Datenbanken 1. Kapitel 2: Datenbankentwurf. Ansprechpartner hat Name Adresse. Geschaeftspartner <pi> Characters (30) Characters (50) ist.

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1 Datenbanken 1 Kapitel 2: Datenbankentwurf Ansprechpartner hat Name Adresse Geschaeftspartner <pi> Characters (30) Characters (50) ist Haendler Rabatt Integer Spediteur Verfuegbar Characters (20) Kunde Kreditkarte Characters (10) bestellt Produkt

2 Vorlesung Datenbanken 1 2 Ausschnitt aus der realen Welt Konzeptuelles Modell (z.b. ER-Modell) 4 Anwendungsprogramm 5 3 Logisches Modell (z.b. Relationenmodell) 4 DBMS 6 DB Uta Störl Datenbanken 1 SoSe

3 Phasen des Datenbankentwurfs Anforderungsanalyse Datenbedarf nicht formalisiert Konzeptioneller Entwurf Konzeptuelles Modell Informationsstruktur Logischer Entwurf Logisches Modell logische Datenbankstruktur Physischer Entwurf Internes Schema interne (physische) Datenbankstruktur Uta Störl Datenbanken 1 SoSe

4 Datenbankentwurf Inhalt des Kapitels Grundkonstrukte des Entity-Relationship-Modell (ER-Modell) Erweiterungen des ER-Modells Vorgehensweise beim Entwurf Lernziele Kennenlernen der wichtigsten Konstrukte des ER-Modells Selbständiges Entwerfen von Datenbankmodellen mit dem ER-Modell Uta Störl Datenbanken 1 SoSe

5 Entities und Entity-Typen Entity: Objekt der realen (bzw. der zu modellierenden) Welt. Entity-Set: Menge aller Entities mit gleichen oder ähnlichen Eigenschaften. Entity-Typ: Repräsentant der Objekte gleichen Typs. Notation: Entity-Typ Beispiel: Notebook Tablet Monitor Produkt Drucker Uta Störl Datenbanken 1 SoSe

6 Attribute 1(2) Attribut: repräsentiert eine Eigenschaft eines Entity-Typs, d.h. eine Eigenschaft, welche alle Entities dieses Entity-Typs besitzen. Notation: E (A 1, A 2,, A m ) Attribut Wertebereich/Domäne: mögliche bzw. zulässige Werte für ein Attribut Beispiel: Produkt Preis: zwischen 5 und 100 Euro Bezeichnung Preis Notation: E (A 1 :D 1, A 2 :D 2,, A m :D m ) Uta Störl Datenbanken 1 SoSe

7 Attribute 2(2) Wie wird modelliert, wenn beispielsweise ein Kunde mehrere -Adressen hat und Der Name zusammengesetzt ist (Vorname, Nachname) Erhöhung der Modellierungsgenauigkeit durch Mehrwertige Attribute (Notation: Doppeloval) zusammengesetzte Attribute (Notation: hierarchisch angeordnete Attribute) KNr Kunde Nachname Name Vorname Kunde (KNr, { }, Name (Nachname, {Vorname})) Uta Störl Datenbanken 1 SoSe

8 Schlüssel Entities müssen unterscheidbar, d.h. eindeutig identifizierbar sein Informationen über Entities sind in ihren Attributen hinterlegt Identifikation eines Entities durch Attribut oder Kombination von Attributen Ein Schlüssel eines Entity-Typs E ist eine Menge K von (einwertigen) Attributen, für die folgendes gilt: Zu jedem Zeitpunkt unterscheiden sich zwei verschiedene Entities aus E bzgl. K, und es gibt keine echte Teilmenge von K, die diese Eigenschaft besitzt. Beispiele: Schlüssel für Buch? Produkt? Studenten? Mehrere Schlüsselkandidaten möglich Primärschlüssel auswählen MatrNr Vorname Student Geburtsdatum Name Adresse Student (MatrNr, Vorname, Name, Geburtsdatum, Adresse) Uta Störl Datenbanken 1 SoSe

9 Beziehungstypen 1(4) Wichtige Informationen der realen Welt werden durch Beziehungen zwischen Entities ausgedrückt (insbesondere Prozesse!) Beziehungstyp (Relationship-Typ) beschreibt Beziehungen zwischen verschiedenen Entity-Typen Historie der Notationen Schema-Diagramme in den 60er Jahren (Charles Bachmann) 1) gerichtete Pfeile für Beziehungstypen Mitarbeiter Projekt ER-Modell erstmals 1976 von Peter Chen 2) beschrieben. Rauten als Repräsentanten für verschiedene Beziehungstypen Mitarbeiter arbeitet in Projekt 1) Bachmann, C.W. Data Structure Diagrams. Databases 1, 2 (1969), pp ) Chen, P.P. The Entity-Relationship Model Toward a Unified View of Data. ACM Trans. Databse Systems 1,1 (March 1976) pp Uta Störl Datenbanken 1 SoSe

10 Beziehungstypen 2(4) Notation: Raute mit Name des Beziehungstyps (Verb oder Substantiv) R (E 1, E 2,, E n ) Beispiel: Produkt wurde verkauft Shop Beziehungstyp kann auch Attribute haben Beziehungsattribute Produkt wurde verkauft Shop R (E 1, E 2,, E n ; A 1, A 2,, A m ) Anzahl Uta Störl Datenbanken 1 SoSe

11 Beziehungstypen 3(4) Es können auch mehrstellige Beziehungstypen modelliert werden: Kunde bestellt Produkt Shop Uta Störl Datenbanken 1 SoSe

12 Beziehungstypen 4(4) Beispiel: Optische Linsen in Fotoapparaten, in der Chip-Fertigung (Beleuchtung) etc. Eine Linse kann selbst wieder aus anderen Linsen bestehen. Allgemeiner: Ein Produkt kann selbst wieder aus anderen Produkten bestehen Wie wird diese Beziehung zwischen Entities gleichen Typs ausgedrückt? Produkt besteht aus Rekursiver Beziehungstyp Stichwort Stückliste Uta Störl Datenbanken 1 SoSe

13 Hörsaalübung Erstellen Sie ein ER-Modell für die folgende FH-Miniwelt Jeder Professor hält mehrere Vorlesungen. Mehrere Studenten besuchen jeweils (verschiedene) Vorlesungen. Ein Student wird von einem Professor jeweils über eine Vorlesung geprüft und erhält eine Note für diese Prüfung. Der Besuch von Vorlesungen setzt i.a. Kenntnisse anderer Vorlesungen voraus. Überlegen Sie sich, welche Attribute sie für die jeweiligen Entitäten mit abspeichern würden. Welche Attribute würden Sie als Schlüssel wählen? Wie sind die Beziehungen zwischen den Entity-Typen? Uta Störl Datenbanken 1 SoSe

14 Kardinalitäten Motivation: bisher kann nur ausgedrückt werden, dass zwischen bestimmten Entity-Typen eine Beziehung besteht und Eigenschaften dieser Beziehung können durch Beziehungsattribute ausgedrückt werden. Was fehlt? Jede Vorlesung wird von genau einem Professor gehalten Ein Student kann mehrere Vorlesungen hören Eine Vorlesung findet nur statt, wenn mindestens 6 Teilnehmer angemeldet sind Kardinalitäten! = Wichtige Integritätsbedingungen Achtung! Es gibt verschiedene graphische Notationen für Kardinalitäten im ER-Modell die wichtigsten (aber nicht alle) werden im folgenden vorgestellt. Das dahinter stehende Grundprinzip (1:1, 1:N und N:M Beziehungen) ist jedoch unabhängig von der graphischen Notation das gleiche! Uta Störl Datenbanken 1 SoSe

15 N:M Beziehungen keine Restriktionen, d.h. jedem Entity e 1 vom Entity-Typ E 1 können beliebig viele Entities E 2 zugeordnet sein und jedem Entity e 2 können beliebig viele Entities E 1 zugeordnet sein. Beispiele: Kunde bestellt Produkt; Flächen begrenzen Kanten Kunde N bestellt M Produkt Uta Störl Datenbanken 1 SoSe

16 1:N Beziehungen jedem Entity e 1 vom Entity-Typ E 1 können beliebig viele Entities E 2 zugeordnet sein, aber zu jedem Entity e 2 gibt es maximal ein e 1 aus E 1 Beispiele: Hersteller liefert Produkt, Produkt hat Lackierung (n:1) Hersteller 1 N liefert Produkt Lesweise: ein Hersteller liefert N Produkte bzw. ein Produkt wird von höchstens 1 Hersteller geliefert Uta Störl Datenbanken 1 SoSe

17 1:1 Beziehungen jedem Entity e 1 vom Entity-Typ E 1 ist maximal ein Entity e 2 aus E 2 zugeordnet und umgekehrt Beispiele: Prospekt beschreibt Produkt; Kennzeichen gehört zu Fahrzeug Prospekt 1 1 beschreibt Produkt Uta Störl Datenbanken 1 SoSe

18 Verfeinerung der Kardinalitätsrestriktionen Limitation des 1:1, 1:N bzw. N:M Modells: 1 bedeutet höchstens eins der Unterschied zu genau eins ist nicht ausdrückbar Präzisere Angaben der Kardinalitätsrestriktionen: statt 1: (0, 1) oder (1, 1) statt N: (0, n) oder (1, n) Krähenfuss-Notation oder Martin-Notation (James Martin) Graphische Darstellung = 0 = 1 = n Hersteller 1 N liefert Produkt Diese Notation beeinflusste auch die heutige UML-Notation stark und ist in Modellierungstools sehr populär. Uta Störl Datenbanken 1 SoSe

19 Weitere Verfeinerung der Kardinalitätsrestriktionen Spezifischere Restriktionen (ein Auto hat genau 4 Räder; ein Fahrzeug hat mindestens 2, höchstens 4 Räder) nicht ausdrückbar (min, max)-notation schränkt die möglichen Teilnahmen von Instanzen der beteiligten Entity- Typen an der Beziehung ein, indem ein minimaler und ein maximaler Wert vorgegeben wird E1 (min 1, max 1 ) (min 2, max 2 ) R E2 e 1 nimmt an mindestens min 1 und höchstens max 1 Beziehungen vom Typ R teil e 2 nimmt an mindestens min 2 und höchstens max 2 Beziehungen vom Typ R teil Achtung: Die Angabe der (min, max)-kardinalitäten erfolgt genau gespiegelt zur UML-Notation! Uta Störl Datenbanken 1 SoSe

20 Beispiel für (min, max)-notation Rad N gehört 1 zu Fahrzeug Rad (0, 1) gehört (2, 4) zu Fahrzeug Uta Störl Datenbanken 1 SoSe

21 Verschiedene Kardinalitätsnotationen 1(2) Jedes Element von E1 steht zu genau einem von E2 in Beziehung. E1 R 1 E2 E1 (1,1) R E2 E1 R E2 Jedes Element von E1 steht zu höchstens einem von E2 in Beziehung. E1 R 1 E2 E1 (0,1) R E2 E1 R E2 Uta Störl Datenbanken 1 SoSe

22 Verschiedene Kardinalitätsnotationen 2(2) Jedes Element von E1 steht zu mindestens einem von E2 in Beziehung. E1 R N E2 E1 (1,n) R E2 E1 R E2 Jedes Element von E1 steht zu beliebig vielen von E2 in Beziehung. E1 R N E2 E1 (0,n) R E2 E1 R E2 Uta Störl Datenbanken 1 SoSe

23 Modellierungstool PowerDesigner 0,1 gehoert zu Hersteller HerstellerID HerstellerName I VA50 Produkt 1,n produziert ProduktID I 0,n 1,1 ProduktName A20 gehoert zu Hersteller HerstellerID HerstellerName I VA50 produziert Produkt ProduktID ProduktName I A20 Uta Störl Datenbanken 1 SoSe

24 Bemerkung zu n-stelligen Beziehungen 1(3) n-stellige Beziehungen lassen sich in Modellierungswerkzeugen oft nicht darstellen (u.a. da außer bei Verwendung der (min, max) Teilnahme -Kardinalitätsnotation nicht eindeutig ist, auf welches Entity sich die Kardinalitätsangabe bezieht) Professor Vorlesung empfiehlt Buch empfiehlt Heuer DB1 ABC Heuer DB2 DEF Saake DB1 DEF Saake DB2 DEF Uta Störl Datenbanken 1 SoSe

25 Bemerkung zu n-stelligen Beziehungen 2(3) Was passiert bei Auflösung in drei zweistellige Beziehungen? Wird die Information korrekt wiedergegeben? Professor P-V Vorlesung V-B P-B Buch P-V P-B V-B Heuer DB1 Heuer ABC DB1 ABC Heuer DB2 Heuer DEF DB2 DEF Saake DB1 Saake DEF DB1 DEF Saake DB2 Uta Störl Datenbanken 1 SoSe

26 Bemerkung zu n-stelligen Beziehungen 3(3) Direkte Umsetzung n-stelliger Beziehungstypen in zweistellige kann zu unerwünschten Effekten führen, d.h. die Ausdrucksfähigkeit ist in diesem Fall geringer als bei n-stelligen Beziehungen Alternative: n-stelligen Beziehungstypen in (künstlichen) Entity-Typen umwandeln und n zweistellige Beziehungen definieren. Professor V-E Vorlesung P-E Empfehlung B-E Buch ID Uta Störl Datenbanken 1 SoSe

27 Entity-Relationship-Modell Bisher eingeführt Entity-Typen Attribute Beziehungstypen Kardinalitäten von Beziehungstypen Jetzt: Einführung weiterer Konstrukte, um bestimmte Gegebenheiten der zu modellierenden Miniwelt adäquat auszudrücken. Uta Störl Datenbanken 1 SoSe

28 Existenzabhängige Entities 1(2) Annahme bisher: Entities existieren autonom und sind über ihren Schlüssel eindeutig identifizierbar Aber: in der Realität existieren oft Entities, welche in ihrer Existenz von einem anderen, übergeordneten Entitiy abhängig sind und oft nur in Kombination mit dem Schlüssel des übergeordneten Entities eindeutig identifizierbar sind Existenzabhängige Entities (auch schwache Entities oder weak entities genannt) RaumNr Raum (1, 1) gehört (0, n) zu Gebäude GebNr Größe Höhe Uta Störl Datenbanken 1 SoSe

29 Existenzabhängige Entities 2(2) RaumNr Raum (1, 1) gehört (0, n) zu Gebäude GebNr Größe Höhe Modellierung im PowerDesigner Uta Störl Datenbanken 1 SoSe

30 Anmerkung zur Abbildung von Beziehungsattributen im PowerDesigner Produkt ProdNr Bezeichnung Preis I VA20 DC6,2??? Anzahl wurde verkauft Shop ShopID Name I A10 Produkt ProdNr Bezeichnung Preis I VA20 DC6,2 wurde verkauft Anzahl I Shop ShopID Name I A10 Uta Störl Datenbanken 1 SoSe

31 Generalisierung / Spezialisierung 1(3) Anordnung der Typen in eine Typhierarchie Generalisierung: Übergang zu einem allgemeineren (Super-)Typ Bsp.: Spediteur Geschäftspartner Spezialisierung: Übergang zu einem oder mehreren speziellen (Sub-)Typen Bsp.: Geschäftspartner Spediteur Geschäftspartner Händler Spezialisierungs-/Generalisierungsbeziehung wird auch IST-Beziehung genannt (engl. is-a relationship) Ansprechpartner Geschäftspartner Händler Spediteur Kunde Uta Störl Datenbanken 1 SoSe

32 Generalisierung / Spezialisierung 2(3) Eigenschaften Jeder Händler-Instanz ist genau eine Geschäftspartner-Instanz zugeordnet. Händler-Instanzen werden durch die funktionale IST-Beziehung identifiziert. Attribute des Entity-Typs Geschäftspartner treffen auch auf Händler zu = vererbte Attribute. nicht nur die Attributdeklarationen vererben sich, sondern auch jeweils die aktuellen Werte für eine Instanz. Ansprechpartner Alternative Modellierungsvariante? Geschäftspartner Name Adresse Rabatt Händler Spediteur Kunde Uta Störl Datenbanken 1 SoSe

33 Generalisierung / Spezialisierung 3(3) Modellierung im PowerDesigner Ansprechpartner hat Name Adresse Geschaeftspartner <pi> Characters (30) Characters (50) ist Haendler Rabatt Integer Spediteur Verfuegbar Characters (20) Kunde Kreditkarte Characters (10) bestellt Produkt Uta Störl Datenbanken 1 SoSe

34 Datenbankentwurf Entity-Relationship-Modell Entity-Typen und Attribute Beziehungstypen Kardinalitäten von Beziehungstypen Existenzabhängige Entities Generalisierung / Spezialisierung Was fehlt? Vorgehensweise beim Konzeptionellen Entwurf Uta Störl Datenbanken 1 SoSe

35 Vorgehensweise beim Entwurf Variante 1 Entwurf der Teilsysteme Anschließend: Zusammenfügen der Teilsysteme Geschäftspartner Rohstoffe Produkte Märkte Variante 2 Ausgehend von einem Objekt bzw. einem Teilsystem: Entwurf des Gesamtsystems Geschäftspartner zusätzlich Rohstoff zusätzlich Produkt zusätzlich Markt... Uta Störl Datenbanken 1 SoSe

36 Vorgehensweise bei der ER-Modellierung Händler Spediteur Händler Spediteur Händler Spediteur Rohstoff R1 Rohstoff (1,*) (1,*) R1 (1,*) Rohstoff R1: liefert (Händler, Spediteur, Rohstoff; Bestelldatum, Lieferdatum, Preis, Menge) 1. Definition der Entity- Typen (inkl. Attribute und Schlüssel) und Analyse, welche Enity- Typen miteinander in Beziehung stehen 2. Analyse, wie die Beziehungstypen bezeichnet werden und welche Attribute sie besitzen 3. Analyse, welche Kardinalitäten die Beziehungstypen haben Uta Störl Datenbanken 1 SoSe

37 Phasen des Datenbankentwurfs Anforderungsanalyse Datenbedarf nicht formalisiert Konzeptioneller Entwurf Konzeptuelles Modell Informationsstruktur Logischer Entwurf Logisches Modell logische Datenbankstruktur Physischer Entwurf Internes Schema interne (physische) Datenbankstruktur Uta Störl Datenbanken 1 SoSe

38 Vorlesung Datenbanken 1 Ausschnitt aus der realen Welt Konzeptuelles Modell (z.b. ER-Modell) 4 Anwendungsprogramm 5 3 Logisches Modell (z.b. Relationales Modell) 4 DBMS 6 DB Uta Störl Datenbanken 1 SoSe