Grundlagen zur Verwendung und Entwicklung von Datenbanksystemen

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1 Grundlagen zur Verwendung und Entwicklung von Datenbanksystemen Vorlesung im Wintersemester 2007/08 (Abschnitt Einführung und Grundlagen) WS07/08 DBS Part 1 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 1

2 Motivation und Ziele WS07/08 DBS Part 1 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 2

3 Motivation für DBMS Redundanz und Inkonsistenz Zusammenhänge zwischen Datenobjekten Multiuserbetrieb (Vermeidung von Anomalien) Verlust von Daten (Wiederherstellung von Daten) Integritätsverletzungen (Konsistenzbedingungen) Sicherheitsprobleme Wiederverwendung bestehender Systeme WS07/08 DBS Part 1 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 3

4 Definition Datenbank Eine Datenbank (kurz DB) ist ein integrierter, persistenter Datenbestand einschließlich aller relevanten Informationen über die dargestellte Information (Metainformation, d.h. die Integritätsbedingungen und Regeln), der einer Gruppe von Benutzern in nur einem Exemplar zur Verfügung steht. WS07/08 DBS Part 1 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 4

5 Beispiele von Datenbanken I Datenbanken bei Reiseveranstaltern - Buchungssysteme (Flug, Hotel, Mietwagen, ) - Kundendatenbanken - Flugpläne Datenbanken bei Telekommunikationsanbietern - Verwaltung der technischen Einrichtungen - Verrechnung von Leistungen - Kundendatenbanken WS07/08 DBS Part 1 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 5

6 Beispiele von Datenbanken II Datenbanken an Hochschulen - Vorlesungsverzeichnisse - Immatrikulierte Studenten - Verwaltung von Veröffentlichungen Datenbanken in einer Bibliothek - Vorhandene Bücher und Medien - Ausleihe und Vorbestellungen - Leserdatenbanken WS07/08 DBS Part 1 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 6

7 Datenbankszenario I (Beispiel aus der Welt der Telekommunikation) WS07/08 DBS Part 1 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 7

8 Datenbankszenario II (Beispiel aus der Welt der Telekommunikation) Kundendatenbank eines Telco -Unternehmens - Idee - Anforderungen - Konzept - Datenmodell - Umsetzung Idee: Konsistente und konvergente Ablage aller kundenrelevanten Informationen WS07/08 DBS Part 1 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 8

9 Kerninformationsobjekt Kunde Informationen zu allen potentiellen Kunden - ca. 40 Mio. Kunden in Deutschland - personenbezogene Daten - genutzte Produkte - verantwortliche Serviceeinheit - Verrechnung genutzter Leistungen - Datenbankszenario III (Brainstorming zu den Zielen) WS07/08 DBS Part 1 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 9

10 Potentielle Nutzer und Schnittstellen Anforderungsanalyse Datenbankszenario IV (Anforderungsanalyse) - Zielstellung und Business Case - Wer soll die Datenbank nutzen? - Welche Inhalte soll die Datenbank haben? - Welche Abfragen sollen unterstützt werden? - Aktualität der Dateninhalten? - Art des Informationsabrufs? Migrationsanforderungen WS07/08 DBS Part 1 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 10

11 Datenbankszenario V (Grobkonzeption der Kundendatenbank) Master für alle Anwendungen Basisdaten Altsysteme mit Kundendaten - Daten für ca. 40 Mio. Kunden - je Kunden ca. 1KByte an Informationen - ca. 20 Anwendungen mit Kundendaten - Vielfältige Referenzen zu vorhandenen Systemen - Art der auszunehmenden Daten (textlich, Lageplan, ) Aktualität der Daten in den Systemen WS07/08 DBS Part 1 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 11

12 Datenbankszenario VI (Modellierung des Diskursbereiches) Strukturierung der Information - Ziele schriftlich fixieren - Basisdaten zusammenstellen - Anforderungen detailliert beschreiben - Konzeption textlich erläutern Konzeptionelles Datenmodell entwerfen - Abhängig von den Zielen und Anforderungen - Vorraussetzung für die Umsetzung mittels DBMS WS07/08 DBS Part 1 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 12

13 Datenbankszenario VII (Ausschnitt aus dem ER-Modell) WS07/08 DBS Part 1 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 13

14 Kunde Datenbankszenario VIII (Abbildung auf Tabellen) Kunden_ID Name Adresse 101 Peter Fanz Berlin, Wittestr. 30H 102 Hans Busch Wildau, Spatzenweg 7 Produkt Produkt_Nr Beschreibung Preis in Euro Bem.: Tabellen wurden weder normalisiert noch wurde die Beziehung (Kunden hat Produkte) abgebildet! T11 T12.. ISDN s 0 ISDN s 2m WS07/08 DBS Part 1 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 14

15 Spalten Attribute Zeilen Datensätze Tabellename Datenbankszenario IX (Abbildung auf Tabellen) Identifikation der Datensätze (Schlüssel) Konzeptionelles Modell: Entity-Relationship-Modell Abbildung mittels konkreter Systeme: - filebasierte Systeme: Excel - Pseudo DB: Access, dbase, Paradox - Echte DBMS: Oracle, IBM DB2, MS SQL Server WS07/08 DBS Part 1 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 15

16 Dateiverwaltung und Datenbanken WS07/08 DBS Part 1 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 16

17 Von der Dateiverwaltung zur Datenbanktechnologie Frühzeit: 1950 bis 1967 Verwendung von Großrechnern (Zimmergröße) Überwiegend genutzt für numerische Probleme Geringe Aufmerksamkeit für Daten Hauptspeichergröße: 50KByte Programmiersprachen: Assembler, Algol, Fortran bis 1963 nur elementare Daten im Programm WS07/08 DBS Part 1 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 17

18 Von der Dateiverwaltung zur Datenbanktechnologie Dateien sind eine Sammlung logisch zusammengehörender Daten, die auf geeigneten Medien gespeichert werden können und über einen Namen identifizierbar sind. Das Dateisystem (z.b. FAT, VFS) organisiert die Verwaltung der Dateien auf einem Speichermedium, wobei unterschiedliche Zugriffsformen und ggf. Schutzfunktionen realisiert werden können. Quelle: Schneider, U.: Betriebssysteme und Systemsoftware, in Taschenbuch der Wirtschaftsinformatik, Fachbuchverlag Leipzig, 2003 WS07/08 DBS Part 1 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 18

19 Von der Dateiverwaltung zur Datenbanktechnologie Dateikonzept ab 1963 Datei mit Menge von Datensätzen internes Format Organisationsform: sequentiell, index-sequentiell, regional Verarbeitungsformen: lesen, schreiben, ändern Satzform: Sätze fester oder variabler Länge (eventl. Blöcke) Medium: Art des ext. Gerätes (Magnetplatte, Magnetband, ) Feste Datenlänge rec 1 rec 2 rec 3 Variable Datenlänge rec 1 rec 2 rec 3 WS07/08 DBS Part 1 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 19

20 Von der Dateiverwaltung zur Datenbanktechnologie WS07/08 DBS Part 1 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 20

21 Eigenschaften des Dateikonzeptes I Datei als Organisationseinheit Zugriff des Anwenders über das Betriebssystem Unterschiedliche Nutzer Dateien waren bestimmten Programmen fest zugeordnet Anwendungsspezifische Datenorganisation Ggf. mit einer Kopie arbeiten (?!) Logisch zusammengehörige Daten über Dateien verteilt WS07/08 DBS Part 1 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 21

22 Keine granulare Rechteverteilung Keine Möglichkeiten zur Synchronisation Große Sperrgranulate Redundante Daten - Verschwendung von Ressourcen (HW, aber auch HR) - Gefahr von Inkonsistenzen Eigenschaften des Dateikonzeptes II Plattform- und Anwendungsabhängig Ineffizient bei großen Datenmengen WS07/08 DBS Part 1 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 22

23 Entwicklung bis zur Neuzeit I Übergang von der klassischen, programmzentrierten Sicht zur datenzentrierten Sicht (DB-Technologie) Anfang etwa von 1968 bis Begleitet wurde diese Entwicklung von der steigenden Kapazität externer Massenspeicher und dem steigender Wert gespeicherten Informationen (Daten). Die Verfügbarkeit der Daten und der Zugriff im Dialog wurde wichtiger als umfangreiche Auswertealgorithmen. WS07/08 DBS Part 1 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 23

24 Entwicklung bis zur Neuzeit II Das Datenmodell beschreibt die logische Struktur der Datenbasis. Der Nutzer verwendet eine Datenbankabfragesprache (zumeist SQL Structured Query Language) zur Wiedergewinnung von Informationen aus der Datenbasis. Als Mittler zwischen Nutzer und Datenbasis arbeitet ein Datenbankmanagementsystem (kurz DBMS). WS07/08 DBS Part 1 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 24

25 Einordnung eines DBS Individual-Software Anwendungssoftware Basissoftware Systemsoftware (z.b. Datenbanksysteme) Betriebssystem WS07/08 DBS Part 1 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 25

26 Architektur von DBMS WS07/08 DBS Part 1 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 26

27 Begriff des DBMS Unter dem Begriff Datenbankmanagementsystem (kurz DBMS) verstehen wir die Gesamtheit der Software- Module, die die Verwaltung einer Datenbank übernehmen. Ein Datenbanksystem ist die Kombination von DBMS und einer Datenbank. WS07/08 DBS Part 1 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 27

28 Bestandteile DBS DBS = DBMS + DD + ndb (bei n > 1) DBS Datenbanksystem DBMS Datenbankmanagementsystem DD Data Dictionary (Datenbankschema) DB Daten eines Anwendungsbereiches WS07/08 DBS Part 1 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 28

29 Datenbankmanagementsysteme WS07/08 DBS Part 1 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 29

30 Codd sche Regeln 1 Nach Festlegung von E. F. Codd sind Regeln formulierbar, nach deren Bewertung jedes Datenbankmanagementsystem validierbar ist. Die folgenden 9 Regeln wurden bereits Anfang der 80er- Jahre durch Codd als Anforderungen an Datenbankmanagementsysteme formuliert. Bem.: beim RDBMS kommen weitere 3 dazu WS07/08 DBS Part 1 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 30

31 Codd sche Regeln 2 Integration: Einheitliche Verwaltung aller von Anwendungen benötigten Daten Operationen: Speichern, suchen und ändern auf den Datenbestand wird angeboten Katalog: Der Katalog (Data Dictionary auch Datenwörterbuch) ermöglicht Zugriffe auf die Datenbeschreibung der Datenbank Benutzersichten: Für unterschiedliche Anwendungen sind unterschiedliche Sichten auf den Datenbankbestand verfügbar WS07/08 DBS Part 1 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 31

32 Codd sche Regeln 3 Konsistenzüberwachung (Integritätssicherung): Die Korrektheit der Datenbankinhalte wird garantiert (korrekte Ausführung v. Änderungen) Datenschutz: Unautorisierte Zugriffe werden durch die Zugriffskontrolle verhindert Transaktionen: Es gibt zusammengefasste Datenbankoperationen, die nur ganz oder gar nicht ausgeführt werden (ACID-Prinzip) Synchronisation: Mehrere Benutzer können (ohne sich gegenseitig zu beeinflussen) mit der Datenbank gleichzeitig arbeiten Datensicherung: Die Wiederherstellung der Daten z.b. nach einem Systemzusammenbruch ist möglich WS07/08 DBS Part 1 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 32

33 Grob-Architektur DBMS Quelle: Heuer, A. et al: Datenbanken kompakt, mitp-verlag WS07/08 DBS Part 1 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 33

34 DBMS-Komponenten 1 Dateiorganisation Definition der Dateiorganisation und Zugriffspfade auf interner Ebene Datendefinition Konzeptuelle Datendefinition (konz. Schema) Sichtdefinition Definition von Benutzersichten Masken Entwurf von Menüs und Masken für die Benutzerinteraktion Einbettung Einbettung von Konstrukten der Datenbanksprache in eine Programmiersprache WS07/08 DBS Part 1 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 34

35 DBMS-Komponenten 2 Anfragen/Updates Interaktiver Zugriff auf den Datenbestand ISQL DB-Operationen Anfragen, Änderungen Optimierer Optimierung der Datenbankzugriffe Plattenzugriff Plattenzugriffssteuerung Auswertung Auswertung von Anfragen und Änderungen P 1 P n verschiedene Datenbank-Anwendungsprogramme Data Dictionary zentraler Katalog aller für die Datenhaltung relevanten Operationen WS07/08 DBS Part 1 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 35

36 Datenunabhängigkeit Physische Datenunabhängigkeit: auch als Implementierungsunabhängigkeit bezeichnet - Die Unabhängigkeit zwischen (portablen Programmen) und physikalischer Datendarstellung und Speicherung ist der erste Schritt zur Maschinenunabhängigkeit des Datenbanksystems. Logische Datenunabhängigkeit: auch als Anwendungsunabhängigkeit bezeichnet - Hier wird eine weitgehende Unabhängigkeit der Software vom Datenbankmodell gefordert. WS07/08 DBS Part 1 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 36

37 Drei-Ebenen-Schema-Architektur Zur Beschreibung der Datenstrukturen in einer Datenbank ist ein Modell hilfreich, dass bereits 1971 vom ANSI/SPARC-Komitee vorgestellt wurde. Es konzentriert sich dabei weniger auf den internen Aufbau des DBMS selbst, als vielmehr auf die Mittlerrolle des DBMS zwischen Anwenderwelt und Rechnersystem. 1 ANSI American National Standards Institute 2 SPARC Standards Planning and Requirement Committee WS07/08 DBS Part 1 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 37

38 Drei-Ebenen-Schema-Architektur Datendarstellung Anfragebearbeitung WS07/08 DBS Part 1 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 38

39 Internes Schema Die systemspezifische Realisierung der Datenbank, wie z.b. eingerichtete Zugriffspfade (z.b. Baumstrukturen), wird durch das interne Schema beschrieben. Für den Nutzer i.a. nicht zugänglich, ggf. für Tuningmaßnahmen (Index, Cluster, ) von Interesse. WS07/08 DBS Part 1 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 39

40 Konzeptuelle Schema Beinhaltet eine implementierungsunabhängige Modellierung der gesamten Datenbank in einem systemunabhängigen Datenmodell (z.b. das ER-Modell). Dabei handelt es sich um eine formale Beschreibung eines Ausschnittes der realen Welt. Das konzeptuelle Schema beschreibt die Struktur der Datenbank vollständig. WS07/08 DBS Part 1 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 40

41 Externes Schema Basierend auf dem konzeptuellen Schema können externe Schemata definiert werden, welche anwendungsspezifische (Teil-) Sichten auf den gesamten Datenbestand festlegen. Das kann sowohl im Datenmodell des konzeptuellen Schemas, als auch in einem weiteren Datenbankmodell erfolgen. WS07/08 DBS Part 1 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 41

42 Schichtenmodell eines DBMS Um den internen Aufbau eines DBMS nachvollziehen zu können bedient man sich häufig einer schichtenorientierten Betrachtungsweise. Dieses innerhalb der Informatik übliche Vorgehen betrachtet das DBMS als aufeinander aufbauende Schichten. Jede Schicht hat bestimmte Aufgaben zu erledigen und stellt der nächst höheren Schicht einen bestimmten Service zur Verfügung, ohne das sich diese darum kümmern muss, wie dieser Service realisiert ist. WS07/08 DBS Part 1 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 42

43 Transaktionsverarbeitung WS07/08 DBS Part 1 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 43

44 Transaktionsbegriff Eine Transaktion (transaction) ist eine Folge von Operationen (z.b. elementare SQL-Befehle), die zu einer unteilbaren (atomaren) Ausführungseinheit zusammengefasst werden und die Datenbank von einem konsistenten Zustand in einen neuen konsistenten Zustand überführen. WS07/08 DBS Part 1 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 44

45 Transaktionskonzept Zur Unterstützung des Multiuserbetriebs werden im Rahmen von DBMS Transaktionen verwendet. Ein Datenbanksystem garantiert so die Ausführung von Transaktionen unter Berücksichtigung der so genannten ACID-Bedingungen. Dabei handelt es sich um die Eigenschaften der Atomarität (atomicity), Konsistenz (consistency), Isolation (isolation) und Dauerhaftigkeit (durability). WS07/08 DBS Part 1 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 45

46 Transaktion - Beispiel Täglich werden durch die Kunden einer Bank tausende Überweisungen initiiert. Dabei gibt es sowohl die Forderungen nach kurzen Antwortzeiten, als auch eines korrekten Geldtransfers. Zusammenfassung der notwendigen Operationen für eine Geldüberweisung, d.h. Abbuchen vom einem Konto und Überweisen auf ein anderes Konto. WS07/08 DBS Part 1 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 46

47 Transaktion - Beispiel Inkorrekter Ablauf von zwei Überweisungen Quelle: Gumm, H. P.; Sommer, M.: Einführung in die Informatik, Oldenbourg-Verlag WS07/08 DBS Part 1 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 47

48 A - Atomarität Änderungen einer Transaktion werden entweder vollkommen oder gar nicht in die Datenbank eingebracht. Auf dieser Grundlage kann die Anwendungsprogrammierung stark vereinfacht werden, da Fehlerzustände (z.b. Rechnerausfall) nicht im Programm abgefangen werden müssen. WS07/08 DBS Part 1 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 48

49 C - Konsistenz Eine Transaktion überführt die Datenbank von einen konsistenten Zustand in einen anderen konsistenten Zustand. Der konsistente Zustand einer Datenbank erfordert die Einhalten aller definierten Integritätsbedingungen. Innerhalb der Transaktion können Integritätsbedingungen temporär verletzt werden. WS07/08 DBS Part 1 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 49

50 I - Isolation Keine gegenseitige Beeinflussung parallel ausgeführter Transaktionen, d.h. zwischen parallel ausgeführten Transaktionen besteht keine direkte Kommunikation. Das Ergebnis einer Transaktion kann nicht durch andere zum gleichen Zeitpunkt ausgeführte Transaktionen beeinflusst werden. WS07/08 DBS Part 1 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 50

51 D - Dauerhaftigkeit Nach einem erfolgreichen Abschluss einer ausgeführten Transaktion werden alle Änderungen dauerhaft in der Datenbank gespeichert. Sollte es zu einer Störung kommen, werden die Ergebnisse von Transaktionen durch entsprechende Recovery- Mechanismen wieder hergestellt. WS07/08 DBS Part 1 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 51

52 Beispiele für DBMS WS07/08 DBS Part 1 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 52

53 Beispiele konkreter DBMS I Gemeinsamkeiten aktuell angebotener DBMS: Drei-Ebenen Architektur nach ANSI SPARC SQL als Datenbankabfragesprache Einbettung von SQL in Programmiersprachen Diverse Tools für: - Entwurf von Datenbanken - Definition, Anfrage und Darstellung von Daten Kontrollierter Mehrbenutzerbetrieb WS07/08 DBS Part 1 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 53

54 Beispiele konkreter DBMS II Kommerzielle Produkte Oracle Database IBM DB2 Universal Database MS SQL Server Informix (zumeist in Altsystemen eingesetzt) IBM IMS DB (60% aller unternehmenskritischen Daten) WS07/08 DBS Part 1 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 54

55 Beispiele konkreter DBMS III Open Source Produkte (erhältliche Systeme im Quelltext) Im Rahmen der LINUX-Distribution - My SQL mit eingeschränkten Funktionsumfang ( - PostgreSQL mit objektrelationalen Features ( Weiterentwicklung von InterBase 6.0 (Borland) - Firebird ( - Verfügbar für Linux und Windows WS07/08 DBS Part 1 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 55

56 Beispiele konkreter DBMS IV Pseudo-RDBMS Dateiverwaltungssysteme mit tabellarischer GUI Erreichen nicht die volle Funktionalität von RDBMS Beispiele von Pseudo-RDBMS - Borland dbase - MS Access Fehlende Funktionen: - Kein Standard SQL - Keine Mehrbenutzerbetrieb - Keinen Abfrageoptimierer WS07/08 DBS Part 1 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 56

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