Datenorientierter Ansatz. Datenbankentwurfsschritte. Welche Daten müssen im System verwaltet werden? Wie werden die Daten im System verändert?

Transkript

1 .RQ]HSWLRQHOOHU'DWHQEDQNHQWZXUI Datenorientierter Ansatz Welche Daten müssen im System verwaltet werden? Wie werden die Daten im System verändert? Datenbankentwurfsschritte Datenverarbeitungsanforderungen Hardware/BS- Eigenschaften Anforderungsanalyse Konzeptioneller Entwurf Logischer Entwurf Physischer Entwurf Informationsanforderungen DBMS- Eigenschaften Seite 18

2 $QIRUGHUXQJVDQDO\VH.RQ]HSWLRQHOOHU'DWHQEDQNHQWZXUI Diese Problemstellung wird primär im Bereich der Softwaretechnik betrachtet. siehe auch die Veranstaltungen von Prof. Hesse Die Analyse basiert auf dem Wissen über,qirupdwlrqvvwuxnwxudqirughuxqjhq, z. B. Was sind meine Objekte und deren Attribute? Wie sehen die Beziehungen zwischen den Objekten aus? Wie viele Objekte werden in meiner Datenbank auftreten? und die 'DWHQYHUDUEHLWXQJVDQIRUGHUXQJHQ, z. B. Was sind meine typischen Operationen? Laufzeit und Bedeutung der Operationen Zentrales Problem bei der Anforderungsanalyse: Entwickler einer Datenbank muss diese Informationen erst von den Benutzeren der Datenbank bekommen! Es gibt kein Patentrezept für eine erfolgreiche Anforderungsanalyse. In der Anforderungsanalyse werden im Gegensatz zu den anderen Phasen auch die Datenverarbeitungsanforderungen berücksichtigt. Seite 19

3 .RQ]HSWLRQHOOHU(QWZXUI.RQ]HSWLRQHOOHU'DWHQEDQNHQWZXUI Beschreibung der Datenstrukturen in einer formalen Sprache auf der Basis eines konzeptionellen Datenmodells hoher Abstraktion. Ein bekanntes konzeptionelles Datenmodell ist das Entity-Relationship Modell (ER- Modell) Ein insbesondere für OO-Sprachen wichtiges Datenmodell ist Bestandteil der UML (Unified Model Language). Daten in der Datenbank (Instanzen) werden nicht betrachtet, sondern nur deren Schema. Transformation einer Anforderungsanalyse in einen konzeptionellen Entwurf ist schwierig: Benutzer verwenden verschiedene Bezeichner für den gleichen Objekttyp Benutzer verwenden den gleichen Bezeichner für verschiedene Objekttypen Irrelevante Strukturen sollen weggelassen werden (Abstraktion der realen Objekte) Seite 20

4 /RJLVFKHU(QWZXUI Abbildung der Datenstrukturen des konzeptionellen Modells in Datenstrukturen des darunter liegenden logischen Datenmodells, d.h., in konkrete Strukturen der entsprechenden Datenbank (z. B. Relationen) Datenstrukturen des logischen Modells abstrahieren von der physischen Repräsentation. Ziel: einmalige Repräsentation Daten (Vermeidung von Redundanz) 3K\VLVFKHU(QWZXUI Physische Repräsentation der Datenstrukturen des logischen Entwurfs in Dateien. Anlegen von Hilfsstrukturen wie z. B. Indexe zur Unterstützung von Anfragen. zu viele Indexe: Updates der Datenbank werden zu teuer zu wenige Indexe: Anfragen werden nicht effizient unterstützt. Seite 21

5 (QWLW\5HODWLRQVKLS'DWHQPRGHOO kurz ER-Modell (Peter P. Chen: The Entity-Relationship Model - Toward a Unified View of Data. in Trans. on Database Systems 1(1): 9-36(1976)) Das ER-Modell hat eine große Relevanz in der Praxis (nicht nur für den konzeptionellen Entwurf von Datenbanken). Vorgehensweise beim DB-Entwurf (siehe oben) zuerst: Anforderungsanalyse und Entwurf des ER-Modells dann: Umsetzung des ER Modells in ein konkreteres Modell der Datenbank Ziel: Modellierung eines Ausschnittes der realen Welt durch $EVWUDNWLRQ, so dass gewisse Fragen über die reale Welt mit Hilfe des Modells beantwortet werden können. ³5HDOH:HOW :Zunächst nur wahrnehmbar über Sinnesorgane. Menschliche 6SUDFKH ist bereits erster Abstraktions- und Modellierungsschritt. ER-Modell beschreibt reale Welt durch (QWLWlWHQ ((QWLWLHV) mit (LJHQVFKDIWHQ ($WWULEXWHV) und %H]LHKXQJHQ (5HODWLRQVKLSV) zueinander. Seite 22

6 (QWLWlW(QWLW\ existiert in der realen, zu modellierenden Welt und unterscheidet sich von anderen Entitäten (ISBN , Datenbanken), (Sommer, C++) Ähnlich Entitäten werden zu einer (QWLWlWVPHQJH (Entity Set) zusammengefasst Menge aller Bücher, Menge aller Vorlesungen, Menge aller Professoren Eine Entitätsmenge umfasst alle zusammengehörigen Entitäten (unabhängig von der derzeitigen Ausprägung in der Datenbank). Man spricht dann auch von einem Entitätstyp. Ein Entitätstyp wird durch die zugehörigen Attribute und weiteren Nebenbedingungen beschrieben. $WWULEXW eines Entitätstyps beschreibt eine charakteristische Eigenschaft Jedes Buch besitzt eine ISBN-Nummer, einen Autor, Die Werte eines Attributes stammen aus :HUWHEHUHLFKHQ wie INTEGER, REAL, STRING z. B. ist die ISBN-Nummer eines Buches ein String aus Ziffern Eine PLQLPDOH Menge von Attributen, anhand deren Werte sich alle Entitäten eines Entitätstyps unterscheiden lassen, wird als 6FKO VVHONDQGLGDW bezeichnet. z.b. identifiziert die ISBN-Nummer das Buch Seite 23

7 %H]LHKXQJ5HODWLRQVKLS.RQ]HSWLRQHOOHU'DWHQEDQNHQWZXUI Über eine Beziehung lassen sich Zusammenhänge zwischen Entitäten herstellen. Beispiele: Student Maier hört Vorlesung DBS I es gibt ein Buchexemplar zum Buch mit ISBN-Nummer Eine homogene Menge von Beziehungen wird zu einer %H]LHKXQJVPHQJH5HODWLRQVVKLS 6HWVzusammengefasst z. B. die Beziehung Hört_Vorlesung Eine Beziehungsmenge wird auch als %H]LHKXQJVW\S bezeichnet, der durch eine geordnete Liste von Entitätstypen E i,1 d i d n, und zusätzlichen Attributen beschrieben wird. n ist der Grad der Beziehung Beziehungstypen können auch Attribute besitzen. Beispiel: Hört_Vorlesung besitzt als Eigenschaft die Nummer des Hörsaals Der Grad einer Beziehung ist i. A. 2, aber eine Beziehung mit höherem Grad ist möglich. Ein Entitätstyp darf in einem Beziehungstyp mehrfach vorkommen. Zur Unterscheidung ist es dann wichtig an die mehrfach in einer Beziehung vorkommenden Entitätstypen eine 5ROOH zu vergeben. Seite 24

8 )XQNWLRQDOLWlWYRQ%H]LHKXQJVW\SHQ %H]LHKXQJHQRQHWRRQHUHODWLRQVKLSV Falls für eine Beziehungstyp 5 ( 1 ( 2 jedes Entity aus ( zu höchstens einem Entity aus ¹ 1 ( 2 in Beziehung steht und umgekehrt. 0%H]LHKXQJHQRQHWRPDQ\UHODWLRQVKLSV Falls für eine zweistelliges Beziehungstyp 5( 1 ( jede Entität aus ( mit beliebig vielen 2 ¹ (also mehreren oder auch keinen) Entitäten aus (, aber jede Entität aus ( mit maximal einer Entität aus ( in Beziehung steht. 01%H]LHKXQJHQPDQ\WRPDQ\UHODWLRQVKLSV Falls für eine binären Beziehungstyp 5( 1 ( jede Entität aus ( mit beliebig vielen (also 2 ¹ mehreren oder auch keinen) Entitäten aus ( in Beziehung stehen kann und umgekehrt. Seite 25

9 %HLVSLHOH ABTEILUNG ZLUGJHOHLWHWYRQ ANGESTELLTER Annahme: jede Abteilung hat genau einen Leiter und kein Angestellter leitet mehr als eine Abteilung. ANGESTELLTER DUEHLWHWLQ ABTEILUNG Annahme: jeder Angestellte arbeitet in genau einer Abteilung. ANGESTELLTER DUEHLWHWLPProjekt Einige Besonderheiten: in Beziehungstypen, in denen Entitätstypen mehrfach vorkommen, werden entsprechende 5ROOHQ vergeben. Beispiel: VORGESETZTER(CHEF: ANGESTELLTER, MITARBEITER: ANGESTELLTER ) wobei CHEF und MITARBEITER Rollen für den Entitätstyp ANGESTELLTER sind. Einige Beziehungstypen sind so genannte Spezialisierungen: IS-A-Beziehungen ANGSTELLTER besitzt Attribute ANGNR, NAME und GEHALT ZUGFUEHRER und TECHNIKER sind auch ANGESTELLTER, besitzen aber noch weitere Attribute Seite 26

10 (5'LDJUDPP graphische Repräsentation von Entitätstypen, Beziehungstypen und ihrer Attribute durch einen Graphen folgende Vereinbarungen werden getroffen: Ein Rechteck repräsentiert einen Entitätstyp: Ellipsen repräsentieren Attribute: Sie sind über ungerichtete Kanten mit ihrem Entitätstyp verbunden. Schlüssel-Attribute werden unterstrichen. ein Beziehungstyp wird durch eine Raute repräsentiert: Beziehungstypen werden mit ihren Entitätstypen durch Kanten verbunden. Die Kanten werden mit der Funktionalität des in der Beziehung auftretenden Entity-Typs gekennzeichnet. a) Bei 1:1 Beziehungen besitzen beide Kanten das Symbol 1. b) Bei n:1beziehungen zwischen E1 und E2 ist die Kante zu E1 mit dem Symbol n und die Kante zu E2 mit dem Symbol 1 gekennzeichnet. c) Bei n:m Beziehungen wird n der einen und m der anderen Kante zugeordnet. Seite 27

11 $OWHUQDWLYH1RWDWLRQHQ.RQ]HSWLRQHOOHU'DWHQEDQNHQWZXUI 8QVHUH1RWDWLRQ bei einer 1:n-Beziehungen hält(professor, Vorlesung) sieht folgendermaßen aus: 1 N Professor hält Vorlesung In der Lietratur findet man auch die funktionale Schreibweise hält: Vorlesung --> Professor. Professor hält Vorlesung Stattdesssen wird auch die funktionale Beziehung dadurch charakterisiert, wie oft ein Entity in der Beziehung mit einem anderen Entity auftreten kann. Einige kommerzielle Anbieter verwenden die sogennannte Krähenfußnotation Professor hält Vorlesung Seite 28

12 min-max Notation.RQ]HSWLRQHOOHU'DWHQEDQNHQWZXUI An einer Kante einer Relation R(E 1,E 2 ) wird ein Intervall (min i,max i ) i=1,2 notiert. Dabei gilt: für alle H1 (1: PLQ 1 d ^H2 H1 H2 5` d PD[ 1 für alle H2 (2: PLQ 2 d ^H1 H1 H2 5` d PD[ 2 Wenn es keine obere Schranke gibt (oder diese unbekannt ist), wird dies durch ein * gekennzeichnet. Beispiel: 1 N Professor hält Vorlesung Wie man sieht unterscheiden sich die (min,max)-notation von der üblichen Notation. Seite 29

13 %H]LHKXQJHQPLWPHKUDOV]ZHL(QWLWlWHQ Im Folgenden betrachten wir eine Relation 5( 1 ( N mit k Entitäten. Wir ordnen in unserer Notation der Kante zur Entität eine 1 zu, falls ( M 5: ( 1 ( M 1 ( M + 1 ( N o ( M eine Funktion ist. Ansonsten ein Symbol. Die min-max Notation läst sich auch verallgemeinern. Dabei betrachten wir k Intervalle PLQ M PD[ M, 1 d Md N, wobei folgende Bedingungen gilt: PLQ M d PLQ HM ( 5H ( M 1 H M H N ) d PD[ HM ( 5H ( M 1 H M H N ) d PD[ M Beispiel: 1 N Professor hält Vorlesung 1 Raum Seite 30

14 Id-Beziehungen (UZHLWHUXQJHQ Id Beziehungen sind spezielle 1:n Beziehungen, wobei die Existenz einer Entität von einem anderen Entity abhängt. Man bezeichnet dann auch den existenzabhängigen Entitätstyp als schwach und den anderen Entitätstyp als stark. Graphische Notation Beispiel: schwache Entität Id Beziehung Abteilung 1 N Ang Seite 31

15 ,6$%H]LHKXQJHQ7\SHUZHLWHUXQJ Ein Entity vererbt DOOH seine Eigenschaften an einen anderen Entity. Die Beziehung zwischen den Entitätstypen wird auch als IS-A Beziehung bezeichnet. IS-A Beziehung wird für die Partitionierung einer Menge in (disjunkte) Teilmengen verwendet. Beide Entitäten einer IS-A Beziehung besitzen den gleichen Schlüssel. Beispiel ANGSTELLTER besitzt Attribute ANGNR, NAME und GEHALT Professoren sind auch ANGESTELLTER, besitzen aber noch weitere Attribute wie z. B. FACHGEBIET Angestellter IS-A Professor Mitarbeiter Besonderheit von IS-A und Id-Beziehungstypen Es gibt höchstens nur einen IS-A oder Id Beziehungstyp zwischen zwei Entitätstypen Seite 32

16 (QWZXUIHLQHV(5'LDJUDPPV an Hand des Beispiels eines Auskunft- und Buchungssystem für DB-ICE-Netz Mögliche Anfragen (Datenverarbeitungsanforderungen) Wann fährt ein Zug von München nach Bremen? Reserviere ein Platz von München nach Frankfurt im Zug ICE792 am Gib Liste der reservierten Plätze in Zug ICE792 am Gibt es eine Verbindung von München nach Essen mit Abfahrt zwischen 8.00 und (ohne umzusteigen)? Informationsanforderungen: Entitätstypen: Zug Wagen Platz Bahnhof Attribute: Zugnr, Name, Verkehrstage Wagennr., Klasse, Platzanzahl Platznr., R/NR Name, Umsteigebahnhof Seite 33

17 Beziehungstypen: Zugplan: Zug x Wagen Wageplan: Wagen x Platz Belegung: Platz x Bahnhof x Bahnhof Halt: Zug x Bahnhof Zuglauf: Zug x Bahnhof x Bahnhof x Bahnhof Verbindung: Bahnhof x Bahnhof x Bahnhof Einschränkungen: ein Platz kann nicht auf überlappenden Teilstrecken reserviert werden die Zeiten in den Beziehungstypen Halt und Verbindung müssen übereinstimmen Seite 34

18 (5'LDJUDPP Zug Zugplan Wagen Wagenp. Platz Zuglauf Bahnhof Belegung Halt Verbind. Seite 35

19 =XVDPPHQIDVVXQJ Datenbankentwurf ist ein äußerst komplexer Vorgang ER-Modellierung ist ein auch in der Industrie anerkanntes und weit verbreitetes Verfahren zur Datenmodellierung Voraussetzung ist aber bereits eine Anforderungsanalyse Beachte, dass das ER-Modell vom DBMS XQDEKlQJLJ ist. wichtige Komponenten: Entität, Entitätstyp Beziehung, Beziehungstyp. Charakterisierung von Beziehungstypen n:m, 1:m, 1:1-Beziehungen is-a Beziehung, has-a Beziehung starke Beziehungen Frage: Wie kann das ER-Modell in eine Datenbank abgebildet werden? Seite 36