 25
26 Funktionalität Mehrstelliger Beziehungen n-stellige Beziehung: R E 1 E 2 E n Steht an E i eine 1, so ist R: E 1 E i 1 E i+1 E n E i eine partielle Funktion, d.h. die Relation ist rechtseindeutig Dies gilt für alle Entitytypen mit einer 1 Thomas Gottron GLDB 2012/13 26
27 Beispiel 1 Bedeutung? Dozent 1 Studenten N prüft M Vorlesungen Note Funktionen (Student, Vorlesung) Dozent Studenten werden für eine Vorlesung nur von einem Dozenten geprüft Thomas Gottron GLDB 2012/13 27
28 Beispiel 2 Bedeutung? Studenten Dozent M N 1 prüft Vorlesungen Note Funktionen: (Student, Dozent) Vorlesung Dozent prüft ein Studenten in höchstens einer Vorlesung Thomas Gottron GLDB 2012/13 28
29 Beispiel 3 Bedeutung? Studenten Dozent 1 N 1 prüft Vorlesungen Note Funktionen: (Student, Vorlesung) Dozent (Student, Dozent) Vorlesung Studenten werden von einem Dozenten nur einmal und für nur eine Vorlesung geprüft Thomas Gottron GLDB 2012/13 29
30 Beispiel 4 Bedeutung? Studenten Dozent prüft Vorlesungen Note Funktionen: (Student, Vorlesung) Dozent (Student, Dozent) Vorlesung (Dozent, Vorlesung) Student Ein Dozent prüft eine Vorlesung für höchstens einen Studenten Thomas Gottron GLDB 2012/13 30
31 Min-Max Notation Genauere Spezifikation, wieviele Entitäten an einer Beziehung mindestens / höchstens teilnehmen dürfen 0 : keine Entität erforderlich 1,2,3,4,... : Zahlwert vorgegeben * : keine Einschränkung Studenten (0,*) (1,*) hört Vorlesungen Thomas Gottron GLDB 2012/13 31
32 ERM Beispiel: Begrenzungsflächendarstellung Polyeder 1 (4, ) Hülle N (1,1) Flächen N (3, ) Begrenzung M (2, 2) Kanten N (2, 2) StartEnde M (3, ) Punkte PolyID FlächenID KantenID X Y Z Beispiel- Polyeder Thomas Gottron GLDB 2012/13 32
33 Existenzabhängige Entitäten Entitäten, die in ihrer Existenz von einer anderen Entität abhängig sind (Oft) nur zusammen mit Schlüssel der anderen Entität identifzierbar Artikel N umfasst Kunde 1 M beauftragt M Bestellung KundenNr Datum Thomas Gottron GLDB 2012/13 33
34 Darstellung Aggregation (part-of) Buch part-of part-of part-of Inhaltsverzeichnis Kapitel Index part-of part-of part-of Überschrift Abbildung Absatz Thomas Gottron GLDB 2012/13 34
35 Darstellung Generalisierung (is-a) Name Menschen is-a Studenten Angestellte PersNr. MatrNr. is-a Wiss. Mitarbeiter Professoren Nichtwiss. MA Thomas Gottron GLDB 2012/13 35
36 Arten von Spezialisierungen X Superklasse is-a Subklassen Y Z disjunkte Spezialisierungen (Partitionierung) überlappende Spezialisierungen Y Z X Y Z X vollständig, disjunkt (complete, disjoint) vollständig, überlappend (complete, overlapping) Y Z X Y Z X partiell, disjunkt (incomplete, disjoint) partiell, überlappend (incomplete, overlapping) Thomas Gottron GLDB 2012/13 36
37 ER-Modell Ein ER-Modell für alles oft zu komplex Einzelne Sichten des Szenarios modellieren und dann schrittweise integrieren. Entfernung von Redundanzen Entfernung von Widersprüchen Behandlung von Synonymen (Dozent, Lehrender) oder Homonymen (betreut Diplomarbeit, Doktorarbeit) Thomas Gottron GLDB 2012/13 37
38 UML Thomas Gottron GLDB 2012/13 38
39 Unified Modeling Language (UML) standardisierte graphische Notation / Sprache zur Beschreibung objektorientierter Software-Entwicklung Kombination unterschiedlicher Modelle bzw. Notationen, u.a. Booch Rumbaugh (OMT) Jacobson (Use Cases) Standardisierung durch Herstellervereinigung OMG (Object Management Group): 1997: UML : UML : UML 2.0 Infos: J. Rumbaugh, I. Jacobson, Grady Booch: The Unified Modeling Language Reference Manual (2nd Edition) Addison-Wesley, 2004 Thomas Gottron GLDB 2012/13 39
40 UML: Bestandteile UML umfasst Modellelemente (Klassen, Interfaces, Anwendungsfälle...) Beziehungen (Assoziationen, Generalisierung, Abhängigkeiten...) und Diagramme Software-Entwicklung Für uns wichtig Anwendungsfälle Klassendiagramme Modularisierung Klassendiagramme verfeinert Komponentendiagramme Code (Klassendefinition) Objektstruktur Anforderungen Analyse Entwurf Implementierung Aktivitäten Szenarien Sequenzdiagramme Kooperations-, Zustandsdiagramme Verteilungsdiagramme, Code (Methoden) Objektverhalten Thomas Gottron GLDB 2012/13 40
41 UML: Darstellung von Klassen und Objekten Klassensymbol: Angabe von Klassenname, Attribute (optional), Methoden (optional) i. a. werden nur relevante Details gezeigt Sichtbarkeit i.d.r. Alles sichtbar beim Entwurf. Student Student +MatrNr: int +Name: String Student +semester(): int +sumsws(): short Student +MatrNr: int +Name: String +semester(): int +sumsws(): short Thomas Gottron GLDB 2012/13 41
42 UML: Assoziationen Entspricht Beziehungen (relationships) im ER-Modell optional: Assoziationsnamen Leserichtung ( bzw. ) Rollennamen Sichtbarkeit von Rollen (+, -, #) Kardinalitätsrestriktionen Assoziationsname Klasse 1 Klasse 2 Rolle 1 Rolle 2 Student +Hörer hört +Veranstaltung Vorlesung Thomas Gottron GLDB 2012/13 42
43 Beispiel: ER vs. UML Raum Studenten N hört M Vorlesungen MatrNr Name Titel VorlNr Student 0..* hört 0..* Vorlesung +MatrNr: int +Name: String +Titel: String +VorlNr: int +Raum: String Thomas Gottron GLDB 2012/13 43
44 UML: Kardinalitätsrestriktionen Verfeinerung der Semantik eines Beziehungstyps durch Kardinalitätsrestriktionen: x.. y 0..* 1..* mindestens x, maximal y Objekte nehmen an der Beziehung teil optionale Teilnahme an der Beziehung (alternativ ' * ' = 'many') obligatorische teilnahme an der Beziehung "es kann nur einen geben" (oder keinen) 1 genau 1 für binäre Assoziation: Multiplizität min 1..max 1 (min 2..max 2 ) bedeutet, dass zu jedem E 2 (E 1 ) - Element wenigstens min 1 (min 2 ) und höchstens max 1 (max 2 ) Instanzen von E 1 (E 2 ) enthalten sein müssen (mit 0 <= min i <= max i, max i >= 1) Bezugnahme zur gegenüberliegenden Klasse.. erlaubt Unterscheidung, ob Beziehungsteilnahme optional (Mindestkardinalität = 0) oder obligatorisch (Mindestkardinalität 1 ) ist min 1..max 1 R min 2..max 2 E1 E 2 e 1 nimmt an [min 2, max 2 ] Beziehungen vom Typ R teil e 2 nimmt an [min 1, max 1 ] Beziehungen vom Typ R teil Thomas Gottron GLDB 2012/13 44
45 UML: Assoziations-Klassen Notwendig für Beziehungen mit eigenen Attributen gestrichelte Linie Name der Assoziations-Klasse entspricht dem der Assoziation Studenten * Prüfung * Professoren Prüfung +Note: float alternativ: Studenten * * * * Prüfung +Note: float Professoren Thomas Gottron GLDB 2012/13 45
46 UML: Part-Of Beziehungen Part-of-Beziehung (Teil-von-Beziehung) zwischen Komponenten und Aggregatobjekten Elemente einer Subkomponente sind auch Elemente aller Superkomponenten dieser Subkomponente Referenzsemantik ermöglicht, dass ein Objekt gleichzeitig Elemente verschiedener Komponenten bzw. Subkomponente von mehreren Superkomponenten sein kann - Netzwerke, (n:m) Beziehungen möglich Wertesemantik (Komposition): Teil-Objekt gehört genau zu einem Aggregat-Objekt; Existenzabhängigkeit! Aggregatklasse Aggregatklasse Komp. Klasse 1 Komp. Klasse 1 Aggregation Komp. Klasse 1 Komp. Klasse 1 Komposition Thomas Gottron GLDB 2012/13 46
47 UML: Is-A Beziehungen Is-A-Beziehung zwischen Klassen (Entity-Mengen) E 1 is-a E 2 bedeutet, dass jedes Objekt aus E 1 auch ein Objekt aus E 2 ist, jedoch mit zusätzlichen strukturellen Eigenschaften Substitutionsprinzip: alle Instanzen einer Subklasse sind auch Instanzen der Superklasse Vererbung von Eigenschaften (Attribute, Integritätsbedingungen, Methoden...) der Superklasse an alle Subklassen Wiederverwendbarkeit, Erweiterbarkeit keine Wiederholung von Beschreibungsinformation, Fehlervermeidung Superklasse Superklasse Subklasse 1 Subklasse 1 Subklasse 1 Subklasse 1 Thomas Gottron GLDB 2012/13 47
48 Zusammenfassung DB-Entwurf umfasst Informationsanalyse konzeptioneller Entwurf (-> Informationsmodell) logischer Entwurf (-> logisches DB-Schema) physischer Entwurf (-> physisches DB-Schema) Formale Darstellung ER-Modell UML-Klassendiagramme keine festen Regeln zur eigentlichen Informationsmodellierung (i.a. mehrere Modellierungsmöglichkeiten einer Miniwelt) Thomas Gottron GLDB 2012/13 48
49 Fragen? Thomas Gottron GLDB 2012/13 49
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