Datenbanken Konzepte und Sprachen

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1 mitp Professional Datenbanken Konzepte und Sprachen von Gunter Saake, Kai-Uwe Sattler, Andreas Heuer 5., überarbeitete Auflage 2013 Datenbanken Konzepte und Sprachen Saake / Sattler / Heuer schnell und portofrei erhältlich bei beck-shop.de DIE FACHBUCHHANDLUNG Thematische Gliederung: Datenbanken, Informationssicherheit, Geschäftssoftware mitp/bhv 2013 Verlag C.H. Beck im Internet: ISBN

2 49 mm Kernkonzepte relationaler Datenbanken Architekturen Datenbankentwurfsprozess Entity-Relationship- Modellierung Relationenmodell Erweiterte Konzepte Erweiterte Entwurfsmodelle SQL und weitere Anfragesprachen Sichten, Transaktionen, Integrität und Trigger Datenbankanwendungsentwicklung Zugriffskontrolle & Privacy Weitere Datenbankmodelle Hierarchisches und Netzwerkmodell Objektorientierte und objekt-relationale Datenbankmodelle SQL:2003 und SQL:2011 XML, XPath und XQuery RDF und SPARQL Multimediale, raum- und zeitbezogene Daten Die Autoren sind Professoren für Datenbank- und Informationssysteme Gunter Saake an der Universität Magdeburg, Kai-Uwe Sattler an der TU Ilmenau und Andreas Heuer an der Universität Rostock. Dieses Buch ist die mittlerweile 5. aktualisierte Neuauflage des bewährten Lehrbuchs zur Einführung in die Datenbanktechnologie. Es behandelt die für die Anwendung von Datenbanksystemen und die Entwicklung von Datenbankanwendungen wichtigen Konzepte und Sprachen in systematischer und fundierter Weise. Neben theoretischen Konzepten und Modellierungstechniken werden auch viele praktische Aspekte der Arbeit mit SQL, der Entwicklung von Anwendungssystemen, der Verarbeitung von XML und von RDF-Daten für das Semantic Web sowie von raumbezogenen, temporalen und multimedialen Daten behandelt, wobei die aktuellen Entwicklungen und Standards bis SQL:2011 berücksichtigt werden. Das Buch eignet sich somit als Lehrbuch für Studierende der Informatik und verwandter Fächer wie auch für Anwender und Entwickler, die sich über den Einsatz von aktueller Datenbanktechnologie genauer informieren möchten. Zahlreiche Übungsaufgaben erleichtern das Selbststudium. Außerdem bei mitp: ISBN ISBN ISBN Saake Sattler Heuer Datenbanken Konzepte und Sprachen Gunter Saake Kai-Uwe Sattler Andreas Heuer 5. Auflage Datenbanken ISBN ISBN (D) 39,95 Konzepte und Sprachen _Umschlag.indd :50:32

3 Inhaltsverzeichnis Vorwort zur fünften Auflage Inhaltsverzeichnis v ix 1 Grundlegende Konzepte Motivation und Historie Komponenten und Funktionen Prinzipien und Aufgaben Aufbau und Funktionen eines Datenbanksystems Einsatzgebiete, Grenzen und Entwicklungstendenzen Wann kommt was? Beispielanwendung Vertiefende Literatur Übungsaufgaben I Kernkonzepte relationaler Datenbanken 27 2 Architekturen von Datenbanksystemen Schemaarchitektur und Datenunabhängigkeit Systemarchitekturen ANSI-SPARC-Architektur Fünf-Schichten-Architektur Konkrete Systemarchitekturen Anwendungsarchitekturen Zusammenfassung Vertiefende Literatur Übungsaufgaben ix

4 3 Das Entity-Relationship-Modell Datenbankmodelle Semantikfestlegung für Datenbankmodelle Grundlagen des Entity-Relationship-Modells Grundkonzepte des klassischen ER-Modells Ein einfaches Beispiel für ein ER-Schema Semantik eines ER-Schemas Eigenschaften von Beziehungen Stelligkeit Kardinalitäten und funktionale Beziehungen Weitere Konzepte im Entity-Relationship-Modell Abhängige Entity-Typen Die IST-Beziehung Optionalität von Attributen Zusammenfassung Vertiefende Literatur Übungsaufgaben Relationenmodell und Anfragemodelle Relationenmodell: Strukturteil Schemata und Instanzen Integritätsbedingungen Relationale Anfragemodelle: Operationenteil Kriterien für Anfragesprachen Relationenalgebra Anfragekalkül Tupelkalkül Änderungsoperationen Allgemeine Grundprinzipien Relationale Änderungsoperationen Zusammenfassung Vertiefende Literatur Übungsaufgaben Phasen des Datenbankentwurfs Entwurfsaufgabe Phasenmodell Anforderungsanalyse Konzeptioneller Entwurf Verteilungsentwurf Logischer Entwurf Datendefinition Physischer Entwurf x Inhaltsverzeichnis

5 5.2.7 Implementierung und Wartung Objektorientierte Entwurfsmethoden Phasenbegleitende Methoden Konzeptioneller Entwurf Konzeptionelles Schema Objektschicht Datenschicht Entwicklungsschicht Aktionsschicht Modellierung von Anwendungsprozessen Aspekte der Datenintegration Heterogenität der Datenmodelle Heterogene Datenbankschemata Heterogenität auf der Datenebene Schemakonflikte bei der Integration Entity-Relationship-Abbildung auf das Relationenmodell Informationskapazität Beispiel für eine Abbildung auf das Relationenmodell Abbildungsregeln für das relationale Modell Zusammenfassung Vertiefende Literatur Übungsaufgaben Relationaler Datenbankentwurf Funktionale Abhängigkeiten Definition funktionaler Abhängigkeiten Ableitung von funktionalen Abhängigkeiten Überdeckungen Schemaeigenschaften Änderungsanomalien Normalformen Minimalität Transformationseigenschaften Abhängigkeitstreue Verbundtreue Entwurfsverfahren Ziele Dekompositionsverfahren Syntheseverfahren Verfeinerung des Entity-Relationship-Datenbankentwurfs Mehrwertige Abhängigkeiten Grundlagen Schemaeigenschaften xi

6 6.5.3 Transformationseigenschaften Weitere Abhängigkeiten und Verfahren Weitere relationale Entwurfsverfahren Zusammenfassung Vertiefende Literatur Übungsaufgaben Die relationale Datenbanksprache SQL SQL als Datendefinitionssprache Erzeugen von Tabellen Tabellen mit Integritätsbedingungen Löschen und Ändern von Tabellendefinitionen Erzeugen und Löschen von Indexen SQL als relationale Anfragesprache Überblick Die from-klausel Die select-klausel Die where-klausel Mengenoperationen Schachtelung von Anfragen Mächtigkeit des SQL-Kerns Änderungsoperationen in SQL Übersicht über Änderungen in SQL Die update-anweisung Die delete-anweisung Die insert-anweisung Probleme bei SQL-Änderungen Zusammenfassung Vertiefende Literatur Übungsaufgaben II Erweiterte Konzepte für relationale Datenbanken Erweiterte Entwurfsmodelle Erweiterungen des ER-Modells Erweiterungen bei Attributen Spezialisierung und Generalisierung Komplexe Objekte Beziehungen höheren Typs Das EER-Modell ein erweitertes ER-Modell Übernommene Grundkonzepte aus dem klassischen ER- Modell Erweiterung bei Wertebereichen xii Inhaltsverzeichnis

7 8.2.3 Mengenwertige und strukturierte Attribute Der Typkonstruktor: Spezialisierung, Generalisierung, Partitionierung Aggregierung und Sammlung mittels objektwertiger Attribute Erweitertes Schlüsselkonzept Abgeleitete Konzepte Vergleich zu anderen erweiterten ER-Modellen UML für den Datenbankentwurf Das Objektmodell von UML Darstellung von Klassen in UML Beziehungen in UML Aggregation in UML Spezialisierung in UML Zusammenfassung Vertiefende Literatur Übungsaufgaben Grundlagen von Modellen und Anfragen Erweiterungen der Relationenalgebra Erweiterte Modelle und Anfragealgebren Geschachtelte Relationen: Das NF 2 -Modell PNF-Relationen Verallgemeinerte geschachtelte Relationen Erweitere Anfragealgebren Anfragekalküle Bereichskalkül Sichere Anfragen Beispiele für Anfragen im Bereichskalkül Eigenschaften des Bereichskalküls Kalküle für andere Datenmodelle Zusammenfassung Vertiefende Literatur Übungsaufgaben Erweiterte Konzepte von SQL Weitere Operationen und Prädikate Skalare Ausdrücke Prädikate Quantoren und Mengenvergleiche Behandlung von Nullwerten Aggregation, Gruppierung und Sortierung Aggregatfunktionen xiii

8 Gruppierung Sortierung Erweiterte Aggregationsfunktionen in SQL: Äußere Verbunde Künstliche Schlüssel und Sequenzgeneratoren Benannte Anfragen und Rekursion Benannte Anfragen Rekursive Anfragen SQL-Versionen SEQUEL SQL SQL SQL:1999 und SQL: SQL:2006 bis SQL: Zusammenfassung Vertiefende Literatur Übungsaufgaben Weitere relationale Datenbanksprachen QUEL Anfragen in QUEL Änderungsoperationen in QUEL Query by Example Anfragen in QBE Funktionen, Sortierung und Aggregierung in QBE Formale Semantik von QBE Ausdrucksfähigkeit von QBE Änderungen in QBE Anfragen in MS Access Andere graphische Anfragesprachen Datalog Grundbegriffe Semantik rekursiver Regeln Semantik und Auswertung von Datalog Tutorial D Datentypen Anfrageoperatoren Änderungsoperationen Constraints Zusammenfassung Vertiefende Literatur Übungsaufgaben xiv Inhaltsverzeichnis

9 12 Transaktionen, Integrität & Trigger Grundlagen von Transaktionen ACID-Prinzip Probleme im Mehrbenutzerbetrieb Transaktionssteuerung in SQL Transaktionen und Integritätssicherung Architekturen zur Integritätssicherung Integritätssicherung durch Anwendung Integritätsmonitor als Komponente des DBMS Integritätssicherung durch Einkapselung Integritätsbedingungen in SQL Inhärente Integritätsbedingungen im Relationenmodell Weitere Bedingungen in der SQL-DDL Die assertion-klausel Verwaltung und Überprüfung von Bedingungen Klassifikation von Integritätsbedingungen Trigger und aktive Datenbanken Grundprinzipien von Triggern Aktive Datenbanken und ECA-Regeln Methoden der Integritätssicherung Integritätssicherung durch Trigger Integritätssicherung durch Anfragemodifikation Zusammenfassung Vertiefende Literatur Übungsaufgaben Datenbankanwendungsentwicklung Grundprizipien Programmiersprachenanbindung: Call-Level-Schnittstellen SQL/CLI: Der Standard ODBC JDBC Weitere Call-Level-Schnittstellen Eingebettetes SQL Statische Einbettung: Embedded SQL Dynamische Einbettung: Dynamic SQL SQLJ: Embedded SQL für Java High-Level-Schnittstellen Grundlagen der Abbildung Hibernate Weitere Technologien Prozedurale SQL-Erweiterungen und Datenbanksprachen Vorteile von gespeicherten Prozeduren xv

10 SQL/PSM: Der Standard PL/SQL von Oracle Gespeicherte Prozeduren in Java Anwendungsentwicklung in der Cloud Database-as-a-Service und Cloud-Datenbanken Klassische DBMS in der Cloud NoSQL-Systeme in der Cloud Zusammenfassung Vertiefende Literatur Übungsaufgaben Sichten Motivation und Begriffsbildung Sichten und externe Schemata Definition von Sichten Definition von Sichten in SQL Vorteile von Sichten Probleme mit Sichten Kriterien für Änderungen auf Sichten Projektionssichten Selektionssichten Verbundsichten Aggregierungssichten Klassifikation der Problembereiche Behandlung von Sichten in SQL Auswertung von Anfragen an Sichten in SQL Sichtänderungen in SQL Sichtänderungen in SQL: Theorie änderbarer Sichten Instead-of-Trigger für Sichtänderungen Zusammenfassung Vertiefende Literatur Übungsaufgaben Zugriffskontrolle & Privacy Sicherheitsmodelle Diskrete Sicherheitsmodelle Verbindliche Sicherheitsmodelle Rechtevergabe in SQL Benutzer und Schemata Rechtevergabe in SQL Zurücknahme von Rechten Rollenmodell in SQL: xvi Inhaltsverzeichnis

11 Auditing Authentifikation und Autorisierung Privacy-Aspekte in Datenbanken Statistische Datenbanken k-anonymität Zusammenfassung Vertiefende Literatur Übungsaufgaben III Weitere Datenbankmodelle Historische Modelle Das Netzwerkmodell Netzwerkschema Simulation einer allgemeinen Beziehung Das hierarchische Modell ER-Abbildung auf das Netzwerkmodell ER-Abbildung auf das hierarchische Modell Anwendungsprogrammierung in den historischen Modellen Datenmanipulation im Netzwerkmodell Datenmanipulation im hierarchischen Modell Zusammenfassung Vertiefende Literatur Übungsaufgaben Objektrelationale Modelle & SQL: Exkurs: Objektorientierte Datenbankmodelle Objektorientierte Datenbanken Der ODMG-Standard OQL Abbildung von Objekten auf Relationen Typkonstruktoren Abbildung der Spezialisierungshierarchie Objektrelationale Erweiterungen Large Objects: BLOB und CLOB Typkonstruktoren Identitäten, Referenzen und Pfadausdrücke Hierarchien und Vererbung Methoden Objektrelationale Konzepte in SQL: Typsystem und DDL Anfragen Methoden in SQL: xvii

12 17.5 Objektrelationale Konzepte in kommerziellen DBMS Zusammenfassung Vertiefende Literatur Übungsaufgaben XML und RDF Semistrukturierte Datenmodelle Merkmale semistrukturierter Datenmodelle Datenmodelle für semistrukturierte Dokumente XML Datendefinition in XML Dokumenttypdefinition XML Schema XML-Abbildung auf relationale Schemata Navigation in XML-Dokumenten: XPath Pfadausdrücke und Lokalisierungsschritte Selektionsprädikate und Funktionen Die Anfragesprache XQuery FLWOR-Ausdrücke Elementkonstruktoren Verbunde und Gruppierungen Ausdrücke und Vergleiche Funktionen SQL/XML: XML-Erweiterungen für SQL XML-Datentypen XML-Konstruktion mit SQL Das Resource Description Framework Das RDF-Modell RDF-Repräsentationen RDF Schema und Vokabulare Die RDF-Anfragesprache SPARQL Grundlagen SPARQL-Elemente Zusammenfassung Vertiefende Literatur Übungsaufgaben Multimediale und raumbezogene Daten Multimedia-Datenbanken Grundbegriffe Grundlagen des Multimedia Retrieval Text Retrieval Information Retrieval auf Texten xviii Inhaltsverzeichnis

13 Grundtechniken des Text Retrieval Deskribierung Recherche Information Retrieval-Systeme SQL/MM SQL/MM Full Text SQL/MM Still Image Der Datentyp Video SQL/MM Spatial Verwaltung raumbezogener Daten Grundbegriffe Modellierung raumbezogener Daten Prädikate und Anfragen auf raumbezogenen Daten Oracle Spatial Weitere Systeme Temporale Daten Grundbegriffe Umsetzung in SQL Temporale Schlüssel, Fremdschlüssel und Anfragen Weitere Entwicklung und Einordnung Zusammenfassung Vertiefende Literatur Übungsaufgaben A Laufendes Beispiel 719 A.1 ER-Schema der Weindatenbank A.2 Relationale Repräsentation A.3 Vereinfachtes Schema und Beispieldaten Literaturverzeichnis 723 Abbildungsverzeichnis 746 Tabellenverzeichnis 753 Sachindex 755 Schlüsselwortindex 771 xix