Datenbanken. Konzepte und Sprachen. Andreas Heuer Gunter Saake BIBLIOTHEK. Zweite, aktualisierte und erweiterte Auflage

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1 Andreas Heuer Gunter Saake Datenbanken Konzepte und Sprachen Zweite, aktualisierte und erweiterte Auflage Technische Universität Darmstadt FACHBEREICH INFORMATIK BIBLIOTHEK Inventar-Nr.: (ljq?) - Sachgebiete: Standort:

2 Inhaltsverzeichnis Vorwort zur zweiten Auflage Vorwort zur ersten Auflage v xi 1 Grundlegende Konzepte Motivation und Historie Komponenten und Funktionen Prinzipien und Aufgaben Aufbau und Funktionen eines Datenbanksystems Einsatzgebiete, Grenzen und Entwicklungstendenzen Wann kommt was? Beispielanwendung Vertiefende Literatur Übungsaufgaben 24 2 Architekturen von Datenbanksystemen 25 : 2.1 Schema-Architektur und Datenunabhängigkeit System-Architekturen ANSI-SPARC-Architektur Fünf-Schichten-Architektur Konkrete System-Architekturen Anwendungsarchitekturen Vertiefende Literatur Übungsaufgaben 44 3 Datenbankmodelle für den Entwurf Grundlagen von Datenbankmodellen Daten und Wertebereiche Semantikfestlegung für Datenbankmodelle Semantikfestlegung am Beispiel Grundlagen von Entity-Relationship-Modellen Grundkonzepte des klassischen ER-Modells Ein einfaches Beispiel für ein ER-Schema 56 xvii

3 3.2.3 ER-Modellierungskonzepte und ihre Semantik Semantik eines ER-Schemas Zweistellige versus mehrstellige Beziehungen Weitere Konzepte im Entity-Relationship-Modell Funktionale Beziehungen Identifizierung durch Schlüssel Abhängige Entity-Typen Die IST-Beziehung Kardinalitäten Optionalität von Attributen und Beziehungen Erweiterungen des ER-Modells um höhere Konzepte Erweiterungen bei Attributen Spezialisierung und Generalisierung Komplexe Objekte Beziehungen höheren Typs Das EER-Modell ein erweitertes ER-Modell Übernommene Grundkonzepte des klassischen ER- Modells Erweiterung bei Wertebereichen Mengenwertige und strukturierte Attribute Der Typkonstruktor: Spezialisierung, Generalisierung, Partitionierung Aggregierung und Sammlung mittels objektwertiger Attribute Erweitertes Schlüsselkonzept Abgeleitete Konzepte Vergleich zu anderen erweiterten ER-Modellen OMT und UML: Objektorientierte Modelle für den Entwurf Überblick über Diagramme in OMT Das Objektmodell von UML Darstellung von Klassen in UML Beziehungen in UML Aggregation in UML Spezialisierung in UML Zusammenfassung und laufendes Beispiel Vertiefende Literatur Übungsaufgaben 103 Datenbankmodelle für die Realisierung Relationenmodell Schemata und Instanzen Integritätsbedingungen Basisoperationen der Relationenalgebra 114

4 4.2 Netzwerkmodell und hierarchisches Modell Das Netzwerkmodell Das hierarchische Modell Erweiterte relationale und semantische Modelle Objektorientierte Modelle inkl. ODMG Konzepte objektorientierter Datenbanken Ein objektorientiertes Datenbankmodell Der ODMG-97-Standard Objektrelationale Datenbanken Einordnung der objektrelationalen Datenbanksysteme Das objektrelationale Datenbankmodell und SQL Objektrelationale Konzepte und Objektorientierung Multidimensionale Datenmodelle Konzepte und Modelle für OLAP und Data Warehouse Prinzipien von Data Warehouse und OLAP-Systemen Data Warehouse und klassische Datenbanken Semistrukturierte Datenbanken Merkmale semistrukturierter Datenmodelle Datenmodelle für semistrukturierte Dokumente Semistrukturierte Daten am Beispiel XML Semistrukturierte Daten in Datenbanken Einordnung sonstiger Datenbankmodelle Vertiefende Literatur Übungsaufgaben 168 Datenbankentwurf Entwurfsaufgabe Phasenmodell Anforderungsanalyse Konzeptioneller Entwurf Verteilungsentwurf Logischer Entwurf Datendefmition Physischer Entwurf Implementierung und Wartung Objektorientierte Entwurfsmethoden Phasenbegleitende Methoden Konzeptioneller Entwurf Konzeptionelles Schema Objektschicht Datenschicht Entwicklungsschicht Aktionsschicht 188 xix

5 5.3.6 Modellierung von Anwendungsprozessen ER-Abbildung auf andere Datenbankmodelle Beispiel für eine Abbildung auf das Relationenmodell Abbildung auf das relationale Modell Abbildung auf das Netzwerkmodell Abbildung auf das hierarchische Modell Abbildung auf neuere Datenmodelle Integration heterogener Datenbanken Integration heterogener Datenbestände Integrationsmethoden und ihre Eignung Integration mittels Aufwärtsvererbung Integration mittels GIM und formaler Begriffsanalyse Vertiefende Literatur Übungsaufgaben Relationaler Datenbankentwurf Funktionale Abhängigkeiten Schema-Eigenschaften Update-Anomalien Normalformen Minimalität Transformationseigenschaften Abhängigkeitstreue Verbundtreue Entwurfsverfahren Ziele Dekompositionsverfahren Syntheseverfahren Verfeinerung des ER-Datenbankentwurfs Mehrwertige Abhängigkeiten Grundlagen Schema-Eigenschaften Transformationseigenschaften Weitere Abhängigkeiten und Verfahren Verbund-und Inklusionsabhängigkeiten Weitere relationale Entwurfsverfahren Y ertiefende Literatur Übungsaufgaben Datenbankdefinition Relationales Modell: SQL-DDL Übersicht über SQL SQL als Definitionssprache 269

6 7.1.3 Die Anweisung create table SQL-89 Level 2 mit IEF create table in SQL Die Anweisungen alter table und drop table Die Anweisung create index Beurteilung von SQL als DDL Netzwerkmodell: CODASYL-DDL Hierarchisches Modell: IMS-DDL Objektorientiertes Modell: ODL Übersicht über die ODL Schnittstellen und Klassen Implementierungs- und Typhierarchie Objektrelationales Modell: SQL Relationale Details Objektrelationale Erweiterungen SQL-99-Pakete Vertiefende Literatur Übungsaufgaben 292 Grundlagen von Anfragen und Änderungen Kriterien für Anfragesprachen Anfragealgebren Konzepte von Anfragealgebren Relationenalgebra NF 2 -Algebra MOLAP-Operationen Andere Algebra-Erweiterungen Anfrage-Kalküle Ein allgemeiner Kalkül Bereichskalkül Tupelkalkül Kalküle für andere Datenmodelle und Erweiterungen Änderungsoperationen Allgemeine Grundprinzipien Relationale Änderungsoperationen Vertiefende Literatur Übungsaufgaben 333 Die relationale Datenbanksprache SQL Kurzeinführung in SQL SQL-Kern Überblick über SQL-Klauseln Die f rom-klausel 341 xxi

7 9.2.3 Die select-klausel Die where-klausel Schachtelung von Anfragen Mengenoperationen Mächtigkeit des SQL-Kerns Weitere Sprachkonstrukte von SQL Operationen auf Wertebereichen Aggregatfunktionen Die group by- und having-klauseln Quantoren und Mengenvergleiche Einsatz des Selbst-Verbunds Die order by-klausel Behandlung von Nullwerten Änderungs-Operationen SQL-Versionen Geschichte von SQL SEQUEL SQL-89 und SQL SQL3 und SQL SQL-99: Die objektrelationale Datenbanksprache Anfragen an Tabellenhierarchien Anfragen an Komponentenhierarchien Vertiefende Literatur Übungsaufgaben Weitere Datenbanksprachen QUELundQBE Die Sprache QUEL Die Sprache QBE MS-Access Andere graphische Anfragesprachen Grenzen und Erweiterungen der bisherigen Sprachen Grenzen relationaler Anfragesprachen Schemaunabhängige Anfragesprachen Der Cube-Operator SQL-Versionen für höhere Datenmodelle Information Retrieval und Volltext-Datenbanken Information Retrieval auf Texten Deskribierung Recherche Bewertung Information-Retrieval-Systeme Texte im SQL-99-Standard 436 xxii

8 10.4 Regelbasierte Anfragesprachen Semantik rekursiver Regeln Die Sprache DATALOG Rekursion in SQL Objektorientierte Anfragesprachen Objektorientierte Anfrageoperationen Anfragen in OQL ODMG-OQL: Object Query Language der ODMG Y ertiefende Literatur Übungsaufgaben Datenbank-An Wendungsprogrammierung Navigierende Ansätze Datenmanipulation im Netzwerkmodell Datenmanipulation im hierarchischen Modell Einbettung von SQL Einbettungstechniken Das Cursor-Konzept Statische Einbettung: Embedded SQL Dynamische Einbettung: Dynamic SQL Weitere Ansätze für SQL-Datenbanken Prozedurale SQL-Erweiterungen Gespeicherte Prozeduren und SQL/PSM ODBC / JDBC und SQLJ GL: DB-Sprachen der vierten Generation Anwendungsprogrammierung für objektorientierte Datenbanken Persistente (objektorientierte) Programmiersprachen ODMG-Bindings Datenbankprogrammiersprachen Vertiefende Literatur Übungsaufgaben Integrität und Trigger Transaktionen und Integritätsüberwachung Architekturen zur Integritätssicherung Integritätssicherung durch Anwendung Integritätsmonitor als Komponente des DBMS Integritätssicherung durch Einkapselung Integritätsbedingungen in SQL Inhärente Integritätsbedingungen im Relationenmodell DDL-Erweiterungen von SQL Die assertion-klausel 504 xxiii

9 Verwaltung und Überprüfung von Bedingungen Klassifikation von Integritätsbedingungen Beispiele für Integritätsbedingungen Mögliche Klassifikationen Integritätsregeln Der ursprüngliche SQL-Sprachvorschlag Integritätsregeln in SQL: Beispiele Trigger und aktive Datenbanken Grundprinzipien von Triggern Trigger in SQL Aktive Datenbanken und ECA-Regeln Methoden der Integritätssicherung Integritätssicherung durch Trigger Integritätssicherung durch Anfragemodifikation Vertiefende Literatur Übungsaufgaben Sichten Motivation und Begriffsbildung Sichten und externe Schemata Definition von Sichten Definition von Sichten in SQL Vorteile von Sichten Probleme mit Sichten Problemklassen anhand relationaler Sichten Kriterien für Änderungen auf Sichten Projektionssichten Selektionssichten Verbundsichten Aggregierungssichten Klassifikation der Problembereiche Behandlung von Sichten in SQL Auswertung von Anfragen an Sichten in SQL Einschränkungen für Sichtänderungen in SQL Sichtänderungen in SQL Sichten in objektorientierten Datenbanken Deklaration von Sichten Klassifikation von Sichtansätzen Operationale Sichtdefinition Strukturelle Sichtdefinition Theorie änderbarer Sichten Instead-Of-Trigger für Sichtänderungen Materialisierte Sichten in Data Warehouses 555 xxiv

10 13.9 Vertiefende Literatur Übungsaufgaben Rechtevergabe und Zugriffskontrolle Sicherheitsmodelle Diskrete Sicherheitsmodelle Verbindliche Sicherheitsmodelle Rechtevergabe in Datenbanksystemen Rechtevergabe in SQL Zurücknahme von Rechten Rollenmodell in SQL Authentifikation und Autorisierung Statistische Datenbanken Vertiefende Literatur Übungsaufgaben Weitergehende Ansätze Erweiterte System-Architekturen Client/Server-Architekturen Datenbank-Kernsysteme und Datenbank-Generatoren Verteilte Datenbanken Heterogene Datenbanken Interoperable und föderierte Datenbanken Erweiterte Datenbankmodelle Erweiterbare Datenbanksysteme Objektorientierte Datenbanksysteme Erweiterte Sprachschnittstellen Deduktive Datenbanken Wissensbanken Spezielle Datenbank-Anwendungen Ingenieur-Datenbanken Workflow-Management Geographische Informationssysteme und Geometriedaten Digitale Bibliotheken und Electronic Commerce Multimedia-Datenbanken Temporale Datenbanken Aktuelle Entwicklungen Scientific Databases Data Mining Informationsfusion Datenbanken im WWW Datenbanken und Mobile Computing Vertiefende Literatur 594 xxv

11 A Laufendes Beispiel 597 A.l ER-Modellierung 597 A.2 Relationale Repräsentation 600 A.2.1 Repräsentation der Entity-Typen 600 A.2.2 Repräsentation der Beziehungstypen 602 B Verzeichnis der Abkürzungen 603 Verzeichnis der Abbildungen 607 Verzeichnis der Tabellen 613 Literaturverzeichnis 615 Sachindex 651 Personenindex 667 Schlüsselwortindex 671 xxvi