Kapitel 1 Einführung und Motivation

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1 Kapitel 1 Einführung und Motivation Erinnerung - Aufgaben eines DBMS Grobcharakterisierung objektrelationaler Datenbanken Evolution von Datenmodellen und Datenbanksystemen Prinzip der Erweiterbarkeit

2 Aufgaben eines Datenbankmanagementsystems Integration Persistenz Datenunabhängigkeit Anfragesprache Transaktionen Datenintegrität Datensicherung Zugriffskontrolle Bereitstellen eines Datenmodells, mit dessen Konzepten alle Daten einheitlich beschrieben werden effiziente Verwaltung großer Mengen gespeicherter Daten zweckmäßige Organisation der Daten (Trennung logischen und physischen Aspekten) deskriptiver Zugriff auf die Daten atomare, konkurrierende Ausführung logisch zusammengehörender Operationen Sicherung der Datenkonsistenz (semantische Korrektheit) Sicherheit gegen Datenverlust Schutz gegen unbefugten Zugriff 1-2

3 Datenmodelle Trennung zwischen Schema (Datenbeschreibung; Meta-Daten) und Instanz (Datenausprägung/-zustand; Anwenderdaten) Datenmodell bietet Konzepte zur Beschreibung der Daten und der Beziehung zwischen den Daten legt Syntax und Semantik von Datenbeschreibungen fest Typischerweise besitzt ein DBS mind. zwei Datenmodelle logisches: zur benutzerorientierten Repräsentation der Daten physisches: zur speicherorientierten Repräsentation der Daten 1-3

4 Abstraktionsstufen Datenmodell DB-Schema DB-Instanz primitive Typen Typkonstruktoren Operationen DB-Entwurf konkrete Typen Integritätsbedingungen DB-Betrieb konkrete Daten (Elemente der Typen aus dem DB-Schema) Grundsätzliche Organisation des DBMS Organisation der DB für eine bestimmte Miniwelt Beschreibung eines bestimmten Zustands der Miniwelt 1-4

5 Objektrelational = Relational + Objektorientiert? Relationale Datenbank Objektorientierte Datenbank Objektrelationale Datenbank 1-5

6 Historie von Datenbanksystemen Dateisysteme Standardisierte DB-Schnittstelle, z.b. SQL DB-Server mit Stored Procedures und Trigger Seit 1997 DB-Server mit objektrelationalen Erweiterungen AP... AP AP... AP Datenverarbeitung AP... AP Dateizugriff DB-Server DB-Server mit Stored Procedures und Trigger DB-Server mit Stored Procedures und Trigger + Objektrelationale Erweiterungen Dateien Datenbank Datenbank Datenbank 1-6

7 Grobe Einordnung von Datenmanagementsystemen nach Stonebraker (Object-Relational DBMSs - the next great wave - Morgan Kaufman 1996) Einfache Daten Anfragen Relationale Datenbanken Einfache Daten Keine Anfragen Dateien 100 Komplexe Daten 150 Anfragen Objektrelationale Datenbanken Komplexe Daten Keine Anfragen Objektorientierte Datenbanken 1 1-7

8 Datenbankunterstützung Klassische Anwendungsgebiete für Relationale Datenbanken A-F This is a text document describ This is a text the usefulnes of document describ database technol This? is a text the usefulnes of... document describ database technol the usefulnes of... database technol...??? 1-8

9 Was ist speziell an Non-Standard Standard-Anwendungen? Komplexe Struktur der Objekte Geografische Objekte, topografische und thematische Karten Formulare, Text/Bildobjekte Grosse Objekte Luftbild-Auswertung Spezielle Eigenschaften Geometrische Sonderfälle, Echtzeitaspekte bei Audio- und Videoanwendungen Spezielle Prädikate und Operationen Überdeckt, Liegt-innerhalb, Schneidet,... Distanz, Fläche, Volumen,

10 Evolution von Datenmodellen Mächtigkeit der Operationen Relationen- Modell Komplexe Objekte/ Geschachtelte Relationen Rekursiv Geschachtelte Relationen Objektrelationale Datenmodelle Dateien Hierarchisches Modell Netzwerk- Modell Semantische Datenmodelle/ Objektorientierte Datenmodelle Strukturelle Komplexität 1-10

11 Objektrelationale Datenmodelle Was sind objektrelationale Datenmodelle? Relationales Datenmodell angereichert um "objektorientierte" Konzepte? Objektmodell angereichert um "relationale" Konzepte? Neues Datenmodell? Welche Erweiterungen der Anfragesprache sind notwendig? Aspekte der Objektorientierung Strukturierung (komplexe Datenstrukturen) Einkapselung und Methoden Spezialisierung (Wiederverwendbarkeit) Substituierbarkeit Polymorphie Erweiterbarkeit 1-11

12 Motivation für ORDM - Kollektionstypen Relationale Umsetzung: Kollektion als eigene Tabelle Nachteile Aufwand bei der Datendefinition: Information über ein Realwelt-Objekt verstreut gespeichert in mehreren Tabellen Zusammenhang durch Primär-/Fremdschlüsselbedingungen modelliert Komplexere Anfrageformulierung, z. B. Zugriff auf gesamte Information erfordert Verbund mehrerer Tabellen Potentielle Performance-Probleme aufgrund von Declustering Wiederkehrende Nachbildung spezieller Kollektionsoperatoren bzw. -eigenschaften, z. B. Listenkonkatenation bzw. Ordnung von Listenelementen 1-12

13 Motivation für ORDM - Tabellenhierarchien (1) Relationale Umsetzung mittels vertikaler Partitionierung Jede Klasse (ohne die geerbten Attribute) bildet eine Relation Subklassenhierarchie durch Fremdschlüsselbeziehungen modelliert Nachteile Aufwand bei der Datendefinition: Untermengenbeziehung zw. Super- und Subklasse erfordert Programmierung von Triggern und Stored Procedures Automatisches Löschen eines Tupels aus allen Super- und Subtabellen Automatisches Einfügen in alle Supertabellen Updates auf Primär- und Fremdschlüsselwerten entweder ganz verbieten oder konsistent auf allen Super- bzw. Subtabellen ändern Komplexe Anfrageformulierung, z. B. Verbund notwendig, um alle Daten eines Subklassenobjekts zu ermitteln 1-13

14 Motivation für ORDM - Tabellenhierarchien (2) Relationale Umsetzung mittels horizontaler Partitionierung Jede Klasse bildet mit den geerbten Attributen eine Relation Relationen sind "extensional disjunkt" Nachteile Aufwand bei der Datendefinition: Untermengenbeziehung zw. Super- und Subklasse erfordert Trigger-Programmierung Einfügen verhindern, wenn eine andere Tabelle der Hierarchie ein Tupel mit dem gleichen Schlüsselwert besitzt Update eines Schlüsselwertes verhindern, falls bereits ein Tupel mit dem gleichen Schlüsselwert in einer anderen Tabelle der Hierarchie existiert Komplexere Anfrageformulierung, z. B. Vereinigung notwendig, um alle Objekte einer Superklasse anzuzeigen 1-14

15 Motivation für ORDM - Tabellenhierarchien (3) Person Name UNDER Anschrift Objektrelationale Umsetzung mit nur einem Schlüsselwort Kunde KNr Limit Vertikale Partitionierung Person Name Anschrift ID PRIMARY KEY(ID), BEFORE UPDATE + BEFORE DELETE TRIGGER Kunde KNr Limit ID PRIMARY KEY(ID), FOREIGN KEY(ID), STORED PROCEDURE: InsertKunde(ID, Name, Anschrift, KNr, Limit) AFTER UPDATE + AFTER DELETE TRIGGER Horizontale Partitionierung Person Name Anschrift ID PRIMARY KEY(ID), BEFORE INSERT + BEFORE UPDATE TRIGGER Kunde Name Anschrift KNr Limit ID PRIMARY KEY(ID), BEFORE INSERT +AFTER UPDATE TRIGGER 1-15

16 Motivation für ORDM - Methoden Relationale Umsetzung: Typspezifische, immer wieder benötigte Funktionen redundant in Anwendungsprogrammen implementiert Nachteile Höhere Fehlerquote Schlechtere Wartbarkeit (Basiswissen zerstreut über DB und Anwendungen) Höhere Netzwerkbelastung & schlechtere Performance z.b. Finden von angrenzenden Grundstücken: Grundstück- Objekten werden in die Anwendung übertragen, obwohl nur vier Grundstücke relevant sind 1-16

17 Datenbankunterstützung und Erweiterbarkeit A-F This is a text document describ This is a text the usefulnes of document describ database technol This is a text the usefulnes of... document database describ technol the usefulnes of... database technol... Klassische und Non-Standard-Anwendungsgebiete für objektrelationale, erweiterbare Datenbanken 1-17

18 Prinzip der Erweiterbarkeit Erweiterung des Datenmodells um anwendungsspezifische Datentypen Geometrieobjekte, digitalisierte Bildobjekte oder Audiodaten,... Erweiterung der Anfragesprache um neue Operationen passend zu den neuen Datentypen Schnitt zweier Geometrieobjekte, Finden ähnlicher Bilder,... Erweiterung um passende Methoden des physischen Datenbankentwurfs R-Baum, Grid-File für Geometrieobjekte, Multidimensionale Indexstrukturen,... Erweiterung der Anfrageoptimierung Benutzerdefinierte Kostenfunktionen für Index und Funktionen 1-18

19 Zentrale Komponenten eines DBMS & Erweiterbarkeit Anfrageverarbeitung und -optimierung Bearbeitung von Anfragen basierend auf neuen Basisdatentypen und benutzerdefinierten Datentypen Berücksichtigung neuer Funktionen und Prädikate bei der Anfrageoptimierung Indexverwaltung Bereitstellung und Verwaltung effizienter Zugriffstrukturen Speicherverwaltung Speicherung von Instanzen neuer Basisdatentypen bzw. benutzerdefinierter Datentypen Umsetzung effizienter Speicherorganisationstechniken 1-19

20 Architekturvarianten Schichtenarchitektur Erweiterungen als Anwendungsprogramme Datenbanken mit Spezialaufsatz GIS/ArcInfo, Monolithische Architektur Integrierte Erweiterungen Spezialsysteme GIS/Smallworld, Altavista, MS Office Erweiterbare Architektur Erweiterungen als Module Funktionen für den Anfrageoptimierer Speicherung spezieller Datenformate Spezielle Zugriffsmethoden Objektrelationale DBMS Oracle, DB2, Informix, Postgres Erweiterung DBMS DBMS + Erweiterung DBMS Erweiterung Erweiterung Erweiterung 1-20

21 Zusammengefasst: Objektrelationale DBMS Ziele Anwendung von Datenbankfunktionalität auf Non-Standard-Daten Evolutionäre Erweiterung relationaler DBMS Integration objektorientierter Konzepte Aufwärtskompatibilität basierend auf SQL Vereinigung der Vorteile relationaler und objektorientierter DBMS Metamorphose von monolithischen Systemen zu Rahmendiensten Datenbanksystem stellt Basisdienste zur Verfügung, z.b. relationale Funktionen, Datenverwaltung, Transaktionssynchronisation, Recovery, Zugriffskontrolle,... Bausteinartige, anwendungsbezogene Ergänzung der Basisdienste durch gekaufte oder selbst entwickelte Erweiterungsmodule 1-21