Datenbanksysteme. Eine Einführung von Alfons Kemper, Andre Eickler 6., aktualisierte und erweiterte Auflage. Oldenbourg Verlag München Wien

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1 Datenbanksysteme Eine Einführung von Alfons Kemper, Andre Eickler 6., aktualisierte und erweiterte Auflage Oldenbourg Verlag München Wien

2 Inhaltsverzeichnis Vorwort 15 1 Einleitung und Übersicht Motivation für den Einsatz eines DBMS Datenabstraktion Datenunabhängigkeit Datenmodelle Datenbankschema und Ausprägung Einordnung der Datenmodelle Modelle des konzeptuellen Entwurfs Logische (Implementations-)Datenmodelle Architekturübersicht eines DBMS Übungen Literatur 28 2 Datenbankentwurf Abstraktionsebenen des Datenbankentwurfs Allgemeine Entwurfsmethodik Die Datenbankentwurfsschritte Die Anforderungsanalyse Informationsstrukturanforderungen Datenverarbeitungsanforderungen Grundlagen des Entity-Relationship-Modells Schlüssel Charakterisierung von Beziehungstypen Funktionalitäten der Beziehungen Funktionalitätsangaben bei n-stelligen Beziehungen Die (min, max)-notation Existenzabhängige Entitytypen Generalisierung Aggregation Kombination von Generalisierung und Aggregation Konsolidierung, Sichtenintegration Konzeptuelle Modellierung mit UML UML-Klassen Assoziationen zwischen Klassen Aggregation in UML Anwendungsbeispiel: Begrenzungsflächendarstellung von Polyedern in UML Generalisierung in UML-Notation Die Modellierung der Universität in UML Verhaltensmodellierung in UML Anwendungsfall-Modellierung (use cases) 62

3 Inhaltsverzeichnis Interaktionsdiagramme Interaktionsdiagramm zur Prüfungsdurchführung Übungen Literatur 67 Das relationale Modell Definition des relationalen Modells Mathematischer Formalismus Schema-Definition Umsetzung eines konzeptuellen Schemas in ein relationales Schema Relationale Darstellung von Entitytypen Relationale Darstellung von Beziehungen Verfeinerung des relationalen Schemas l:7v-beziehungen l:l-beziehungen Vermeidung von Null-Werten Relationale Modellierung der Generalisierung Beispielausprägung der Universitäts-Datenbank Relationale Modellierung schwacher Entitytypen Die relationale Algebra Selektion Projektion Vereinigung Mengendifferenz Kartesisches Produkt (Kreuzprodukt) Umbenennung von Relationen und Attributen Definition der relationalen Algebra Der relationale Verbund (Join) Mengendurchschnitt Die relationale Division Operatorbaum-Darstellung Der Relationenkalkül Beispielanfrage im relationalen Tupelkalkül Quantifizierung von Tupelvariablen Formale Definition des Tupelkalküls Sichere Ausdrücke des Tupelkalküls Der relationale Domänenkalkül Beispielanfragen im Domänenkalkül Sichere Ausdrücke des Domänenkalküls Ausdruckskraft der Anfragesprachen Übungen Literatur 105 Relationale Anfragesprachen Geschichte Datentypen Schemadefinition Schemaveränderung Elementare Datenmanipulation: Einfügen von Tupeln Einfache SQL-Anfragen 110

4 Inhaltsverzeichnis 4.7 Anfragen über mehrere Relationen Aggregatfunktionen und Gruppierung Geschachtelte Anfragen Quantifizierte Anfragen in SQL Nullwerte Spezielle Sprachkonstrukte Joins in SQL Rekursion Veränderungen am Datenbestand Sichten Sichten zur Modellierung von Generalisierungen Charakterisierung update-fähiger Sichten Einbettung von SQL in Wirtssprachen Anfragen in Anwendungsprogrammen JDBC: Java Database Connectivity Verbindungsaufbau zu einer Datenbank Resultset-Programmbeispiel Vorübersetzung von SQL-Ausdrücken SQLJ: Eine Einbettung von SQL in Java Query by Example Übungen Literatur Datenintegrität Referentielle Integrität Gewährleistung referentieller Integrität Referentielle Integrität in SQL Überprüfung statischer Integritätsbedingungen Das Universitätsschema mit Integritätsbedingungen Komplexere Integritätsbedingungen Trigger Übungen Literatur Relationale Entwurfstheorie Funktionale Abhängigkeiten Konventionen zur Notation Einhaltung einer funktionalen Abhängigkeit Schlüssel Bestimmung funktionaler Abhängigkeiten Kanonische Überdeckung 173 _ 6.4 Schlechte" Relationenschemata Die Updateanomalien Einfügeanomalien Löschanomalien Zerlegung (Dekomposition) von Relationen Verlustlosigkeit Kriterien für die Verlustlosigkeit einer Zerlegung Abhängigkeitsbewahrung Erste Normalform 181

5 Inhaltsverzeichnis 6.7 Zweite Normalform Dritte Normalform Boyce-Codd Normalform Mehrwertige Abhängigkeiten Vierte Normalform Zusammenfassung Übungen Literatur 197 Physische Datenorganisation Speichermedien Speicherarrays: RAID Der Datenbankpuffer Abbildung von Relationen auf den Sekundärspeicher Indexstrukturen ISAM B-Bäume B + -Bäume Präfix-B + -Bäume Hashing Erweiterbares Hashing Mehrdimensionale Indexstrukturen Ballung logisch verwandter Datensätze Unterstützung eines Anwendungsverhaltens Physische Datenorganisation in SQL Übungen Literatur 231 Anfragebearbeitung Logische Optimierung Äquivalenzen in der relationalen Algebra Anwendung der Transformationsregeln Physische Optimierung Implementierung der Selektion Implementierung von binären Zuordnungsoperatoren Gruppierung und Duplikateliminierung Projektion und Vereinigung Zwischenspeicherung Übersetzung der logischen Algebra Kostenmodelle Selektivitäten Kostenabschätzung für die Selektion Kostenabschätzung für den Join Kostenabschätzung für die Sortierung Tuning" von Datenbankanfragen Übungen Literatur 266

6 Inhaltsverzeichnis 9 Transaktionsverwaltung Begriffsbildung Anforderungen an die Transaktionsverwaltung Operationen auf Transaktions-Ebene Abschluss einer Transaktion Eigenschaften von Transaktionen Transaktionsverwaltung in SQL Zustandsübergänge einer Transaktion Literatur Fehlerbehandlung Fehlerklassifikation Lokaler Fehler einer Transaktion Fehler mit Hauptspeicherverlust Fehler mit Hintergrundspeicherverlust Die Speicherhierarchie Ersetzung von Puffer-Seiten Einbringen von Änderungen einer Transaktion Einbringstrategie Hier zugrunde gelegte Systemkonfiguration Protokollierung von Änderungsoperationen Struktur der Log-Einträge Beispiel einer Log-Datei Logische oder physische Protokollierung Schreiben der Log-Information Das WAL-Prinzip Wiederanlauf nach einem Fehler Analyse des Logs Redo-Phase Undo-Phase Fehlertoleranz des Wiederanlaufs Lokales Zurücksetzen einer Transaktion Partielles Zurücksetzen einer Transaktion Sicherungspunkte Transaktionskonsistente Sicherungspunkte Aktionskonsistente Sicherungspunkte Unscharfe (fuzzy) Sicherungspunkte Recovery nach einem Verlust der materialisierten Datenbasis Übungen Literatur Mehrbenutzersynchronisation Fehler bei unkontrolliertem Mehrbenutzerbetrieb Verlorengegangene Änderungen (lost Update) Abhängigkeit von nicht freigegebenen Änderungen Phantomproblem Serialisierbarkeit Beispiele serialisierbarer Ausführungen (Historien) Nicht serialisierbare Historie Theorie der Serialisierbarkeit 305

7 10 Inhaltsverzeichnis Definition einer Transaktion Historie (Schedule) Äquivalenz zweier Historien Serialisierbare Historien Kriterien für Serialisierbarkeit Eigenschaften von Historien bezüglich der Recovery Rücksetzbare Historien Historien ohne kaskadierendes Rücksetzen Strikte Historien Beziehungen zwischen den Klassen von Historien Der Datenbank-Scheduler Sperrbasierte Synchronisation Zwei Sperrmodi Zwei-Phasen-Sperrprotokoll Kaskadierendes Rücksetzen (Schneeballeffekt) Verklemmungen (Deadlocks) Erkennung von Verklemmungen Preclaiming zur Vermeidung von Verklemmungen Verklemmungsvermeidung durch Zeitstempel Hierarchische Sperrgranulate Einfüge- und Löschoperationen, Phantome Zeitstempel-basierende Synchronisation Optimistische Synchronisation Synchronisation von Indexstrukturen Mehrbenutzersynchronisation in SQL Übungen Literatur Sicherheitsaspekte Discretionary Access Control Zugriffskontrolle in SQL Identifikation und Authentisierung Autorisierung und Zugriffskontrolle Sichten Individuelle Sicht für eine Benutzergruppe Auditing Verfeinerung des Autorisierungsmodells Rollenbasierte Autorisierung: Implizite Autorisierung von Subjekten Implizite Autorisierung von Operationen Implizite Autorisierung von Objekten Implizite Autorisierung entlang einer Typhierarchie Mandatory Access Control Multilevel-Datenbanken Kryptographie Der Data Encryption Standard Public-Key Kryptographie Public Key Infrastruktur (PKI) Zusammenfassung 356

8 Inhaltsverzeichnis Übungen Literatur Objektorientierte Datenbanken Bestandsaufnahme relationaler Datenbanksysteme Vorteile der objektorientierten Datenmodellierung Der ODMG-Standard Eigenschaften von Objekten Objektidentität Typ eines Objekts Wert eines Objekts Definition von Objekttypen Attribute Beziehungen Typeigenschaften: Extensionen und Schlüssel Modellierung des Verhaltens: Operationen Vererbung und Subtypisierung Terminologie Einfache und Mehrfachvererbung Beispiel einer Typhierarchie Verfeinerung (Spezialisierung) und spätes Binden von Operationen Mehrfachvererbung Die Anfragesprache OQL Einfache Anfragen Geschachtelte Anfragen und Partitionierung Pfadausdrücke Erzeugung von Objekten Operationsaufruf C++-Einbettung Objektidentität Objekterzeugung und Ballung Einbettung von Anfragen Übungen Literatur Erweiterbare und objekt-relationale Datenbanken Übersicht über die objekt-relationalen Konzepte Large Objects (LOBs) Distinct Types: Einfache benutzerdefinierte Datentypen Table Functions Nutzung einer Table Function in Anfragen Implementierung einer Table Function Benutzerdefinierte strukturierte Objekttypen Geschachtelte Objekt-Relationen Vererbung von SQL-Objekttypen Komplexe Attribut-Typen Übungen Literatur 420

9 12 Inhaltsverzeichnis 15 Deduktive Datenbanken Terminologie Datalog Eigenschaften von Datalog-Programmen Rekursivität Sicherheit von Datalog-Regeln Auswertung von nicht-rekursiven Datalog-Programmen Auswertung eines Beispielprogramms Auswertungs-Algorithmus Auswertung rekursiver Regeln Inkrementelle (semi-naive) Auswertung rekursiver Regeln Bottom-Up oder Top-Down Auswertung Negation im Regelrumpf Stratifizierte Datalog-Programme Auswertung von Regeln mit Negation Ein etwas komplexeres Beispiel Ausdruckskraft von Datalog Übungen Literatur Verteilte Datenbanken Terminologie und Abgrenzung Entwurf verteilter Datenbanken Horizontale und vertikale Fragmentierung Horizontale Fragmentierung Abgeleitete horizontale Fragmentierung Vertikale Fragmentierung Kombinierte Fragmentierung Allokation für unser Beispiel Transparenz in verteilten Datenbanken Fragmentierungstransparenz Allokationstransparenz Lokale Schema-Transparenz Anfrageübersetzung und -Optimierung in VDBMS Anfragebearbeitung bei horizontaler Fragmentierung Anfragebearbeitung bei vertikaler Fragmentierung Join-Auswertung in VDBMS Join-Auswertung ohne Filterung Join-Auswertung mit Filterung Transaktionskontrolle in VDBMS Mehrbenutzersynchronisation in VDBMS Serialisierbarkeit Das Zwei-Phasen-Sperrprotokoll in VDBMS Deadlocks in VDBMS Erkennung von Deadlocks Deadlock-Vermeidung Synchronisation bei replizierten Daten Übungen Literatur 487

10 Inhaltsverzeichnis Betriebliche Anwendungen: OLTP, Data Warehouse, Data Mining SAP R/3: Ein betriebswirtschaftliches Datenbankanwendungssystem Architektur von SAP R/ Datenmodell und Schema von SAP R/ ABAP/ Transaktionen in SAP R/ Data Warehouse, Decision-Support, OLAP Datenbankentwurf für das Data Warehouse Anfragen im Sternschema: Star Join Roll-Up/Drill-Down-Anfragen Flexible Auswertungsmethoden Materialisierung von Aggregaten Der cube-operator Wiederverwendung materialisierter Aggregate Bitmap-Indices für OLAP-Anfragen Auswertungsalgorithmen für komplexe OLAP-Anfragen Data Warehouse-Architekturen Data Mining Klassifikation von Objekten Assoziationsregeln Der Ä Priori-Algorithmus Bestimmung der Assoziationsregeln Cluster-Bestimmung Übungen Literatur Internet-Datenbankanbindungen HTML- und HTTP-Grundlagen HTML: Die Hypertext-Sprache des World Wide Web Adressierung von Web-Dokumenten Client/Server-Architektur des World Wide Web HTTP: Das HyperText Transfer Protokoll HTTPS Web-Datenbank-Anbindung via Servlets Beispiel-Servlet Java Server Pages / Active Server Pages JSP/HTML-Seite mit Java-Code HTML-Seite mit Java-Bean-Aufruf Die Java-Bean Komponente VorlesungenBean Sokrates' Homepage Datenbankanbindung via Java-Applets Übungen Literatur XML-Datenmodellierung und Web-Services XML-Datenmodellierung Schema oder kein Schema Rekursive Schemata Universitätsinformation in XML-Format XML-Namensräume 546

11 14 Inhaltsverzeichnis XML Schema: Eine Schemadefinitionssprache Verweise (Referenzen) in XML-Daten XQuery: Eine XML-Anfragesprache Pfadausdrücke Verkürzte XPath-Syntax Beispiel-Pfadausdrücke in verkürzter Syntax Anfragesyntax von XQuery Geschachtelte Anfragen Joins in XQuery Join-Prädikat im Pfadausdruck Das let-konstrukt Dereferenzierung in FLWOR-Ausdrücken Rekursive Anfragen Zusammenspiel von relationalen Datenbanken und XML XML-Repräsentation gemäß Pre- und Postorder-Rängen Der neue Datentyp xml Änderungen der XML-Dokumente Publikation relationaler Daten als XML-Dokumente Web-Services Erstellen und Nutzen eines Web-Services im Überblick Das Auffinden von Diensten Ein Beispiel-Web-Service Definition der Web-Service-Schnittstellen Nachrichtenformat für die Interaktion mit Web-Services Implementierung des Web-Services Aufruf des Web-Services Übungen Literatur Leistungsbewertung Überblick über Datenbanksystem-Benchmarks Der TPC-C Benchmark Die TPC-H und TPC-R (früher TPC-D) Benchmarks Der 007 Benchmark für oo-datenbanken Der TPC-W Benchmark Übungen Literatur 620 Literaturverzeichnis Index