Teil I Was sind Datenbanken?
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- Maria Hochberg
- vor 7 Jahren
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1 Teil I Was sind Datenbanken?
2 Was sind Datenbanken? 1 Überblick & Motivation 2 Architekturen 3 Einsatzgebiete 4 Historisches Sattler / Saake Datenbanksysteme Letzte Änderung: Okt
3 Lernziele für heute... Motivation für den Einsatz von Datenbanksystemen Kenntnis grundlegender Architekturen Sattler / Saake Datenbanksysteme Letzte Änderung: Okt
4 Überblick & Motivation Was sind Datenbanken? Daten = logisch gruppierte Informationseinheiten Bank = Die Sicherheit vor Verlusten ist eine Hauptmotivation, etwas auf die Bank zu bringen. Eine Bank bietet Dienstleistungen für mehrere Kunden an, um effizient arbeiten zu können. Eine Datenbank hat die (langfristige) Aufbewahrung von Daten als Aufgabe. Sattler / Saake Datenbanksysteme Letzte Änderung: Okt
5 Was sind Datenbanken? Überblick & Motivation Anwendungsbeispiele Sattler / Saake Datenbanksysteme Letzte Änderung: Okt
6 Überblick & Motivation Wie verwaltet man Datenbanken? Ohne Datenbanken jedes Anwendungssystem verwaltet seine eigenen Daten Daten sind mehrfach gespeichert redundant Probleme Verschwendung von Speicherplatz Vergessen von Änderungen keine zentrale, genormte Datenhaltung Sattler / Saake Datenbanksysteme Letzte Änderung: Okt
7 Überblick & Motivation Probleme der Datenredundanz Andere Softwaresysteme können große Mengen von Daten nicht effizient verarbeiten Mehrere Benutzer oder Anwendungen können nicht parallel auf den gleichen Daten arbeiten, ohne sich zu stören Anwendungsprogrammierer / Benutzer können Anwendungen nicht programmieren / benutzen, ohne interne Darstellung der Daten Speichermedien oder Rechner zu kennen (Datenunabhängigkeit nicht gewährleistet) Datenschutz und Datensicherheit sind nicht gewährleistet Sattler / Saake Datenbanksysteme Letzte Änderung: Okt
8 Überblick & Motivation Idee: Datenintegration durch Datenbanksysteme Anwendung... Anwendung DBS = Datenbanksystem DBMS Datenbank Datenbankmanagementsystem = Software zur Verwaltung von Datenbanken strukturierter, von DBMS verwalteter Datenbestand Sattler / Saake Datenbanksysteme Letzte Änderung: Okt
9 Überblick & Motivation Motivation Datenbanksysteme sind Herzstück heutiger IT-Infrastrukturen... allgegenwärtig Datenbankspezialisten sind gefragt Sattler / Saake Datenbanksysteme Letzte Änderung: Okt
10 Überblick & Motivation Fragestellungen 1 Wie organisiert (modelliert und nutzt) man Daten? 2 Wie werden Daten dauerhaft verlässlich gespeichert? 3 Wie kann man riesige Datenmengen ( Terabytes) effizient verarbeiten? 4 Wie können viele Nutzer ( ) gleichzeitig mit den Daten arbeiten? Sattler / Saake Datenbanksysteme Letzte Änderung: Okt
11 Architekturen Prinzipien: Die neun Codd schen Regeln 1 Integration: einheitliche, nichtredundante Datenverwaltung 2 Operationen: Speichern, Suchen, Ändern 3 Katalog: Zugriffe auf Datenbankbeschreibungen im Data Dictionary 4 Benutzersichten 5 Integritätssicherung: Korrektheit des Datenbankinhalts 6 Datenschutz: Ausschluss unauthorisierter Zugriffe 7 Transaktionen: mehrere DB-Operationen als Funktionseinheit 8 Synchronisation: parallele Transaktionen koordinieren 9 Datensicherung: Wiederherstellung von Daten nach Systemfehlern Sattler / Saake Datenbanksysteme Letzte Änderung: Okt
12 Architekturen Datenunabhängigkeit und Schemata Basierend auf DBMS-Grobarchitektur Entkopplung von Benutzer- und Implementierungssicht Ziele u.a.: Trennung von Modellierungssicht und interner Speicherung Portierbarkeit Tuning vereinfachen standardisierte Schnittstellen Sattler / Saake Datenbanksysteme Letzte Änderung: Okt
13 Architekturen Schemaarchitektur Zusammenhang zwischen Konzeptuellem Schema (Ergebnis der Datendefinition) Internem Schema (Festlegung der Dateiorganisationen und Zugriffspfade) Externen Schemata (Ergebnis der Sichtdefinition) Anwendungsprogrammen (Ergebnis der Anwendungsprogrammierung) Sattler / Saake Datenbanksysteme Letzte Änderung: Okt
14 Architekturen Schemaarchitektur /2 Trennung Schema Instanz Schema (Metadaten, Datenbeschreibungen) Instanz (Anwenderdaten, Datenbankzustand oder -ausprägung) Datenbankschema besteht aus internem, konzeptuellem, externen Schemata und den Anwendungsprogrammen im konzeptuellen Schema etwa: Strukturbeschreibungen Integritätsbedingungen Autorisierungsregeln (pro Benutzer für erlaubte DB-Zugriffe) Sattler / Saake Datenbanksysteme Letzte Änderung: Okt
15 Architekturen Schemaarchitektur /3 externes Schema 1... externes Schema N Anfragebearbeitung Konzeptuelles Schema internes Schema Datendarstellung Sattler / Saake Datenbanksysteme Letzte Änderung: Okt
16 Architekturen Datenunabhängigkeit /2 Stabilität der Benutzerschnittstelle gegen Änderungen physisch: Änderungen der Dateiorganisationen und Zugriffspfade haben keinen Einfluss auf das konzeptuelle Schema logisch: Änderungen am konzeptuellen und gewissen externen Schemata haben keine Auswirkungen auf andere externe Schemata und Anwendungsprogramme Sattler / Saake Datenbanksysteme Letzte Änderung: Okt
17 Architekturen Datenunabhängigkeit /3 mögliche Auswirkungen von Änderungen am konzeptuellen Schema: eventuell externe Schemata betroffen (Ändern von Attributen) eventuell Anwendungsprogramme betroffen (Rekompilieren der Anwendungsprogramme, eventuell Änderungen nötig) nötige Änderungen werden jedoch vom DBMS erkannt und überwacht Sattler / Saake Datenbanksysteme Letzte Änderung: Okt
18 Architekturen Anwendungsbeispiel: Musikversand Titel Musiker Jahr Preis Rezension(en) Tracks Sattler / Saake Datenbanksysteme Letzte Änderung: Okt
19 Architekturen Ebenen-Architektur am Beispiel Konzeptuelle Sicht: Darstellung in Tabellen (Relationen) Musiker MNr Name Land 103 Apocalyptica Finnland 104 Subway To Sally Deutschland 105 Rammstein Deutschland Album ANr Titel Jahr Genre MNr Musiker 1014 Amplified 2006 Rock Nord Nord Ost 2005 Rock Rosenrot 2005 Rock Engelskrieger 2003 Rock Reflections 2006 Rock 103 Sattler / Saake Datenbanksysteme Letzte Änderung: Okt
20 Architekturen Ebenen-Architektur am Beispiel /2 Externe Sicht: Daten in einer flachen Relation ANr Titel Jahr Genre Musiker 1014 Amplified 2006 Rock Apocalyptica 1015 Nord Nord Ost 2005 Rock Subway To Sally 1016 Rosenrot 2005 Rock Rammstein 1021 Engelskrieger 2003 Rock Subway To Sally 1025 Reflections 2006 Rock Apocalyptica Sattler / Saake Datenbanksysteme Letzte Änderung: Okt
21 Architekturen Ebenen-Architektur am Beispiel /3 Externe Sicht: Daten in einer hierarchisch aufgebauten Relation Musiker Album Titel Jahr Genre Apocalyptica Amplified 2006 Rock Reflections 2003 Rock Subway To Sally Nord Nord Ost 2005 Metal Engelskrieger 2003 Rock Rammstein Rosenrot 2005 Rock Sattler / Saake Datenbanksysteme Letzte Änderung: Okt
22 Architekturen Ebenen-Architektur am Beispiel /4 Interne Darstellung Baumzugriff über Albumnummer 1014 Amplified 2006 teilweises Speichern der Datensätze im Baum 1015 Nord Nord Ost 2005 Überlaufbereich für Datensätze Rock Rock Sattler / Saake Datenbanksysteme Letzte Änderung: Okt
23 Architekturen System-Architekturen Beschreibung der Komponenten eines Datenbanksystems Standardisierung der Schnittstellen zwischen Komponenten Architekturvorschläge ANSI-SPARC-Architektur Drei-Ebenen-Architektur Fünf-Schichten-Architektur beschreibt Transformationskomponenten im Detail Vorlesung Datenbank-Implementierungstechniken Sattler / Saake Datenbanksysteme Letzte Änderung: Okt
24 Architekturen ANSI-SPARC-Architektur ANSI: American National Standards Institute SPARC: Standards Planning and Requirement Committee Vorschlag von 1978 Im Wesentlichen Grobarchitektur verfeinert Interne Ebene / Betriebssystem verfeinert Mehr Interaktive und Programmier-Komponenten Schnittstellen bezeichnet und normiert Sattler / Saake Datenbanksysteme Letzte Änderung: Okt
25 Architekturen ANSI-SPARC-Architektur /2 Externe Ebene Konzeptuelle Ebene Interne Ebene Anfragen Updates Optimierer Auswertung Plattenzugriff P 1... DB- Operationen Einbettung Data Dictionary P n Masken Sichtdefinition Datendefinition Dateiorganisation Sattler / Saake Datenbanksysteme Letzte Änderung: Okt
26 Architekturen Klassifizierung der Komponenten Definitionskomponenten: Datendefinition, Dateiorganisation, Sichtdefinition Programmierkomponenten: DB-Programmierung mit eingebetteten DB-Operationen Benutzerkomponenten: Anwendungsprogramme, Anfrage und Update interaktiv Transformationskomponenten: Optimierer, Auswertung, Plattenzugriffssteuerung Data Dictionary (Datenwörterbuch): Aufnahme der Daten aus Definitionskomponenten, Versorgung der anderen Komponenten Sattler / Saake Datenbanksysteme Letzte Änderung: Okt
27 Architekturen Fünf-Schichten-Architektur Verfeinerung der Transformationsschritte Mengenorientierte Schnittstelle Satzorientierte Schnittstelle Interne Satzschnittstelle Systempufferschnittstelle Dateischnittstelle Datensystem Zugriffssystem Speichersystem Pufferverwaltung Betriebssystem Übersetzung Zugriffspfadwahl Logische Zugriffspfade, Schemakatalog, Sortierung, Transaktionsverwaltung Speicherungsstrukturen, Zugriffspfadverwaltung, Sperrverwaltung, Logging, Recovery Systempufferverwaltung, Seitenersetzung, Seitenzuordnung Externspeicherverwaltung, Speicherzuordnung Geräteschnittstelle Externspeicher Sattler / Saake Datenbanksysteme Letzte Änderung: Okt
28 Architekturen Anwendungsarchitekturen Architektur von Datenbankanwendungen tpyischerweise auf Basis des Client-Server-Modells: Server Datenbanksystem Client (Dienstnehmer) Server (Diensterbringer) 1. Anforderung 2. Bearbeitung 3. Antwort Sattler / Saake Datenbanksysteme Letzte Änderung: Okt
29 Architekturen Anwendungsarchitekturen /2 Aufteilung der Funktionalitäten einer Anwendung Präsentation und Benutzerinteraktion Anwendungslogik ( Business -Logik) Datenmanagementfunktionen (Speichern, Anfragen,... ). Benutzerschnittstelle Benutzerschnittstelle Client Anwendungslogik Client DB-Schnittstelle Anwendungslogik DB-Schnittstelle Applikationsserver DB-Server DB-Server Zwei-Schichten-Architektur Drei-Schichten-Architektur Sattler / Saake Datenbanksysteme Letzte Änderung: Okt
30 Einsatzgebiete Einige konkrete Systeme (Objekt-)Relationale DBMS Oracle11g, IBM DB2 V.10, Microsoft SQL Server 2012, SAP HANA MySQL ( PostgreSQL ( Pseudo-DBMS MS Access NoSQL-Systeme Graph-Datenbanksysteme (InfiniteGraph, neo4j), Dokument-Datenbanken (MongoDB), Key-Value-Stores,... Sattler / Saake Datenbanksysteme Letzte Änderung: Okt
31 Einsatzgebiete Einsatzgebiete Klassische Einsatzgebiete: viele Objekte (15000 Bücher, 300 Benutzer, 100 Ausleihvorgänge pro Woche,... ) wenige Objekttypen (BUCH, BENUTZER, AUSLEIHUNG) etwa Buchhaltungssysteme, Auftragserfassungssysteme, Bibliothekssysteme,... Aktuelle Anwendungen: E-Commerce, entscheidungsunterstützende Systeme (Data Warehouses, OLAP), NASA s Earth Observation System (Petabyte-Datenbanken), Data Mining Sattler / Saake Datenbanksysteme Letzte Änderung: Okt
32 Einsatzgebiete Datenbankgrößen ebay Data Warehouse 10 PB ( Bytes) Teradata DBMS, 72 Knoten, Nutzer, mehrere Millionen Anfragen/Tag WalMart Data Warehouse 2,5 PB Teradata DBMS, NCR MPP-Hardware; Produktinfos (Verkäufe etc.) von Märkten; Anfragen/Woche Facebook x.000 MySQL-Server 400 TB Hadoop/Hive, 610 Knoten, 15 TB/Tag US Library of Congress nicht digitalisiert TB PB für Petabyte entspricht der Größenordnung Sattler / Saake Datenbanksysteme Letzte Änderung: Okt
33 Historisches Entwicklungslinien: 60er Jahre Anfang 60er Jahre: elementare Dateien, anwendungsspezifische Datenorganisation (geräteabhängig, redundant, inkonsistent) Ende 60er Jahre: Dateiverwaltungssysteme (SAM, ISAM) mit Dienstprogrammen (Sortieren) (geräteunabhängig, aber redundant und inkonsistent) DBS basierend auf hierarchischem Modell, Netzwerkmodell Zeigerstrukturen zwischen Daten Schwache Trennung interne / konzeptuelle Ebene Navigierende DML Trennung DML / Programmiersprache Sattler / Saake Datenbanksysteme Letzte Änderung: Okt
34 Historisches Entwicklungslinien: 70er und 80er Jahre 70er Jahre: Datenbanksysteme (Geräte- und Datenunabhängigkeit, redundanzfrei, konsistent) Relationale Datenbanksysteme Daten in Tabellenstrukturen 3-Ebenen-Konzept Deklarative DML Trennung DML / Programmiersprache Sattler / Saake Datenbanksysteme Letzte Änderung: Okt
35 Historisches Historie von RDBMS 1970: Ted Codd (IBM) Relationenmodell als konzeptionelle Grundlage relationaler DBS 1974: System R (IBM) erster Prototyp eines RDBMS zwei Module: RDS, RSS; ca LOC (PL/1, PL/S, Assembler), ca. 1,2 MB Codegröße Anfragesprache SEQUEL erste Installation : University of California at Berkeley (UCB) Ingres Anfragesprache QUEL Vorgänger von Postgres, Sybase, : Oracle Version 2 Sattler / Saake Datenbanksysteme Letzte Änderung: Okt
36 Historisches Entwicklungslinien: (80er und) 90er Jahre Wissensbanksysteme Daten in Tabellenstrukturen Stark deklarative DML, integrierte Datenbankprogrammiersprache Objektorientierte Datenbanksysteme Daten in komplexeren Objektstrukturen (Trennung Objekt und seine Daten) Deklarative oder navigierende DML Oft integrierte Datenbankprogrammiersprache Oft keine vollständige Ebenentrennung Sattler / Saake Datenbanksysteme Letzte Änderung: Okt
37 Historisches Entwicklungslinien: heute Neue Hardwarearchitekturen Multicore-Prozessoren, Hauptspeicher im TB-Bereich: In-Memory-Datenbanksysteme (z.b. SAP HANA) Unterstützung für spezielle Anwendungen Cloud-Datenbanken: Hosting von Datenbanken, Skalierbare Datenmanagementlösungen (Amazon RDS, Microsoft Azure) Datenstromverarbeitung: Online-Verarbeitung von Live-Daten, z.b. Börseninfos, Sensordaten, RFID-Daten,... (StreamBase, MS StreamInsight, IBM Infosphere Streams) Big Data: Umgang mit Datenmengen im PB-Bereich durch hochskalierbare, parallele Verarbeitung, Datenanalyse (Hadoop, Hive, Google Spanner & F1,... ) NoSQL-Datenbanken ( Not only SQL ): nicht-relationale Datenbanken, flexibles Schema (dokumentenzentriert), leichtgewichtig durch Weglassen von SQL-Funktionalitäten wie Transaktionen, mächtige deklarative Anfragesprachen mit Verbunden etc. (CouchDB, MongoDB, Cassandra,... ) Sattler / Saake Datenbanksysteme Letzte Änderung: Okt
38 Historisches Trends Nutzergenerierte Inhalte, z.b. Google: Verarbeitung von 20 PB täglich 15h Video-Upload auf YouTube in jeder Minute Lesen von 20 PB würde 12 Jahre benötigen bei 50 MB/s-Festplatte Linked Data und Data Web Bereitstellung, Austausch und Verknüpfung von strukturierten Daten im Web ermöglicht Abfrage (mit Anfragesprachen wie SPARQL) und Weiterverarbeitung Beispiele: DBpedia, GeoNames Sattler / Saake Datenbanksysteme Letzte Änderung: Okt
39 Historisches Zusammenfassung Motivation für Einsatz von Datenbanksystemen Codd sche Regeln 3-Ebenen-Schemaarchitektur & Datenunabhängigkeit Einsatzgebiete Sattler / Saake Datenbanksysteme Letzte Änderung: Okt
40 Historisches Kontrollfragen Welchen Vorteil bieten Datenbanksysteme gegenüber einer anwendungsspezifischen Speicherung von Daten? Was versteht man unter Datenunabhängigkeit und wie wird sie erreicht? In welchen Bereichen kommen Datenbanksysteme zum Einsatz? Sattler / Saake Datenbanksysteme Letzte Änderung: Okt
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