Datenbanken Konzepte und Sprachen

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1 Datenbanken Konzepte und Sprachen von Gunter Saake, Kai-Uwe Sattler, Andreas Heuer 3., aktualisierte u. erweiterte Auflage Datenbanken Konzepte und Sprachen Saake / Sattler / Heuer schnell und portofrei erhältlich bei beck-shop.de DIE FACHBUCHHANDLUNG Thematische Gliederung: Zeichen- und Zahlendarstellungen mitp/bhv 2007 Verlag C.H. Beck im Internet: ISBN

2 Inhaltsverzeichnis Vorwort zur dritten Auflage Inhaltsverzeichnis v vii 1 Grundlegende Konzepte Motivation und Historie Komponenten und Funktionen Prinzipien und Aufgaben Aufbau und Funktionen eines Datenbanksystems Einsatzgebiete, Grenzen und Entwicklungstendenzen Wann kommt was? Beispielanwendung Vertiefende Literatur Übungsaufgaben I Kernkonzepte relationaler Datenbanken 27 2 Architekturen von Datenbanksystemen Schemaarchitektur und Datenunabhängigkeit Systemarchitekturen ANSI-SPARC-Architektur Fünf-Schichten-Architektur Konkrete Systemarchitekturen Anwendungsarchitekturen Zusammenfassung Vertiefende Literatur Übungsaufgaben vii

3 3 Das Entity-Relationship-Modell Datenbankmodelle Semantikfestlegung für Datenbankmodelle Grundlagen des Entity-Relationship-Modells Grundkonzepte des klassischen ER-Modells Ein einfaches Beispiel für ein ER-Schema Semantik eines ER-Schemas Eigenschaften von Beziehungen Stelligkeit Kardinalitäten und funktionale Beziehungen Weitere Konzepte im Entity-Relationship-Modell Abhängige Entity-Typen Die IST-Beziehung Optionalität von Attributen Zusammenfassung Vertiefende Literatur Übungsaufgaben Relationenmodell und Anfragemodelle Relationenmodell: Strukturteil Schemata und Instanzen Integritätsbedingungen Relationale Anfragemodelle: Operationenteil Kriterien für Anfragesprachen Relationenalgebra Anfragekalkül Tupelkalkül Änderungsoperationen Allgemeine Grundprinzipien Relationale Änderungsoperationen Zusammenfassung Vertiefende Literatur Übungsaufgaben Phasen des Datenbankentwurfs Entwurfsaufgabe Phasenmodell Anforderungsanalyse Konzeptioneller Entwurf Verteilungsentwurf Logischer Entwurf Datendefinition Physischer Entwurf viii Inhaltsverzeichnis

4 5.2.7 Implementierung und Wartung Objektorientierte Entwurfsmethoden Phasenbegleitende Methoden Konzeptioneller Entwurf Konzeptionelles Schema Objektschicht Datenschicht Entwicklungsschicht Aktionsschicht Modellierung von Anwendungsprozessen Aspekte der Datenintegration Heterogenität der Datenmodelle Heterogene Datenbankschemata Heterogenität auf der Datenebene Schemakonflikte bei der Integration Entity-Relationship-Abbildung auf das Relationenmodell Informationskapazität Beispiel für eine Abbildung auf das Relationenmodell Abbildungsregeln für das relationale Modell Zusammenfassung Vertiefende Literatur Übungsaufgaben Relationaler Datenbankentwurf Funktionale Abhängigkeiten Schemaeigenschaften Änderungsanomalien Normalformen Minimalität Transformationseigenschaften Abhängigkeitstreue Verbundtreue Entwurfsverfahren Ziele Dekompositionsverfahren Syntheseverfahren Verfeinerung des Entity-Relationship-Datenbankentwurfs Mehrwertige Abhängigkeiten Grundlagen Schemaeigenschaften Transformationseigenschaften Weitere Abhängigkeiten und Verfahren Weitere relationale Entwurfsverfahren ix

5 6.8 Zusammenfassung Vertiefende Literatur Übungsaufgaben Die relationale Datenbanksprache SQL SQL als Datendefinitionssprache Erzeugen von Tabellen Tabellen mit Integritätsbedingungen Löschen und Ändern von Tabellendefinitionen Erzeugen und Löschen von Indexen SQL als relationale Anfragesprache Überblick Die from-klausel Die select-klausel Die where-klausel Mengenoperationen Schachtelung von Anfragen Mächtigkeit des SQL-Kerns Änderungsoperationen in SQL Übersicht über Änderungen in SQL Die update-anweisung Die delete-anweisung Die insert-anweisung Probleme bei SQL-Änderungen Zusammenfassung Vertiefende Literatur Übungsaufgaben II Erweiterte Konzepte für relationale Datenbanken Erweiterte Entwurfsmodelle Erweiterungen des ER-Modells Erweiterungen bei Attributen Spezialisierung und Generalisierung Komplexe Objekte Beziehungen höheren Typs Das EER-Modell ein erweitertes ER-Modell Übernommene Grundkonzepte aus dem klassischen ER- Modell Erweiterung bei Wertebereichen Mengenwertige und strukturierte Attribute Der Typkonstruktor: Spezialisierung, Generalisierung, Partitionierung x Inhaltsverzeichnis

6 8.2.5 Aggregierung und Sammlung mittels objektwertiger Attribute Erweitertes Schlüsselkonzept Abgeleitete Konzepte Vergleich zu anderen erweiterten ER-Modellen UML für den Datenbankentwurf Das Objektmodell von UML Darstellung von Klassen in UML Beziehungen in UML Aggregation in UML Spezialisierung in UML Zusammenfassung Vertiefende Literatur Übungsaufgaben Grundlagen von Modellen und Anfragen Erweiterungen der Relationenalgebra Erweiterte Modelle und Anfragealgebren Geschachtelte Relationen: Das NF 2 -Modell PNF-Relationen Verallgemeinerte geschachtelte Relationen Erweitere Anfragealgebren Anfragekalküle Bereichskalkül Sichere Anfragen Beispiele für Anfragen im Bereichskalkül Eigenschaften des Bereichskalküls Kalküle für andere Datenmodelle Zusammenfassung Vertiefende Literatur Übungsaufgaben Erweiterte Konzepte von SQL Weitere Operationen und Prädikate Skalare Ausdrücke Prädikate Quantoren und Mengenvergleiche Behandlung von Nullwerten Aggregation und Gruppierung Aggregatfunktionen Gruppierung Sortierung Äußere Verbunde xi

7 10.5 Künstliche Schlüssel und Sequenzgeneratoren Benannte Anfragen und Rekursion Benannte Anfragen Rekursive Anfragen SQL-Versionen SEQUEL SQL SQL SQL:1999 und SQL: Zusammenfassung Vertiefende Literatur Übungsaufgaben Weitere relationale Datenbanksprachen QUEL Anfragen in QUEL Änderungsoperationen in QUEL Query by Example Anfragen in QBE Funktionen, Sortierung und Aggregierung in QBE Formale Semantik von QBE Ausdrucksfähigkeit von QBE Änderungen in QBE Anfragen in MS Access Andere graphische Anfragesprachen Datalog Grundbegriffe Semantik rekursiver Regeln Semantik und Auswertung von Datalog Tutorial D Datentypen Anfrageoperatoren Änderungsoperationen Constraints Zusammenfassung Vertiefende Literatur Übungsaufgaben Transaktionen, Integrität & Trigger Grundlagen von Transaktionen ACID-Prinzip Probleme im Mehrbenutzerbetrieb Transaktionssteuerung in SQL xii Inhaltsverzeichnis

8 Transaktionen und Integritätssicherung Architekturen zur Integritätssicherung Integritätssicherung durch Anwendung Integritätsmonitor als Komponente des DBMS Integritätssicherung durch Einkapselung Integritätsbedingungen in SQL Inhärente Integritätsbedingungen im Relationenmodell Weitere Bedingungen in der SQL-DDL Die assertion-klausel Verwaltung und Überprüfung von Bedingungen Klassifikation von Integritätsbedingungen Trigger und aktive Datenbanken Grundprinzipien von Triggern Aktive Datenbanken und ECA-Regeln Methoden der Integritätssicherung Integritätssicherung durch Trigger Integritätssicherung durch Anfragemodifikation Zusammenfassung Vertiefende Literatur Übungsaufgaben Datenbankanwendungsentwicklung Grundprizipien Programmiersprachenanbindung: Call-Level-Schnittstellen SQL/CLI: Der Standard ODBC JDBC Weitere Call-Level-Schnittstellen Eingebettetes SQL Statische Einbettung: Embedded SQL Dynamische Einbettung: Dynamic SQL SQLJ: Embedded SQL für Java High-Level-Schnittstellen Grundlagen der Abbildung Hibernate Weitere Technologien Prozedurale SQL-Erweiterungen und Datenbanksprachen Vorteile von gespeicherten Prozeduren SQL/PSM: Der Standard PL/SQL von Oracle Gespeicherte Prozeduren in Java Zusammenfassung Vertiefende Literatur xiii

9 13.8 Übungsaufgaben Sichten Motivation und Begriffsbildung Sichten und externe Schemata Definition von Sichten Definition von Sichten in SQL Vorteile von Sichten Probleme mit Sichten Kriterien für Änderungen auf Sichten Projektionssichten Selektionssichten Verbundsichten Aggregierungssichten Klassifikation der Problembereiche Behandlung von Sichten in SQL Auswertung von Anfragen an Sichten in SQL Sichtänderungen in SQL Sichtänderungen in SQL: Theorie änderbarer Sichten Instead-of-Trigger für Sichtänderungen Zusammenfassung Vertiefende Literatur Übungsaufgaben Zugriffskontrolle & Privacy Sicherheitsmodelle Diskrete Sicherheitsmodelle Verbindliche Sicherheitsmodelle Rechtevergabe in SQL Benutzer und Schemata Rechtevergabe in SQL Zurücknahme von Rechten Rollenmodell in SQL: Auditing Authentifikation und Autorisierung Privacy-Aspekte in Datenbanken Statistische Datenbanken k-anonymität Zusammenfassung Vertiefende Literatur Übungsaufgaben xiv Inhaltsverzeichnis

10 III Weitere Datenbankmodelle Historische Modelle Das Netzwerkmodell Netzwerkschema Simulation einer allgemeinen Beziehung Das hierarchische Modell ER-Abbildung auf das Netzwerkmodell ER-Abbildung auf das hierarchische Modell Anwendungsprogrammierung in den historischen Modellen Datenmanipulation im Netzwerkmodell Datenmanipulation im hierarchischen Modell Zusammenfassung Vertiefende Literatur Übungsaufgaben Objektrelationale Modelle & SQL: Exkurs: Objektorientierte Datenbankmodelle Objektorientierte Datenbanken Der ODMG-Standard OQL Abbildung von Objekten auf Relationen Typkonstruktoren Abbildung der Spezialisierungshierarchie Objektrelationale Erweiterungen Large Objects: BLOB und CLOB Typkonstruktoren Identitäten, Referenzen und Pfadausdrücke Hierarchien und Vererbung Methoden Objektrelationale Konzepte in SQL: Typsystem und DDL Anfragen Methoden in SQL: Objektrelationale Konzepte in kommerziellen DBMS Zusammenfassung Vertiefende Literatur Übungsaufgaben XML Semistrukturierte Datenmodelle Merkmale semistrukturierter Datenmodelle Datenmodelle für semistrukturierte Dokumente XML xv

11 18.2 Datendefinition in XML Dokumenttypdefinition XML Schema XML-Abbildung auf relationale Schemata Navigation in XML-Dokumenten: XPath Pfadausdrücke und Lokalisierungsschritte Selektionsprädikate und Funktionen Die Anfragesprache XQuery FLWOR-Ausdrücke Elementkonstruktoren Verbunde und Gruppierungen Ausdrücke und Vergleiche Funktionen SQL/XML: XML-Erweiterungen für SQL XML-Datentypen XML-Konstruktion mit SQL Zusammenfassung Vertiefende Literatur Übungsaufgaben Data Warehousing und OLAP Grundkonzepte Motivation und Anwendungen Architektur Multidimensionales Datenmodell Multidimensionale Daten: Der Datenwürfel Hierarchische Dimensionen Formalisierung von Dimensionen und Datenwürfel Summierbarkeit MOLAP und ROLAP MOLAP-Operationen OLAP-Anfragesprachen: MDX Snowflake- und Star-Schema OLAP-Operationen und SQL Relationale Umsetzung multidimensionaler Anfragen: Star Join cube und rollup OLAP-Funktionen in SQL: Materialisierte Sichten Anfragebeantwortung mit materialisierter Sichten Auswahl materialisierter Sichten Aktualisierung materialisierter Sichten Materialisierte Sichten in DBMS xvi Inhaltsverzeichnis

12 19.6 Zusammenfassung Vertiefende Literatur Übungsaufgaben Multimediale und raumbezogene Daten Multimedia-Datenbanken Grundbegriffe Grundlagen des Multimedia Retrieval Text Retrieval Information Retrieval auf Texten Grundtechniken des Text Retrieval Deskribierung Recherche Information Retrieval-Systeme SQL/MM SQL/MM Full Text SQL/MM Still Image Der Datentyp Video in objektrelationalen Datenbanksystemen SQL/MM Spatial Verwaltung raumbezogener Daten Grundbegriffe Modellierung raumbezogener Daten Prädikate und Anfragen auf raumbezogenen Daten Oracle Spatial Weitere Systeme Zusammenfassung Vertiefende Literatur Übungsaufgaben A Laufendes Beispiel 725 A.1 ER-Schema der Weindatenbank A.2 Relationale Repräsentation A.3 Vereinfachtes Schema und Beispieldaten Literaturverzeichnis 729 Abbildungsverzeichnis 751 Tabellenverzeichnis 758 Sachindex 761 Schlüsselwortindex 777 xvii