Teil VI. Datenbanken

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1 Teil VI Datenbanken

2 Überblick 1 Grundlegende Begriffe Motivation 2 Relationale Datenbanksysteme Das Relationale Datenmodell SQL 3 Entwurf von Datenbanken Das Enity Relationship (ER) Modell Abbildung von ER-Diagrammen auf Relationenschemata Normalformen 4 DB-Anwendungsprogrammierung Grundprinzipien Programmierschnittstellen Transaktionen Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure 2008/

3 Datenbanken Typische Aufgabe von Informationssystemen: Verwaltung von großen Datenbeständen = Datenbanken (DB) Zugriff auf Daten durch potentiell große Anzahl von Nutzern Hohe Anforderungen bezüglich Effizienz der Zugriffe (lesend und schreibend) Konsistenz (Widerspruchsfreiheit) der Daten Schnittstellen für einfache Nutzbarkeit Erfüllung dieser Anforderungen durch Programmieren eigener Lösungen für jede Anwendung extrem aufwändig Deshalb: spezielle Softwaresysteme zur Verwaltung von Datenbanken = Datenbankmanagementsysteme (DBMS) Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure 2008/

4 Datenbanken: Grundbegriffe DBMS DB DBS = DB + DBMS Ein Datenbankmanagementsystem (DBMS) ist ein Sammlung von ausführbaren Programmen, welche zur Umsetzung aller Zugriffe auf eine Datenbank verwendet werden. Eine Datenbank (DB) ist ein Sammlung strukturiert und dauerhaft gespeicherter Fakten für ein konkretes Anwendungsszenario Ein Datenbanksystem (DBS) ist eine durch ein DBMS zugreifbare Datenbank für ein konkretes Anwendungsszenario. Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure 2008/

5 Datenbanksysteme: Anwendungsarchitektur... Anwendung 1 Anwendung 2... Datenbanksystem Administrator Ein Datenbanksystem (DBS) kann Daten für viele (oder eine) Anwendungen bereitstellen Nutzer können über die Anwendungen (oder direkt) auf im DBS verwaltete Daten zugreifen Administratoren als spezielle Nutzer zur Steuerung und Kontrolle des DBS Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure 2008/

6 Datenbanksysteme: Kommunikationsarchitektur Anw1 Anw2 Anw1 Anw2 DBS Heute meist Client Server-Architektur: Anwendungen können von zahlreichen Installationen (Clients) auf verschiedenen Rechner über ein Netzwerk auf das DBS zugreifen Das DBS läuft auf einem (oder mehreren = verteilt) Rechnern (Server) Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure 2008/

7 Datenbankschema Struktur der Daten für eine konkrete Datenbank/Anwendung = Datenbankschema, z.b. Schema für eine DB mit Studentendaten Schema für eine DB mit Produktdaten Schema für eine DB mit Kundendaten Schema ist formale Festlegung und verwendet ein Daten(bank)modell als Sprache zur Datendarstellung Datenmodell umfaßt alle möglichen Mittel zur Beschreibung der Struktur der Daten, ist anwendungsunabhängig und durch das verwendete DBMS festgelegt Beispiel: das soziale Netzwerk StudiVZ (= DBS) speichert Daten über Studenten, Freunde, etc. (= Datenbankschema) in verschiedenen Tabellen mit Spalten etc. (= Datenmodell) in einer MySQL (= DBMS) Datenbank Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure 2008/

8 Datenbanksysteme: Beispiele /1 ebay Online Auktionshaus: UnivIS der OvGU: WWW-basierte Plattform zum Kauf oder Verkauf beliebiger Waren auf Auktionsbasis 212 Millionen Nutzer 26 Millionen Zugriffe pro Tag 2 Petabyte Datenvolumen DVDs voll Daten DBSMS: Oracle Database, Analysen über Teradata WWW-basiertes Informationssystem zu Lehrangeboten an der Otto-von-Guericke-Universität Daten zu über 5000 Lehrveranstaltungen, über 5000 Personen, über 400 Räume, etc. Über 300 schreibberechtigte Nutzer Ca 1.5 Millionen Anfragen pro Monat DBMS: eigene Lösung des Anbieters Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure 2008/

9 Datenbanksysteme: Beispiele /1 Wal-Mart Data Warehouse: System zur Warenkorbanalyse von Daten der Registrierkassen bei der amerikanischen Handelskette 500 Terabyte Daten Daten-DVDs DBMS: Teradata StudiVZ.net: SAP ERP : WWW-basiertes soziales Netzwerk Persönliche Daten von über 6 Millionen Nutzern DBMS: MySQL DB-basiertes Anwendungssystem Unternehmensweites Informationssystem zur Unterstützung zahlreicher geschäftsrelevanter Bereiche Datenvolumen und Nutzerzahl abhängig vom konkreten Unternehmen DBMS: zahlreiche verschiedene DBMS können verwendet werden Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure 2008/

10 DBS Motivation Wozu benötigen wir DBMS? Warum speichern wir die Daten nicht einfach in Dateien, die wir aus unseren Anwendungen auslesen? Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure 2008/

11 DBS Motivation: Große Datenmengen Große Datenmengen vor allem problematisch bzgl. Effizienz Wie können für einen Nutzer relevante Daten in riesigen Datenmengen schnell gefunden werden? Zum Beispiel Eine konkrete Auktion bei ebay aus vielen Terabyte Auktionsdaten? Eine bestimmte Person bei StudiVZ aus vielen Millionen? Wie können große Datenmenge effizient ausgewertet und analysiert werden? Zum Beispiel Welche Produkte in Wal-Mart-Filialen wurden im Vergleich zu den Vorjahren weniger oft verkauft? Und: warum? DBMS bieten für Festplatten optimierte Datenstrukturen und hoch-effiziente Operationen an Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure 2008/

12 DBS Motivation: Viele Nutzer Eine große Nutzeranzahl impliziert zwei Anforderungen Effizienz, zum Beispiel Wie werden die zahlreichen parallelen Zugriff auf Web-Datenbanken wie StudiVZ oder ebay umgesetzt? Wie können diese so ausgeführt werden, dass sie sich möglichst wenig gegenseitig beeinflussen? Konsistenz, zum Beispiel Wie kann sichergestellt werden, dass zwei geleichzeitige Nutzer von UnivIS ihre Eingaben zu einer Vorlesung nicht gegenseitig überschreiben? Wie kann die korrekte Reihenfolgen von Geboten bei ebay sichergestellt werden? DBMS bieten effiziente Lösungen zur Synchronisation paralleler Zugriffe Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure 2008/

13 DBS Motivation: Konsistenz Ablaufkonsistenz bei parallelen Zugriffen: s.o. Widerspruchsfreiheit durch Vermeidung von Redundanzen (Problem: mehrfache Abspeicherung), zum Beispiel Wie kann vermieden werden, dass zwei Mitarbeiter eines Unternehmens zwei unterschiedliche Kostenkalkulationen für ein Produkt erstellen? Erzwingung konsistenter Datenbankzustände, zum Beispiel Wie kann in UnivIS vermieden werden, dass zwei Vorlesungen zur selben Zeit im selben Hörsaal stattfinden? Wie kann vermieden werden, dass das Alter einer Person einen negativen Wert annimmt? Wie kann vermieden werden, dass zwei Studenten dieselbe Matrikelnummer haben? DBS zur integrierten (zentralen) Speicherung mit umfangreichen Mittel zur Sicherstellung der Korrektheit der Daten Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure 2008/

14 DBS Motivation: Datenschutz und -sicherheit Datenschutz, zum Beispiel Wie kann sichergestellt werden, dass nur meine Freunde bei StudiVZ bestimmte persönliche Daten sehen? Wie kann eine Firma bestimmte Daten aus SAP ERP ihren Kunden zur Verfügung stellen, interne Daten aber vor unberechtigten Einblicken verstecken? Datensicherheit, zum Beispiel Was passiert mit meinen Daten, wenn mein Rechner abstürzt? Was passiert mit Daten, wenn die Festplatte, auf der diese gespeichert sind, einen irreparablen Schaden hat? DBMS bieten umfangreiche Mechanismen zum Schutz vor Datenverlust und unberechtigten Zugriffen Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure 2008/

15 DBS Motivation: Einfache Nutzung Der Nutzer sollte für den Zugriff sein Informationsbedürfnis beschreiben, nicht aber den Weg, wie dieses erfüllt wird (deklarative Sprache) Zugriff auf die Daten sollten möglichst auch ohne Programmierung (Ad Hoc) möglich sein Es sollte egal sein, mit welcher Hardware-Plattform der Nutzer arbeitet Bei der Nutzung von Daten aus einer Anwendung sollte die verwendete Programmiersprache beliebig gewählt werden können Die Entwicklung von Anwendungsprogrammen sollte möglichst unabhängig von der Entwicklung der Datenbank erfolgen können DBMS setzen Zugriff über standardisierte Anfragesprachen und Programmierschnittstellen um Eike Schallehn Grundlagen der Informatik für Ingenieure 2008/

16 Warum... Datenbanken für Ingenieure? Die Anforderungen von zahlreichen Ingenieuranwendungen sind typisch für datenbankbasierte Systeme: Große Datenmengen für Produktmodelle Zahlreiche Mitarbeiter (Teams von Ingenieuren u.a.) die gemeinsam diese Daten bearbeiten Hohe Anforderungen an Konsistenz, Sicherheit und Schutz der Produktmodelldaten Deshalb sind zahlreiche Ingenieuranwendungen wie zum Beispiel EDM- oder CAD-Systeme oft unter Nutzung von DBMS umgesetzt. Auch im Arbeitsumfeld finden sich zahlreiche DB-basierte System wie SAP ERM oder Workflow Management-Systeme.