Datenbankstruktur

Ein Datenbanksystem (DBS) ist ein System zur elektronischen Datenverwaltung. Die wesentliche Aufgabe eines DBS ist es, große Datenmengen effizient, widerspruchsfrei und dauerhaft zu speichern und benötigte Teilmengen in unterschiedlichen, bedarfsgerechten Darstellungsformen für Benutzer und Anwendungsprogramme bereitzustellen.

Ein DBS besteht aus zwei Teilen: der Verwaltungssoftware, genannt Datenbankmanagementsystem (DBMS) und der Menge der zu verwaltenden Daten, der eigentlichen Datenbank (DB). Die Verwaltungssoftware organisiert intern die strukturierte Speicherung der Daten und kontrolliert alle lesenden und schreibenden Zugriffe auf die Datenbank. Zur Abfrage und Verwaltung der Daten bietet ein Datenbanksystem eine Datenbanksprache an.

Datenbanksysteme gibt es in verschiedenen Formen. Die Art und Weise, wie ein solches System Daten speichert und verwaltet, wird durch das Datenbankmodell festgelegt. Die bekannteste Form eines Datenbanksystems ist das Relationale Datenbanksystem.

Geschichte

Ausgehend von Problemen bei der Verarbeitung von Daten in einfachen Dateien, wurde in den 1960er Jahren das Konzept eingeführt, Daten durch eine separate Softwareschicht zwischen Betriebssystem (Dateiverwaltung) und Anwendungsprogramm zu verwalten. Dieses Konzept begegnete der Fehlentwicklung, dass Datenspeicher in Form von Dateien in der Regel für eine spezielle Anwendung konzipiert wurden und ein erheblicher Teil des Tagesgeschäfts mit Umkopieren, Mischen und Restrukturieren der Dateien belastet war.

Eines der ersten großen DBMS war IMS mit der Sprache DL/I (Data Language One). Die damit verwalteten Datenbanken waren hierarchisch strukturiert. Parallel dazu definierte CODASYL ein Modell für netzwerkartig strukturierte Datenbanken.

Einen wesentlichen Fortschritt erzielte in den 60er und 70er Jahren Edgar F. Codd mit seiner Forschungsarbeit am IBM Almaden Research Center. Codd entwickelte die Grundlagen des ersten experimentellen relationalen Datenbanksystems System R ^[1] . Die Berkeley Group folgte mit Ingres und der Abfragesprache QUEL.

Oracle (damals noch unter den Firmennamen SDL und RSI) verwertete die Ergebnisse des System R und führte SQL zum kommerziellen Erfolg. IBM folgte mit SQL/DS und DB2. Die relationalen Datenbanksysteme verdrängten in den 80er Jahren die hierarchischen und netzwerkartigen Systeme und der Großteil der Behörden, Konzerne, Institute und mittelständischen Unternehmen stellte seine IT auf Datenbanksysteme um.

Während in den 90er Jahren wenige kommerzielle Hersteller von Datenbank-Software faktisch den Markt beherrschten (namentlich IBM, Informix, Microsoft mit SQL Server und Oracle), erlangen in den 2000ern die Open-Source-Datenbankmanagementsysteme eine immer größere Bedeutung. Vor allem MySQL und PostgreSQL erzielten signifikante Marktanteile. Als Reaktion bieten die führenden kommerziellen Hersteller gebührenfreie Versionen ihrer Datenbank-Software an.

Bedeutung

Datenbanksysteme sind heute ein zentraler Bestandteil fast jedes Software-Systems. Damit stellen sie einen kritischen Teil vieler Unternehmen und Behörden dar. Von der Verfügbarkeit, Vollständigkeit und Richtigkeit der Daten hängt die Aktionsfähigkeit eines Unternehmens ab. Die Datensicherheit ist daher ein wichtiger und gesetzlich vorgeschriebener Bestandteil der IT eines Unternehmens oder einer Behörde.

Komponenten eines Datenbanksystems

Das Datenbanksystem ist das ausgeführte DBMS zusammen mit den zu verwaltenden Daten, der Datenbank. Ein DBS gewährleistet die persistente Speicherung sowie die Konsistenz der Nutzdaten einer Institution und bietet mit dem DBMS eine Schnittstelle zur Abfrage, Manipulation und Verwaltung dieser Daten.

Datenbankmanagementsystem

Das Datenbankmanagementsystem (DBMS) ist die eingesetzte Software, die für das Datenbanksystem installiert und konfiguriert wird. Das DBMS legt das Datenbankmodell fest, hat einen Großteil der unten angeführten Anforderungen zu sichern und entscheidet maßgeblich über Funktionalität und Geschwindigkeit des Systems. Datenbankmanagementsysteme selbst sind hochkomplexe Softwaresysteme.

Die Auswahl des gewünschten DBMS ist eine kritische Entscheidung.

Für Datenbankmanagementsystem wird (selten) auch der Begriff Datenbankverwaltungssystem (DBVS) verwendet.

Gängig ist die Abkürzung RDBMS für ein relationales Datenbankmanagementsystem.

Datenbank

In der Theorie versteht man unter Datenbank (engl. database) einen logisch zusammengehörigen Datenbestand. Dieser Datenbestand wird von einem laufenden DBMS verwaltet und für Anwendungssysteme und Benutzer unsichtbar auf nichtflüchtigen Speichermedien abgelegt. Um einen effizienten Zugriff auf die Datenbank zu gewährleisten, verwaltet das DBMS in der Regel eine Speicherhierarchie, die insbesondere auch einen schnellen Zwischenspeicher (Pufferpool) umfasst. Zur Wahrung der Konsistenz des Datenbestandes müssen sich alle Anwendungssysteme an das DBMS wenden, um die Datenbank nutzen zu können. Allein administrativen Tätigkeiten, wie zum Beispiel der Datensicherung, ist der direkte Zugriff auf den Speicher erlaubt.

Einzelne DBMS-Hersteller verwenden geringfügig voneinander abweichende Begrifflichkeiten dafür, was man genau unter einer Datenbank versteht: entweder alle Daten, die von einem laufenden DBMS bzw. der Instanz verwaltet werden, oder nur die jeweils inhaltlich zusammengehörigen Daten. Bei verteilten Datenbanken gibt es auch im Modell mehrere Datenbanken auf unterschiedlichen Systemen, die miteinander verbunden sind.

Datenbankrecht

Neben der ursprünglichen Bedeutung in der elektronischen Datenverarbeitung, die in diesem Artikel behandelt wird, wird der Begriff Datenbank heute auch für Sammlungen von Daten verwendet, die nicht elektronisch vorliegen. Mit rechtlichen Aspekten solcher Datenbanken im allgemeinen Sinn beschäftigt sich das Datenbankrecht. Ob durch die bloße Ansammlung von Daten eigenständige Schutzrechte entstehen können, ist umstritten und in verschiedenen Ländern unterschiedlich geregelt.

Beispiele

• Alle Banken und Versicherungen arbeiten mit Datenbanksystemen, in der Regel mit den relationalen DBMS Oracle oder IBM DB2/UDB. Im Datenbanksystem sind alle Konteninformationen und Buchungen strukturiert abgelegt. In diesem Einsatzumfeld haben Datenschutz und Datensicherheit höchste Priorität. Datenbanksysteme von Banken und Versicherungen werden zum Tagesgeschäft (OLTP) und periodisch für Massendrucksachen, Analysen und ähnliches verwendet (OLAP).
• Die vollständige Automatisierung von Lagerbeständen macht eine manuelle Verwaltung heute unmöglich. Der Verlust einer Lagerdatenbank kann somit das Unternehmen in sehr kurzer Zeit finanziell ruinieren, da georderte Produkte nicht ausgeliefert werden können und es Monate dauern würde, die Bestände erneut zu inventarisieren.
• Faktisch alle mittelständischen Unternehmen und Großkonzerne arbeiten zur Ressourcenplanung mit ERP-Systemen, deren Datenteil in Form von Datenbanksystemen vorliegt.
• Dieser Artikel in seiner in der Wikipedia vorliegenden Fassung wird neben allen anderen dort enthaltenen Artikeln durch ein Datenbanksystem verwaltet (Wikipedia-Technik).
• Marktforschungsinstitute tragen eigene und Fremddaten in Data Warehouses (Datenlagern) zusammen.

Eigenschaften eines DBMS

Die wesentlichen Eigenschaften eines Datenbankmanagementsystems lassen sich wie folgt beschreiben:

• Speichern der Daten
• Verwaltung der Metadaten
• Datensicherheit
• Mehrbenutzerbetrieb durch Transaktionen
• Sicherstellen der Datenintegrität
• Anfrageoptimierung
• Bereitstellen von Indizes
• Bereitstellung von Triggern
• Stored Procedures

Datensicherheit

Das RDBMS speichert die relationalen Daten auf einem Speichermedium. Neben den eigentlichen Daten werden ebenfalls Informationen über die Datenschemata und Zugriffsrechte von Benutzern gespeichert. Letztere sind wichtig, um die Datensicherheit zu garantieren. Dazu gehört sowohl Schutz gegen Datenverlust sowie Schutz gegen unerlaubten Zugriff. Die Metadaten eines DBMS werden auch als das Data Dictionary oder Katalog des Systems bezeichnet.

Ein weiterer wichtiger Aspekt von Datenbanken ist das Sichern des Datenbestandes durch Backups. In der Praxis ist dies oft ein nicht zu vernachlässigendes Performance-Problem, da während eines Backups Daten nur sehr eingeschränkt modifiziert werden dürfen.

Transaktionen

Ein weiterer wichtiger Teil der Datensicherheit ist das Transaktionskonzept, das Daten gegen Race Conditions durch den parallelen Zugriff mehrerer Benutzer schützt. Andernfalls könnten Daten von verschiedenen Benutzern gleichzeitig geändert werden. Das Ergebnis der Änderungen würde dann vom Zufall abhängen. Vereinfacht dargestellt, sperren Transaktionen Daten vorübergehend für den Zugriff durch andere Benutzer, bis eine Transaktion durch einen Commit beendet wird. Danach werden die geänderten Daten wieder freigegeben.

Datenintegrität

Die Integrität der Daten kann durch Constraints sichergestellt werden. Dies sind Regeln im Managementsystem, die beschreiben, wie Daten verändert werden dürfen. Der wichtigste Vertreter bei relationalen Datenbanksystemen ist der Foreign Key Constraint. Dieser verhindert, dass Daten gelöscht werden können, die noch von einer anderen Tabelle benötigt werden. Das sind Daten, die über einen Foreign Key referenziert werden.

Anfrageoptimierung

Ausführungsplan in Form eines Operatorbaums

Damit Daten abgefragt und manipuliert werden können, stellt das DBMS eine Datenbanksprache zur Verfügung. Eine Anfrage an das Datenbanksystem wird dabei zunächst in die logischen Operationen der relationalen Algebra übersetzt. Danach werden sogenannte Datenbankoperatoren ausgewählt, die die logische Operation tatsächlich auf den Daten ausführt. Die Wahl der Operatoren und die Reihenfolge ihrer Ausführung nennt man das Erstellen eines Ausführungsplans durch den Anfrageoptimierer. Der Optimierer ist ein besonders komplexer Teil der Datenbanksoftware und hat wesentlichen Einfluss auf die Effizienz des Gesamtsystems.

Bei der Anfrageoptimierung spielen Indizes eine wichtige Rolle. Sie dienen dazu, schnell einen bestimmten Datensatz zu finden. Welche Daten einen Index erhalten, wird mit dem Datenbankschema festgelegt, kann aber später von einem Datenbankadministrator angepasst werden.

Anwendungsunterstützung

Zur Unterstützung von Datenbankapplikationen bieten Datenbanksysteme Trigger und Stored Procedures an. Ein Trigger löst eine Aktion in der Datenbank aus, wenn ein bestimmtes Ereignis eingetreten ist, häufig bei Einfüge- oder Änderungsoperationen. Stored Procedures dienen dem Ausführen von Scripten in der Datenbank. Da Stored Procedures innerhalb des Datenbanksystems ausgeführt werden, sind sie oft der effizienteste Weg, Daten zu manipulieren. Datenbanken, die Trigger und Stored Procedures unterstützen, heißen auch aktive Datenbanken.

Sprachen

• Das DBS stellt als Schnittstelle eine Datenbanksprache für die folgenden Zwecke zur Verfügung:
  • Datenabfrage und -manipulation (DML)
  • Verwaltung der Datenbank und Definition der Datenstrukturen (DDL)
  • Berechtigungssteuerung (DCL)

Bei den relationalen DBMS sind diese Kategorien in einer Sprache (SQL) vereint, bei anderen Systemen existiert aber durchaus eine Trennung in Form unterschiedlicher Sprachen.

Mehrbenutzerfähigkeit

• Für den Zugriff auf die Daten des DBS werden Berechtigungen verwaltet. Ohne Berechtigung kann die entsprechende Operation nicht durchgeführt werden.
• Für den (pseudo-)gleichzeitigen Zugriff mehrerer Anwendungen bzw. Anwender regelt das DBMS Konkurrenzsituationen.
  • Es werden Sperren (engl. locks) verwaltet.
  • Es werden Systemprotokolle (engl. logs bzw. log files) verwaltet.
  • Das DBS arbeitet transaktionsorientiert.

Diese Gruppe von Anforderungen zeichnet Datenbanksysteme im engeren Sinne gegenüber funktional erweiterten Dateisystemen aus.

Verschiedene Formen von Datenbanksystemen

Datenbankmodell

Grundlage für die Strukturierung der Daten und ihrer Beziehungen zueinander ist das Datenbankmodell, das durch den DBMS-Hersteller festgelegt wird. Je nach Datenbankmodell muss das Datenbankschema an bestimmte Strukturierungsmöglichkeiten angepasst werden:

• hierarchisch: Die Datenobjekte können ausschließlich in einer Eltern-Kind-Beziehungen zueinander stehen.
• netzwerkartig: Die Datenobjekte werden miteinander in Netzen verbunden.
• relational: Die Daten werden zeilenweise in Tabellen verwaltet. Es kann beliebige Beziehungen zwischen Daten geben. Sie werden durch Werte bestimmter Tabellenspalten festgelegt.
• objektorientiert: Die Beziehungen zwischen Datenobjekten werden vom Datenbanksystem selbst verwaltet. Objekte können Eigenschaften und Daten von anderen Objekten erben.

Es existiert eine Vielzahl von Misch- und Nebenformen, wie zum Beispiel das objektrelationale Modell.

Ausrichtung

Klassischerweise unterscheidet man eine Ausrichtung des Systems auf viele kleine Anfragen (OLTP) oder lang andauernder Auswertungen (OLAP). Es ist aber durchaus gängig, dass dasselbe System beiden Anforderungen gerecht werden muss und zum Beispiel tagsüber für den OLTP- und nachts für den OLAP-Betrieb „gefahren“ wird. Die DBA arbeitet dann unterschiedliche Konfigurationen aus (Hauptspeicher des Servers, Prozess-Anzahl, Optimierungsstrategie beim Zugriff etc.).

Siehe auch

• Digital Bibliography & Library Project (DBLP): Bibliographisches Verzeichnis mit dem Schwerpunkt Datenbanksysteme und Logikprogrammierung.
• Liste der Datenbankmanagementsysteme
• Eingebettetes Datenbanksystem
• Datasource

Literatur

• A. Heuer, G. Saake: Datenbanken Konzepte und Sprachen. mitp-Verlag 2000, ISBN 978-3-8266-0619-9
• Alfons Kemper, André Eickler: Datenbanksysteme. Oldenbourg Verlag, 6., aktualis. u. erw. Aufl. ISBN 978-3-486-57690-0
• G. Vossen: Datenmodelle, Datenbanksprachen und Datenbankmanagementsysteme. Oldenbourg Verlag 2000, 4., kor. u. erg. Aufl. ISBN 3-486-25339-5
• R. Elmasri, S. B. Navathe: Grundlagen von Datenbanksystemen. Ausgabe Grundstudium. Pearson Studium 2005, ISBN 978-3-8273-7153-9
• T. William Olle: The Codasyl Approach to Data Base Management. Wiley, 1978, ISBN 0-471-99579-7

Weblinks

• Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik: Geeignete Auswahl einer Datenbank-Software

Quellen

1. ↑ E. F. Codd: A relational model of data for large shared data banks. In: Communications of the ACM. 6/13/1970. Association for Computing Machinery, S. 377–387