Günther Vinek - Paul Frederick Rennert - A Min Tjoa. Datenmodellierung: Theorie und Praxis des Datenbankentwurfs

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1 Günther Vinek - Paul Frederick Rennert - A Min Tjoa Datenmodellierung: Theorie und Praxis des Datenbankentwurfs Technische ftedsseirsie Darmstodt FACH&cREiCH INFOftMATiK BIBLIOTHEK lovenlor-nr Sachgebiete Standort«Physica-Verlag Würzburg Wien 1982

2 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung Motivation und Zielsetzung Überblick über den Aufbau des Textes Beispiel einer Problemstellung für die Demonstration von Datenmodellen 15 Teil I: Grundkonzepte der Datenmodellierung 2. Entwicklung der Datenspeicherung und Datenorganisation Ausgangssituation Physische Integration der Dateien Physische Datenunabhängigkeit: Datenbanken Logische Datenunabhängigkeit Datenbankarchitektur: Das Drei-Schichten-Konzept Die klassischen Datenmodelle Gemeinsame Eigenschaften der klassischen Datenmodelle Einfache graphenorientierte Modelle Das hierarchische Modell Das Netzwerkmodell Navigation im einfachen graphenorientierten Modell Standardisierung des einfachen graphenorientierten Modells durch die CODASYL/DBTG Das Relationenmodell Relationenschemata und Relationen Manipulation von Relationen Gegenüberstellung der klassischen Datenmodelle 49 Teil II: Das Relationenmodell 5. Theorie des Relationenmodells Grundlagen Attribute und Wertebereiche S-Werte Einengung von S-Werten Relationen Operationen auf Relationen 53

3 8 Inhaltsverzeichnis Mengenoperationen Selektion Projektion Verbund Theta-Verbund Division Einschränkungen und Relationenschemata Einschränkungen Relationenschemata Das relationale Datenbankschema Die Forderung der Existenz einer universellen Relation Funktionale Abhängigkeiten Definition der funktionalen Abhängigkeit Ableitungsregeln für funktionale Abhängigkeiten Das Membership-Problem für funktionale Abhängigkeiten Äquivalenz von Systemen funktionaler Abhängigkeiten Minimale Überdeckungen Volle funktionale Abhängigkeiten Der Schlüsselbegriff Primärschlüssel Entwurf von Relationenschemata bei Berücksichtigung funktionaler Abhängigkeiten Zerlegungen und Entwurfskriterien Normalformen von Relationen Erste Normalform Zweite Normalform Dritte Normalform Boyce-Codd-Normalform Abhängigkeitstreue und Verbündtreue Zerlegungsalgorithmen für Relationenschemata Mehrwertige Abhängigkeiten Definition der mehrwertigen Abhängigkeit Mehrwertige Abhängigkeiten und verlustfreie Zerlegungen Ableitungsregeln für mehrwertige Abhängigkeiten Gemischte Ableitungsregeln Hülle einer Attributmenge und Abhängigkeitsbasis Probleme bei der Aufstellung mehrwertiger Abhängigkeiten Das Membership-Problem für funktionale und mehrwertige Abhängigkeiten Entwurf von Relationenschemata bei Berücksichtigung mehrwertiger Abhängigkeiten; Vierte Normalform Eingebettete mehrwertige Abhängigkeiten Weitere Abhängigkeiten Verbundabhängigkeiten Hierarchische Abhängigkeiten Die Projektions-Verbund-Abbildung 100

4 Inhaltsverzeichnis Überprüfung von Verbundabhängigkeiten mit Hilfe der Tableau-Technik Tableaux und ihre Transformationsregeln Beispiel zum Relationenmodell Objekttypen Attribute der einfachen Objekttypen Assoziationstypen und ihre Attribute Funktionale Abhängigkeiten Universelles Relationenschema, weitere Abhängigkeiten Erste Zerlegung in Teilrelationenschemata Untersuchung der ersten Zerlegung Änderungen der Schemastruktur Zweite Zerlegung in Teilrelationenschemata Untersuchung der zweiten Zerlegung j Weitere Zerlegung und zusätzliche Überlegungen Integritätsbedingungen Abschließende Bemerkungen zur Zerlegung Benutzersichten Algorithmen zum Relationenmodell Bemerkungen zu den Algorithmen Das Membership-Problem für funktionale Abhängigkeiten Prüfen zweier Systeme funktionaler Abhängigkeiten auf Äquivalenz Minimale Überdeckung eines Systems funktionaler Abhängigkeiten Reduktion nicht-voller funktionaler Abhängigkeiten auf volle Suchen eines minimalen Schlüssels Suchen aller minimalen Schlüssel zu einer Attributmenge Suchen aller zusätzlichen minimalen Schlüssel zu einer Attributmenge Das Membership-Problem für funktionale und mehrwertige Abhängigkeiten Konstruktion der Abhängigkeitsbasis und der Hülle Konstruktion einer abhängigkeitstreuen Codd-3NF-Zerlegung nach Beerij Bernstein.' Konstruktion einer abhängigkeits- und verbundtreuen Codd-3NF-Zerlegung nach Osborn Konstruktion einer abhängigkeits- und verbundtreuen Zerlegung in verbesserter dritter Normalform 178 Teil III: Semantische Aspekte von Datenmodellen 8. Semantische Datenmodelle Das Datenmodellierungskonzept von Nijssen Das ENALIM (Evolving Natural Language Information Model)-Axiom Das INSYGRAM (Information Systems Grammar)-Axiom 190

5 10 Inhaltsverzeichnis Graphische Grammatik Einschränkungen Das SENE(Senko's Entity Name Entity)-Axiom Das Entity-Relationship-Modell Die erste Abstraktionsstufe Die zweite Abstraktionsstufe Entity-Relationship-Diagramme Aggregation und Generalisation Aggregation Generalisation Objekttypen Subtypen Subtypen und ISA-Hierarchien Subtypenbildung nach mehreren Kriterien Eigenschaften eines generischen Objekts Überdeckungsaggregation Die Behandlung unvollständiger Information Nullwerte Einbettung des Nullwertes unbekannt" in das Relationenmodell Auswirkungendes Nullsubstitutionsprinzips auf Abfragen Auswirkungen von Nullwerten auf Abhängigkeiten Einbeziehung von Nullwerten in die universelle Relation ' Surrogate Das RM/T-Datenmodell Das Relationenmodell Nullwerte Objekte und Objekttypen Surrogate E-Relationen Objekttypen P-Relationen Charakteristische Objekte und Relationen Assoziationen Abstraktion von Objekten Kartesische Aggregation Generalisation Aufzählung Untermengenbildung Alternative Generalisation Überdeckungsaggregation 235

6 Inhaltsverzeichnis Ereignisabfolgen RM/T-Katalog Operatoren für RMjT Beispiel zur Datenmodellierung mit Hilfe von RM/T 236 Teil IV: Logische Aspekte des Datenbankbetriebes 13. Formale Logik und Datenbanken Prädikatenlogik erster Stufe Interpretation des Prädikatenkalküls Gültigkeit und Erfüllbarkeit Methoden des logischen Schließern Mehrsortige Logik PränexeNormalform, Hörn clauses Anwendung auf Datenbankkonzepte Grundkonzepte Ableitungs- und Integritätsregeln Abfragen Negative Information Datenbanksprachen Datenbeschreibungssprachen Datenmanipulationssprachen Datenmanipulationssprachen für das Relationenmodell Der abstrakte Sprachtypus der Relationenalgebra Der abstrakte Sprachtypus des Relationenkalküls Relationenkalkül mit Tupelvariablen und Bereichsprädikaten Relationenkalkül mit Bereichsvariablen und Bereichsprädikaten Die Datenbanksprache SQL Zusätzliche Funktionen in Datenmanipulationssprachen Fehlerbehandlung und Fehlerverhütung in Datenbanksystemen Sicherheit Datenabhängige und datenunabhängige Sicherheitsbeschränkungen Sicherheitsmatrix Intentional Resolution" Benutzervergebene Zugriffsrechte Probleme beim Schutz individueller Daten Zuverlässigkeit Integrität Integritätsregeln Funktionen eines Integritätssubsystems Logik und Integrität 281

7 12 Inhaltsverzeichnis Die Datenbank als logisches System Operationen auf der Datenbank und Integritätsprüfung Wechselwirkung zwischen Integritäts-und Ableitungsregeln Übergangsregeln Konsistenz von Integritätsregeln Benutzersichten und Integrität Alternative Vorgangsweisen für die Integritätsprüfung Konsistenz Zugriffssperre und Verklemmung in Datenbanken Prädikatsperren Konsistenz in verteilten Datenbanken 295 Literaturverzeichnis 297 Stichwortverzeichnis 303