Grundlagen von Datenbanken und Informationssystemen

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1 Anwendersoftware (AS) Grundlagen von Datenbanken und Informationssystemen Kapitel 7: Datenbanksysteme: Anforderungen und Architektur Holger Schwarz Wintersemester 2009/10 Teile zu diesem Folienskript beruhen auf einer ähnlichen Vorlesung, gehalten von Prof. Dr. T. Härder am Fachbereich Informatik der Universität Kaiserslautern und Prof. Dr. N. Ritter am Fachbereich Informatik der Universität Hamburg. Für dieses Skriptum verbleiben alle Rechte (insbesondere für Nachdruck) bei den Autoren.

2 Übersicht Anforderungen an DBS Schichtenmodelle für DBS Drei-Schema-Architektur Dynamischer Ablauf von DB-Operationen 2

3 Anforderungen an ein DBS Kon ntrolle übe er die ope erationalen n Daten Leistung und Skalierbarkeit Hoher Grad an Datenunabhängigkeit DBS 3

4 Kontrolle über die operationalen Daten Alle Daten können/müssen gemeinsam benutzt werden keine verstreuten privaten Dateien Querauswertungen aufgrund inhaltlicher Zusammenhänge symmetrische Organisationsformen (keine Bevorzugung einer Verarbeitungs- und Auswertungsrichtung) Entwicklung neuer Anwendungen auf der existierenden DB Erweiterung/Anpassung der DB (Änderung des Informationsbedarfs) f Redundanzfreiheit (aus Sicht der Anwendung) keine wiederholte Speicherung in unterschiedlicher Form für verschiedene Anwendungen Vermeidung von Inkonsistenzen zeitgerechter Änderungsdienst, keine unterschiedlichen Änderungsstände Datenbankadministrator (DBA): zentrale Verantwortung für die operationalen Daten 4

5 Leichte Handhabbarkeit der Daten Einfache Datenmodelle Logische Sicht der Anwendung Leicht erlernbare Sprachen Durchsetzung von Standards Erweiterung der Benutzerklassen Beschreibung der logischen Aspekte der Daten Benutzung der Daten ohne Bezug auf systemtechnische Realisierung zugeschnitten auf ihren Bedarf lokale Sicht auf die DB deskriptive Problemformulierung hohe Auswahlmächtigkeit Unterstützung der Problemlösung des Anwenders im Dialog unterschiedliche DBS bieten einheitliche Schnittstelle Portierbarkeit von Anwendungen erleichterter Datenaustausch Systempersonal, Anwendungsprogrammierer anspruchsvolle Laien, parametrische Benutzer/ gelegentliche Benutzer 5

6 Leichte Handhabbarkeit der Daten Beispiel im Relationenmodell: DB-Schema DB-Schema FB FBNR FBNAME DEKAN PROF PNR PNAME FBNR FACHGEB STUDENT MATNR SNAME FBNR STUDBEG PRÜFUNG PNR MATNR FACH DATUM NOTE 6

7 Leichte Handhabbarkeit der Daten Beispiel im Relationenmodell: Ausprägungen FB FBNR FBNAME DEKAN FB 9 WIRTSCHAFTSWISS 4711 FB 5 INFORMATIK 2223 PROF PNR PNAME FBNR FACHGEB 1234 HÄRDER FB 5 DATENBANKSYSTEME 5678 WEDEKIND FB 9 INFORMATIONSSYSTEME 4711 MÜLLER FB 9 OPERATIONS RESEARCH 6780 NEHMER FB 5 BETRIEBSSYSTEME STUDENT PRÜFUNG MATNR SNAME FBNR STUDBEG PNR MATNR FACH PDATUM NOTE COY FB BWL MÜLLER FB OR ABEL FB DV SCHULZE FB DV MAIER FB SP SCHMID FB DV BS

8 Leichte Handhabbarkeit der Daten Deskriptive DB-Sprachen (wie SQL) hohes Auswahlvermögen und Mengenorientierung leichte Erlernbarkeit auch für den DV-Laien RM ist symmetrisches Datenmodell, d.h., es gibt keine bevorzugte Zugriffsoder Auswertungsrichtung Anfragebeispiele: 1. Finde alle Studenten t aus Fachbereich h 5, die ihr Studium vor 1995 begonnen haben. SELECT * FROM STUDENT WHERE FBNR = FB5 AND STUDBEG <

9 Leichte Handhabbarkeit der Daten 2. Finde alle Studenten des Fachbereichs 5, die im Fach Datenverwaltung eine Note 2 oder besser erhalten haben. SELECT * FROM STUDENT WHERE FBNR = FB5 AND MATNR IN (SELECT MATNR FROM PRÜFUNG WHERE FACH = DV AND NOTE 2 ) 3. Finde die Durchschnittsnoten der DV-Prüfungen für alle Fach- bereiche mit mehr als 1000 Studenten. t SELECT S.FBNR, AVG (P.NOTE) FROM PRÜFUNG P, STUDENT S WHERE P.FACH = DV AND P.MATNR = S.MATNR GROUP BY S.FBNR HAVING (SELECT COUNT(*) FROM STUDENT T WHERE T.FBNR = S.FBNR) >

10 Leichte Handhabbarkeit der Daten Beispiel im Hierarchiemodell: DB-Schema DB-Schema FB FBNR FBNAME DEKAN PROF STUDENT PNR PNAME FACHGEB MATNR SNAME STUDBEG ABGEHALTENE- PRÜFUNG ABGELEGTE- PRÜFUNG MATNR FACH PDATUM NOTE PNR FACH PDATUM NOTE 10

11 Leichte Handhabbarkeit der Daten Ausprägungen (1) Beispiel im FB 9 WIRTSCHAFTSWISS 4711 Hierarchiemodell: Ausprägungen SCHULZE MÜLLER OR SCHMID WEDEKIND INF COY BWL OR DV OR BWL Ausprägungen (2) FB 5 INFORMATIK NEHMER 1234 HÄRDER DBS BS MÜLLER MAIER ABEL BS SP BS DV DV DV DV SP DV

12 Leichte Handhabbarkeit der Daten Prozedurale DB-Sprachen bei hierarchischen Datenmodellen Programmierer als Navigator satzweiser Zugriff über vorhandene Zugriffspfade unnatürliche Organisation bei komplexen Beziehungen (n:m) Auswertungsrichtung ist vorgegeben 12

13 Leichte Handhabbarkeit der Daten Anfragebeispiele 1. Finde alle Studenten aus Fachbereich 5, die ihr Studium vor 1990 begonnen haben. GU FB (FBNR = FB5 ); NEXT_STUDENT: GNP STUDENT (STUDBEG < ); IF END_OF_PARENT THEN EXIT; PRINT STUDENT RECORD; GOTO NEXT_STUDENT; 2. Finde alle Studenten des Fachbereichs 5, die im Fach Datenverwaltung eine Note 2 oder besser erhalten haben. GU FB (FBNR = FB5 ); NEXT_STUDENT: GNP STUDENT; IF END_OF_PARENT THEN EXIT; GNP ABGELEGTE_PRÜFUNG (FACH = DV ) AND (NOTE 2 ); IF END_OF_PARENT THEN GOTO NEXT_STUDENT; PRINT STUDENT RECORD; GOTO NEXT_STUDENT; 13

14 Kontrolle der Datenintegrität Automatisierte Zugriffskontrollen (Datenschutz) separat für jedes Datenobjekt unterschiedliche Rechte für verschiedene Arten des Zugriffs Idealziel: least privilege principle gewünschte Autorisierung gewünschte Systemleistun g Schreiben Überwachungssystem Schutzinfo. Lesen Autorisierungssystem Vergabe und Entzug von Zugriffsrechten Annahme oder Abweisung von Aufträgen 14

15 Kontrolle der Datenintegrität Erhaltung der logischen Datenintegrität (system enforced integrity) Beschreibung der Richtigkeit von Daten durch Prädikate und Regeln Qualitätskontrollen bei Änderungsoperationen aktive Maßnahmen des DBS erwünscht (ECA-Regeln) Transaktionskonzept 15

16 Kontrolle der Datenintegrität Transaktionskonzept: Durchsetzung der ACID-Eigenschaften Schema-Konsistenz (C) aller DB-Daten wird bei Commit erzwungen. ACID impliziert Robustheit, d. h., DB enthält nur solche Zustände, die explizit durch erfolgreich abgeschlossene TA erzeugt wurden. Dauerhaftigkeit (Persistenz): Effekte von abgeschlossenen TA gehen nicht verloren Atomarität (Resistenz): Zustandsänderungen werden entweder, wie in der TA spezifiziert, vollständig durchgeführt oder überhaupt nicht Im Mehrbenutzerbetrieb entsteht durch nebenläufige TA ein Konkurrenzverhalten (concurrency) um gemeinsame Daten, d. h., TA geraten in Konflikt. Isolationseigenschaft: TA-Konflikte sind zu verhindern oder aufzulösen 16

17 Kontrolle der Datenintegrität DBMS garantiert physische Datenintegrität: Bei jedem Fehler (z. B. Ausfall des Rechners, Absturz des Betriebssystems oder des DBMS, Fehlerhaftigkeit einzelner Transaktionsprogramme) wird eine korrekte Datenbank rekonstruiert. Nach einem (Teil-)Absturz ist immer der jüngste transaktionskonsistente k Zustand der DB zu rekonstruieren, in dem alle Änderungen von Transaktionen enthalten sind, die vor dem Zeitpunkt des Fehlers erfolgreich beendet waren (T 1 bis T 4 ) und sonst keine. Automatische Wieder- Systemabsturherstellung nach A A B B Neustart des Systems. T 1 T 6 T 2 T 4 T 7 C C T 3 T 5 A B C A B C 17

18 Kontrolle der Datenintegrität Erhaltung der physischen Datenintegrität Periodisches Erstellen von Datenkopien Führen von Änderungsprotokollen für den Fehlerfall (Logging) Bereitstellen von Wiederherstellungsalgorithmen im Fehlerfall (Recovery) Garantie nach erfolgreichem Neustart: jüngster transaktionskonsistenter DB-Zustand Maßnahmen beim Wiederanlauf Ermittlung der beim Absturz aktiven Transaktionen (T 5, T 6 6, T 7 7) UNDO: Rücksetzen der Änderungen der aktiven Transaktionen in der Datenbank (B B) REDO: Wiederholen der Änderungen von abgeschlossenen Transaktionen, die vor dem Absturz nicht in die Datenbank zurückgeschrieben waren (A A ) 18

19 Kontrolle der Datenintegrität Notwendigkeit des kontrollierten Mehrbenutzerbetriebs: Logischer Einbenutzerbetrieb für jeden von n parallelen Benutzern (Leser + Schreiber) Beim logischen Einbenutzerbetrieb hat jede der parallel aktiven Transaktionen den Eindruck, als liefe sie alleine ab, d. h., logisch bilden alle Transaktionen eine serielle Ablauffolge Synchronisationskomponente des DBMS umfasst alle Maßnahmen zur Sicherstellung der Ablaufintegrität (Isolation der parallelen Transaktionen) - geeignete Synchronisationsmaßnahmen zur gegenseitigen Isolation - angepasste Synchronisationseinheiten (z. B. Sperrgranulate) mit abgestuften Zugriffsmöglichkeiten Ziel: möglichst geringe gegenseitige Behinderung Formale Definition: Eine parallele Ablauffolge von Transaktionen ist genau dann korrekt synchronisiert, wenn es eine zu dieser Ablauffolge äquivalente (bezüglich ihrer Lese- und Schreibabhängigkeiten (r, w)) serielle Ablauffolge gibt, so dass jede Transaktion T i in der seriellen Reihenfolge dieselben Werte liest und schreibt wie im parallelen Ablauf. Dabei ist jede Permutation ti der T i -Folge gleichermaßen zulässig. 19

20 Kontrolle der Datenintegrität Notwendigkeit des kontrollierten Mehrbenutzerbetriebs: Charakteristische Szenarien: r 1 (O 1 ) w 1 (O 2 ) r 3 (O 2 ) r 1 (O 1 ) w 1 (O 2 ) r 3 (O 2 ) T 1 T 3 T 1 T 3 r 2 () r 2 (O 2 ) r 2 (O 1 ) T 2 T 2 Warten auf Freigabe von O 2 paralleles Lesen des (unveränderten) O 1 T 1 T 2 T 3 T 2 T 1 T 3 Äquivalente serielle Ablauffolge Äquivalente serielle Ablauffolge 20

21 Leistung und Skalierbarkeit DBS-Implementierung gewährleistet Effizienz der Operatoren (möglichst geringer Ressourcenverbrauch) Verfügbarkeit der Daten (Redundanz, Verteilung usw.) Ausgleich von Leistungsanforderungen, die im Konflikt stehen globale Optimierung durch den DBA (Rolle des internen Schemas) ggf. Nachteile für einzelne Anwendungen Effizienz des Datenzugriffs Zugriffsoptimierung durch das DBS, nicht durch den Anwender Anlegen von Zugriffspfaden durch den DBA, Auswahl idealerweise durch das DBS 21

22 Leistung und Skalierbarkeit Leistungsbestimmung Maßzahlen für Leistung - Durchsatz: Anzahl abgeschlossener TA pro Zeiteinheit (meist Sekunde) - Antwortzeit: Zeitbedarf für die Abwicklung einer TA Rolle von Benchmarks: TPC-C, TPC-H, TPC-E, TPC-App,... Skalierbarkeit Software- und Hardware-Architektur sollen hinsichtlich des DBS- Leistungsverhaltens automatisch durch Hinzufügen von Ressourcen (CPU s s, Speicher) skalieren - Scaleup: bei Wachstum der Anforderungen (DB-Größe, Transaktionslast) - Speedup: zur Verringerung der Antwortzeit t Quelle: 22

23 Hoher Grad an Datenunabhängigkeit Konventionelle Anwendungsprogramme (AP) mit Dateizugriff Nutzung von Kenntnissen der Datenorganisation und Zugriffstechnik gutes Leistungsverhalten, aber...? datenabhängige Anwendungen Ziel: Datenunabhängige Anwendungen: Rolle des Datenmodells: Vergleiche relationales l und hierarchisches h Datenmodell Verschiedene Anwendungen brauchen verschiedene Sichten auf dieselben Daten Änderungen im Informationsbedarf sowie bei Leistungsanforderungen erzwingen Anpassungen bei Speicherungsstrukturen und Zugriffsstrategien deshalb: möglichst starke Isolation der APs von den Daten sonst: extremer Wartungsaufwand für die APs 23

24 Hoher Grad an Datenunabhängigkeit Realisierung verschiedener Arten von Datenunabhängigkeit: Minimalziel: physische Daten-Unabhängigkeit (durch das BS/DBS) - Geräteunabhängigkeit - Speicherungsstruktur-Unabhängigkeit logische Daten-Unabhängigkeit (vor allem durch das Datenmodell!) - Zugriffspfad-Unabhängigkeit f i it - Datenstruktur-Unabhängigkeit 24

25 Übersicht Anforderungen an DBS Schichtenmodelle für DBS Drei-Schema-Architektur Dynamischer Ablauf von DB-Operationen 25

26 Ziel: Architektur eines daten-unabhängigen DBS Systementwurf Beschreibungs- und Kommunikationstechniken notwendigerweise informal (es gibt keine Architekturlehre für den Aufbau großer SW-Systeme) angemessene Abstraktion erforderlich Evolution des Systems: Kontrolle der Abhängigkeiten! Die durch Abstraktion entstandenen Konstrukte der Informatik als Bedingungen möglicher Information sind zugleich die Bedingungen der möglichen Gegenstände der Information in den Anwendungen (H. Wedekind in Anlehnung an eine Aussage Kants aus der Kritik der reinen Vernunft ) Vereinfacht ausgedrückt: Informatiker erfinden (konstruieren) abstrakte Konzepte; diese ermöglichen (oder begrenzen) wiederum die spezifischen Anwendungen. 26

27 Schichtenmodelle für DBS Ebenen beim Entwurf eines DBS Miniwelt Daten/Verfahren Integritäts- Datenschutz- bedingungen bedingungen Logische Aspekte Leistungsaspekte 5. Ebene der logischen Datenstrukturen 4. Ebene der logischen Zugriffspfade 3. Ebene der Speicherungsstrukturen (physische Zugriffspfade) 2. Ebene der Seitenzuordnung 1. Ebene der Speicherzuordnung 0. Geräteebene Quelle: [HR01], Kapitel 1 27

28 Architektur eines daten-unabhängigen DBS Aufbau in Schichten günstige Zerlegung des DBS in nicht beliebig viele Schichten optimale Bedienung der Aufgaben der darüber liegenden Schicht Implementierungsunabhängige Beschreibung der Schnittstellen Empfohlene Konzepte: Geheimnisprinzip (Information Hiding) hierarchische Strukturierung generische Auslegung der Schnittstellen: nur bestimmte Objekttypen mit charakteristischen Operationen sind vorgegeben, jedoch nicht ihre anwendungsbezogene Spezifikation und Semantik 28

29 Aufbauprinzip Benutzt -Relation: Ab benutzt tb, wenn AB aufruft ftund ddie korrekte kt Ausführung von Bfür die vollständige Ausführung von A notwendig ist Anzahl der Schichten: Entwurfskomplexität pro Schicht fällt mit wachsendem n Laufzeitaufwand des DBS steigt mit wachsendem n Schicht i + 1 benutzt Operatoren: O i+1,1, Datenobjekte: t i+1,1, realisiert Schicht i Q i+1,p (t i+1, q ) + Implementierungssprache Operatoren: O i,1, Datenobjekte: t i,1, O i,r (t i, 1,,t i,k ),, O i,s (t i,1,,t i,n ) 29

30 Eigenschaften Vorteile als Konsequenzen der Nutzung hierarchischer Strukturen und der benutzt -Relation höhere Ebenen (Systemkomponenten) werden einfacher, weil sie tiefere Ebenen (Systemkomponenten) benutzen können Änderungen auf höheren Ebenen sind ohne Einfluss auf tieferen Ebenen höhere Ebenen können abgetrennt werden, tiefere Ebenen bleiben trotzdem funktionsfähig tiefere Ebenen können getestet werden, bevor die höheren Ebenen lauffähig sind Jede Hierarchieebene kann als abstrakte oder virtuelle Maschine aufgefasst werden Programme der Schicht i benutzen als abstrakte Maschine die Programme der Schicht i-1, die als Basismaschine dient abstrakte Maschine der Schicht i dient wiederum als Basismaschine für die Implementierung der abstrakten Maschine der Schicht i+1 Eine abstrakte Maschine entsteht aus der Basismaschine durch Abstraktion einige Eigenschaften der Basismaschine werden verborgen zusätzliche Fähigkeiten werden durch Implementierung höherer Operationen für die abstrakte Maschine bereitgestellt Programme einer bestimmten Schicht können die der nächst tieferen Schicht genau so benutzen, als sei die untere Schicht Hardware 30

31 Vereinfachtes Schichtenmodell Aufgaben der Systemschicht Art der Operationen an der Schnittstelle Übersetzung und Optimierung von Anfragen Verwaltung von physischen Sätzen und Zugriffspfaden DB-Puffer- und Externspeicher-Verwaltung Datensystem Zugriffssystem Speichersystem Deskriptive Anfragen Zugriff auf Satzmengen Satzzugriffe Seitenzugriffe 31

32 Verarbeitung Dynamischer Kontrollfluss einer Operation an das DBS DBS-Operationen (API) Datensystem Zugriffssystem... Füge Satz ein Modifiziere Zugriffspfad Speichersystem Stelle Seite bereit Gib Seite frei Lies/Schreibe Seite 32

33 5-Schichten-Modell Transaktionsprogramme Mengenorientierte DB-Schnittstelle SQL, QBE... Satzorientierte DB-Schnittstelle FIND NEXT/STORE... Interne Satz-Schnittstelle Speichere Satz (in B*-Baum),... DB-Puffer-Schnittstelle Stelle Seite bereit / gib Seite frei Dateischnittstelle Lies/Schreibe Block Geräteschnittstelle Kanalprogramme Logische Datenstrukturen Logische Zugriffspfade Speicherungsstrukturen Seitenzuordnungsstrukturen Speicherzuordnungsstrukturen Externspeichermedien 33

34 5-Schichten-Modell Transaktionsprogramme Adressierungseinheiten: Blöcke, Dateien Hilfsstrukturen: Dateikataloge, Freispeicher-Info,... Adressierungseinheiten: Spuren, Kanäle, Zylinder Logische Datenstrukturen Logische Zugriffspfade Speicherungsstrukturen Dateischnittstelle Lies/Schreibe Block Geräteschnittstelle Kanalprogramme Seitenzuordnungsstrukturen Speicherzuordnungsstrukturen Externspeichermedien 34

35 5-Schichten-Modell Transaktionsprogramme Adressierungseinheiten: Seiten; Segmente Hilfsstrukturen: Seitentabellen, Blocktabellen,... Adressierungseinheiten: Blöcke, Dateien DB-Puffer-Schnittstelle Stelle Seite bereit / gib Seite frei Logische Datenstrukturen Logische Zugriffspfade Speicherungsstrukturen Seitenzuordnungsstrukturen Speicherzuordnungsstrukturen Externspeichermedien 35

36 5-Schichten-Modell Transaktionsprogramme Logische Datenstrukturen Interne Satz-Schnittstelle Speichere Satz (in B*-Baum),... Adressierungseinheiten: Interne Sätze, B*-Bäume, Hash-Tabellen,... Hilfsstrukturen: Seitenindices, Adresstabellen,... Adressierungseinheiten: Seiten; Segmente Logische Zugriffspfade Speicherungsstrukturen Seitenzuordnungsstrukturen Speicherzuordnungsstrukturen Externspeichermedien 36

37 5-Schichten-Modell Transaktionsprogramme Satzorientierte DB-Schnittstelle FIND NEXT/STORE... Logische Datenstrukturen Logische Zugriffspfade Adressierungseinheiten: Externe Sätze, Sets, Schlüssel, Zugriffspfade,... Hilfsstrukturen: Zugriffspfaddaten Adressierungseinheiten: Interne Sätze, B*-Bäume, Hash-Tabellen,... Speicherungsstrukturen Seitenzuordnungsstrukturen Speicherzuordnungsstrukturen Externspeichermedien 37

38 5-Schichten-Modell Transaktionsprogramme Mengenorientierte DB-Schnittstelle SQL, QBE... Logische Datenstrukturen Logische Zugriffspfade Adressierungseinheiten: Relationen, Sichten, Tupel Hilfsstrukturen: externe Schemabeschreibung Adressierungseinheiten: i i Externe Sätze, Sets, Schlüssel, Zugriffspfade,... Speicherungsstrukturen Seitenzuordnungsstrukturen Speicherzuordnungsstrukturen Externspeichermedien 38

39 5-Schichten-Modell Relationen, Sichten... ab 2 xyz a bb 3 xyz b rec. 1 rec. 2 rec. 3 Externe Sätze 1 aa 2 ab 3 bb 2 xyz a 3 xyz b Transaktionsprogramme Logische Datenstrukturen Interne Sätze record record record aa ab bb A Logische Zugriffspfade DB-Puffer record1 record3 Speicherungsstrukturen C record2 B Seitenzuordnungsstrukturen Segment A B C Speicherzuordnungsstrukturen Externspeichermedien Datei 3 A A' B C C' Externer Speicher

40 Datenunabhängigkeit im 5-Schichtenmodell Ebene Logische Datenstrukturen Logische Zugriffspfade Speicherungsstrukturen Seitenzuordnungstrukturen Was wird verborgen? Positionsanzeiger und explizite Beziehungskonstrukte im Schema Zahl und Art der physischen Zugriffspfade; interne Satzdarstellung Pufferverwaltung; Recovery-Vorkehrungen Dateiabbildung, Recovery-Unterstützung durch das BS Speicherzuordnungsstrukturen Technische Eigenschaften und Betriebsdetails der externen Speichermedien 40

41 Weitere Komponenten in der DBS- Architektur Entwurfsziel: DBS sollen von ihrem Aufbau und ihrer Einsatzorientierung her in hohem Maße generische Systeme sein. Sie sind so zu entwerfen, dass sie flexibel durch Parameterwahl und ggf. durch Einbindung spezieller Komponenten für eine vorgegebene Anwendungsumgebung konfigurierbar sind. Überblick: Datensystem Transaktionsverwaltung Metadatenverwaltung Zugriffssystem Speichersystem 41

42 Weitere Komponenten in der DBS- Architektur Metadaten Metadaten enthalten Informationen über die zu verwaltenden Daten sie beschreiben also diese Daten (Benutzerdaten) näher hinsichtlich Inhalt, Bedeutung, Nutzung, Integritätsbedingungen, Zugriffskontrolle usw. die Metadaten lassen sich unabhängig vom DBVS beschreiben (siehe internes, konzeptionelles und externes Schema) dadurch erfolgt das Zuschneidern eines DBS auf eine konkrete Einsatzumgebung; die Spezifikation, Verwaltung und Nutzung von Metadaten bildet die Grundlage dafür, dass DBS hochgradig generische Systeme sind Metadaten fallen in allen DBS-Schichten Schichten an Metadatenverwaltung, DB-Katalog, Data-Dictionary-System, DD-System,... Transaktionsverwaltung Realisierung der ACID-Eigenschaften Synchronisation Logging/Recovery Integritätssicherung 42

43 Übersicht Anforderungen an DBS Schichtenmodelle für DBS Drei-Schema-Architektur Dynamischer Ablauf von DB-Operationen 43

44 Drei-Schema-Architektur nach ANSI-SPARC SPARC Externe Ebene Ext. Schema 1... Ext. Schema n Daten- Definition Konzeptionelle Ebene Konz. Schema Interne Ebene Int. Schema Daten- Manipulation Daten- Administration ANSI: American National Standards Institute, SPARC-Komitee: Study Group on Database Management Systems, Quelle: [TK78] 44

45 Drei-Schema-Architektur nach ANSI-SPARCSPARC Abstraktionsebenen Externe Ebene individuelle Sichten Konzeptionelle Ebene gemeinschaftliche Sicht Interne Ebene Repräsentations- sicht 45

46 Drei-Schema-Architektur nach ANSI-SPARCSPARC Konzeptionelles Schema (zeitvariante) globale Struktur; neutrale und redundanzfreie Beschreibung in der Sprache eines spezifischen Datenmodells Externes Schema Definition von zugeschnittenen Sichten auf Teile des konzeptionellen Schemas für spezielle Anwendungen (Benutzer) Sichtenbildung - Anpassung der Datentypen an die der Wirtssprache (DBS ist multi-lingual ) - Zugriffsschutz - Reduktion der Komplexität Internes Schema legt physische h Struktur der DB fest (Satzformate, t Zugriffspfade f etc.) 46

47 Drei-Schema-Architektur nach ANSI-SPARCSPARC Extern (PL/1) Extern (COBOL) DCL 1 PERS, 2 PNR CHAR(6), 3 GEH FIXED BIN(31) 4 NAME CHAR(20) 01 PERSC. 02 PERSNR PIC X(6). 02 ABTNR PIC X(4). Konzeptionelles Schema ANGESTELLTER ANG_NUMMER CHARACTER (6) NAME CHARACTER (20) ABT_NUMMER CHARACTER (4) GEHALT NUMERIC (5) Internes Schema SPEICHERUNG_PERS LENGTH=40 PREFIX TYPE=BYTE(6), OFFSET=0 PNR TYPE=BYTE(6), OFFSET=6, INDEX=PNR NAME TYPE=BYTE(20), OFFSET=12 ANR TYPE=BYTE(4), OFFSET=32 GEHALT TYPE=FULLWORD FULLWORD, OFFSET=36 47

48 Übersicht Anforderungen an DBS Schichtenmodelle für DBS Drei-Schema-Architektur Dynamischer Ablauf von DB-Operationen 48

49 Bearbeitung einer DB-Anfrage dynamischer Ablauf Anwendungsprogramm 1 logische Daten- strukturen Arbeitsbereich zur Bearbeitung der diesem Programm zugänglichen UWA 1 Datenobjekte Speicherzu- ordnungsstrukturen Seitenzuordnung logische Zugriffspfade Speicherungsstrukturen Anwendungsprogramm n Abbildung der Segmente auf Dateien, die aus Blöcken fester Länge bestehen Pufferverwaltung Datenbankpuffer: jeder Pufferrahmen kann eine Seite aufnehmen Arbeitsbereich zur Bearbeitung der diesem Programm zugänglichen UWA n Daten- objekte 49

50 Bearbeitung einer DB-Anfrage Externspeicher Hauptspeicher Betriebssystem t DBMS internes Schema konzept. Schema externes Schema A1 externes Schema An Datenbank Pufferverwaltung Anwendungsprogramm 1 Anwendungsprogramm 2 DB-Puffer Statusinformation Statusinformation Arbeitsbereich Arbeitsbereich Interne Bearbeitungsschritte: 1. SELECT * FROM PERS WHERE PNR = Vervollständigen der Verarbeitungsinformation aus konzeptionellem und internem Schema, Ermittlung der Seitennummern relevanter Seiten 50

51 Bearbeitung einer DB-Anfrage Externspeicher Hauptspeicher Betriebssystem t Datenbank DBMS Pufferverwaltung DB-Puffer internes Schema Anwendungsprogramm 1 konzept. Schema externes Schema A1 Statusinformation Statusinformation externes Schema An Anwendungsprogramm 2 Arbeitsbereich Arbeitsbereich Interne Bearbeitungsschritte: 3. Zugriff auf Seite im DB-Puffer (über Pufferverwaltung) oder 4. Zugriff auf Datenbank über Pufferverwaltung und Betriebssystem 51

52 Bearbeitung einer DB-Anfrage Externspeicher Hauptspeicher Betriebssystem t DBMS internes Schema konzept. Schema externes Schema A1 externes Schema An Datenbank Pufferverwaltung Anwendungsprogramm 1 Anwendungsprogramm 2 DB-Puffer Statusinformation Statusinformation Arbeitsbereich Arbeitsbereich Interne Bearbeitungsschritte: 5. Durchführung des I/O-Auftrages 6. Ablegen der Seite im DB-Puffer 52

53 Bearbeitung einer DB-Anfrage Externspeicher Hauptspeicher Betriebssystem t Datenbank DBMS Pufferverwaltung internes Schema Anwendungsprogramm 1 konzept. Schema externes Schema A1 externes Schema An Anwendungsprogramm 2 DB-Puffer Statusinformation Statusinformation Arbeitsbereich Arbeitsbereich Interne Bearbeitungsschritte: 7. Übertragen in den Arbeitsbereich 8. Statusinformation zurückgeben: Return-Code, Cursor-Info 9. Manipulation mit Anweisungen der Programmiersprache 53

54 Zusammenfassung DBS-Charakteristika Zentralisierte Verwaltung der operationalen Daten (Rolle des DBA) Adäquate Schnittstellen (Datenmodell und DB-Sprache) Datenkontrolle, insbes. zentrale Kontrolle der Datenintegrität und kontrollierter Mehrbenutzerbetrieb Leistung und Skalierbarkeit Hoher Grad an Daten-Unabhängigkeit Beschreibungsmodelle für ein DBS Schichtenmodell Drei-Schema-Architektur Programmierschnittstellen (siehe Schichtenmodell) mengenorientierte DB-Schnittstelle (relationale DBS) satzorientierte DB-Schnittstelle (hierarchische und netzwerkartige DBS) interne Satzschnittstelle (zugriffsmethodenorientierte Programmierschnittstelle) 54

55 Ergänzende Literatur zu diesem Kapitel [HR01] Härder, T., Rahm, E.: Datenbanksysteme - Konzepte und Techniken der Implementierung, Springer-Verlag, 2001 [Hä05] Härder, T.: DBMS Architecture - The Layer Model and its Evolution. In: Datenbank-Spektrum, Heft 13, Mai 2005, dpunkt- Verlag. [TK78] Tsichritzis, D. C., Klug, A.: The ANSI/X3/Sparc DBMS Framework Report of the Study Group on Database Management Systems. In: Information Systems 3:3,