Planung und Vorbereitung einer Datenbank

Planung und Vorbereitung einer Datenbank
Ausgangssituation
Der Bedarf bzw. das Angebot an Nachhilfeunterricht von Schülern für Schüler ist an unserer
Schule gegeben. Leider ist es oft schwer Angebot und Nachfrage von Nachhilfeunterricht
zu koordinieren. Einige Schüler wollen dieses Problem mit Hilfe einer Datenbank lösen.
Grundsätzlich soll gelten, dass der Ort, die Preise und die Zeiten für die Nachhilfe von den
Betroffenen selbst festgelegt werden. Die Personendaten sollen über ein Formular erfasst
und anschließend von der Schulsekretärin eingegeben werden. Die Abfrage der Daten
wird unter Aufsicht einer weiteren Person durchgeführt.
Für die Umsetzung der Problemstellung bleiben noch einige Fragen offen, die von der Arbeitsgruppe
gelöst werden müssen.
- Wie soll die Datenbank aufgebaut sein?
- Welche Information soll die Datenbank liefern? (output)
- Welche Informationen sollen in die Datenbank eingegeben werden? (input)
Grundlegende Vorarbeiten
Von der Problemstellung bis zur fertigen Datenbank sind es viele verschiedene Schritte.
Ein Datenbankentwickler nutzt für die Datenbankkonzeption das sogenannte Entity-
Relationship-Modell (ER-Modell).
Von der realen Welt zur Datenbank
Für die Entwicklung einer Datenbank ist es erforderlich, dass eine genaue Analyse der
Objekte und Prozesse der Realwelt durchgeführt wird.
Reale Welt Modellierung Datenmodell Abbildung Modellsicht
Realität
Maschine
Bei der Analyse der Realität erkennt man, dass in den meisten Fällen die
Mensch
- Dinge der Realwelt als Objekte im Relationenmodell, auch Entities genannt, und
- Abhängigkeiten in einem Weltausschnitt durch Objektbeziehungen
beschrieben werden können.
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Auf unser Beispiel bezogen sind Fächer und Personen, die Nachhilfe in diesen Fächern
erhalten oder geben wollen, Objekte. In einem Datenmodell fasst man gleichartige Objekte
zu einem Objekttyp zusammen, also FACH bzw. PERSON.
Der Vorgang der Nachhilfe bringt Objekte vom Typ FACH mit Objekten vom Typ PERSON
in Beziehung. Man erkennt natürlich sofort, dass die Beziehungen zwischen Fächern und
Personen noch genauer beschrieben werden müssen. Es wird daher der Beziehungstyp
NACHHILFE, der den konkreten Vorgang beschreibt, definiert. Welche Person gibt wem in
welchem Fach Nachhilfe?
- Objekttypen: FACH, PERSON
- Beziehungstyp: NACHHILFE
Jedem Objekttyp sind bestimmte Eigenschaften zugeordnet, die Attribute. Alle Objekte
dieses Typs besitzen die gleichen Eigenschaften. Attribute für das Objekt vom Typ PER-
SON können beispielsweise der Name, der Vorname, die Adresse oder das Geburtsdatum
sein.
Das Datenmodell Nachhilfeunterricht bildet folgende Prozesse ab: Eine Schule bietet verschiedenen
Nachhilfeunterricht an (Entität FACH), der von verschiedenen Personen (Entität
PERSON) durchgeführt wird. Dieser Prozess wird durch die Entität NACHHILFE beschrieben.
Diese Art der Darstellung nennt man Entity-Relationship-Modell oder ER-
Modell.
Das Entity-Relationship-Modell
Mit Hilfe des Entity-Relationship-Modells wird das Datenbankmodell dem jeweiligen Datenbanksystem
angepasst. Verwendet man ein relationales Datenbanksystem, müssen
Tabellen auf der Grundlage des ER-Modells definiert werden.
Das ER-Modell ist ein Hilfsmittel für den Entwurf eines Datenmodells. Es beinhaltet grafische
Formen zur Darstellung von Objekten (Entitäten) und deren Objektbeziehungen (Relationship).
Element Bedeutung Symbol
Entitytyp Objekttyp Rechteck
Beziehung Objektbeziehung Raute
Attribute Objekteigenschaften Ellipse
Ein wichtiger Schritt der Modellierung ist die Festlegung der Entitäten. D. h., jeder Zustand,
der in einer Datenbank abgebildet werden soll, muss zunächst analysiert und in
kleinste Komponenten zerlegt werden.
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Name
Vorname
Anrede
(Tabellen unvollständig)
PERSON
ID-Person
Telefon Klasse
Nachhilfe
Objekt Beziehung Objekt
Nach dem Definieren der Entitäten legt man fest, in welcher Beziehung die Entitäten zueinander
stehen.
Prinzipiell unterscheidet man zwei Arten von Beziehungen: eindeutige und mehrdeutige
Beziehungen. Bei eindeutigen Beziehungen gibt es immer genau eine Verbindung zwischen
zwei Entitäten. Bei mehrdeutigen Beziehungen stehen eine oder mehrere Entitäten
eines Entitätstyps mit einer oder mehreren Entitäten eines anderen Entitätstyps in Beziehung.
Beziehungstyp Beschreibung Beispiel
Eindeutig 1:1 Ein Objekt vom Typ A ist genau einem
Objekt vom Typ B zugeordnet
Funktional 1:n Jedes Objekt vom Typ A kann mit beliebig
vielen Objekten des Typs B in
Beziehung stehen; jedes Objekt vom
Typ B steht genau mit einem Objekt
vom Typ A in Beziehung
Komplex n:m Jedes Objekt vom Typ A bzw. vom Typ
B kann mit beliebig vielen Objekten
des jeweilig anderen Typs in Beziehung
stehen.
FACH
ID-Fach
Fachname
Die Person „Huber“ ist dem
Fach „Deutsch“ zugeordnet.
Der Person „Huber“ sind die
Fächer „Deutsch, Englisch“
zugeordnet.
Die Fächer „Deutsch, Englisch“
können nur der Person
„Huber“ zugeordnet werden.
Der Person „Huber“ sind die
Fächer „Deutsch, Englisch“
zugeordnet und der Person
„Meier“ sind die Fächer
„Deutsch, Englisch und Erdkunde“
zugeordnet.
Eindeutige Objektbeziehungen sind in der Realwelt eher selten anzutreffen. Häufiger tritt
dagegen die 1:n- bzw. n:m-Beziehung auf.
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Im Gegensatz zur 1:1- bzw. 1:n-Beziehung, die direkt in das relationale Datenbanksystem
überführt werden kann, lässt sich die n:m-Beziehung nicht direkt im relationalen Datenmodell
abbilden. In diesem Fall muss diese zuerst durch Definition einer neuen Entität in zwei
1:n-Beziehungen überführt werden.
In unserem Beispiel kann jede Person Nachhilfe in beliebig vielen Fächern wählen. Genauso
können in jedem Fach beliebig viele Personen Nachhilfe bekommen.
Relationales Datenbankmodell
Ein Datenbankmodell beschreibt formale Regeln zur Verwaltung und Manipulation von
Daten in einem Datenbanksystem.
Begriffsklärung:
Relation (Tabelle)
Im relationalen Datenmodell werden Relationen durch Tabellen dargestellt, deren
- Zeilen die Objekte einer Anwendungswelt repräsentieren, während die
- Tabellenspalten die Attributeigenschaften dieser Objekte enthalten.
Tabellenname (Entität)
Der Tabellenname beschreibt einen Objekttyp, auch Entität oder Relation genannt. Im obigen
Beispiel PERSON und FACH.
Spaltenname (Attribut)
Der Spaltenname beschreibt eine bestimmte Eigenschaft, wie beispielsweise Personenname
oder Geburtsdatum. Jeder Spalte wird ein genau definierter Datentyp zugeordnet
(z. B: Zahlen, Zeichenketten, Datum).
Ist die Tabelle einmal definiert, können sowohl die Anzahl der Spalten als auch die Namen
der Tabellenspalten nicht mehr verändert werden. Sollen später Änderungen erfolgen, so
muss eine neue Tabelle definiert und der Inhalt der alten Tabelle übernommen werden.
Tabellenzeile (Tupel)
PERSON
n
Nachhilfe
Die Zeilen einer Tabelle, auch Tupel oder Datensätze genannt, beinhalten die konkreten
Daten für die einzelnen Objekte eines Objekttyps. Für den Objekttyp PERSON sind das
beispielsweise konkrete Namen, Anschriften oder das Geburtsdatum.
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m
FACH

Erstellen von Beziehungen zwischen Tabellen
In einer Datenbank kommt es darauf an, dass zwischen den Tabellen Beziehungen hergestellt
werden. Dazu werden Schlüsselattribute benötigt. Diese Schlüsselattribute sind die
Voraussetzung für Tabellenverknüpfungen.
Grundsätzlich kann jedes Attribut einer Tabelle als Schlüsselattribut verwendet werden.
Voraussetzung ist jedoch, dass die Werte dieses Attributs eindeutig sind, d. h., jeder Wert
darf nur einmal vorkommen. Auf die Tabelle PERSON bezogen heißt das, dass wir eine
Spalte benötigen, die eine laufende Nummerierung beinhaltet. Man nennt diese Spalte
„ID-Person“. Diese Spalte wird als Primärschlüssel definiert.
Um zwei Tabellen miteinander zu verknüpfen, muss eine Tabelle darüber hinaus einen
Fremdschlüssel beinhalten. Ein Fremdschlüssel definiert ein Attribut, das in einer anderen
Tabelle als Primärschlüssel vorkommt. Im Gegensatz zum Primärschlüssel, der nur einmal
innerhalb einer Relation vergeben werden darf, ist es möglich, mehrere Fremdschlüssel in
einer Relation zu definieren.
Anwendung:
In der Datenbank für die Nachhilfe gibt es bereits drei Relationen: FACH, PERSON,
NACHHILFE.
Relation FACH
ID-Fach Name Klasse
1 Deutsch 7
2 Mathematik I 8
Das Attribut ID-Fach wird als Primärschlüssel definiert. Durch den Primärschlüssel werden
die Tupel einer Relation nicht einzeln, sondern als Menge betrachtet. Das hat den Vorteil,
dass ein beliebiger Datensatz problemlos gelöscht oder eingefügt werden kann. Zur eindeutigen
Darstellung wird der Primärschlüssel in unserer Tabelle unterstrichen.
Relation PERSON (ist verkürzt dargestellt)
ID-Person Name Adresse
1 Willi Winzig München, Dachauer Straße 7
2 Heiner Winzig München, Dachauer Straße 3
Nur eindeute Attribute können als Primärschlüssel verwendet werden. Da dies auf Name
und Adresse nicht zutrifft, wurde die Spalte „ID-Person“ hinzugefügt.
Relation NACHILFE
ID-Nachhilfe ID-Fach ID-Person
1 1 1
2 2 1
3 2 2
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Die Relation NACHHILFE ist eine Beziehungsrelation. Sie besitzt zwei Attribute. Sie beinhaltet
zwei Fremdschlüssel (ID-Fach und ID-Person). Beide sind bereits in den Tabellen
FACH bzw. PERSON als Primärschlüssel enthalten.
Auf diese Weise gelingt es uns, eindeutig festzustellen, welche Person in welchem Fach
Nachhilfe erhält. Man erkennt auch, dass die Fremdschlüssel nicht eindeutig sein müssen.
Durch die Definition der Fremdschlüssel erhalten wir eine 1:n-Beziehung zwischen der
Relation Nachhilfe und Fach bzw. Nachhilfe und Person.
FACH
n 1 1 n
NACHHILFE
PERSON
Das bedeutet konkret, dass in einem Fach mehrere Personen Nachhilfe erhalten können
und dass eine Person in verschiedenen Fächern Nachhilfe bekommen kann. Auf diese
Weise erhält man indirekt eine n:m-Beziehung zwischen den Tabellen FACH und PER-
SON.
Normalisierung
Zur Gewährleistung einer widerspruchsfreien Datenverwaltung auf der Grundlage des relationalen
Datenmodells wurden von E. F. Codd eine Reihe von Regeln aufgestellt, die
sogenannte Normalisierung. Von praktischer Bedeutung sind nur die ersten drei Normalformen,
da sie weitgehend Dateninkonsistenzen und Datenbankanomalien ausschließen.
Dateninkonsistenz:
Unter Inkonsistenz versteht man einen Verweis einer Liste auf einen nicht vorhandenen
Eintrag einer anderen Liste.
Datenbankanomalie:
Beim Arbeiten mit Datenbank-Tabellen können unter gewissen Umständen Zustände eintreten,
die in dieser Form nicht gewollt sind (Inkonsistenz oder Datenverlust). Diese werden
als Anomalien bezeichnet. Man unterscheidet Anomalien danach, wodurch sie zustande
kommen: Änderungsanomalie, Updateanomalie, Einfügeanomalie, Löschanomalie,
Mehrbenutzeranomalie. Anomalien können beseitigt werden, indem die Tabellen in eine
entsprechende Normalform gebracht werden.
Stufen des Normalisierungsprozesses:
1. Normalform
(1. NF)
Atomisierung
Alle Attribute einer Relation sollen in ihrer kleinsten Form vorliegen.
Praktisch wirkt sich das so aus, dass in jeder Zeilen- oder Spaltenposition
der Tabelle nur ein Wert vorkommt.
Atomarer Wert: Ein Wert, der nicht in seine Bestandteile zerlegt werden kann
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Diese Forderung lässt sich für unser Beispiel leicht erfüllen. Die Attribute „Name“ und „Adresse“
müssen noch weiter zerlegt werden.
Relation NACHHILFE
ID-Nachhilfe ID-Person Name Adresse ID-Fach Fachname
1 1 Willi Winzig München, Dachauer Straße 7 1 Deutsch
2 2 Heiner Winzig München, Dachauer Straße 3 2 Englisch
Relation NACHHILFE (1. NF)
ID-Nachhilfe ID-Person Name Vorname Ort Straße ID-Fach Fachname
1 1 Winzig Willi München Dachauer Straße 7 1 Deutsch
2 2 Winzig Heiner München Dachauer Straße 3 2 Englisch
2. Normalform
(2. NF)
Funktionale
Abhängigkeit
Eine Relation ist in der 2. NF, wenn sie sich in der 1. NF befindet
und alle Nichtschlüsselfelder vom Gesamtschlüssel, aber nicht von
Teilschlüsseln funktional abhängen.
Wenn der Primärschlüssel nur aus einem Attribut besteht, ist jede
Relation, die sich in der 1. NF befindet, zwangsläufig auch in der
2. NF.
Funktionale Abhängigkeit: Unter funktionaler Abhängigkeit versteht man, dass von einem
Attributwert direkt auf einen anderen Attributwert geschlossen werden kann.
Beispiel: Wenn Entität Y voll funktional von X abhängt, dann müssen in allen Tupeln, in denen sowohl X als
auch Y vorkommt, die Werte der Attribute von X immer denselben Wert besitzen, ebenso wie die Werte von
Y.
Relation NACHILFE (1. NF)
ID-Nachhilfe ID-Person Name Vorname Ort Straße ID-Fach Fachname
1 1 Winzig Willi München Dachauer Straße 7 1 Deutsch
2 2 Winzig Heiner München Dachauer Straße 3 2 Englisch
In unserem Fall ist das Attribut Fachname vom Attribut „ID-Nachhilfe“ abhängig und „ID-
Nachhilfe“ ist ein Schlüsselattribut. Dagegen ist das Attribut „Ort“ vom Attribut „ID-Person“
abhängig und „ID-Person“ ist kein Schlüsselattribut. Um diese Abhängigkeit zu beseitigen
muss die Tabelle in zwei neue zerlegt werden.
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Relation NACHHILFE (2. NF)
ID-Nachhilfe ID-Person ID-Fach Fachname
1 1 1 Deutsch
2 2 2 Englisch
Relation PERSON (2. NF)
ID-Person Name Vorname Ort Straße
1 Winzig Willi München Dachauer Straße 7
2 Winzig Heiner München Dachauer Straße 3
3. Normalform
(3. NF)
Transitive
Abhängigkeit
Eine Relation befindet sich in der 3. NF, wenn sie sich in der 2. NF
befindet und alle Datenfelder, die nicht Teil des Schlüssels sind,
untereinander in keiner Abhängigkeit stehen.
Alle Nichtschlüsselattribute müssen also voneinander unabhängig
sein.
transitive Abhängigkeit: Abhängigkeit zwischen nicht Schlüsselattributen
In unserem Beispiel ist das Attribut „Fachname“ vom Attribut „ID-Fach“ funktional abhängig.
Es wird deshalb nochmals aufgespalten.
Relation NACHHILFE (3. NF)
ID-Nachhilfe ID-Person ID-Fach
1 1 1
2 2 2
Relation FACH (3. NF)
ID-Fach Fachname
1 Deutsch
2 Englisch
Relation PERSON (3. NF)
ID-Person Name Vorname Ort Straße
1 Winzig Willi München Dachauer Straße 7
2 Winzig Heiner München Dachauer Straße 3
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Integritätsprüfung
Entity-Integrität
Dadurch wird sichergestellt, dass jedes Tupel einer Relation eindeutig identifiziert werden
kann. Dazu muss der Primärschlüssel folgende Eigenschaften besitzen:
- Der Primärschlüssel muss eindeutig sein.
- Der Primärschlüssel darf keinen Null-Wert beinhalten.
Referenzielle Integrität
Die referenzielle Integrität stellt sicher, dass die Tabellenverknüpfungen problemlos ausgeführt
werden können. Dies bedeutet, dass referenzierte Datensätze in einer anderen
Relation tatsächlich vorhanden sind.
Beispiel:
FACH
ID-Fach Name Klasse
1 Deutsch 7
2 Mathematik 5
NACHILFE
ID-Nachhilfe ID-Fach ID-Person
1 1 1
2 2 1
3 2 2
PERSON (ist verkürzt dargestellt)
ID-Person Name Adresse
1 Willi Winzig München
2 Heiner Winzig München
Die referenzielle Integrität verlangt, dass alle Fächer in der Tabelle NACHHILFE auch in
der Tabelle FACH vorhanden sind.
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