Einf

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Einführung
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Grundsätzliches zu Datenbanken

• Informationsflut
• Motivation
• Komplexe Datenstrukturen
• Aktuelle, richtige, redundanzfreie Daten
• Trennung von Daten und Programmen
• Viele Benutzer greifen zeitgleich zu
• Aufgaben
• komfortable und sichere Eingabe der Daten
• persistente und Platz sparende Speicherung der
  Daten
• Schneller und komfortabler Zugriff auf die Daten

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Was ist eine Datenbank? (1)

• Datenbank
• Oft ungenaue Begriffsverwendung
• In der Regel ist ein Datenbanksystem (DBS)
  gemeint oder auch eine Datenbasis
• Datenbasis
• die in einem DBS (Datenbanksystem) nach
  einheitlichen Regeln persistent
  gespeicherten Daten
• die Daten werden in Dateien des File-Systems
  gespeichert

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Was ist eine Datenbank? (2)

• Datenbanksystem (DBS)
• In einem DBS werden Daten nach einheitlichen
  Regeln gespeichert (persistente
  Datenhaltung) und verwaltet.
• Alle Benutzer und Anwendungen können nach
  einheitlichen Regeln auf die gespeicherten Daten
  zugreifen.
• DBS Datenbasis DB-Verwaltungssystem (DBMS)

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Was ist eine Datenbank? (3)

• DBMS (Data Base Management System)
• Programme zur Verwaltung persistenter Daten
  (der sog. Datenbasis)
• liegt in der Funktionalität zwischen
  Anwendungsprogrammen und Betriebssystem
• effiziente Verwaltung großer Datenmengen
• ein einheitliches Datenmodell liegt zugrunde,
  mit dessen Konzepten alle Daten einheitlich
  beschrieben werden.
• Operationen und deskriptive Sprachen wie z.B.
  SQL DDL (Data Definition Language), DML
  (Data Manipulation Language), DCL (Data
  Control Language)
• Transaktionskonzepte und Mehrbenutzerbetrieb
• Datenschutz und Datensicherheit
• 
  (vgl. Heuer/Saake
  Datenbanken, 1995)
• 
  
  

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Was ist eine Datenbank? (4)

• Data Dictionary
• Informationsbasis des DBMS zur Speicherung und
  Verwaltung der ,Anwendungsdaten
• Informationsbasis für DB-Benutzer zur Suche
  nach gespeicherten ,Anwendungsdaten,
  Gewinnung von Strukturdaten und Diagnose von
  Leistungsproblemen
• enthält die Daten, die den Datenbestand
  beschreiben/ definieren Metadaten/Verwaltung
  sdaten (Informationen über Tabellennamen,
  Attributnamen, Datentypen, Beziehungen )
• Metadatenbank arbeitet mit den gleichen
  Konzepten wie das DBMS selbst (Tabellen,
  Attribute, Beziehungen, gleiche Anfragesprache )

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Was ist ein Datenmodell?
Ein Datenmodell stellt einen allgemeinen
Begriffsapparat zur Verfügung, der es gestattet,
Realitätsausschnitte ohne Eingrenzung auf ein
bestimmtes Sachgebiet zu modellieren. Mit dem
Datenmodell werden die Datenobjekte und die
Operatoren auf diesen Objekten festgelegt. Das
Datenmodell ist somit analog zu einer
Programmier-sprache, die Datentypen und
Funktionen werden mit Mitteln der
Datenbanksprache beschrieben. (Vossen,
1999)
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Klassifizierung von Datenbanken
Nach dem Typ des Datenmodells(und der
zeitlichen Entwicklung)

• Flache Dateien (vor DB-Zeitalter/ohne DB)
• Hierarchische Datenbanken
• Netzwerkdatenbanken
• Relationale und objektrelationale Datenbanken
• Objektorientierte Datenbanken

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Relationale Datenbank
Die Daten und ihre Beziehungen werden in Tabellen
(Relationen) abgebildet. Eine Tabelle ist
horizontal in Zeilen und vertikal in Spalten
aufgeteilt. Jeder Datensatz wird als Zeile
dargestellt. Die Zeilen heißen Tupel und die
Spaltenüberschriften Attribute.
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Informationssystem vs. Datenbanksystem

• Ein Informationssystem (IS) besteht aus Menschen
  und Maschinen, die Informationen erzeugen
  und/oder benutzen und die durch
  Kommunikationsbeziehungen miteinander verbunden
  sind.
• Ein rechnergestütztes Informationssystem (CIS)
  ist ein System, bei dem die Erfassung,
  Speicherung und/oder Transformation von
  Informationen durch den Einsatz von EDV teilweise
  automatisiert ist.

IS
CIS
Anwendungssysteme
Datenbanksystem
Betriebssystem
Hardware
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Beispiele für Informationssysteme

• Universitätsdatenbank
• Objekte Fachbereiche, Studenten, Professoren,
  Mitarbeiter, Vorlesungen, Prüfungen
• Anwendungen
• Immatrikulation
• Ausfertigung von Studienbescheinigungen
• Stundenplanerstellung
• Raumbelegung
• Ausstellung von Zeugnissen
• Statistiken
• Bank-Informationssystem
• Objekte Partner (Kunden, Geschäftspartner),
  Produkte (bestehend aus Features), Tarife,
  Standardkosten, Konten, Finanzinstrumente,
  Geschäftsprozesse (Beschreibungen und Logs),
  Referenzdaten (z.B. Kalender)
• Anwendungen
• Buchung von Zahlungsvorgängen auf verschiedenen
  Konten
• Einrichten und Auflösen von Konten
• Zinsberechnung und Verbuchung
• Personalverwaltung (Gehaltsabrechnung)
• Bereitstellung von Statistiken über
  Kundenverhalten zu Marketing-Zwecken

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Typen von Informationssystemen
Information Retrieval (Recherche-Systeme) Kommerzielle EDV Wiss.-techn. Anwendungen
große Datenmengen (unformatiert) große Datenmengen (formatiert) Einfache Daten-struktur/Datentypen Kleine Datenmengen, numerische Daten
Komplexe Suchalgorithmen Einfache Algorithmen Komplexe Algorithmen
Retrieval-orientiert Update-orientiert, transaktionsorientiert prozeßorientiert
Datenbankmanagementsysteme
Non-Standard-Anwendungen
große Datenmengen (formatiert und unformatiert)
Komplexe Datentypen
Komplexe Algorithmen
Komplexe Transaktionen
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Entwicklung der Datenbanken (1)
14
Entwicklung der Datenbanken (2)
15
Entwicklung der Datenbanken (3)
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Vorteile eines DBMS

• Datenunabhängigkeit
• Effizienter Zugriff
• Verminderte Entwicklungszeit
• Kontrolle der Datenintegrität
• Zugriffskontrolle auf die Daten
• Datensicherheit und Zugriffskontrolle auf die
  Daten (Korrektheit bei fehlerhaftem Ablauf
  einzelner Anwendungen und System-absturz)
• Einheitliche Datenadministration
• Unterstützung von Nebenläufigkeit (Concurrency
  Control)
• Recovery-Fähigkeiten (Korrektheit bei
  fehlerhaftem Ablauf einzelner Anwendungen und
  Wiederherstellung der DB nach System-Crash)

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Datenunabhängigkeit (1)
Unter Datenunabhängigkeit versteht man die
Unabhängigkeit von Anwendungsprogrammen und den
Daten, die die Anwendungsprogramme benötigen.
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Datenunabhängigkeit (2)
Welche Vorteile hat die Datenunabhängigkeit?

• Weniger Redundanz
• keine inkonsistenten Daten
• Anpassungsfähigkeit

Arten der Datenunabhängigkeit

• vertikal und logisch Anwenderprogramme von den
  Daten
• horizontal und logisch Anwenderprogramme
  untereinander
• physisch Unabhängig von der physikalischen
  Speicherung

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Sprachebenen und Sprachklassen
20
Kategorien von Datenbankbenutzern
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Aufgaben des Datenbankadministrators

• Datenbankdesign, Anlegen der Datenbank
• Softwareinstallation und -wartung
• Speicherplatzverwaltung
• Implementierung von Sicherheitsmechanismen
• Laden von Daten
• Backup und Recovery.
• Reorganisation von Datenbeständen
• Systembeobachtung und-Tuning

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Aufgaben des Datenbankentwicklers (1)

• Systemanalyse
• Entwurf des konzeptionellen Datenbankmodells,
  z.B. Erstellung eines
• ER-Modells
• Erstellung einer kompletten Aufgabenbeschreibung
• Abstimmung mit bestehenden Applikationen und
  Einbindung in eine
• komplexes Datenmodell
• Ad-Hoc-Abfragen
• Beobachtung der Datenbank und der Entwicklung
  der Datenmenge
• Beantwortung von Benutzerfragen, die nicht fest
  programmiert werden
• sollen
• Bedienung von SQL-Werkzeugen

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Aufgaben des Datenbankentwicklers (2)

• Anwendungsentwicklung
• Entwicklung von Masken
• Entwicklung von Reports, schriftlichen
  Dokumenten
• Programmiersprache 4 GL-Sprachen, wie PL/SQL
  von ORACLE
• Erstellung von Datenbankprozeduren und
  Datenbanktriggern in Datenbank
• Anbindung der Datenbank ans INTERNET, z.B. mit
  JDBC und Java

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Aufgaben des Datenbankendbenutzers

• Benutzung der vom Datenbankentwickler
  erstellten Programme
• Benutzung von QBE-Werkzeugen (Query by
  Example) zur Beantwortung von
  Ad-Hoc-Abfragen

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Datenbankarchitektur
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ANSI-3-Ebenen-Modell
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Beispiel zum ANSI-3-Ebenen-Modell
Flughafenbetrieb Externe Ebene

• Benutzersicht auf den Flugbetrieb, also z.B.
• Unterstützung von Buchung,
• Auswahl und Reservierung der Plätze
• die Ausgabe der Flugscheine
• mehr und mehr über das INTERNET

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Konzeptionelles Schema
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Datenbankschema
Das Datenbankschema besteht bei einer
relationalen Datenbank aus dem Relationenschema,
also den Tabellen, die in der Datenbank abgelegt
werden sollen.
Flug
Sitzplatz
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Interne Ebene
Beschreibt die Daten in Form von Datensätzen
(Records), spezifischen Zugriffspfaden, die
Abbildung der logischen Records auf die
Speicherstrukturen (physische Records, Seiten)

• Physische Speicherstruktur der Daten
• Indizes (z.B. Baum- Baumstruktur)
• Hash-Zugriff
• Heap
• Indizes

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Concurrency Control

• Nebenläufige Ausführung von Anwendungsprogrammen
  wichtig für Performance
• Nebenläufige Arbeit wichtig für gute
  CPU-Auslastung
• Überlappende Aktionen von verschiedenen
  Programmen können zu Inkonsistenz führen
• z.B. Berechnung eines Kontostandes durch eine
  Transaktion und gleichzeitige Ausführung
  einer Überweisung
• DBMS garantiert Isolation und Konsistenz
• Isolation
• Illusion einer Transaktion, allein Zugriff auf
  die Datenbank zu haben. Eine Transaktion sieht
  nur einen konsistenten Zustand der Datenbank.
• Konsistenz
• Korrekter Ablauf einer Transaktion

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Transaktionskonzept

• Transaktion
• Atomare Sequenz von Datenbank-Aktionen (read /
  write)
• Atomizität All or Nothing
• Jede Transaktion hinterläßt die DB in einem
  konsistenten Zustand, wenn diese bei
  Transaktionsbeginn schon konsistent war.
• Benutzer können Integritätsbedingungen auf den
  Daten formulieren, die vom DBMS kontrolliert
  werden.
• Das DBMS versteht nicht die Semantik der Daten
  ? Benutzer ist für den korrekten Ablauf einer
  Transaktionen verantwortlich
• DBMS garantiert, daß die verschachtelte
  Ausführung einer Menge von Transaktionen T1,
  ..., Tn äquivalent zu irgendeiner seriellen
  Ausführung T1... Tn sind.

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Datensicherheit

• DBMS sichert Atomizität auch, wenn das System
  mitten in einer Transaktion abstürzt
• Idee Protokollierung aller Aktionen (Logging),
  die vom DBMS ausgeführt werden während der
  Ausführung der Transaktionen
• Vor dem Ändern der DB wird der entsprechende
  Log-Eintrag auf einen sicheren Platz geschrieben.
• Nach einem Crash werden die Effekte von teilweise
  ausgeführten Transaktionen zurückgesetzt (undo)
• Logging von
• Write (alter und neuer Wert) durch Ti
• Commit oder Abort von Ti
• Logs werden oft zusätzlich gesichert auf einem
  anderen Datenträger
• Alle Aktivitäten von Logging und Concurrency
  Control werden transparent durch das DBMS
  behandelt.

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Zusammenfassung

• Vorteile eines Datenbanksystems
• Integrierter Datenbestand Vermeidung von
  Redundanz
• Konsistenz, höhere Qualität des Datenbestandes
• Einheitliche Mechanismen für Datenschutz,
  Datensicherheit (Recovery) und Nebenläufigkeit
  (Concurrency Control)
• Physische und logische Datenunabhängigkeit
• Leichtere und schnellere Programmentwicklung und
  -wartung durch einheitliche und explizite
  Strukturdarstellung, Nutzung von 4GL, Form- und
  Reportgeneratoren
• Optimierbare Anfragesprache (Query Language)
• Nachteile eines Datenbanksystems
• General-Purpose Software oft weniger effizient
  als spezialisierte Software
• Bei konkurrierenden Anforderungen kann DBS nur
  für einen Teil der AP optimiert werden
• Kosten DBMS und zusätzliche Hardware
• Hochqualifiziertes Personal (DB-Administration)
• Verwundbarkeit durch Zentralisierung (Ausweg
  Verteilung)