Synchronisationsmodul Informatik Teil-Modul Datenbanken

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1 Synchronisationsmodul Informatik Teil-Modul Datenbanken Kapitel 1: Einführung Kapitel 1-1

2 Einführung Inhalte des Kapitels Einsatzgebiete von Datenbanken Datenbank Datenbanksystem Datenbankmanagementsystem Historische Entwicklung unterschiedlicher Datenbankmodelle Lernziele Sensibilisierung für die Vielfalt von Datenbanksystemen Grundlegende Begriffsklärung im Datenbankkontext Einordnung relationaler Datenbankmanagementsysteme in der Historie Kapitel 1-2

3 Einsatzgebiete von Datenbanken Banken und Versicherungen Kontoverwaltung, Finanzprodukte, Handel, Controlling,... ERP-Systeme (Enterprise Resource Planning) z. B. SAP R/3, Navision für KMU (Kleine und mittelständische Unternehmen), etc. Personal (HR), Buchhaltung, Bestellwesen, Lagerverwaltung, Logistik,... zentrale Abrechnungssysteme Telekommunikationsbranche Gastronomiebetriebe deutscher Autobahn-Raststätten, Kaufhäuser etc. Auskunftssysteme / Kundendaten Telefonauskunft,... Buchungssysteme... Reisebüros, Flugunternehmen, Hotels etc.? Screenshot aus einem Navision-System Welche Arten von Daten werden in solchen Systemen primär verwaltet? Kapitel 1-3

4 Einsatzgebiete von Datenbanken ebusiness online-shops, online Auktionen (ebay),... Bibliotheken hier auch Volltextsuche geographische Datenbanken topologische Daten, Satellitenbilder,... Produkt-Datenbanken strukturierte Daten, Konstruktionsdaten (CAD),... welche Arten von Daten werden in diesen Systemen darüber hinaus verwaltet?? Social Network-Daten, z.b. Facebook, Datenbanken müssen nicht immer "groß" sein! Kapitel 1-4

5 Big Data aber wenn sie groß genug sind, sprechen wir von Big Data dann sind in der Regel vertikal skalierende Systeme zum Speichern und Verarbeiten der Daten nicht mehr ausreichend: Volume Variety Velocity Die 3 V s von Big Data Im Rahmen unserer Vorlesung beschäftigen wir uns mit relationalen DBMS für vertikal skalierende Systeme horizontal skalierende Systeme Cluster *) *) hierzu gibt es weiterführende Veranstaltungen des Fb I zum Studiengang Data Science, wie z.b. Big Data Technologien und Big Data Analytics. Kapitel 1-5

6 Anwendungsszenarien Wir unterscheiden zwei grundsätzlich unterschiedliche Szenarien OLTP- Online Transaction Processing OLTP-Systeme nennt man häufig auch Operativsysteme lesende und schreibende Zugriffe transaktionsorientiert online viele gleichzeitige Benutzer kurze Antwortzeiten erforderlich DB eines Operativ-Systems Kapitel 1-6

7 Anwendungsszenarien DSS - Decision Support Systems ausschließlich lesende Zugriffe kein Transaktionsmanagement notwendig Antwortzeiten unkritisch(er) Reports OLAP (Online Analytical Processing) auf Basis eines Data Warehouse, Data Mining z.b. im CRM Customer Relationship Management Data Warehouse beide Szenarien wachsen immer mehr zusammen! Kapitel 1-7

8 Einsatzgebiete von Datenbanken Einführung Datenbank Datenbanksystem Datenbankmanagementsystem Historische Entwicklung unterschiedlicher Datenbankmodelle Kapitel 1-8

9 Begriffsklärungen Datenbanksystem Datenbank Datenbank- Managementsystem Anwendungsprogramme End- Anwender in Anlehnung an Date, An Introduction Kapitel 1-9

10 Begriffsklärungen Datenbanksystem Ein Datenbanksystem ist im weitesten Sinne ein System zur rechnerunterstützten Verwaltung von Daten und umfasst die Gesamtheit aller im folgenden beschriebenen Komponenten (vgl. auch die vorhergehende Grafik). Datenbank Die Daten stellen in ihrer physischen Speicherform die eigentliche Datenbank dar und bilden den Kern eines jeden Datenbanksystems. Datenbank-Managementsystem (DBMS) Die proprietäre Software eines Datenbanksystems ist das Datenbank-Managementsystem (DBMS). Das DBMS besteht aus einer Vielzahl komplexer Dienste, die zur Verwaltung der Daten zur Verfügung stehen und die Konsistenz der Daten zu jedem Zeitpunkt gewährleisten. Man spricht deshalb auch von einem Datenbankserver. Das DBMS stellt die Schnittstelle zwischen einer Datenbank und den Anwendern des Datenbanksystems dar. Kapitel 1-10

11 Begriffsklärungen Datenbankmodell Ein Datenbankmodell definiert die Speicherstruktur, die ein DBMS zur internen Datenverwaltung verwendet. Datenbanksprache In der Regel stellt ein Datenbank-Managementsystem eine spezifische Datenbanksprache (Data Sub-Language - DSL) zur Verfügung, die einen Zugriff auf die Daten ermöglicht, ohne dass der Anwender selbst Kenntnisse von der internen, physischen Datenorganisation hat Mit Hilfe der DSL eines Datenbanksystems kann man Informationen / Daten verwalten (Insert, Update und Delete), und Informationen / Daten auf Anfrage (Query) verfügbar machen (Retrieval). Hardware In Bezug auf die Hardware unterscheidet man den Plattenspeicher (mit dazugehöriger Ein-/ Ausgabeperipherie) und den Hauptspeicher sowie die Prozessoren zur Ausführung der Datenbank-Systemsoftware. Kapitel 1-11

12 Einsatzgebiete von Datenbanken Einführung Datenbank Datenbanksystem Datenbankmanagementsystem Historische Entwicklung unterschiedlicher Datenbankmodelle Kapitel 1-12

13 Historische Entwicklung von Datenbankmodellen CODASYL Oracle (1979) DB2 v9 (2007, IBM) Relational / XML IMS/VS seit 1968 (IBM) System R (1977) DB2 (1983 unter MVS) ObjectStore (1988, ObjectDesign) Tamino (2000, SAG, Darmstadt) Big Data Objektorientiertes NoSQL Hierarchisches Datenbankmodell Datenbankmodell Netzwerk Datenbankmodell (1971, Data Base Task Group) Relationales Datenbankmodell (1970, Edgar F. Codd) Objektrelationales Datenbankmodell??? Semistrukturierte Datenbankmodelle z.b. XML-Datenbanken Kapitel 1-13

14 Historische Entwicklung Hierarchische Datenbanken Die Daten lassen sich über hierarchische Strukturen (Baumstrukturen) in Beziehung zueinander setzen. Einsatzbereiche heute: Großrechnerbereich (Mainframes) von Banken, Versicherungen etc., z.b. IMS-DB (Information Management System). Netzwerk-Datenbanken Die zugrunde liegende Struktur stellt einen Graphen mit beliebigen Navigations- möglichkeiten über Cursortabellen dar. Heute nicht mehr häufig im Einsatz. CODASYL. Relationale Datenbanken Die mathematische Basis dieses Datenbank-Modells ist die Relationenalgebra. Datensätze werden als Relationen (Menge von Tupeln gleicher Länge) angesehen Als Speicher- und Darstellungsform bieten sich Tabellen an. Kapitel 1-14

15 Historische Entwicklung Die standardisierte Abfragesprache für relationale Datenbanken ist SQL (Structured Query Language). Im Bereich relationaler Datenbank-Managementsysteme (RDBMS) unterscheidet man - RDBMS aus dem personal Bereich, wie MS-ACCESS und FoxPro, und - Datenbankserver wie z. B. DB2 (IBM), Oracle, Sybase, Informix (IBM), Ingres, MS SQL-Server, MySQL, PostgreSQL, Adabas etc. Objektorientierte Datenbanken Diese Datenbanken haben sich aus objektorientierten Sprachen entwickelt. Gespeichert werden Objekte auf der Basis objektorientierter Klassenstrukturen mit Attributen und Methoden, die i.d.r. komplexere Datentypen als die relationalen Datenbanken zulassen. Navigation ist möglich über direkte Referenz der Objekte durch Object Ids (OID = physische Adresse, pointer). Beispiele objekt-orientierter Datenbanken: ObjectStore, Versant, FastObjects (Poet), Jasmine, etc. Kapitel 1-15

16 Historische Entwicklung Objektrelationale Datenbanken Dies sind relationale Datenbanken mit objektorientierten Erweiterungen. Sie werden mittlerweile von allen Herstellern großer relationaler Systeme angeboten. Ziel der objekt-relationalen Datenbanken ist das Mapping objektorientierter Datenstrukturen aus dem Applikationsbereich auf relationale Datenstrukturen in der Persistenzschicht. weitere Nicht-Standard Datenbanken und NoSQL Neben den objektorientierten und objekt-relationalen Datenbanken zählen zu den Nicht-Standard Datenbanken u.a. die XML-Datenbanken (wie z.b. Tamino von der Software AG) geographische Datenbanken deduktive Datenbanken Die parallele Verwaltung von relationalen Schemata und XML-Schemata wird ermöglicht ab der Version DB2 v9 (IBM). Unter der Bezeichnung NoSQL Not only SQL werden unterschiedlichste, nichtrelationale DBMS bzw. Speicherkonzepte subsumiert, die entsprechend ihrer Architektur und Anwendungsdomänen in unterschiedliche Kategorien unterteilt sind ( s. auch Kapitel 7,Transaktionsmanagement) nosql-database.org/ Kapitel 1-16

17 Eine Data Platforms Map Kapitel 1-17

18 mit ihren verschiedenen Stationen Kapitel 1-18

19 - und unsere Map für s Praktikum: Kapitel 1-19

20 Shinjuku Tokyo Subway das Praktikum Tokyo Subway Route Map (ein Ausschnitt) Hochschule Darmstadt Ueno F Otsuka Uguisudani G 01 Ikebukoro JR 16 G Wakoshi 19 F JR 09 Akihabara JR S Iwamotocho 08 S 01 JR F 13 Shinjukusanchome S 02 G 13 Kanda JR Inge Asakusa S 21 Motoyawata Shibuya F 16 G 01 JR G 08 JR Shimbashi Line Color S JR Yamanote Line Shinjuku Line (Toei) A 06 Line Symbol Station Number Junctions G F Ginza Line (Tokyo Metro) Fukutoshin Line (Tokyo Metro) Kapitel 1-20

21 Tokyo Subway das Praktikum (2) Im Tokyo Subway-Netz gibt es mehrere Betreiber von Linien. Jeder Betreiber unterhält eine oder mehrere solcher Linien. Jede Linie hat einen Namen, zu dem ein einzelner Buchstabe sowie eine spezifische Farbe gehören, die die Linie und ihre Stationen auf dem Subway-Plan leicht erkennbar machen. Zu jedem Betreiber ist der Betreibername bekannt. Jede einzelne Linie besteht aus einzelnen Stationen, die außer dem Namen der Station möglicherweise auch eine Stationsnummer besitzen, die, ergänzt um den Buchstaben der Linie den Linienverlauf kennzeichnet. Im Tokyo Subway-Netz gibt es eine Linie, deren Linienführung ein geschlossener Kreislauf ist, die JR Yamanote Line, (hier sind die Stationen nicht offiziell durchnummeriert). Diese Linie wird in beiden Richtungen befahren. Alle anderen Linien fahren zwischen einer Anfangsstation (Nr. 1) und einer Endstation hin und her. Es gibt Stationen, an denen eine Umsteigemöglichkeit zu anderen Linien besteht, die vom gleichen oder einem anderen Betreiber unterhalten werden, sog. Junctions. Eine Junction kann unterschiedliche Stationsnamen von verschiedenen Linien besitzen! Die Nutzer des Tokyo Subway Liniennetzes können für eine Fahrt verschiedene Zahlungsarten wählen: Entweder kauft man eine Einzelfahrkarte (Ticket, Fahrttyp= T ) für eine bestimmte Tarifzone oder man bucht eine Karte auf (Card, Fahrttyp= C ). Sowohl Ticket als auch Karte besitzen eine identifizierende ID. Das jeweilige Guthaben wird beim Verlassen der Station eines bestimmten Betreibers mit dem entsprechenden Fahrpreis am Gate belastet. Pro Fahrt und Ticket- bzw. KartenID wird der Betrag dem entsprechenden Betreiber der Linie(n), die für die Fahrt genutzt wurde(n), gut geschrieben. Für jede Fahrt werden die Start-Station, der Start-Zeitpunkt, die Ende-Station und der Ende-Zeitpunkt festgeschrieben. Die Fahrtkosten, die für eine bestimmte Zone berechnet werden, sind bei allen Betreibern gleich: Die Kosten für eine bestimmte Zone orientiert sich an der Anzahl der gefahrenen Kilometer auf der Linie des Betreibers. Im Praktikum wird (zur Vereinfachung) für die Ermittlung der Fahrtkosten die Anzahl der gefahrenen Stationen eines Betreibers herangezogen! Praktikum 1 : Entity Relationship-Modellierung Wie? Kapitel 2! Kapitel 1-21

22 Zusammenfassung Datenbanksysteme erfordern vor allem in großen und verteilten Architekturen spezifisches Wissen über den Aufbau und die Administration einer Datenbank sowie die Integration als Persistenzschicht in (objektorientierte) Anwendungsarchitekturen. Die relationalen DBMS sind bereits vor der Entwicklung objektorientierter Systeme entstanden. Dennoch stellen sie heute immer noch zusammen mit den hierarchischen Datenbanken einen großen Anteil an Datenbankservern in bestehenden und neu entwickelten Anwendungssystemen dar. Kapitel 1-22

23 Datenbanken Einführung 2. Semantische Datenmodellierung 3. Relationenmodell 4. Interne Datenorganisation 5. SQL - Structured Query Language 6. Prozedurale Spracherweiterungen von SQL, Stored Procedure und Trigger, JDBC 7. Transaktionsmanagement Kapitel 1-23

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