Datenbank - Grundlagen

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1 Datenbank - Grundlagen H.-G. Hopf Georg-Simon-Ohm Fachhochschule Nürnberg Datenbank-Grundlagen / 1 Η. G.Hopf /

2 Motivation Aufgabe: Ablage und Verwaltung von Informationen in Zusammenhang mit einem digitalen Multimedia-Dateien- Archiv Beispiele für Multimedia-Dateien:» digitale Bilder,» Soundclips,» Movieclips,»... Datenbank-Grundlagen / 2 Η. G.Hopf /

3 Motivation Lösung: Ablage von Multimedia-Dateien im Filesystem Datenbank-Grundlagen / 3 Η. G.Hopf /

4 Motivation Nachteile der Lösung:» Schwierigkeiten Ordnungsschema zu finden» Eingeschränkte Möglichkeit Informationen über Multimedia-Dateien abzulegen» Schlechte Suchmöglichkeiten» eventuell redundante Datenhaltung» keine Mechanismen zur Sicherung von Datenintegrität» keine Zugriffskontrolle Datenbank-Grundlagen / 4 Η. G.Hopf /

5 Motivation Benutzer Benutzer Benutzer Benutzer Benutzer Benutzer Betriebssystem Datenbanksystem Daten Daten Daten Daten Datei Datei Datei Datei Daten Daten Daten Daten Datenbank-Grundlagen / 5 Η. G.Hopf /

6 Inhaltsverzeichnis Begriffserklärung Datenbank-Architektur Klassifikation von Datenbanksystemen DBMS Marktübersicht Datenbank-Grundlagen / 6 Η. G.Hopf /

7 Inhaltsverzeichnis Begriffserklärung Datenbank-Architektur Klassifikation von Datenbanksystemen DBMS Marktübersicht Datenbank-Grundlagen / 7 Η. G.Hopf /

8 Begriffserklärung Datenbanksystem DBS DB Datenbankmanagementsystem DBMS Datenbasis Datenbank Datenbankanwendung Datenbank-Grundlagen / 8 Η. G.Hopf /

9 Begriffserklärung Datenbanksystem Ein Datenbanksystem (DBS) ist ein System zur Beschreibung persistenten Speicherung zuverlässigen und unabhängigen Verwaltung komfortablen, flexiblen und geschützten Verwendung (Wiedergewinnung) von umfangreichen Datenmengen (Informationen), die von mehreren Anwendungsprogrammen, eventuell auch gleichzeitig, genutzt werden. Datenbank-Grundlagen / 9 Η. G.Hopf /

10 Begriffserklärung Datenbanksystem» persistente Speicherung bedeutet, dass die Daten dauerhaft verfügbar sein sollen.» Zuverlässige Verwaltung bedeutet, dass die Konsistenz und die Integrität der Daten sichergestellt ist.» Unabhängige Verwaltung besagt, dass Anwendungen weitgehend von dem Datenbanksystem unabhängig sind. Datenbank-Grundlagen / 10 Η. G.Hopf /

11 Begriffserklärung Datenbanksystem» Komfortable Verwendung bedeutet, dass über höhere Programmiersprachen (höhere, abstrakte Schnittstelle) auf die Datenbank zugegriffen werden kann.» Flexible Verwendung bedeutet, dass mit einer ad-hoc Abfragesprache, ohne Programmierung, auf die Daten zugegriffen werden kann.» Geschützte Verwendung bedeutet, dass die Daten vor unberechtigtem Zugriff gesichert sind. Datenbank-Grundlagen / 11 Η. G.Hopf /

12 Begriffserklärung Systemkomponenten Eine Datenbank besteht aus einer: Datenbasis Datenverwaltung Datenbank-Grundlagen / 12 Η. G.Hopf /

13 Begriffserklärung Systemkomponenten Benutzer 1 Benutzer 2 Benutzer 3 Datenbasis Benutzer.. Benutzer.. Benutzer n Datenverwaltung Datenbank-Grundlagen / 13 Η. G.Hopf /

14 Begriffserklärung Datenbasis Benutzer 1 Datenbasis Benutzer 2 Benutzer 3 Benutzer.. Benutzer.. Benutzer n Datenbank-Grundlagen / 14 Η. G.Hopf /

15 Begriffserklärung Datenbasis» Die Datenbasis enthält die Gesamtheit der Daten eines Anwendungsbereichs.» Die Datenbasis kann für verschiedene Anwendungen in weitgehend unabhängigen Datengruppen zusammengefaßt sein.» Der Datenbestand der Datenbasis ist auf Dauer angelegt. Datenbank-Grundlagen / 15 Η. G.Hopf /

16 Begriffserklärung Datenverwaltung Die Datenverwaltung erlaubt mehreren Benutzern gleichzeitig mit dem unter Umständen teilweise gemeinsamen Datenbestand zu arbeiten; insbesondere ermöglicht die Datenverwaltung:» das Abspeichern von Daten» den Zugriff auf die Daten» das Verändern von Daten» die Organisation der Daten» den Schutz der Daten vor unsachgemäßer oder nicht erlaubter Benutzung Datenbank-Grundlagen / 16 Η. G.Hopf /

17 Begriffserklärung Problem: Lost-Update» Zwei Benutzer greifen unabhängig voneinander lesend auf das gleiche Datenelement zurück.» Der eine Benutzer ändert den Wert auf W1, der andere Benutzer ändert den gerade modifizierten Wert auf W2, ohne die Modifikation des ersten Benutzers zu berücksichtigen.» Damit ist der Wert W1 des ersten Benutzers verloren. Datenbank-Grundlagen / 17 Η. G.Hopf /

18 Begriffserklärung Problem: Inconsistent Analysis (dirty read)» Ein Benutzer greift lesend ein anderer Benutzer greift schreibend auf eine Menge von Daten zu.» Der lesende Benutzer kann jetzt Daten lesen, Die durch den 2. Benutzer ungeändert bleiben Die nach dem Lesen durch den 2. Benutzer geändert werden, Die vor dem Lesen schon durch den zweiten Benutzer geändert wurden.» Damit ist das Leseergebnis inkonsistent Datenbank-Grundlagen / 18 Η. G.Hopf /

19 Begriffserklärung Datenbankmanagementsystem (DBMS)» Verwaltungsprogramme, die die Datenverwaltung ermöglichen, bilden das Datenbankmanagementsystem DBMS.» Das DBMS verwaltet und kontrolliert zentral die abgelegten Datenbestände. Datenbank-Grundlagen / 19 Η. G.Hopf /

20 Begriffserklärung Datenbankanwendung Beispiel für ein datenbankgestütztes Werkzeug: Datenbank-Grundlagen / 20 Η. G.Hopf /

21 Inhaltsverzeichnis Begriffserklärung Datenbank-Architektur Klassifikation von Datenbanksystemen DBMS Marktübersicht Datenbank-Grundlagen / 21 Η. G.Hopf /

22 Betrachtungsebenen für Information Wenn man von Information bzw. Daten spricht, meint man nicht immer das gleiche. Es gibt verschiedene Betrachtungsebenen. Es ist wichtig sich Klarheit über die Betrachtungsebenen von Information und Daten zu verschaffen. Dazu muss man festlegen, von welcher Betrachtungsebene man spricht. Datenbank-Grundlagen / 22 Η. G.Hopf /

23 Betrachtungsebenen für Information Reale Welt: Datenbank-Grundlagen / 23 Η. G.Hopf /

24 Betrachtungsebenen für Information Reale Welt beschrieben durch Informationen: Die Beschreibung der realen Welt geschieht in zwei Schritten. Abstraktion Repräsentation Datenbank-Grundlagen / 24 Η. G.Hopf /

25 Betrachtungsebenen für Information Abstraktion: Die reale Welt wird in einer ersten Abstraktion beschrieben durch (unter bestimmten Gesichtspunkten) relevante Information. Datenbank-Grundlagen / 25 Η. G.Hopf /

26 Information Information wird definiert als zielgerichtetes und zweckorientiertes Wissen. Information nimmt die Stellung einer Grundkategorie neben Energie und Materie ein. Information ist Gegenstand der Übermittlung,Vermittlung, Verarbeitung Speicherung. Datenbank-Grundlagen / 26 Η. G.Hopf /

27 Information, für die Übermittlung und Aneignung»in Form gebrachtes«wissen, wie Mitteilungen, Nachrichten, Messwerte, Daten, im Allgemeinen zur Beseitigung einer Ungewissheit. In der Informatik werden insbesondere Informationen betrachtet, die Gegenstand von Speicherung, Verarbeitung und Übertragung sind, meist dargestellt als eine Folge von Zeichen aus einem bestimmten Zeichenvorrat (z. B. einem Alphabet). Quelle: Der Brockhaus Computer und Informationstechnologie. Mannheim: F.A. Brockhaus Bibliographisches Institut F. A. Brockhaus AG, Mannheim Datenbank-Grundlagen / 27 Η. G.Hopf /

28 Betrachtungsebenen für Information Repräsentation: Zur Verarbeitung von Information muss diese dargestellt werden. Die verarbeitungsgerechte Darstellung von Information nennt man Daten. Datenbank-Grundlagen / 29 Η. G.Hopf /

29 Betrachtungsebenen für Information Konzeptionelle / logische Darstellung von Information: Auf der konzeptionellen / logischen Ebene wird eine konkrete Aussage (Situation) verallgemeinert. Das schlägt sich in der Formulierung von Datenmodellen nieder. Aus einem Datenmodell wird eine Datenstruktur abgeleitet. Datenbank-Grundlagen / 30 Η. G.Hopf /

30 Ein Datenmodell ist eine strukturierte Darstellung von Informationen aus einem wohldefinierten, abgegrenzten Informationsbereich. Abteilung bearbeitet Projekt Datenmodellierung ist eine formale Methode, ein Datenmodell zu generieren. Datenbank-Grundlagen / 31 Η. G.Hopf /

31 Spezifische Darstellungen eines Informationsbereichs ergeben eine Menge von Daten einer bestimmten Datenstruktur. Eine Datenstruktur ist eine Implementierung / Realisierung eines Datenmodells (z.b. in Form einer Tabelle). Abt. Abt. 1 Abt. 1 Abt. 2 Abt. 2 Projekt Projekt 1 Projekt 2 Projekt 2 Projekt 1 Datenbank-Grundlagen / 32 Η. G.Hopf /

32 Betrachtungsebenen für Information Physische Darstellung von Information: Auf dieser Ebene erfolgt die Repräsentation der Information in Speicherstrukturen (z.b. Datensatz in einer Datei). Von Interesse ist die konkrete, physische Datenorganisation: gekettete / dichte Speicherung indizierte Speicherung Speicherung mit Datenverdichtung... Die Information präsentiert sich in der Sicht des Entwicklers (Systemprogrammierers). Datenbank-Grundlagen / 33 Η. G.Hopf /

33 Betrachtungsebenen für Information Physikalische Darstellung von Information: Auf dieser Ebene werden technische Eigenschaften beschrieben, die zur Speicherung der Information (Dateien) von Bedeutung sind: Verwendung von Plattenspeicher Speicherung auf Magnetband... Eigenschaften und Besonderheiten des Speichermediums finden hier Beachtung. Datenbank-Grundlagen / 34 Η. G.Hopf /

34 Konstruktionsprinzipien für DBS Datenunabhängigkeit» Physikalische Datenunabhängigkeit» Logische Datenunabhängigkeit Benutzerspezifische Datensicht Strukturierung der Daten Datenintegrität Zeitliche Permanenz Datenbank-Grundlagen / 35 Η. G.Hopf /

35 Konstruktionsprinzipien für DBS Datenunabhängigkeit Die Datenunabhängigkeit soll eine Trennung der Daten von ihrer Anwendung erreichen. Datenbank-Grundlagen / 36 Η. G.Hopf /

36 Konstruktionsprinzipien für DBS Es gibt zwei Aspekte:» Physikalische Datenunabhängigkeit Benutzer und Anwenderprogramme sind nicht von der physischen Datenorganisation abhängig.» Logische Datenunabhängigkeit Benutzer und Anwenderprogramme sind nicht von der logischen (konzeptionellen) Datenorganisation abhängig. Datenbank-Grundlagen / 37 Η. G.Hopf /

37 Konstruktionsprinzipien für DBS Benutzerspezifische Datensicht Der Benutzer sieht nach Form und Menge nur den für ihn relevanten Ausschnitt der Datenbank. Datenbank-Grundlagen / 38 Η. G.Hopf /

38 Konstruktionsprinzipien für DBS Strukturierung der Daten Ziel der Strukturierung ist es, einen überschaubaren inneren Aufbau des Datenbestands zu erreichen. Dieser ist charakterisiert durch:» die Vermeidung von ungeordneter Mehrfachspeicherung» die Möglichkeit zur Erweiterung, d.h. der Integration neuer Benutzer-/Anwender- Bedürfnisse Datenbank-Grundlagen / 39 Η. G.Hopf /

39 Konstruktionsprinzipien für DBS Datenintegrität Wesentliche Gesichtspunkte der Datenintegrität sind:» Datenkonsistenz (innerer Aufbau)» Datensicherung (Schutz vor Verlust)» Datenschutz (Schutz vor kriminellen Aktivitäten) Datenbank-Grundlagen / 40 Η. G.Hopf /

40 Konstruktionsprinzipien für DBS Zeitliche Permanenz Die Berücksichtigung dieses Aspekts soll die dauerhafte Nutzung der Daten gewährleisten:» technische Neuerungen» physikalische Lebensdauer Datenbank-Grundlagen / 41 Η. G.Hopf /

41 Das ANSI-SPARC 3 Schema-Konzept Abkürzungen: ANSI: American National Standards Institute SPARC: System Planning and Requirements Committee Datenbank-Grundlagen / 42 Η. G.Hopf /

42 Anwender-Ebene Benutzerspez. Datensicht externe Ebene Logische Datenunabhängigkeit Logische Ebene Physikalische Datenunabhängigkeit Interne Ebene Anwendung Anwendung Anwendung Externe Sicht Konzeptionelle / logische Sicht Interne Sicht / physische Sicht Physikalsche Sicht Datenbank-Grundlagen / 43 Η. G.Hopf /

43 3 Ebenen-Konzept Anwender-Ebene Externe Ebene Anwendung Anwendung Anwendung Externe Sicht Logische Ebene Konzeptionelle / logische Sicht Interne Ebene Interne Sicht / physische Sicht Physikalsche Sicht Datenbank-Grundlagen / 44 Η. G.Hopf /

44 Das ANSI-SPARC 3 Schema-Konzept Zur Formalisierung der Beschreibung einer Sicht dient ein sogenanntes Schema. Ein Schema ist eine, in einer Datenbeschreibungssprache / Datendefinitionssprache (DDL - data definition language) abgefaßte Definition der in einer Datenbank und der jeweils betrachteten Ebene zugelassenen Datenstrukturen. Datenbank-Grundlagen / 45 Η. G.Hopf /

45 Das ANSI-SPARC 3 Schema-Konzept Ebene (level) Sicht (view) externe Ebene (external level) konzeptionelle / logische Ebene (conceptual level) interne Ebene (internal level) zusammengesetzt aus individuellen Benutzersichten (individual user view) Integration aller individuellen Benutzersichten zu einer vereinheitlichten Gesamtsicht (community view) Speichersicht (storage view) Datenbank-Grundlagen / 46 Η. G.Hopf /

46 Datenbank-Grundlagen / 47 Η. G.Hopf /

47 Anwender Anwender-Ebene Externe Ebene Logische Ebene DBS Interne Ebene Datenbank-Grundlagen / 48 Η. G.Hopf /

48 Datenbank-Grundlagen / 50 Η. G.Hopf /

49 Datenbankverwaltung Das Datenbankmanagementsystem (DBMS - data base management system)» stellt Systemroutinen für alle Datenbankverwaltungsfunktionen zur Verfügung» bildet damit die eigentliche (universelle) Benutzerschnittstelle des Datenbanksystems Datenbank-Grundlagen / 51 Η. G.Hopf /

50 Hilfsprogramme zur Datenbankverwaltung sind z.b.:» Backup-Routinen zum Erzeugen eines Datenbankabzugs (Import/Export)» Lade-Routinen zum Erzeugen einer lauffähigen Datenbank auf Basis von ausgelagerten Dateien (Loader)» Reorganisations-Routinen, um Daten in der Datenbank nach Performanceaspekten neu zu organisieren Datenbank-Grundlagen / 52 Η. G.Hopf /

51 Hilfsprogramme zur Datenbankverwaltung sind z.b.:» Statistik-Routinen zum Erzeugen von: Tabellen-/Datei-Größestatistiken Performancestatistiken Zugriffsstatistiken» Analyse-Routinen, um Statistiken zu analysieren Datenbank-Grundlagen / 53 Η. G.Hopf /

52 Vom DBMS benötigte Verwaltungsdaten werden ebenfalls in der Datenbank abgelegt. Die hierfür vorbereitete Struktur ist das Data Dictionary (DD, data dictionary, system catalog). Das Data Dictionary:» enthält alle Informationen über die interne Struktur des verwalteten Datenbestandes.» enthält die sog. Meta-Information über die Struktur der Datenbank. Datenbank-Grundlagen / 54 Η. G.Hopf /

53 Inhaltsverzeichnis Begriffserklärung Datenbank-Architektur Klassifikation von Datenbanksystemen DBMS Marktübersicht Datenbank-Grundlagen / 55 Η. G.Hopf /

54 Klassifikation von DBS Hierarchische Datenbank Netzwerk - Datenbank Relationale Datenbank Objektorientierte Datenbank Objektrelationale Datenbanken Datenbank-Grundlagen / 56 Η. G.Hopf /

55 Inhaltsverzeichnis Begriffserklärung Datenbank-Architektur Klassifikation von Datenbanksystemen DBMS Marktübersicht Datenbank-Grundlagen / 84 Η. G.Hopf /

56 Datenbank-Grundlagen / 92 Η. G.Hopf /

57 DBMS Marktübersicht Oracle IBM Microsoft Informix Sybase andere : aus Computer Zeitung, 29/2000 und 22/2001 ( ) : aus Computer Reseller News / IDC ( ) Datenbank-Grundlagen / 94 Η. G.Hopf /

58 DBMS Marktübersicht Weltweiter Umsatz mit Datenbanken im Jahr 2000: 8.8 Milliarden Dollar im Jahr 2003: 13.6 Milliarden Dollar im Jahr 2008: 20.0 Milliarden Dollar Datenbank-Grundlagen / 95 Η. G.Hopf /

59 DBMS market overview Kostenlose SQL-Engines» Firebird 1.5» MSDE 2000» MySQL/MyISAM» MySQL/InnoDB»PostgreSQL8»OracleXE from ct, 20/2002 ( ) Datenbank-Grundlagen / 97 Η. G.Hopf /

60 Zusammenfassung Datenbanken sind das Fundament jedes betrieblichen Informationssystems. In den 80er Jahren haben sich relationale Systeme durchgesetzt und damit ein Konzept, das eine theoretische Grundlage hat in der Mathematik der Relationen, ein positiver Umstand, den Praktiker (an)erkennen sollten.... Viel mehr betrübt mich, daß die Informatik viel zu sehr im Arbeitsspeicher denkt, von Datenbankleuten natürlich abgesehen.... Gravierender ist aber, dass viele Bücher über Software- Engineering Datenbanken gar nicht oder unzureichend behandeln. (E. Denert) Datenbank-Grundlagen / 99 Η. G.Hopf /

61 Literatur» A.Kemper, A. Eickler: Datenbanksysteme Eine Einführung; 6. Auflage, Oldenbourg, 2006» J. Gennick: SQL kurz und gut; O Reilly, 2006» C.J. Date: An Introduction to Database Systems, 8th edition; Addison-Wesley, 2004» W.M. Kähler: Relationales und objektrelationales SQL, Vieweg, 1999» A.Heuer, G. Saake: Datenbanken Konzepte und Sprachen; Thomson Publishing, 1995» G. Vossen: Datenmodelle, Datenbanksprachen und Datenbankmanagementsysteme; 2. Auflage, Addison-Wesley, 1994 Datenbank-Grundlagen / 100 Η. G.Hopf /