Vorlesung Datenbankmanagementsysteme

Transkript

1 Vorlesung Datenbankmanagementsysteme Datenbankarchitekturen M. Lange, S. Weise Folie #2-1

2 Datenbankarchitekturen Wiederholung - Motivation, Grundlagen Grundlegende Datenbankarchitekturen - Drei-Ebenen-Schema-Architektur - ANSI-SPARC-Architektur - Fünf-Schichten-Architektur Zusammenfassung M. Lange, S. Weise Folie #2-2

3 Wiederholung M. Lange, S. Weise Folie #2-3

4 Ausgangspunkt Informationen in vielen Bereichen nicht elektronisch erfasst - Nur teilweise in verarbeitbarer Form verfügbar - Unterschiedliche Systeme, Formate, Semantik - Ansonsten in wiss. Veröffentlichungen oder Expertenwissen Beispielsweise Speicherung von - einfachen experimentellen Ergebnissen, Beobachtungen, Zusammenhängen - Krankheitsbildern, Stoffwechselwegen,... M. Lange, S. Weise Folie #2-4

5 Ausgangspunkt II Probleme - Für neue oder komplexere Informationen fehlen häufig Modelle und geeignete Datenstrukturen - Automatische Extraktion von Informationen z.b. durch Text Mining fehleranfällig Speicherung, Wiedergewinnung, Verknüpfung, Aufbereitung, Integration bereits vorhandener Daten oder Datenbankinhalte M. Lange, S. Weise Folie #2-5

6 Informationssysteme Klassisch: - System zur Speicherung, Wiedergewinnung, Verknüpfung und Auswertung von Informationen - Datenbanksystem und Anwendungsprogramme M. Lange, S. Weise Folie #2-6

7 Erweiterte Sicht: Informationssysteme II - Persistente (dauerhafte) Speicherung von Informationen - Wiedergewinnung der gespeicherten Informationen nach beliebigen Anfragekriterien - Anwendungsspezifische Auswertung und Aufbereitung der gespeicherten Informationen - Korrekte (integritätsbewahrende) Aktualisierung der gehaltenen Informationen M. Lange, S. Weise Folie #2-7

8 Datenbanksystem Informationssysteme III - Speicherung und Wiedergewinnung von Informationen Spezifische Datenbank-Anwendungsprogramme - Anwendungsspezifische Auswertung und Aufbereitung - Korrekte Aktualisierung der gehaltenen Informationen M. Lange, S. Weise Folie #2-8

9 Motivation Große Herausforderungen - Verwaltung von Daten im TB-Bereich, viele Nutzer - Weltweit verteilte Datenbestände - Multimedia-Inhalte - Hochverfügbarkeit, Sicherheit DB-Kenntnisse unverzichtbar für Informatik-Berufe - Administration - Planung, Entwurf - Anwendungsentwicklung - Nutzung M. Lange, S. Weise Folie #2-9

10 Ohne DB Basis- oder Anwendungssoftware verwaltet ihre eigenen Daten in - eigenen (Datei-)Formaten - Textverarbeitung: Texte, Artikel und Adressen - Buchhaltung: Artikel, Adressen - Lagerverwaltung: Artikel, Aufträge, Nachbestellungen - Auftragsverwaltung: Aufträge, Artikel, Adressen - CAD-System: Komponenten, technische Bauelemente M. Lange, S. Weise Folie #2-10

11 Ohne DB II Daten sind redundant (mehrfach gespeichert)! - Probleme: Verschwendung von Speicherplatz Vergessen von Änderungen, Widersprüche Keine zentrale, genormte Datenhaltung Andere Software-Systeme können große Mengen von Daten nicht effizient verarbeiten Mehrere Nutzer oder Anwendungen können nicht parallel auf den gleichen Daten arbeiten, ohne sich zu stören M. Lange, S. Weise Folie #2-11

12 Ohne DB III Anwendungsprogrammierer/Benutzer können Anwendungen nicht programmieren/nutzen, ohne - Interne Darstellung der Daten - Speichermedien oder Rechner zu kennen (fehlende Datenunabhängigkeit) Datenschutz und Datensicherheit sind nicht gewährleistet M. Lange, S. Weise Folie #2-12

13 Mit Datenbank Die gesamte Basis- und Anwendungssoftware arbeitet auf denselben Daten, z.b. werden Adressen und Artikel nur einmal gespeichert - Datenbanksysteme können große Datenmengen effizient verwalten (Anfragesprachen, Optimierung, interne Ebene) - Benutzer können parallel auf Datenbanken arbeiten (Transaktionskonzept) - Datenunabhängigkeit durch 3-Ebenen-Konzept (interne, konzeptionelle und externe Ebene) - Datenschutz (kein unbefugter Zugriff) und Datensicherheit (kein ungewollter Datenverlust) werden vom System gewährleistet M. Lange, S. Weise Folie #2-13

14 Prinzip Aufbau - DB Datenbank Anwendung 1... Anwendung n - DBMS Datenbankmanagementsystem DBMS - DBS Datenbanksystem (DBMS + DB) Datenbank... DBS M. Lange, S. Weise Folie #2-14

15 Neun Codd sche Regeln Aufgaben von Datenbanken: 1. Integration Einheitliche Verwaltung aller von Anwendungen benötigten Daten Redundanzfreie Datenhaltung 2. Operationen Möglichkeiten zur Speicherung, Suche, Änderung des Datenbestandes 3. Katalog Zugriffe auf Datenbankbeschreibungen im Katalog (Data Dictionary) Metadaten 4. Nutzersichten Unterschiedliche Anforderungen von Applikationen Sichten auf d. Datenbestand; durch DBMS kontrolliert [E. F. Codd. Relational Database: A Practical Foundation for Productivity. Communications of the ACM, 25(2): , 1982.] M. Lange, S. Weise Folie #2-15

16 Neun Codd sche Regeln II Aufgaben von Datenbanken (Forts.): 5. Konsistenzüberwachung aka Integritätssicherung Gewährleistung von Korrektheit des Datenbestandes, z.b. bei Änderungen 6. Datenschutz Nur autorisierte Zugriffe auf d. Datenbestand Z.B. personenbezogene Informationen, Werksspionage 7. Transaktionen Zusammenfassung funktioneller Einheiten von Änderungen Commit & Rollback [E. F. Codd. Relational Database: A Practical Foundation for Productivity. Communications of the ACM, 25(2): , 1982.] M. Lange, S. Weise Folie #2-16

17 Neun Codd sche Regeln III Aufgaben von Datenbanken (Forts.): 8. Synchronisation Keine Beeinflussung paralleler Transaktionen verschiedener Nutzer Z.B. Schreibkonflikte auf gemeinsamen Datenbeständen 9. Datensicherung Wiederherstellung bei Systemfehlern [E. F. Codd. Relational Database: A Practical Foundation for Productivity. Communications of the ACM, 25(2): , 1982.] M. Lange, S. Weise Folie #2-17

18 Konzeptuell: Relationenmodell Fett geschriebene Zeilen: Relationenschema Weitere Einträge in der Tabelle: Relation Eine Zeile der Tabelle: Tupel Eine Spaltenüberschrift: Attribut Relationenname Attribute R A 1... A n Relationenschema Tupel Relation M. Lange, S. Weise Folie #2-18

19 Grundlegende Datenbankarchitekturen M. Lange, S. Weise Folie #2-19

20 Architekturen von DB Betrachtung von DB-Architekturen aus verschiedenen Blickwinkeln: - Schema-Architektur Zusammenhang zwischen konzeptuellem, internem und externem Schema Einordnung der DB-Anwendungsprogramme in diese Schemata - System-Architektur Aufbau des DBS aus Komponenten, Bausteinen oder Werkzeugen Normierung von Schnittstellen zw. den Komponenten Keine Normierung der Komponenten selbst - Anwendungsarchitektur Ablauf der Anwendungsentwicklung mit Datenbanken Beschreibung von erforderlichen Vorgängen und Arbeitsschritten M. Lange, S. Weise Folie #2-20

21 Schema-Architektur Zusammenhang zwischen - Konzeptuellem Schema (Ergebnis der Datendefinition, implementierungsunabhängige Modellierung der gesamten DB) - Internem Schema (Festlegung von Dateiorganisation und Zugriffpfaden) - Externem Schema (Ergebnis der Sichtdefinition, Benutzersichten auf d. globale, konzeptuelle Schema) - Anwendungsprogrammen (Ergebnis der DB- Anwendungsprogrammierung, arbeiten auf externen Schemata) Trennung Schema Instanz - Schema: Metadaten, Datenbeschreibungen - Instanz: Anwenderdaten, Datenbankzustand oder ausprägung - Unterstützung der Datenunabhängigkeit M. Lange, S. Weise Folie #2-21

22 Schema-Architektur II Externes Schema 1... Externes Schema n Konzeptuelles Schema Internes Schema Anfragebearbeitung Datendarstellung M. Lange, S. Weise Folie #2-22

23 Schema-Architektur III Internes Schema - Beschreibung der physikalischen Speicherstrukturen - Nutzung eines physischen Datenmodells - Details der Datenspeicherung und Zugriffspfade Konzeptuelles Schema - Beschreibung der Gesamtstruktur der DB für alle Nutzer - Nutzung eines logischen (abstrahierenden) Datenmodells mit Entitäten, Datentypen, Beziehungen, Benutzeroperationen - Verbergen der Details zu physischen Speicherstrukturen Externes Schema - Benutzersichten als Blick auf einen Teil der Datenbank für Nutzergruppen - Nutzung eines logischen (abstrahierenden) Datenmodells - Verbergen der übrigen Daten M. Lange, S. Weise Folie #2-23

24 Datenunabhängigkeit Def.: Stabilität der Schnittstelle gegen Änderungen Physische Datenunabhängigkeit (Implementierungsunabhängigkeit) - Änderungen der Dateiorganisation und Zugriffpfade haben keinen Einfluss auf das konzeptuelle Schema Logische Datenunabhängigkeit (Anwendungsunabhängigkeit) - Änderungen am konzeptuellen und gewissen externen Schemata haben keine Auswirkungen auf andere externe Schemata und Anwendungsprogramme Mögliche Auswirkungen von Änderungen am konzeptuellen Schema - Eventuell externe Schemata betroffen (Ändern von Attributen) - Eventuell Anwendungsprogramme betroffen (Rekompilieren der Anwendungsprogramme, eventuell Änderungen nötig) - Überwachung und Erkennung durch DBMS M. Lange, S. Weise Folie #2-24

25 Beispiel: Konzeptuelle Sicht Relationale Darstellung der Daten in zwei Tabellen mit Fremdschlüsselbeziehung [Quelle: Heuer, Saake: Foliensatz Datenbanken I, 2-6] M. Lange, S. Weise Folie #2-25

26 Beispiel: Externe Sicht Präsentation der Daten in einer flachen Relation [Quelle: Heuer, Saake: Foliensatz Datenbanken I, 2-7] M. Lange, S. Weise Folie #2-26

27 Beispiel: Externe Sicht II Präsentation der Daten in einer hierarchischen Relation [Quelle: Heuer, Saake: Foliensatz Datenbanken I, 2-7] 2-8] M. Lange, S. Weise Folie #2-27

28 Beispiel: Interne Darstellung [Quelle: Heuer, Saake: Foliensatz Datenbanken I, 2-9] M. Lange, S. Weise Folie #2-28

29 Architekturen von DB Betrachtung von DB-Architekturen aus verschiedenen Blickwinkeln: - Schema-Architektur Zusammenhang zwischen konzeptuellem, internem und externem Schema Einordnung der DB-Anwendungsprogramme in diese Schemata - System-Architektur Aufbau des DBS aus Komponenten, Bausteinen oder Werkzeugen Normierung von Schnittstellen zw. den Komponenten Keine Normierung der Komponenten selbst - Anwendungsarchitektur Ablauf der Anwendungsentwicklung mit Datenbanken Beschreibung von erforderlichen Vorgängen und Arbeitsschritten M. Lange, S. Weise Folie #2-29

30 System-Architekturen Beschreibung der Komponenten eines DBS Standardisierung der Schnittstellen zwischen Komponenten Architekturvorschläge - ANSI-SPARC-Architektur detaillierte Version der Drei-Ebenen-Schema-Architektur - Fünf-Schichten-Architektur detaillierte Version der Transformationskomponenten der Drei-Ebenen- Schema-Architektur M. Lange, S. Weise Folie #2-30

31 ANSI-SPARC-Architektur ANSI: American National Standards Institute SPARC: Standards Planning and Requirement Committee Vorschlag von 1978 Im Wesentlichen Verfeinerung der Drei-Ebenen-Schema- Architektur - Verfeinerung von interner Ebene / Betriebssystem - Mehr interaktive und Programmier-Komponenten - Bezeichnung und Normierung der Schnittstellen M. Lange, S. Weise Folie #2-31

32 ANSI-SPARC-Architektur II Externe Ebene Konzeptuelle Ebene Interne Ebene Benutzerkomponenten Transformationskomponenten Anfragen Updates Optimierer Auswertung Plattenzugriff P 1... DB Operationen Einbettung Data Dictionary P n Masken Programmierkomponenten Sichtdefinition Datendefinition Dateiorganisation Definitionskomponenten M. Lange, S. Weise Folie #2-32

33 ANSI-SPARC-Architektur III Klassifizierung der Komponenten - Definitionskomponenten: Möglichkeiten zur Datendefinition, Dateiorganisation, Sichtdefinition - Programmierkomponenten: DB-Programmierung mit eingebetteten DB-Operationen - Benutzerkomponenten: Vorgefertigte (einfache) DB-Anwendungsprogramme Interaktive (komplexere) Anfrage- und Update-Werkzeuge - Transformationskomponenten: Umwandlung von Anfragen und Updates: Optimierer Auswertung Plattenzugriffssteuerung (und umgekehrt) - Data Dictionary (Katalog): Kern des Systems Aufnahme der Daten aus Definitionskomponenten, Versorgung der anderen Komponenten M. Lange, S. Weise Folie #2-33

34 Fünf-Schichten-Architektur Basis: Idee von Senko (1973) Weiterentwicklung von Härder (1987) durch operationale Schnittstellen Umsetzung im Rahmen des IBM-Prototyps System R Genauere Beschreibung der Transformationskomponenten eines DBMS - Schrittweise Transformation von Anfragen/Änderungen bis hin zu Zugriffen auf Speichermedien - Definition der Schnittstellen zwischen Komponenten M. Lange, S. Weise Folie #2-34

35 Fünf-Schichten-Architektur II Schnittstellen - Mengenorientierte Schnittstelle (MOS): Stellt deklarative DML auf Tabellen, Sichten, Zeilen bereit Z.B. SQL - Satzorientierte Schnittstelle (SOS): Stellt navigierenden Zugriff auf interner Darstellung von Relationen bereit Z.B. auf typisierte Datensätze, logische Dateien, logische Zugriffspfade (Indizes) Typisiert aufgrund unterschiedlicher Relationstypen - Interne Satzschnittstelle (ISS): Einheitliche Verwaltung interner Tupel (keine Typisierung) Implementierung der Speicherstrukturen der Zugriffspfade Implementierung von Operationen (z.b. Sortierung, Transaktionsverwaltung) M. Lange, S. Weise Folie #2-35

36 Fünf-Schichten-Architektur III Schnittstellen (Forts.) - Systempufferschnittstelle (SPS): Z.B. Seiten, Seitenadressen Freigeben und Bereitstellen von Seiten - Datei- oder Seitenschnittstelle (DS) des Betriebssystems: Hole Seite, schreibe Seite - Geräteschnittstelle (GS) des Betriebssystems : Spuren, Zylinder Armbewegungen M. Lange, S. Weise Folie #2-36

37 Fünf-Schichten-Architektur IV Mengenorientierte Schnittstelle Satzorientierte Schnittstelle Interne Satzschnittstelle Systempuffer Schnittstelle Datei Schnittstelle Geräte Schnittstelle Datensystem Zugriffssystem Speichersystem Pufferverwaltung Betriebssystem Übersetzung, Zugriffpfadauswahl, Zugriffskontrolle, Integritätskontrolle Data Dictionary, Currency Pointer, Sortierung, Transaktionsverwaltung Record Manager, Zugriffpfadverwaltung Sperrverwaltung, Log/Recovery Systempufferverwaltung mit Seitenwechselstrategie Externspeicherverwaltung Relationen, Sichten Externe Sätze, Index Strukturen Interne Sätze, Bäume, Hashtab. Segmente, Seiten Dateien, Blöcke Zylinder, Spuren M. Lange, S. Weise Folie # Fünf-Schichten-Architektur

38 Hardware und Betriebssystem Betriebssystemebene: - Grundlage für datenbankbezogene Ebenen - Notwendig: Treiberprogramme zum Zugriff auf die Daten von Medien Caching-Mechanismen Prozessoren und Rechnerarchitekturen: - Klassische Industrie-Standards Speichermedien: - Spezielle Anforderungen, Speicherhierarchie M. Lange, S. Weise Folie #2-38

39 Hardware und Betriebssystem II Speicherhierarchie [Quelle: Heuer, Saake: Foliensatz Datenbanken II, 2-12] M. Lange, S. Weise Folie #2-39

40 Hardware und Betriebssystem III Eigenschaften von Speichermedien Primärspeicher Sekundärspeicher Tertiärspeicher Beispiele Register, Cache, Hauptspeicher Plattenspeicher Optische Platte, Magnetbänder Geschwindigkeit Schnell Langsam Sehr langsam Preis Teuer Preiswert Billig Stabilität Flüchtig Stabil Stabil Größe Klein Groß Sehr groß M. Lange, S. Weise Folie #2-40

41 Hardware und Betriebssystem IV Primärspeicher - Primärspeicher: Cache und Hauptspeicher - sehr schnell, Zugriff auf Daten fein granular: jedes Byte adressierbar - 32-Bit-Adressierung: nur 2 32 Bytes (= 4 Gigabyte) direkt adressierbar, somit Primärspeicher von der Größe stark eingeschränkt - hohe Anschaffungskosten pro Byte - flüchtiges Speichermedium (volatile, non-reliable) M. Lange, S. Weise Folie #2-41

42 Hardware und Betriebssystem V Sekundärspeicher - meist Plattenspeicher, nicht-flüchtig (stable, non-volatile, reliable) - weitaus größer, mehrere Gigabyte Speicherkapazität pro Medium - um Größenordnungen preiswerter - leider Daten nicht direkt verarbeitbar - Granularität des Zugriffs gröber: Blöcke, oft 512 Bytes - Zugriffslücke: Faktor 10 5 langsamerer Zugriff - erforderlich: intelligente Pufferverwaltung, gute Anfrageoptimierung M. Lange, S. Weise Folie #2-42

43 Hardware und Betriebssystem VI Tertiärspeicher - langfristige Datensicherung (Archivierung) oder kurzfristige Protokollierung (Journale) von Datenbeständen und Datenbankveränderungen - Sekundärspeicher dazu zu teuer und zu klein - mehrere hundert Gigabytes oder sogar Terabytes von Daten: Tertiärspeicher, Offline-Speicher, Archivspeicher - üblich: optische Platten, Magnetbänder - Offline-Speicher meist Wechselmedium - Nachteil: Zugriffslücke extrem groß: Zugriff auf das sequentielle Medium, Holen eines Bandes, Einlegen dieses Bandes (auch bei Automatisierung: Bandroboter, Jukeboxes) M. Lange, S. Weise Folie #2-43

44 Hardware und Betriebssystem VII Angebotene Dienste - Treiberprogramme zum Holen und Schreiben von Blöcken - Zuordnung von Blöcken zu Seiten - Ergänzen der Block-Informationen um Kontrollsummen, um Schreiboder Lesefehler zu ermitteln - Caching-Mechanismen, die bereits gelesene Daten im Hauptspeicher halten und verwalten - Operationen des Dateisystems von Betriebssystemen M. Lange, S. Weise Folie #2-44

45 Hardware und Betriebssystem VIII RAID-Systeme - Redundant Array of Independent Disks (früher: inexpensive) - Gegensätzliche Ziele: Fehlertoleranz (Ausfallsicherheit, Zuverlässigkeit) Effizienzsteigerung (Parallelität des Zugriffs) - Koppelung billiger Standard-Festplatten unter einem speziellen Controller zu einem einzigen logischen Laufwerk [Quelle: Elmasri, Navathe: Grundlagen von Datenbanksystemen, Pearson Studium, 2002.] M. Lange, S. Weise Folie #2-45

46 Hardware und Betriebssystem IX RAID-Level - Unterscheidung durch Art der Datenverteilung, Redundanz oder Fehlerkorrektur - RAID 0: blockweises Striping (höhere Effizienz, keine Fehlertoleranz) - RAID 1: blockweises Spiegeln (Ausfallsicherheit statt Effizienzsteigerung) - RAID 0+1: blockweises Striping und Spiegeln - RAID 2: bitweises Striping mit Paritätsbits auf zusätzlichen Platten [Quelle: Elmasri, Navathe: Grundlagen von Datenbanksystemen, Pearson Studium, 2002.] M. Lange, S. Weise Folie #2-46

47 Hardware und Betriebssystem X RAID-Level (Forts.) - RAID 3: bitweises Striping mit einem einzigen Paritätsbit - RAID 4: blockweises Striping mit einem einzigen Paritätsbit - RAID 5: blockweises Striping und Verteilung des Paritätsbits auf Datenplatten - RAID 6: blockweises Striping mit mehr Kontrollinformationen auf Datenplatten [Quelle: Elmasri, Navathe: Grundlagen von Datenbanksystemen, Pearson Studium, 2002.] M. Lange, S. Weise Folie #2-47

48 Fünf-Schichten-Architektur IV Mengenorientierte Schnittstelle Satzorientierte Schnittstelle Interne Satzschnittstelle Systempuffer Schnittstelle Datei Schnittstelle Geräte Schnittstelle Datensystem Zugriffssystem Speichersystem Pufferverwaltung Betriebssystem Übersetzung, Zugriffpfadauswahl, Zugriffskontrolle, Integritätskontrolle Data Dictionary, Currency Pointer, Sortierung, Transaktionsverwaltung Record Manager, Zugriffpfadverwaltung Sperrverwaltung, Log/Recovery Systempufferverwaltung mit Seitenwechselstrategie Externspeicherverwaltung Relationen, Sichten Externe Sätze, Index Strukturen Interne Sätze, Bäume, Hashtab. Segmente, Seiten Dateien, Blöcke Zylinder, Spuren M. Lange, S. Weise Folie # Fünf-Schichten-Architektur

49 Pufferverwaltung Benötigte Blöcke des Sekundärspeichers im Hauptspeicher verwalten Speicherplatz für begrenzte Menge von Seiten im Hauptspeicher: Puffer Aufgabe der Pufferverwaltung: Verdrängung nicht mehr im Puffer benötigter Seiten (Seitenwechselstrategien) - Zuteilung von Speicherplatz für Seiten - Suchen und Ersetzen von Seiten im Puffer - Optimierung der Lastverteilung zwischen parallelen Transaktionen Unterschied: unter Verantwortung des Datenbanksystems verwalteter Puffer vs. Cache auf der Betriebssystemebene Puffer - je nach Hauptspeichergröße beträchtlicher Umfang (üblich bis zu 12 MB) - alle Lese- und Schreib-Vorgänge von oder auf Seiten über Puffer - dadurch Puffer oft Flaschenhals M. Lange, S. Weise Folie #2-49

50 Pufferverwaltung II Ablauf eines Zugriffs auf eine Seite - höhere Schicht (Speichersystem) fordert bei Pufferverwaltung Seite an (logische Seitenreferenz) angeforderte Seite im Puffer: wird dem Speichersystem zur Verfügung gestellt angeforderte Seite nicht im Puffer (page fault): physische Seitenreferenz durch Pufferverwaltung an Betriebssystem i.a. bei gefülltem Puffer eine Seite aus dem Puffer verdrängen, falls die zu verdrängende Seite verändert ist, vorher in Sekundärspeicher schreiben - Aufwand pro E/A-Operation: 2500 Instruktionen in CPU; 15 bis 30 ms für Zugriff auf Sekundärspeicher M. Lange, S. Weise Folie #2-50

51 Pufferverwaltung III Ablauf eines Zugriffs auf eine Seite [Quelle: Heuer, Saake: Foliensatz Datenbanken II, 2-22] M. Lange, S. Weise Folie #2-51

52 Fünf-Schichten-Architektur IV Mengenorientierte Schnittstelle Satzorientierte Schnittstelle Interne Satzschnittstelle Systempuffer Schnittstelle Datei Schnittstelle Geräte Schnittstelle Datensystem Zugriffssystem Speichersystem Pufferverwaltung Betriebssystem Übersetzung, Zugriffpfadauswahl, Zugriffskontrolle, Integritätskontrolle Data Dictionary, Currency Pointer, Sortierung, Transaktionsverwaltung Record Manager, Zugriffpfadverwaltung Sperrverwaltung, Log/Recovery Systempufferverwaltung mit Seitenwechselstrategie Externspeicherverwaltung Relationen, Sichten Externe Sätze, Index Strukturen Interne Sätze, Bäume, Hashtab. Segmente, Seiten Dateien, Blöcke Zylinder, Spuren M. Lange, S. Weise Folie # Fünf-Schichten-Architektur

53 Speichersystem Puffer: Seiten (Byte-Container) Speichersystem: interne Datensätze Zugriffssystem: logische Datensätze, interne Tupel Anwendungsobjekte im Speichersystem als interne Sätze Hilfsdaten wie Indexeinträge als interne Sätze Struktur Tupel internes Tupel oder logischer Datensatz interner Datensatz Systemkomponente Datensystem Zugriffssystem Speichersystem M. Lange, S. Weise Folie #2-53

54 Speichersystem II Satztypen - Nicht-Spannsätze (unspanned records) auf maximal einer Seite Satz zu groß für eine in Bearbeitung befindliche Seite von Freispeicherverwaltung eine neue Seite angefordern - Spannsätze (spanned records) können mehrere Seiten überspannen Satz zu groß Beginn des Satzes auf dieser Seite, Überlauf auf neuer Seite speichern - Sätze fester Länge: für bestimmten Tupeltyp feste Anzahl von Bytes (bei string alle Attributwerte mit gleicher Anzahl Bytes speichern) - Sätze variabler Länge: nur die wirklich benötigte Anzahl von Bytes speichern (Anzahl der Bytes pro Datensatz variabel) M. Lange, S. Weise Folie #2-54

55 Fünf-Schichten-Architektur IV Mengenorientierte Schnittstelle Satzorientierte Schnittstelle Interne Satzschnittstelle Systempuffer Schnittstelle Datei Schnittstelle Geräte Schnittstelle Datensystem Zugriffssystem Speichersystem Pufferverwaltung Betriebssystem Übersetzung, Zugriffpfadauswahl, Zugriffskontrolle, Integritätskontrolle Data Dictionary, Currency Pointer, Sortierung, Transaktionsverwaltung Record Manager, Zugriffpfadverwaltung Sperrverwaltung, Log/Recovery Systempufferverwaltung mit Seitenwechselstrategie Externspeicherverwaltung Relationen, Sichten Externe Sätze, Index Strukturen Interne Sätze, Bäume, Hashtab. Segmente, Seiten Dateien, Blöcke Zylinder, Spuren M. Lange, S. Weise Folie # Fünf-Schichten-Architektur

56 Zugriffssystem Zugriffssystem abstrahiert von interner Darstellung der Datensätze auf Seiten des Speichersystems Verwendete Objekte: logische Datensätze, interne Tupel Interne Tupel können Elemente einer Dateidarstellung der konzeptuellen Relation oder Elemente eines Zugriffspfads auf die konzeptuellen Relationen sein Interne Tupel bestehen aus Feldern (= Attribute bei konzeptuellen Tupeln) Operationen im Zugriffssystem sind typischerweise Scans (interne Cursor auf Dateien oder Zugriffspfaden) M. Lange, S. Weise Folie #2-56

57 Zugriffssystem II Indexdateien - Zugriffspfad auf eine Datei selbst wieder Datei: Indexdatei - Index enthält neben Attributwerten der konzeptuellen Relation, über die ein schneller Zugriff auf die Relation verwirklicht werden soll, eine Liste von Tupeladressen - zugeordnete Adressen verweisen auf Tupel, die den indizierten Attributwert beinhalten - Index über Primärschlüssel Liste der Tupeladressen einelementig: Primärindex - Sekundärschlüssel: alternativer Suchschlüssel als zusätzliches Suchkriterium neben dem Primärschlüssel - Index über Sekundärschlüssel Liste der Tupeladressen mehrelementig: Sekundärindex M. Lange, S. Weise Folie #2-57

58 Fünf-Schichten-Architektur IV Mengenorientierte Schnittstelle Satzorientierte Schnittstelle Interne Satzschnittstelle Systempuffer Schnittstelle Datei Schnittstelle Geräte Schnittstelle Datensystem Zugriffssystem Speichersystem Pufferverwaltung Betriebssystem Übersetzung, Zugriffpfadauswahl, Zugriffskontrolle, Integritätskontrolle Data Dictionary, Currency Pointer, Sortierung, Transaktionsverwaltung Record Manager, Zugriffpfadverwaltung Sperrverwaltung, Log/Recovery Systempufferverwaltung mit Seitenwechselstrategie Externspeicherverwaltung Relationen, Sichten Externe Sätze, Index Strukturen Interne Sätze, Bäume, Hashtab. Segmente, Seiten Dateien, Blöcke Zylinder, Spuren M. Lange, S. Weise Folie # Fünf-Schichten-Architektur

59 Datensystem Optimierung - Mengenorientierte Anfrage (SQL) muss durch System optimiert werden - Zwei Phasen Konzeptuelle Optimierung: Umformung des Anfrageausdrucks in einen effizienter zu bearbeitenden Ausdruck Z.B. Entfernung redundanter Operationen Nur algebraisch (keine Informationen über vorhandene Speicherstrukturen) (Query Rewriting, konzeptuelle oder logische Optimierung) Interne Optimierung: Auswahl der zur Anfragebearbeitung sinnvollen Zugriffspfade und Auswertungsalgorithmen für jeden relationenalgebraischen Operator nutzt Informationen über vorhandene Speicherstrukturen Auswahl des effizientesten Anfrageausdrucks nach Kostenschätzungen (Kostenbasierte Optimierung) M. Lange, S. Weise Folie #2-59

60 Datensystem II Optimierung (Forts.) - Zugriffspfadauswahl Bestimmt die internen Strukturen, die bei Abarbeitung einer Anfrage benutzt werden sollen - Auswertung Wahl der Auswertungsalgorithmen kann Antwortzeit auf eine Anfrage entscheidend beeinflussen Im Zusammenspiel mit der Zugriffspfadauswahl muss Datensystem die Auswertungsalgorithmen auswählen M. Lange, S. Weise Folie #2-60

61 Architekturen von DB Betrachtung von DB-Architekturen aus verschiedenen Blickwinkeln: - Schema-Architektur Zusammenhang zwischen konzeptuellem, internem und externem Schema Einordnung der DB-Anwendungsprogramme in diese Schemata - System-Architektur Aufbau des DBS aus Komponenten, Bausteinen oder Werkzeugen Normierung von Schnittstellen zw. den Komponenten Keine Normierung der Komponenten selbst - Anwendungsarchitektur Ablauf der Anwendungsentwicklung mit Datenbanken Beschreibung von erforderlichen Vorgängen und Arbeitsschritten M. Lange, S. Weise Folie #2-61

62 Anwendungsarchitekturen Betrachtung eines DBS aus zwei Blickwinkeln (aus Anwendersicht) - Aus welchen Benutzerkomponenten besteht ein DBS und welche Schnittstellen bietet es? Z.B. interaktive Ausführung von Anfragen/Änderungen Z.B. Berichtsgeneratoren Z.B. Export-/Importfunktionen - Wie wird ein DB-Anwendungsprogramm abgearbeitet? Z.B. Precompiler Binder Laufzeitüberwachung Dateiverwaltung M. Lange, S. Weise Folie #2-62

63 Zusammenfassung M. Lange, S. Weise Folie #2-63

64 Zusammenfassung Drei-Ebenen-Schema-Architektur - Internes Schema: Physikalische Speicherstrukturen; Details der Datenspeicherung und Zugriffspfade - Konzeptuelles Schema: Gesamtstruktur der DB für alle Nutzer; logisches (abstrahierendes) Datenmodell; Verbergen der Details zu physischen Speicherstrukturen - Externes Schema: Benutzersichten als Blick auf einen Teil der DB; logisches (abstrahierendes) Datenmodell; Verbergen der übrigen Daten Externes Schema 1... Externes Schema n Konzeptuelles Schema Logische Datenunabhängigkeit (Anwendungsunabhängigkeit) Internes Schema Physische Datenunabhängigkeit (Implementierungsunabhängigkeit) M. Lange, S. Weise Folie #2-64

65 Zusammenfassung II ANSI-SPARC-Architektur Externe Ebene Konzeptuelle Ebene Interne Ebene Benutzerkomponenten Transformationskomponenten Anfragen Updates Optimierer Auswertung Plattenzugriff P 1 DB Operationen Data Dictionary... Einbettung P n Masken Programmierkomponenten Sichtdefinition Datendefinition Dateiorganisation Definitionskomponenten M. Lange, S. Weise Folie #2-65

66 Zusammenfassung III Fünf-Schichten-Architektur Mengenorientierte Schnittstelle Satzorientierte Schnittstelle Interne Satzschnittstelle Systempuffer Schnittstelle Datei Schnittstelle Geräte Schnittstelle Datensystem Zugriffssystem Speichersystem Pufferverwaltung Betriebssystem Übersetzung, Zugriffpfadauswahl, Zugriffskontrolle, Integritätskontrolle Data Dictionary, Currency Pointer, Sortierung, Transaktionsverwaltung Record Manager, Zugriffpfadverwaltung Sperrverwaltung, Log/Recovery Systempufferverwaltung mit Seitenwechselstrategie Externspeicherverwaltung Relationen, Sichten Externe Sätze, Index Strukturen Interne Sätze, Bäume, Hashtab. Segmente, Seiten Dateien, Blöcke Zylinder, Spuren M. Lange, S. Weise Folie # Fünf-Schichten-Architektur