Benutzer. Dateiverwaltung

Transkript

1 1.4 Datenbanksysteme u. ihre Eigenschaften und Terminologie im Überblick Datenbank/Datenbanksystem/Datenbank-Verwaltungssystem (DBVS, DBMS) Begriffliche Abgrenzung und Einordnung Client liegt üblicherweise auf separatem DB-Server Datenbank- Verwaltungssystem (DBVS) B S Datenbank Benutzer Dateiverwaltung DBVS DBMS Datenbanksystem Client- Server Bemerkung dazu: DBVS* (auch Database Management System (DBMS) genannt) verwaltet den Datenbestand; alle Zugriffe zum Datenbestand (anlegen, lesen, einfügen, ändern, löschen) gehen ausschließlich über das DBVS, d.h. DBVS übt vollständig Kontrolle über Datenbestand aus * in seltenen Fällen auch Datenbank-Betriebssystem genannt Datenbanksysteme 1 32

2 Datenbank = strukturierte Sammlung von Datensätzen, i.d.r. auf Magnetplatte gespeichert. Ablage entweder in vom Betriebssystem verwalteten Dateien (üblicherweise) oder auch unter Umgehung des Dateisystems auf sog. raw devices. (Wir gehen im folgenden von der Ablage in Dateien aus.) Neben den Primärdaten enthält die Datenbank je nach Entwicklungsstand der Technologie! noch weitere Informationen (hier nur kurz angedeutet): - Indexe (Zugriffspfade) - Beschreibungsinformation zu den Daten ( Metadaten, Datenbankkatalog (, Data Dictionary)): Feldlängen, -namen, - typen, Datensatz(typ)namen, Informationen über Zugriffsberechtigungen usw. usf. Datenbankinhalt somit weitgehend selbstbeschreibend, DBVS interpretiert Datenbankinhalt mittels des Datenbankkatalogs, Benutzer darf ebenfalls (zumindest bei relationalen Datenbanksystemen) auf den Katalog zugreifen und diesen lesen Datenbanksysteme 1 33

3 - Integritätsbedingungen, die für die Daten erfüllt sein sollen und deren Einhaltung vom DBVS überwacht werden soll ( system enforced integrity ) Beispiele: Das Feld Personalnr im Personalstammsatz muss stets einen Wert besitzen, darf also nicht undefiniert/unbekannt ( null ) sein Das Feld Gehalt muss stets 6000 sein Für jede Abteilungsnr im Personalstammsatz muss es stets (genau) einen Abteilungsstammsatz mit gleicher Nummer geben Das Durchschnittsgehalt aller Mitarbeiter einer jeden Abteilung muss stets 5000 sein usw. usf. Abteilungsstammsatz (Typ) 1:n-Beziehung Vater-Sohn-Beziehung Personalstammsatz (Typ) Datenbanksysteme 1 34

4 Aktive Elemente (Aktionen), die es ermöglichen, automatisch (Folge-)Änderungen auf der Datenbank durchzuführen in Abhängigkeit von bestimmten, definierten, eingetretenen Ereignissen: passives Datenbanksystem entwickelt sich weiter zu aktivem Datenbanksystem (erst in jüngerer Zeit anzutreffen) Beispiele: - Immer wenn ein Abteilungsstammsatz gelöscht wird, sollen auch automatisch die Personalstammsätze der zugehörigen Mitarbeiter gelöscht werden (ohne dass der Benutzer dies explizit veranlassen muss, sondern Folgeänderungen automatisch/implizit) - Immer wenn eine Änderung an Personalstammsätzen (durch den Benutzer) geschieht, soll automatisch ein Protokollsatz erstellt und geschrieben werden ( zu Revisionszwecken) - Immer wenn eine Gehaltsänderung (durch den Benutzer) geschieht im Personalstammsatz oder ein neuer Personalstammsatz hinzukommt oder einer gelöscht wird, soll das Feld DurchschnittsgehaltAbteilung im Abteilungsstammsatz automatisch aktualisiert werden Datenbanksysteme 1 35

5 Programme, gespeicherte Prozeduren ( stored procedures ), die in der Datenbank hinterlegt sind und bei Aufruf auf der Datenbank ablaufen wird später detaillierter erklärt konkrete Datenbank + DBVS = Datenbanksystem Wir werden versuchen, in der Vorlesung diese Begriffsbildung einigermaßen konsequent beizubehalten; in der Literatur / im umgangssprachlichen Gebrauch wird s nicht immer so genau unterschieden, vor allem Datenbanksystem und DBVS oftmals synonym verwendet (gerade noch akzeptabel). Nicht mehr akzeptabel: richtig - Welche Datenbank setzen Sie ein?... welches Datenbank-Verwaltungssystem/Datenbanksystem - Wir haben letzte Woche die Oracle-Datenbank bei uns im richtig Unternehmen implementiert.... das DBVS Oracle installiert Datenbanksysteme 1 36

6 1.5 Architekturen im DB-Umfeld Wozu Architekturen? Strukturierung des Chaos (beispielsweise eines konkreten, komplexen Softwaresystems) Unterscheidung zwischen verschiedenen Sichtweisen eines Systems (Benutzersicht, Administratorsicht...), Festlegung einer Systemstruktur, bestehend aus Komponenten, Ebenen, Schnittstellen (Speziell bei Datenbanksystemen) zusätzlich: Architekturen als ein Mittel zur Realisierung eines möglichst hohen Grades an Datenunabhängigkeit durch Separierung verschiedener Ebenen/Komponenten ANSI/SPARC-Architektur Entstanden in den 1970er Jahren Unterscheidung zwischen drei Ebenen: - externes Schema - konzeptuelles Schema - internes Schema Datenbanksysteme 1 37

7 Bildlich dargestellt: Anw./Benutzer Anw./Benutzer Externe Sichten externes Schema 1 externes Schema n Externe Ebene Konzeptuelle Sicht konzeptuelles Schema Konzeptuelle Ebene Interne Sicht internes Schema Interne Ebene Erläuterungen: Internes Schema: Wie? gespeichert Beschreibt (systemspezifisch (DBVS)) die interne, physische Darstellung der Daten: wie und wo genau abgelegt, internes Satzformat, Zugriffspfade, ggf. Verweisstrukturen etc. für die gesamte Datenbank Konzeptuelles Schema: Was? Gesamtdarstellung des Datenmodells auf logischer, (möglichst) systemunabhängiger und anwendungsunabhängiger Ebene, beispielsweise in relationaler Darstellung (Tabellen, Attribute, Beziehungen) oder noch höherer Abstraktionsebene (Entity-Relationship) Datenbanksysteme 1 38

8 externe Schemata: Wie dem Benutzer präsentiert? (Teil-)Sichten auf den Datenbestand, wie von Anwendungen/Benutzern benötigt (Bsp.: Personalabteilung benötigt andere Sicht / anderen Detaillierungsgrad als etwa Top-Management oder der einzelne Mitarbeiter), im Fall eines relationalen Datenbanksystems über Views realisierbar Wer muss was kennen? Benutzer Anwendungsadministrator Datenbankadministrator Datenbankadministrator: Legt zusammen mit Anwendungsadministratoren konzeptuelles Schema fest, legt internes Schema fest, kennt nicht unbedingt externe Schemata Anwendungsadministrator: Legt zusammen mit Datenbankadministrator konzeptuelles Schema fest, legt externe Schemata fest, kennt internes Schema nicht Benutzer: ( Endbenutzer ) kennt sein externes Schema, stellt Datenbankanfragen gegen dieses Schema, kennt sonst nichts weiter Datenbanksysteme 1 39

9 virtuelles Attribut Inwiefern Datenunabhängigkeit? Änderungen am internen Schema einer Datenbank (neue Platzierung der Daten, andere Speichermedien, neue Zugriffspfade oder Änderungen der Z. (Hash Baum als ein Beispiel)) haben keine Auswirkungen auf konzeptuelles/externe Schemata; vor allem die Anwendungen (Programme, in denen auf das externe Schema Bezug genommen wird) bleiben unbeeinflusst! Änderungen am konzeptuellen Schema (z.b. Definition neuer Tabellen, zusätzlicher Attribute, neuer Beziehungen) können gegenüber externen Schemata verborgen werden, auch Neuzuordnungen von Attributen zu Tabellen (im relationalen Fall) lediglich die Sicht- (View-)Definition muss vom Anwendungsadministrator angepasst werden u.u. kann sogar das Wegfallen eines Attributs nach oben maskiert werden (Bsp.: Attribut DurchschnittsGehalt/Abteilung in Abteilungstabelle entfällt, wird statt dessen aus Daten der Personaltabelle jeweils berechnet) hat aber, wie man sieht, Grenzen Datenbanksysteme 1 40

10 Datenbanksystemunabhängigkeit Ziel: Gar keine / möglichst wenig Änderungen für ein Unternehmen beim Übergang von DBVS-Produkt x zu DBVS-Produkt y Betrachtung hier für den relationalen Fall internes Schema (Zugriffspfad definieren, Festlegung des Ortes der Datenabspeicherung etc.) muss angepasst werden, da Systemspezifika nicht genügend von der SQL-Norm erfasst werden (können) konzeptuelles Schema kann falls normkonform entwickelt unverändert bleiben externe Schemata ebenso N.B.: Normkonformität heißt Verzicht auf die Benutzung herstellerspezifischer SQL-Erweiterungen und Spezialitäten erfordert Programmier-/Entwicklungsrichtlinien im Unternehmen (bzw. man kann teils dem DBVS auch sagen, dass bei der Übersetzung von Programmen mit eingebetteten SQL-Anweisungen der (SQL-)Compiler nur normkonforme SQL-Anweisungen akzeptieren soll) Datenbanksysteme 1 41

11 Beispiel zu den Beziehungen zwischen der ANSI/SPARC-Architektur und Gegebenheiten relationaler Datenbanksysteme 1. Konzeptuelles Schema = relationales DB-Schema Informationen über Autoren und Bücher BUCH BuchId Titel Jahr ISBN ADAxx Hundezucht Basistabellen AUTOR BuchId Nr Name Winkler Küspert Beckstein Unterstrichen = Schlüssel Datenbanksysteme 1 42

12 2. (Ein) externes Schema = relationale Sicht (View) TITEL Name Nr Titel Jahr ISBN Winkler Küspert Beckstein ADAxx Hundezucht Hundezucht Virtuelle Tabelle CREATE SELECT FROM WHERE VIEW TITEL AS Name, Nr, Titel, Jahr, ISBN BUCH, AUTOR BUCH.BuchID = AUTOR.BuchID Datenbanksysteme 1 43

13 hoher Grad an Datenunabhängigkeit Benutzer kann mit Sicht (View) TITEL arbeiten, ohne zu kennen, wie diese (aus den Basistabellen BUCH und AUTOR) entstanden ist; er muss nicht einmal die Basistabellen und deren Namen/Schemata kennen bzw. die Tatsache, dass er mit einer Sicht und nicht mit einer Basistabelle arbeitet, kann ihm sogar verborgen bleiben / egal sein Basistabellen können sich strukturell ändern, ohne dass Sicht und damit Benutzer betroffen ist lediglich Sichtdefinition (CREATE VIEW...) muss ggf. (vom Anwendungsadministrator) angepasst werden Problematisch wird s allerdings u.u. bei Änderungen der in Sichten enthaltenen Daten (kurz: bei Änderungen auf Sichten ) Semantik bzw. Rückabbildung auf Basistabellen z.t. unklar bzw. unmöglich View-Update-Problem (kommt natürlich später noch mal in Ruhe ) Datenbanksysteme 1 44

14 3. Internes Schema = physische Realisierung Schneller wahlfreier und auch sortierter Zugriff auf AUTOR über Name erforderlich: Spalte Attribut Zugriffspfad Index Beckstein Küspert Winkler B*-Baum Winkler Beckstein Küspert CREATE INDEX Beppo ON AUTOR (Name) Schneller wahlfreier Zugriff auf BUCH über ISBN erforderlich CREATE UNIQUE INDEX Hugo ON BUCH(ISBN) Hier könnte falls vom DBVS angeboten auch eine Hashtabelle angelegt werden, da lediglich wahlfreier Zugriff gefordert 1. Ich brauche schnellen Zugriff ISBNs auf BUCH eindeutig Datenbanksysteme 1 45

15 Änderungen am internen Schema haben keinen Einfluss auf konzeptuelles Schema, externe Schemata oder gar Benutzer lediglich Performance-Unterschied Last-Charakterista bestimmen internes Schema (Workload!) Abschlussbemerkung zur ANSI/SPARC-Architektur: Sie zielt darauf ab, zwischen verschiedenen Betrachtungsweisen/-ebenen einer Datenbank zu unterscheiden (für die es auch Äquivalente im Datenbanksprachbereich (siehe SQL oben) gibt), nicht aber auf die Strukturierung/ Ebenenunterteilung eines DBVS!! Datenbanksysteme 1 46

16 1.5.2 DIAM-Modell und Weiterentwicklungen DIAM = Data Independent Accessing Model Michael Senko, IBM San Jose, Cal., 1973 (später erweitert, s.u.) Ursprünglicher Ansatz (4 Ebenen) Originalbegriff entity set model string model encoding model physical device model Umschreibung logische, anw.neutrale Datenstrukturen logische Zugriffspfade (Indexe) Speicherungsstrukturen, phys. Zug. Speicherzuordnungsstrukturen Erläuterungen dazu: 1. Entity (Entität): Ding /Objekt der realen Welt, das es in der Datenbank darzustellen/zu verwalten gilt, zu modellierende Informationseinheit Auf der obersten Ebene unseres 4-Schichten-Modells werden also Objektmengen (Entitätsmengen) dargestellt und vom DBVS verwaltet Datenbanksysteme 1 47

17 2. String Model (nicht so arg treffender Begriff ): DBVS kennt hier logische Zugriffspfade, z.b.: es gibt einen Index auf Attribut PNR; die Datensätze sind intern nach ANR sortiert abgelegt etc. Realisierung der Zugriffspfade/exakte Datensatzformate dagegen hierbei uninteressant 3. Encoding Model: Art, wie die Daten kodiert sind, d.h. im Speicher physisch dargestellt, z.b.: Index auf PNR ist B*-Baum mit fest langen Einträgen zu jeweils 4 Bytes; die Felder eines Datensatzes sind fortlaufend ( dicht ) gespeichert, variabel langen Feldern geht jeweils ein 2-Byte-Längenfeld voran etc. 4. Physical Device Model: Datenzuordnung zum Dateisystem/Magnetplatte, z.b.: Tabelle Personal steht in Datei xyz auf Platte D001, Index Personal PNR ebenso etc. Datenbanksysteme 1 48

18 Betriebssystem/ Dateisystem Datenbank-Verwaltungssystem (DBVS) Anwendung deskriptiv WAS Datensystem WIE prozedural Zugriffssystem Speichersystem Pufferverwaltung Betriebssystem/ Dateiverwaltung Weiterentwicklung von DIAM Anwendungsprogramme/Benutzer SELECT FROM WHERE Anfrageübersetzung/-optimierung Zugriffspfadauswahl Zugriffskontrolle/Integritätskontrolle FINDE nächsten Satz SPEICHERE Satz (log.) Katalogverwaltung Sortierkomponente Sperrverwaltung SPEICHERE internen Satz FÜGE Eintrag im B*-Baum ein Record Manager Zugriffspfadverwaltung Logging/Recovery (Fehlerbeh.komp.) BEREITSTELLEN Seite j FREIGEBEN Seite j Systempufferverwaltung (Buffer Manager) LIES Block k SCHREIBE Block k Externspeicherverwaltung/Dateiverwaltung Query Optimizer aufgezeigt am Beispiel eines relationalen Datenbanksystems deskriptive, mengenorientierte Schnittstelle (z.b. SQL) satzorientierte Schnittstelle (log.) interne Satzschnittstelle (phys.) Systempufferschnittstelle Dateischnittstelle Härder/Rahm 2001 DB Datenbanksysteme 1 49

19 Erläuterungen zur 5-Schichten-Architektur Datensystem: Übersetzung (Kompilation oder Interpretation) der deskriptiven, mengenorientierten Datenbankanweisung in einen prozedural abzuarbeitenden Ablaufplan; Bestimmung des optimalen Ablaufplans (Gesamtkosten = f (CPU-Zeit-Bedarf + E/A-Aufwand) unter Einbeziehung von Zugriffspfaden; Zugriffs- und Integritätskontrolle (soweit ohne Datenzugriff machbar) Zugriffssystem + Speichersystem: Verwaltung des Datenbankkatalogs ( Metadaten); Ausführung von Sortiervorgängen (falls in Anfrage spezifiziert oder falls aus internen Gründen Sortieren (aus Kostengründen) empfehlenswert); Verwaltung von Datensätzen mit Abbildung in Container (DB-Seiten genannt) sowie von Zugriffspfaden (B*-Bäume, Hashtabellen), ebenfalls mit Abbildung in DB-Seiten; Kontrolle des Mehrbenutzerbetriebs (Sperrverwaltung, concurrency control ); Treffen von Vorkehrungen für den Fehlerfall / Ermöglichen des Wiederanlaufs unter Konsistenzgesichtspunkten (Logging/Recovery) Datenbanksysteme 1 50

20 Systempufferverwaltung: Realisierung eines Datenpuffers (Systempuffer, Cache) im Speicher des Verarbeitungsrechners mit dem Ziel, Plattenzugriffe möglichst zu vermeiden (Zeit für Plattenzugriffe liegt im ms-bereich 4-5 Zehnerpotenzen teurer als Datenzugriffe im internen Speicher); Schreiben von Daten auf die Platte (via Dateisystem) veranlassen Externspeicherverwaltung/Dateiverwaltung: Teil des Betriebssystems, Funktionalität bekannt Die vorgenannte Architektur ist eine mögliche Architektur für (relationale) Datenbanksysteme; so oder in ähnlicher Form in den meisten Produkten anzutreffen ( erfunden worden im System R Projekt); auch hierarchische und Netzwerk-Datenbanksysteme entsprechen in großen Teilen (bis auf Datensystem) dieser Architektur Datenbanksysteme 1 51

21 Zusammenfassung / Hilites zu Kap. 1 Datenhaltungsfragestellungen allgegenwärtig in betriebswirtschaftlichen Anwendungen sowie in Non-Standard-Anwendungen (Büro, Technik, Wissenschaft) DBMS-Technologie soll wesentliche Anforderungen erfüllen in bezug auf (u.a.) Datenunabhängigkeit, Flexibilität/Einfachheit/Mächtigkeit des Datenzugriffs, Datenverfügbarkeit, Sicherheit vor Datenverlust, Datenintegrität, Zugriffskontrolle, Mehrbenutzerbetrieb... Dateisysteme (allein) können diese Anforderungen nicht oder nur in Teilen erfüllen (N.B.: Dennoch darf DBMS-Technologie natürlich Dateiverwaltung nach unten benutzen.) Viele Probleme treten erst bei großen Datenbeständen / vielen parallelen Benutzern / bei hohen Verfügbarkeitsanforderungen massiv in Erscheinung Fälle der Praxis! Begriffe:DBMS(=DBVS), DB, DBS in Rolle und Zusammenspiel Architekturen wesentlich zum Verständnis/Einordnung: - 3-Schichten-Architektur ANSI/SPARC - DIAM 4-Schichten-Architektur - Erweiterte/verfeinerte DIAM-Architektur Datenbanksysteme 1 52