Taschenbuch Datenbanken

Taschenbuch Datenbanken

1 Datenbanken: Grundlagen und Überblick

1.1 Dateien und Dateisysteme

1.2 Terminologie

1.3 Merkmale eines DBMS

1.3.1 Aufgaben eines DBMS

1.3.2 Vorteile des Datenbankeinsatzes

1.3.3 Nachteile von Datenbanksystemen

1.3.4 Produkte

1.4 Architektur eines Datenbanksystems

1.4.1 Architekturen

1.4.2 Schemaarchitektur

1.4.2.1 Datenbankschema

1.4.2.2 Drei-Ebenen-Architektur

1.4.3 Datenunabhängigkeit

1.5 Benutzerrollen bei Entwurf und Betrieb von Datenbanken

1.6 Datenbanken und Informationssysteme

1.7 Fachgebiet Datenbanken im Überblick

1.7.1 Themenbereiche und Zusammenhänge

1.7.2 Einordnung des Fachs innerhalb der Informatik

1.8 Historische Entwicklung

1.8.1 Frühzeit

1.8.2 Prärelationale DBMS

1.8.3 Durchbruch der relationalen Datenbanken

1.8.4 Neue Anwendungsfelder für Datenbanken

1.8.5 Neuzeit

1.9 Datenbanken in der Forschung

1.9.1 Fachverbände

1.9.2 Aktuelle Forschungstrends

2 Informationsmodellierung

2.1 Datenbankentwurf

2.1.1 Phasenmodell

2.1.2 Anforderungsanalyse

2.1.3 Konzeptioneller Entwurf

2.1.4 Logischer Entwurf

2.1.5 Datendefinition

2.1.6 Physischer Entwurf

2.1.7 Implementierung und Wartung

2.2 Grundlagen des Entity-Relationship-Modells (ERM)

2.2.1 Semantische Datenmodelle

2.2.2 Grundkonzepte des klassischen ERM

2.2.2.1 Konzepte auf der Instanzebene

2.2.2.2 Konzepte auf der Typebene

2.2.2.3 Rollenmodellierung

2.2.3 Kardinalitäten von Beziehungstypen

2.2.3.1 Kardinalitäten im klassischen ERM

2.2.3.2 Intervalle und Komplexitätsgrade

2.2.4 Existenzabhängigkeit vs. Optionalität

2.2.5 Rekursive und n-äre Beziehungstypen

2.2.5.1 Rekursive Beziehungstypen

2.2.5.2 N-äre Beziehungstypen

2.2.6 Attribute

2.2.7 Modellierungsbeispiel

2.3 Erweiterungen des ERM

2.3.1 Erweiterungen bei Attributen

2.3.2 Generalisierung und Spezialisierung

2.3.3 Aggregation

2.3.4 Modellierung zeitlicher Aspekte

3 Relationales Datenmodell

3.1 Konzepte und Grundbegriffe des relationalen Datenmodells

3.1.1 Relationen, Tupel, Attribute und Wertebereiche

3.1.2 Eigenschaften von Relationen

3.2 Integritätsbedingungen

3.2.1 Grundbegriffe

3.2.2 Entitätsintegrität

3.2.3 Referenzielle Integrität

3.2.3.1 Begriff

3.2.3.2 Regeln für Fremdschlüssel

3.2.3.3 Gewährleistung der referenziellen Integrität bei kritischen DML-Operationen

3.3 Abbildung des EERM auf das relationale Datenmodell

3.3.1 Problemstellung

3.3.2 Abbildungsregeln für Attribute und Entitytypen

3.3.3 Abbildungsregeln für Beziehungstypen

3.3.4 Abbildungsregeln für die Generalisierung

3.4 Optimierung von Relationen

3.4.1 Problemstellung

3.4.2 Anomalien bei DML-Operationen auf Relationen

3.4.3 Abhängigkeiten

3.4.3.1 Funktionale Abhängigkeiten

3.4.3.2 Mehrwertige Abhängigkeiten

3.4.4 Verbundtreue und Abhängigkeitstreue

3.4.5 Normalformenlehre

3.4.5.1 Erste Normalform (1NF)

3.4.5.2 Zweite Normalform (2NF)

3.4.5.3 Dritte Normalform (3NF)

3.4.5.4 Boyce-Codd-Normalform (BCNF)

3.4.5.5 Vierte Normalform (4NF)

3.4.5.6 Fünfte Normalform (5NF)

3.4.5.7 Denormalisierung

3.5 Operationen der Relationenalgebra

3.5.1 Einführung

3.5.2 Relationenorientierte Operationen

3.5.3 Mengenoperationen

3.5.4 Relationenalgebra und relationale Sprachen

3.5.5 Relationenkalkül

4 Die Datenbanksprache SQL

4.1 Grundkonzepte

4.2 Historie

4.3 Spezifikationsdokumente

4.4 Beispieldatenbank

4.5 Datenbankanfragen

4.5.1 Einführende Beispielanfragen

4.5.2 Grundgerüst von Anfragen

4.5.3 Anfragen mit Aggregatfunktionen

4.5.4 Anfragen mit Tabellenfunktionen

4.5.5 Anfragen mit Mengenoperationen

4.5.6 Anfragen mit Verbundoperationen

4.5.7 Verschachtelte Anfragen

4.5.8 Rekursive Anfragen

4.5.9 Anfragen mit sortierter Ausgabe

4.6 Datenmanipulation

4.6.1 Einfügen von Tabellenzeilen

4.6.2 Ändern von Tabellenzeilen

4.6.3 Löschen von Tabellenzeilen

4.6.4 Zusammenführen von Tabellenzeilen

4.7 Datendefinition

4.7.1 SQL-Datentypen

4.7.2 Erzeugen und Löschen von Schemata

4.7.3 Erzeugen, Ändern und Löschen von Tabellen

4.7.4 Erzeugen und Löschen von Domänen

4.7.5 Erzeugen und Löschen von Integritätsbedingungen

4.7.6 Erzeugen und Löschen von Sichten

4.7.7 Erzeugen und Löschen von Routinen

4.7.7.1 Prozedurale SQL-Konstrukte

4.7.7.2 Erzeugen von SQL-Routinen

4.7.7.3 Erzeugen von externen Routinen

4.7.7.4 Löschen von Routinen

4.7.8 Erzeugen und Löschen von Triggern

4.7.9 Erzeugen und Löschen von Sequenzgeneratoren

4.8 Transaktionssteuerung

4.8.1 Transaktionsanweisungen

4.8.2 Isolationsebenen

4.8.3 Überprüfung von Integritätsbedingungen

4.9 Zugriffskontrolle

4.9.1 Vergabe von Zugriffsrechten

4.9.2 Zurücknahme von Zugriffsrechten

4.9.3 Erzeugen und Löschen von Rollen

5 Datenbank-Anwendungsprogrammierung

5.1 Grundlagen der Datenbank-Anwendungsprogrammierung

5.1.1 Impedance Mismatch

5.1.2 Einbettungstechniken

5.1.3 Einbettungsarten

5.1.3.1 Statische Programmierspracheneinbettung

5.1.3.2 Dynamische Programmierspracheneinbettung

5.1.4 Architekturansätze

5.1.4.1 Fat-Client-Architektur

5.1.4.2 Thin-Client-Architektur

5.1.4.3 Thin-Client-Architektur mit Applikationsserver

5.2 Embedded SQL

5.2.1 Grundidee und Architektur

5.2.2 Syntax

5.2.3 Host-Variablen

5.2.4 Das Cursor-Konzept

5.2.5 Statische Einbettung

5.2.6 Dynamische Einbettung

5.2.7 Indikatorvariablen

5.2.8 SQLJ

5.3 Aufrufschnittstellen

5.3.1 Überblick

5.3.2 SQL/CLI

5.3.3 JDBC

5.3.3.1 Treibertypen

5.3.3.2 Verbindung aufbauen

5.3.3.3 Verbindung schließen

5.3.3.4 Transaktionen

5.3.3.5 Leseanweisungen – das ResultSet

5.3.3.6 Änderungen

5.3.3.7 Zugriff auf Metadaten

5.4 Relationale Datenbankprogrammiersprachen

5.4.1 Datenbankinterne Ansätze

5.4.1.1 SQL/PSM

5.4.1.2 Benutzerdefinierte Routinen

5.4.1.3 Trigger

5.4.2 4GL-Programmiersprachen

5.4.2.1 Überblick

5.4.2.2 Beispiel: ABAP

5.5 Objektrelationale Abbildung

5.5.1 Java Persistence API (JPA)

5.5.1.1 Schemaabbildung

5.5.1.2 Datenzugriff

5.5.1.3 Formulieren von Anfragen

5.5.2 JDO – Java Data Objects

5.5.3 Entity Beans

6 Datenbanken im Web

6.1 Grundlagen des Web

6.2 Eigenschaften von Webanwendungen

6.2.1 Anforderungen

6.2.2 Webseiten

6.2.3 Dynamische Webseiten

6.2.4 Adressierung

6.2.5 Kommunikation

6.3 Datenbankanbindung im Web

6.3.1 Architekturen

6.3.2 Programmierung

6.3.3 Überblick

6.4 Datenbankanbindung über Datenexport

6.5 Clientseitige Datenbankanbindung

6.5.1 Skripteinbettung

6.5.2 Programmeinbettung

6.5.3 Weitere Techniken

6.6 Serverseitige Datenbankanbindung

6.6.1 Webseitengeneratoren

6.6.2 Skripteinbettung

6.6.3 Programmeinbettung

6.6.4 Applikationsserver

6.6.5 Webservices

7 Komponenten eines Datenbankmanagementsystems

7.1 Architektur von DBMS

7.1.1 Schichtenmodell

7.1.2 Prozessarchitektur

7.2 Pufferverwaltung

7.2.1 Notwendigkeit und Aufgabe

7.2.2 Speicherzuteilung

7.2.3 Seitenersetzung

7.3 Speicher- und Zugriffssystem

7.3.1 Aufgabe

7.3.2 Seiten und Sätze

7.3.3 Adressierung von Sätzen

7.4 Anfrageprozessor

7.4.1 Basisoperatoren

7.4.1.1 Unäre Operatoren

7.4.1.2 Binäre Operatoren

7.4.2 Anfrageplanung und -optimierung

7.4.3 Kosten und Statistiken

7.5 Transaktionsverwaltung

7.5.1 Aufgabe

7.5.2 Serialisierbarkeit

7.5.3 Sperrverfahren

7.5.4 Nicht sperrende Verfahren

7.6 Recovery

7.6.1 Fehlerklassen

7.6.2 Recovery-Strategien

7.6.3 Logging

7.6.4 Wiederanlauf im Fehlerfall

7.6.5 Schattenspeicherverfahren

7.7 Datenbanktechniken für moderne Hardware-Architekturen

8 Dateiorganisation und Indexe

8.1 Organisation von Dateien

8.1.1 Formen der Dateiorganisation

8.1.2 Dateiorganisationsformen im Vergleich

8.1.2.1 Basisoperationen

8.1.2.2 Kosten

8.2 Zugriffsstrukturen

8.2.1 Grundlagen von Zugriffsverfahren

8.2.2 Eigenschaften von Indexen

8.3 Baumbasierte Verfahren

8.3.1 ISAM-Bäume

8.3.2 Balancierte Mehrwegbäume

8.3.3 Digitale Bäume

8.4 Hash-Verfahren

8.4.1 Prinzip des Hashing

8.4.2 Erweiterbares Hashing

8.4.3 Weitere Hash-Verfahren

8.5 Mehrdimensionale Zugriffsverfahren

8.5.1 Mehrdimensionale Baumverfahren

8.5.2 Grid-File

8.6 Clusterung und Partitionierung

8.6.1 Clusterung

8.6.2 Partitionierung

8.7 Umsetzung in SQL-Systemen

8.7.1 Definition von Tabellen

8.7.2 Definition von Indexen

9 Optimierung von Datenbanken und Leistungsbewertung

9.1 Motivation der Datenbankoptimierung

9.1.1 Kosten von Datenbankanfragen

9.1.2 Optimierungspotenzial

9.1.3 Zielbestimmung der Datenbankoptimierung

9.2 Phasen der Datenbankoptimierung

9.3 Phase 1.1 – Optimierung des Datenbankschemas

9.3.1 Konzeptuelles Schema

9.3.1.1 Attribute

9.3.1.2 Tabellen

9.3.1.3 Redundanz

9.3.2 Externes Schema

9.3.2.1 Sichten

9.3.2.2 Prozedurale SQL-Erweiterungen

9.3.3 Internes Schema

9.3.3.1 Materialisierte Sichten

9.3.3.2 Zugriffspfadstrukturen

9.4 Phase 1.2 – Anwendungsoptimierung

9.4.1 Optimierung von Unternehmensfunktionen

9.4.2 Optimierung der Anwendung

9.4.3 Optimierungen im Mehrbenutzerbetrieb

9.4.4 Formulierung von SQL-Anweisungen

9.5 Phase 2 – Hauptspeicheroptimierung

9.5.1 Gestaltung des Datenbankpuffers

9.5.1.1 Komponenten des Datenbankpuffers

9.5.1.2 Größe des Datenbankpuffers

9.5.1.3 Blockfüllgrad

9.5.2 Schreiben des Datenbankpuffers

9.5.2.1 Sicherungspunkt-Intervalle

9.5.2.2 Protokolldatei

9.5.3 Optimierer

9.5.3.1 Statistiken

9.5.3.2 Planhinweise (Hints)

9.6 Phase 3 – Optimierung der Sekundärspeicherzugriffe

9.6.1 Zusammenspiel mit dem Betriebssystem

9.6.2 Verteilung der Eingabe-/Ausgabelast

9.6.2.1 Verteilung der Daten- und Indexdateien

9.6.2.2 Verteilung der Daten

9.6.2.3 Verteilung der Protokolldatei

9.6.2.4 RAID-Level

9.6.3 Optimierung physischer Speicherstrukturen

9.6.3.1 Blockgröße

9.6.3.2 Cluster-Techniken

9.6.3.3 Kompressions-Techniken

9.6.3.4 Reorganisation

9.7 Leistungsbewertung

9.7.1 Transaction Processing Performance Council

9.7.2 Vergleichbarkeit der Benchmark-Ergebnisse

10 Objektrelationale Datenbanken

10.1 Objektorientierte Konzepte

10.1.1 Objekte

10.1.2 Methoden

10.1.3 Kapselung

10.1.4 Objektidentität

10.1.5 Klassen

10.1.6 Spezialisierung

10.2 Objektorientierung in Datenbanken

10.3 Objektrelationale Standard-SQL-Konzepte

10.3.1 Typkonstruktoren

10.3.2 Distinct-Typen

10.3.3 Strukturierte Typen

10.3.4 Methoden

10.3.5 Benutzerdefinierte Konstruktoren

10.3.6 Benutzerdefinierte Casts

10.3.7 Benutzerdefinierte Ordnungen

10.3.8 Typisierte Tabellen

10.3.9 Typisierte Sichten

10.4 Objektrelationale Anfragen

10.4.1 Anfragen auf Kollektionen

10.4.2 Anfragen mit Pfadausdrücken

10.4.3 Anfragen mit Methodenaufrufen

10.4.4 Anfragen auf flachen Tabellenextensionen

10.4.5 Typspezifische Anfragen

10.4.6 Anfragen mit temporärer Typanpassung

11 XML und Datenbanken

11.1 Überblick über XML

11.1.1 Der XML-Standard und verwandte Standards

11.1.2 XML Schema

11.2 Anfragesprachen für XML

11.2.1 Pfadausdrücke (XPath und XQuery)

11.2.2 XQuery

11.3 XML und relationale Datenbanksysteme

11.3.1 Relationale Speicherung von XML

11.3.2 SQL/XML

11.3.3 Realisierung in kommerziellen Systemen

11.4 Reine XML-Datenbanksysteme

12 NoSQL-Datenbanksysteme

12.1 Motivation und Grundbegriffe

12.2 Klassifikation

12.2.1 Key-Value-Datenbanksysteme

12.2.1.1 Datenmodell und Schema

12.2.1.2 Anfragen und Datenmanipulation

12.2.1.3 Einsatzbereiche und Systeme

12.2.2 Dokumentenorientierte Datenbanksysteme

12.2.2.1 Datenmodell und Schema

12.2.2.2 Anfragen und Datenmanipulation

12.2.2.3 Einsatzbereiche und Systeme

12.2.3 Column-Family-Datenbanksysteme

12.2.3.1 Datenmodell und Schema

12.2.3.2 Anfragen und Datenmanipulation

12.2.3.3 Einsatzbereiche und Systeme

12.2.4 Weitere NoSQL-Datenbanksysteme

12.3 Datenmodellierung

12.3.1 Generelle Aspekte der Datenmodellierung in NoSQL-Datenbanksystemen

12.3.2 Datenmodellierung für dokumentenorientierte Datenbanken

12.3.3 Datenmodellierung für Column-Family-Datenbanken

12.3.3.1 Eingebettete Speicherung in Column-Family-Daten-banksystemen

12.3.3.2 Spaltenfamilien

12.3.4 Datenmodellierung für Key-Value-Datenbanken

12.4 Anwendungsentwicklung mit NoSQL-Datenbanksystemen

12.4.1 MapReduce

12.4.1.1 MapReduce-Prinzip

12.4.1.2 MapReduce-Beispiel

12.4.1.3 MapReduce-Frameworks

12.4.1.4 MapReduce-Trends

12.4.2 Schema-Management

12.5 Skalierbarkeit, Verfügbarkeit und Konsistenz

12.6 Auswahl eines geeigneten Datenbanksystems

12.6.1 Kriterienkatalog

12.6.2 Performance

12.6.3 Polyglotte Persistenz

13 Verteilte und föderierte Datenbanksysteme

13.1 Überblick, Grundbegriffe, Abgrenzung

13.1.1 Verteilte vs. parallele Datenbanksysteme

13.1.2 Verteilte vs. föderierte Datenbanksysteme

13.2 Schemaarchitektur und Entwurf verteilter Datenbanksysteme

13.3 Fragmentierung

13.3.1 Horizontale Fragmentierung

13.3.2 Vertikale Fragmentierung

13.3.3 Kombinierte Fragmentierung

13.4 Verteilungstransparenz

13.4.1 Vorteile verteilter Datenbanksysteme

13.4.2 Transparenzeigenschaften verteilter Datenbanksysteme

13.5 Verteilte Anfrageverarbeitung

13.5.1 Datenlokalisierung

13.5.2 Globale Optimierung der Join-Auswertung

13.6 Transaktionsverwaltung in verteilten Datenbanksystemen

13.6.1 Koordination

13.6.2 Synchronisation

13.6.3 Deadlock-Behandung

13.6.4 Synchronisation bei Replikation

13.7 Föderierte Datenbanksysteme

13.7.1 Autonomie und Heterogenität

13.7.2 Architektur föderierter DBS

13.7.3 Integrationsprozess

13.7.4 Anfrageverarbeitung in föderierten DBS

13.7.5 Synchronisation in föderierten DBS

13.8 Cloud-Datenbanken

13.8.1 Cloud Data Management und Big Data

13.8.2 Das CAP-Theorem

13.8.3 Database as a Service (DBaaS)

13.8.4 Skalierbarkeit und Verfügbarkeit

13.9 Trends

14 Data Warehouse

14.1 Architektur

14.1.1 Datenquellen

14.1.2 Back-End-Bereich

14.1.2.1 Monitore

14.1.2.2 Extraktionskomponenten

14.1.2.3 Transformationskomponente

14.1.2.4 Ladekomponente

14.1.3 Datenbank

14.1.3.1 Data Warehouse

14.1.3.2 Data Marts

14.1.3.3 Archiv-Datenbank

14.1.4 Front-End-Werkzeuge

14.1.4.1 Berichts- und Anfragewerkzeuge

14.1.4.2 OLAP-Werkzeuge

14.1.4.3 Data-Mining-Werkzeuge

14.1.4.4 Sonstige Front-End-Werkzeuge

14.1.5 Sonstige Werkzeuge

14.1.5.1 DWS-Manager

14.1.5.2 Metadaten-Repository

14.2 Multidimensionale Datenmodelle

14.2.1 Statische Aspekte

14.2.2 Dynamische Aspekte

14.3 Speicherung und Schemagestaltung

14.3.1 Relationale Speicherung

14.3.2 Multidimensionale Speicherung

14.3.3 Spaltenorientierte Speicherung

14.4 Erweiterung relationaler Datenbanken

14.4.1 Materialisierte Sichten

14.4.2 Partitionierung

14.4.3 Bitmap-Index

14.4.4 SQL-Erweiterungen zum Einfügen

14.4.5 Komplexes Gruppieren

14.4.6 Star Query

14.4.7 Bulk Loader

15 Data Mining

15.1 KDD-Prozess

15.2 Clustering

15.2.1 Definition und Beispiele

15.2.2 Anforderungen und Probleme

15.2.3 Verfahren

15.2.3.1 Partitionierende Verfahren

15.2.3.2 Hierarchische Verfahren

15.2.3.3 Dichtebasierte Methoden

15.3 Assoziationsanalyse

15.3.1 Definition und Beispiel

15.3.2 Anforderungen und Probleme

15.3.3 Verfahren

15.4 Klassifikation

15.4.1 Definition und Beispiele

15.4.2 Anforderungen

15.4.3 Verfahren

15.4.3.1 Entscheidungsbaum-Klassifikatoren

15.4.3.2 Regelbasierte Klassifikatoren

15.4.3.3 Weitere Verfahren

15.5 Anomalieentdeckung

15.5.1 Definition und Beispiele

15.5.2 Anforderungen und Probleme

15.5.3 Verfahren

15.5.3.1 Grafische und statistikbasierte Verfahren

15.5.3.2 Distanzbasierte Ansätze

16 Multimedia-Datenbanken

16.1 Einführung

16.2 Mediendaten

16.3 Suche nach Mediendaten

16.3.1 Textsuche

16.3.2 Bildsuche

16.3.3 Audiosuche

16.3.4 Videosuche

16.4 Mediendatentypen

16.5 Einbettung in Datenbanksysteme

16.5.1 Schemastrukturen

16.5.2 Anfrageformulierung

16.6 Einsatz

17 Geodatenbanken

17.1 Geodaten

17.1.1 Eigenschaften von Geodaten

17.1.2 Metadaten

17.2 Datenschemata

17.2.1 Standardisierung

17.2.2 ISO 19107 Spatial Schema

17.2.3 ISO 19125 Simple Feature Access

17.2.3.1 Datenschema

17.2.3.2 Datenrepräsentationen

17.2.4 ISO/IEC 13249-3 SQL/MM Spatial

17.2.5 Räumliche Bezugssysteme

17.2.5.1 EPSG-Bezugssysteme

17.2.5.2 Lineare Bezugssysteme

17.3 Funktionen

17.3.1 Geometrische Funktionen

17.3.2 Topologische Prädikate

17.3.2.1 Boolesches Modell

17.3.2.2 Dimensionsmodell

17.4 Räumliche Anfragen

17.4.1 Räumliche Basisanfragen

17.4.1.1 Räumliche Selektion

17.4.1.2 Räumlicher Verbund

17.4.1.3 Nächste-Nachbarn-Anfrage

17.4.2 Mehrstufige Anfragebearbeitung

17.4.3 Approximationen

17.5 Räumliche Indexe

17.5.1 Grundtechniken

17.5.1.1 Clipping

17.5.1.2 Punkttransformationen

17.5.1.3 Raumfüllende Kurven

17.5.1.4 Überlappende Blockregionen

17.5.2 Quadtrees

17.5.3 R-Bäume

17.6 Geodatenbanksysteme

Abkürzungsverzeichnis

Literaturverzeichnis

Sachwortverzeichnis