Taschenbuch. Datenbanken. herausgegeben von. Thomas Kudraß. Mit 159 Bildern und 28 Tabellen. ^ i Fachbuchverlag Leipzig I ^ i] im Carl Hanser Verlag

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1 Taschenbuch Datenbanken herausgegeben von Thomas Kudraß Mit 159 Bildern und 28 Tabellen ^ i Fachbuchverlag Leipzig I ^ i] im Carl Hanser Verlag

2 Inhaltsverzeichnis 1 Datenbanken: Grundlagen und Überblick Dateien und Dateisysteme Terminologie Merkmale eines DBMS Aufgaben eines DBMS Vorteile des Datenbankeinsatzes Nachteile von Datenbanksystemen Produkte Architektur eines Datenbanksystems Architekturen Schemaarchitektur Datenunabhängigkeit Benutzerrollen bei Entwurf und Betrieb von Datenbanken Datenbanken und Informationssysteme Fachgebiet Datenbanken im Überblick Themenbereiche und Zusammenhänge Einordnung des Fachs innerhalb der Informatik Historische Entwicklung Frühzeit Prärelationale DBMS Durchbruch der relationalen Datenbanken Neue Anwendungsfelder für Datenbanken Neuzeit Datenbanken in der Forschung Fachverbände Aktuelle Forschungstrends 42 2 Informationsmodellierung Datenbankentwurf Phasenmodell Anforderungsanalyse Konzeptioneller Entwurf Logischer Entwurf Datendefinition Physischer Entwurf Implementierung und Wartung 50

3 8 Inhaltsverzeichnis 2.2 Grundlagen des Entity-Relationship-Modells (ERM) Semantische Datenmodelle Grundkonzepte des klassischen ERM Kardinalitäten von Beziehungstypen Existenzabhängigkeit vs. Optionalität Rekursive und w-äre Beziehungstypen Attribute Modellierungsbeispiel Erweiterungen des ERM Erweiterungen bei Attributen Generalisierung und Spezialisierung Aggregation Datenmodellierung mit dem UML-Klassendiagramm Klassen und Attribute Assoziationsbeziehungen Aggregations-und Kompositionsbeziehungen Generalisierung und Spezialisierung 71 3 Relationales Datenmodell Konzepte und Grundbegriffe des relationalen Datenmodells Relationen, Tupel, Attribute und Wertebereiche Eigenschaften von Relationen Integritätsbedingungen Grundbegriffe Entitätsintegrität Referenzielle Integrität Abbildung des EERM auf das relationale Datenmodell Problemstellung Abbildungsregeln für Attribute und Entitytypen Abbildungsregeln für Beziehungstypen Abbildungsregeln für die Generalisierung Optimierung von Relationen Problemstellung Anomalien bei DML-Operationen auf Relationen Abhängigkeiten Verbundtreue und Abhängigkeitstreue Normalformenlehre 92

4 Inhaltsverzeichnis ' Operationen der Relationenalgebra Einführung Relationenorientierte Operationen Mengenoperationen Relationenalgebra und relationale Sprachen Relationenkalkül Die Datenbanksprache SQL Grundkonzepte Historie Spezifikationsdokumente Beispieldatenbank Datenbankanfragen Einführende Beispielanfragen Grundgerüst von Anfragen Anfragen mit Aggregatfunktionen Anfragen mit Tabellenfunktionen Anfragen mit Mengenoperationen Anfragen mit Verbundoperationen Verschachtelte Anfragen Rekursive Anfragen Anfragen mit sortierter Ausgabe Datenmanipulation Einfügen von Tabellenzeilen Andern von Tabellenzeilen Löschen von Tabellenzeilen Zusammenführen von Tabellenzeilen Datendefinition SQL-Datentypen Erzeugen und Löschen von Schemata Erzeugen, Andern und Löschen von Tabellen Erzeugen und Löschen von Domänen Erzeugen und Löschen von Integritätsbedingungen Erzeugen und Löschen von Sichten Erzeugen und Löschen von Routinen Erzeugen und Löschen von Triggern Erzeugen und Löschen von Sequenzgeneratoren Transaktionssteuerung Transaktionsanweisungen Isolationsebenen 149

5 10 Inhaltsverzeichnis Überprüfung von Integritätsbedingungen Zugriffskontrolle Vergabe von Zugriffsrechten Zurücknahme von Zugriffsrechten Erzeugen und Löschen von Rollen Datenbank-Anwendungsprogrammierung Grundlagen der Datenbank- Anwendungsprogrammierung Impedance Mismatch Einbettungstechniken Einbettungsarten Architekturansätze Embedded SQL Grundidee und Architektur Syntax für die Einbettung Host-Variablen Das Cursor-Konzept Statische Einbettung Dynamische Einbettung Indikatorvariablen SQLJ Aufrufschnittstellen Überblick SQL/CLI JDBC Relationale Datenbankprogrammiersprachen Datenbankinterne Ansätze GL-Programmiersprachen OO-DB-Frameworks JavaEE JDO Datenbanken im Web Grundlagen des Web Eigenschaften von Webanwendungen Anforderungen Webseiten Dynamische Webseiten Adressierung Kommunikation 208

6 Inhaltsverzeichnis Datenbankanbindung im Web Architekturen Programmierung Überblick Datenbankanbindung über Datenexport Clientseitige Datenbankanbindung Skripteinbettung Programmeinbettung Weitere Techniken Serverseitige Datenbankanbindung Webseitengeneratoren Skripteinbettung Programmeinbettung Applikationsserver Webservices 236 Komponenten eines Datenbankmanagementsystems Architektur von DBMS Schichtenmodell Prozessarchitektur Pufferverwaltung Notwendigkeit und Aufgabe Speicherzuteilung Seitenersetzung Speicher- und Zugriffssystem Aufgabe Seiten und Sätze Adressierung von Sätzen Anfrageprozessor Basisoperatoren Anfrageplanung und -Optimierung Kosten und Statistiken Transaktionsverwaltung Aufgabe Serialisierbarkeit Sperrverfahren Nicht sperrende Verfahren Recovery Fehlerklassen Recovery-Strategien Logging 274

7 12 Inhaltsverzeichnis Wiederanlauf im Fehlerfall Schattenspeicherverfahren Dateiorganisation und Indexe Organisation von Dateien Formen der Dateiorganisation Dateiorganisationsformen im Vergleich Zugriffsstrukturen Grundlagen von Zugriffsverfahren Eigenschaften von Indexen Baumbasierte Verfahren ISAM-Bäume Balancierte Mehrwegbäume Digitale Bäume Hash-Verfahren Prinzip des Hashing Erweiterbares Hashing Weitere Hash-Verfahren Mehrdimensionale Zugriffsverfahren Mehrdimensionale Baumverfahren Grid-File Clusterung und Partitionierung Clusterung Partitionierung Umsetzung in SQL-Systemen Definition von Tabellen Definition von Indexen Optimierung von Datenbanken und Leistungsbewertung Motivation der Datenbankoptimierung Kosten von Datenbankanfragen Optimierungspotenzial Zielbestimmung der Datenbankoptimierung Phasen der Datenbankoptimierung Phase Optimierung des Datenbankschemas Konzeptuelles Schema Externes Schema Internes Schema Phase Anwendungsoptimierung Optimierung von Unternehmensfunktionen Optimierung der Anwendung 314

8 Inhaltsverzeichnis Optimierungen im Mehrbenutzerbetrieb Formulierung von SQL-Anweisungen Phase 2 - Hauptspeicheroptimierung Gestaltung des Datenbankpuffers Schreiben des Datenbankpuffers Optimierer Phase 3 - Optimierung der Sekundärspeicherzugriffe Zusammenspiel mit dem Betriebssystem Verteilung der Eingabe-/Ausgabelast Optimierung physischer Speicherstrukturen Leistungsbewertung Transaction Processing Performance Council TPC-C TPC-H/TPC-R TPC-W TPC-App Objektrelationale Datenbanken Objektorientierte Konzepte Objekte Methoden Kapselung Objektidentität Klassen Spezialisierung Objektorientierung in Datenbanken Objektrelationale Standard-SQL-Konzepte Typkonstruktoren Distinct-Typen Strukturierte Typen Methoden Benutzerdefinierte Konstruktoren Benutzerdefinierte Casts Benutzerdefinierte Ordnungen Typisierte Tabellen Typisierte Sichten Objektrelationale Anfragen Anfragen auf Kollektionen Anfragen mit Pfadausdrücken Anfragen mit Methodenaufrufen Anfragen auf flachen Tabellenextensionen 359

9 14 Inhaltsverzeichnis Typspezifische Anfragen Anfragen mit temporärer Typanpassung XML und Datenbanken Überblick über XML Der XML-Standard und verwandte Standards XML Schema Anfragesprachen für XML Pfadausdrücke (XPath und XQuery) XQuery XML und relationale Datenbanksysteme Relationale Speicherung von XML SQL/XML Realisierung in kommerziellen Systemen Reine XML-Datenbanksysteme Überblick Tamino - Überblick Erweiterbarkeit durch Server Extensions Textsuche in Tamino Internationalisierung in Tamino Tamino und WebDAV Verteilte und föderierte Datenbanksysteme Überblick, Grundbegriffe, Abgrenzung Verteilte vs. parallele Datenbanksysteme Verteilte vs. föderierte Datenbanksysteme Schemaarchitektur und Entwurf verteilter Datenbanksysteme Fragmentierung Horizontale Fragmentierung Vertikale Fragmentierung Kombinierte Fragmentierung Verteilungstransparenz Vorteile verteilter Datenbanksysteme Transparenzeigenschaften verteilter Datenbanksysteme Verteilte Anfrageverarbeitung Datenlokalisierung Globale Optimierung der Join-Auswertung Transaktionsverwaltung in verteilten Datenbanksystemen Koordination 412

10 Inhaltsverzeichnis Synchronisation Deadlock-Behandung Synchronisation bei Replikation Föderierte Datenbanksysteme Autonomie und Heterogenität Architektur föderierter DBS Integrationskonflikte Integrationstechniken Anfrageverarbeitung in föderierten DBS Synchronisation in föderierten DBS Trends Data Warehouse Architektur Datenquellen Back-End-Bereich Datenbank Front-End-Werkzeuge Sonstige Werkzeuge Multidimensionale Datenmodelle Statische Aspekte Dynamische Aspekte Speicherung und Schemagestaltung Relationale Speicherung Multidimensionale Speicherung Erweiterung relationaler Datenbanken Materialisierte Sichten Partitionierung Bitmap-Index SQL-Erweiterungen zum Einfügen Komplexes Gruppieren Star Query Bulk Loader Data Mining KDD-Prozess Clustering Definition und Beispiele Anforderungen und Probleme Verfahren Assoziationsanalyse 463

11 16 Inhaltsverzeichnis Definition und Beispiel Anforderungen und Probleme Verfahren Klassifikation Definition und Beispiele Anforderungen Verfahren Anomalieentdeckung Definition und Beispiele Anforderungen und Probleme Verfahren Multimedia-Datenbanken Einführung Mediendaten Suche nach Mediendaten Textsuche Bildsuche Audiosuche Videosuche Mediendatentypen Einbettung in Datenbanksysteme Schemastrukturen Anfrageformulierung Einsatz Geodatenbanken Geodäten Eigenschaften von Geodäten Metadaten Datenschemata Standardisierung ISO Spatial Schema ISO Simple Feature Access ISO/IEC SQL/MM Spatial Räumliche Bezugssysteme Funktionen Geometrische Funktionen Topologische Prädikate Räumliche Anfragen Räumliche Basisanfragen 513

12 Inhaltsverzeichnis Mehrstufige Anfragebearbeitung Approximationen Räumliche Indexe Grundtechniken Quadtrees R-Bäume Geodatenbanksysteme Objektrelationale Geodatenbanksysteme Konkrete Geodatenbanksysteme Datenbanken in OLTP-Systemen Betriebliche Informationssysteme Operative Systeme Analytische Systeme Prozessarchitektur Sperrkonzepte Das Verbucherkonzept Datenbankschnittstelle Datenbankunabhängige Programmierung Datenpufferung Anfrage-Caching 537 Abkürzungsverzeichnis 538 Literaturverzeichnis 543 Sachwortverzeichnis 560