Vorlesung DBMS

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Vorlesung DBMS

• Thema Datenbanktechnologie
• - Von der Realwelt zur Datenbank -
• Michael Andriczka
• Sommersemester 2003

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Inhalt

• Einleitung
• 1.1 Charakteristika
• 1.2 Vergleich Datenredundanz vs. Datenintegrität
• 1.3 Prinzipien
• 1.4 Eigenschaften aktueller DBS
• 1.5 Einige konkrete Systeme
• 1.6 Datenbankgrößen
• 1.7 Gegenwärtiger Entwicklungsstand
• Von der Realwelt zum ER-Modell
• 2.1 Die sogenannte Miniwelt (1)
• 2.2 Entität
• 2.3 Attribute
• 2.4 Schlüssel
• 2.5 Beziehungen
• 2.6 Die sogenannte Miniwelt (2)

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Inhalt

• 3. Vom Modell zur Datenbank
• 3.1 Umsetzung des ER-Modells in das relationale
  Datenbankschema
• 3.2 Normalisierung
• 4. Schlussbetrachtung

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1. Einleitung

• 1.1 Charakteristika von Datenbanken
• Eine Datenbank hat die langfristige Aufbewahrung
• von Daten als Aufgabe
• Die Sicherheit vor Verlusten ist eine
  Hauptmotivation,
• etwas auf die Bank zu bringen.
• Eine Bank bietet Dienstleistungen für mehrere
  Kunden
• an, um effizient arbeiten zu können.

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1. Einleitung

• 1.2 Datenredundanz vs. Datenintegration
• Ohne Datenbanken Datenredundanz
• Basis- oder Anwendungssoftware verwaltet ihre
  eigenen
• Daten in ihren (eigenen) Dateiformaten
• - Textverarbeitung Texte, Artikel und Adressen
• - Buchhaltung Artikel, Adressen
• - Lagerverwaltung Artikel, Aufträge
• - Auftragsverwaltung Aufträge, Artikel,
  Adressen
• - CAD-System Artikel, Technische Bausteine
• Daten sind redundant mehrfach gespeichert
• Probleme Verschwendung von Speicherplatz,
• Vergessen von Änderungen keine zentrale,
• genormte Datenhaltung

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1. Einleitung

• Mehrere Benutzer oder Anwendungen können nicht
  parallel
• auf den gleichen Daten arbeiten, ohne sich zu
  stören
• Anwendungsprogrammierer/Benutzer können
  Anwendungen nicht programmieren/benutzen, ohne
• - interne Darstellung der Daten
• - Speichermedien oder Rechner
• zu kennen (Datenunabhängigkeit nicht
  gewährleistet)
• Datenschutz und Sicherheit sind nicht
  gewährleistet

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1. Einleitung

• 1.2 Datenredundanz vs. Datenintegration
• Mit Datenbanken Datenintegration
• Die gesamte Basis- und Anwendungssoftware
  arbeitet auf
• den selben Daten, z.B. Adressen und Artikel
  werden nur einmal gespeichert
• - Datenbanksysteme können große Mengen an Daten
• effizient verwalten (Anfragesprachen)
• - Benutzer können parallel auf Datenbanken
  arbeiten
• (Transaktionskonzept)
• - Datenschutz (kein unbefugter Zugriff) und
  Datensicherheit
• (kein ungewollter Datenverlust) werden vom
  System
• gewährleistet

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1. Einleitung
1.3 Prinzipien Datenbank-Management-System Unter
einem Datenbank-Management-System (DBMS) versteht
man ein Softwarepaket, welches in der Lage ist,
(Anwender-) Daten in einem Computersystem zu
verwalten. Spricht man von einem relationalen
Datenbank-Management-System, meint man damit,
dass dieses DBMS für die Verwaltung der Daten
intern eine bestimmte Technologie benutzt und
dass es bestimmten Anforderungen
genügt. Datenbank-System Unter einem
Datenbank-System versteht man ein DBMS mit
zusätzlich einer oder mehreren Datenbanken zur
Sammlung von nicht redundanten Daten, die von
mehreren Applikationen benutzt werden.
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1. Einleitung
DB Strukturierter, von DBMS verwalteter
Datenbestand DBS Datenbanksystem (DBMS
Datenbank) DBMS Datenbank-Management-System
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1. Einleitung

• Grundmerkmale von DBMS
• - verwalten persistente (langfristig zu
  haltende) Daten
• - verwalten große Datenmengen effizient
• - Datenmodell, mit dessen Konzepten alle Daten
  einheitlich
• beschrieben werden (Integration)
• - Transaktionskonzept
• - Datenschutz, Datenintegrität (Konsistenz),
  Datensicherheit
• Grundprinzip moderner DBS
• - 3-Ebenen-Architektur
• - Trennung zwischen Schema (Tabellenstruktur)
• und Instanz (etwa Tabelleninhalt)

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1. Einleitung

• 1.4 Eigenschaften aktueller Datenbanksysteme
• 3-Ebenen-Architektur nach ANSI-SPARC
• Externe Ebene (Benutzersichten)
• Konzeptionelle Ebene (Logische Gesamtsicht)
• Interne Ebene (Physische Schicht)
• Einheitliche Datenbankanfragesprache SQL
• Einbettung dieser Sprache in kommerzielle
  Programmier-
• sprachen
• Diverse Werkzeuge für die Definition, Anfrage und
  Darstellung von Daten und den Entwurf von
  Datenbankanwendungsprogrammen und der
  Benutzer-Interaktion, sowie
• Kontrollierter Mehrbenutzerbetrieb,
  Zugriffskontrolle und Datensicherheitsmechanismen

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1. Einleitung

• 1.5 Einige konkrete Systeme
• (Objekt-)Relationale DBMS
• - Oracle 9i, DB2 V.8, Microsoft SQL-Server 2000
• - MySQL, PostgreSQL, FireBird
• Pseudo DBMS
• - MS Access
• Objektorientierte DBMS
• - Poet, Versant, ObjectStore
• XML-DBMS
• - Tamino, eXcelon

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1. Einleitung

• 1.6 Datenbankgrößen
• Slolan Digital Sky Survey 40 TB
• Himmelsdaten (Bilder und Objektinformationen)
• WalMart Data WareHouse 24 TB
• Produktinfos (Verkäufe, etc.) von 2900 Märkten
• 50.000 Anfragen pro Wochen
• US Libary of Congress 10-20 TB
• nicht digitalisiert
• Indexierbares WWW (1999) 6 TB
• ca. 800 Millionen Dokumente
• Microsofts TerraServer 3,5 TB
• unkomprimierte Bilder und Daten (komprimiert
  ca. 1 TB)

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1. Einleitung

• SAP R/3-Installation der Deutschen Telekom AG
  (1998)
• Financial Accounting Rechnungen, Lastschriften
• Zahlungsaufforderung, Mahnungen, etc.
• 15 SAP R/3-Systeme jedes
• - verarbeitet 200.000 Rechnungen, 12.000
  Mahnungen,
• 10.000 Änderungen von Kundendaten pro Tag
• - bis zu jeweils 1000 Nutzer gleichzeitig
• Über 13.000 Datenbanktabellen

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1. Einleitung

• 1.7 Gegenwärtiger Entwicklungsstand
• Unterstützung für spezielle Anwendungen
• - Multimedia-Datenbanken Verwaltung
  multimedialer
• Objekte (Bilder, Audio, Video)
• - XML-Datenbanken Verwalten semistrukturierter
  Daten
• - Verteilte Datenbanken Verteilung von Daten
  auf
• verschiedenen Rechnerknoten
• - Förderierte Datenbanken Multimedia-Datenbanken
  
• - Mobile Datenbanken Datenverwaltung auf
  Kleinstgeräten
• (PDA, Handy)

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2. Von der Realwelt zum ER-Modell
2.1 Die sogenannte Miniwelt (1) Um zu einem
geeigneten Modell zu gelangen, muss zunächst
durch eine Analyse der realen Welt ein zu
modellierender Teilausschnitt dieser realen Welt
definiert werden. Diesen Teilausschnitt nennt man
auch Miniwelt. Beispiel Die Firma Mustermann
handelt mit PCs und Zubehör. Aus dem
Produktkatalog der Firma Mustermann können
Kunden per Telefon oder per Bestellkarte ein
oder mehrere Artikel zur Bestellung
aufgeben. Aufgrund der enormen Nachfrage nach PCs
und Zubehör kann das Geschäftsaufkommen
mittlerweile nicht mehr über Karteikarten
abgewickelt werden. Somit entschließt man sich
zur Einführung eines relationalen DBS und der
dazu gehörigen Anwendungsprogramme. Beim
Betrachten dieser Miniwelt erkennt man gewisse
Objekte (sog. Entities) wie Artikelnamen,
Kundennamen, Bestellungen usw. Zwischen diesen
Objekten existieren Beziehungen (sog.
Relationships), die bestimmte Abläufe oder
Abhängigkeiten in der Miniwelt darstellen.
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2. Von der Realwelt zum ER-Modell

• Um zu einem Datenmodell zu gelangen, fasst man
  gleichartige Objekte und
• gleichartige Beziehungen zu Klassen zusammen.
  Somit ergeben sich
• Objekttypen wie Artikel, Bestellung, Kunden und
• Beziehungstypen wie Bestellposition, welche die
  Objekte in eine
• gewisse Beziehung bringen.
• Jedem Objekttyp oder Beziehungstyp sind gewisse
  Eigenschaften zu-
• geordnet, wie z.B. dem Objekttyp Artikel die
  Eigenschaften Bezeichnung und
• Preis. Man nennt diese Eigenschaften eines
  Objekttyps oder Beziehungstyps
• auch Attribute.
• Zur Darstellung von Objekten (Entities) und vor
  allem der Beziehungen
• zwischen den Objekten dienen die sogenannten
  ER-Diagramme.

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2. Von der Realwelt zum ER-Modell

• 2.2 Entität
• Ausgangspunkt des ER-Modells ist der Begriff der
  Entität. Eine Entität ist
• ein individuelles und identifizierbares Exemplar
  von Dingen, Personen oder
• Begriffen der realen oder der Vorstellungswelt.
  Die Entität wird durch
• Attribute näher beschrieben.
• Die Entitätsmenge (auch Entitytyp genannt) wird
  im ER-Modell durch ein
• Rechteck dargestellt. In dem Rechteck steht der
  Name der Entität. Der
• Name beschreibt die Entitätsmenge und steht im
  Singular.
• Die Entität (Entity) ist also das konkrete,
  individuell identifizierbare Objekt
• bzw. Exemplar von Dingen, Personen oder Begriffen
  der realen oder
• der Vorstellungswelt.

KUNDE
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2. Von der Realwelt zum ER-Modell

• Beispiele
• Individuen Mitarbeiterin Brecht, Student Weber,
  Kunde Meier
• Reales Objekt Maschine 2, Raum 7, Artikel
  4711....
• Ereignis Zahlung, Buchung, Mahnung, Start,
  Landung.....
• Abstraktes Unterricht, Dienstleistung,
  Verarbeitungsart, Zahlungsart....
•  
• Der Kunde Meier ist also ein konkretes
  individuell identifizierbares Objekt, über
• den Informationen abgespeichert werden müssen. Er
  gehört zur Gruppe der
• Kunden. Man kann auch sagen, er ist vom
  Entitätstyp Kunde. Alle
• Informationen, die über Kunden abgespeichert
  werden, sind von der Struktur
• her gleich.

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2. Von der Realwelt zum ER-Modell

• 2.3 Attribute
• Attribute beschreiben die Entitäten.
• Beispiel Kunde (KdNr, KName, KAdresse,...)
•  
• Man unterscheidet zwischen
• identifizierenden Attributen, sog. Schlüssel
  (z.B. KdNr, FirmenNr, PersNr...)
• beschreibenden Attributen (z.B. KName,
  MitarbeiterName, ArtikelBez, ... )

KdNr
KUNDE
KName
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2. Von der Realwelt zum ER-Modell

• 2.4 Schlüssel
• Eine minimale Menge von Attributen, deren Werte
  das zugeordnete Entity
• eindeutig innerhalb aller Entities seines Typs
  identifiziert. Man unterscheidet
• Primärschlüssel und Fremdschlüssel.
• 2.4.1 Primärschlüssel Der Primärschlüssel wird
  benötigt, um Datensätze
• eindeutig zu identifizieren, also der Datensatz
  darf nicht doppelt (z.B. in
• einer Tabelle) vorkommen.
• Der Primärschlüssel ist in einem ER-Modell anhand
  des unterstrichenem
• Attributes zu erkennen.
• Die Merkmale eines Feldes mit Primärschlüssel
  sind
• Der Inhalt eines Feldes ist eindeutig
• In jedem Datensatz müssen Daten stehen
• Ein Primärschlüssel kann sich auch aus mehreren
  Feldern zusammensetzen

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2. Von der Realwelt zum ER-Modell

• 2.4.2 Fremdschlüssel Der Fremdschlüssel ist ein
  Attributwert, der einen
• Schlüsselwert in einer anderen Tabelle darstellt
  und somit als eindeutiger
• Verweis auf einen Datensatz in einer anderen
  Tabelle zeigt. Dies wird
• auch als referentielle Integrität benannt.
• Beispiel Fremdschlüssel
• Fremdschlüssel Primärschlüssel
• Referentielle Integrität

KNr PNr Kurs BereichsNr
44 15 D 1
45 15 G 2
47 6 M 6
48 6 I 6
49 6 E 1
BereichsNr Bereich
1 Sprache
2 Geisteswissenschaften
6 Naturwissenschaften
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2. Von der Realwelt zum ER-Modell

• 2.5 Beziehungen
• Die Wechselwirkungen und Abhängigkeiten zwischen
  Entitäten werden
• durch Beziehungen (relationship) dargestellt. Die
• Zusammenfassung gleichartiger Beziehungen
  zwischen Entitäten
• erfolgt durch Beziehungsmengen.
•  
• Eine Beziehung wird nach Chen graphisch durch
  eine Raute
• dargestellt. In ihr steht der Name der Beziehung.
  Als Name sollte ein
• Verb gewählt werden.

gibt auf
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2. Von der Realwelt zum ER-Modell

• Die Beziehung wird durch eine Verbindungslinie,
  zwischen der die
• Raute steht, dargestellt.
• Zwischen den Entitätstypen KUNDE und BESTELLUNG
  besteht ein
• Beziehungstyp gibt auf. Wenn es einen solchen
  Beziehungstyp gibt,
• so kann (muss) eine konkrete Beziehung zwischen
  einem Paar der
• dazu gehörenden Entitäten bestehen
• 1 n
• Man liest KUNDE gibt auf Bestellungen bzw.
  Bestellungen werden
• aufgegeben von Kunde.

gibt auf
KUNDE
BESTELLUNG
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2. Von der Realwelt zum ER-Modell
2.6 Die sogenannte Miniwelt (2) Drei der
wichtigsten Objekttypen aus der Miniwelt der
Firma Mustermann werden nun mit den dazugehörigen
Attributen als Datenmodell dienen. Es handelt
sich hierbei um die Objekte Kunden alle
Kunden, die Bestellungen aufgeben Bestellung die
offenen Bestellungen der Kunden Artikel alle
lieferbaren Artikel
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2. Von der Realwelt zum ER-Modell
ER-Modell
KUNDE
KName
KdNr
1
gibt auf
n
BestellNr
BESTELLUNG
Datum
n
Bestellposition
Menge
Bez
n
ARTIKEL
ArtikelNr
Preis
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3. Vom Modell zur Datenbank

• 3.1 Umsetzung des ER-Modells in das relationale
  Datenmodell
• Das ER-Modell besitzt zwei grundlegende
  Strukturierungskonzepte
• Entitytypen und
• Beziehungstypen
• Dem steht im relationalen Modell nur ein einziges
  Strukturierungskonzept
• nämlich die Relation gegenüber. Also werden
  sowohl Entitytypen als auch
• Beziehungstypen jeweils auf eine Relation
  (Tabelle) abgebildet.
• Zu den Entitytypen als auch zu den
  Beziehungstypen aus dem vorherigen
• ER-Modell werden nun Relationen gebildet.
• Hierbei werden die Spalten als Attribute (Felder)
  bezeichnet. Die Attribute
• müssen innerhalb einer Relation eindeutig benannt
  sein.
• Die Zeilen der Tabelle entsprechen den Tupeln der
  Relation.

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3. Vom Modell zur Datenbank

• KUNDE KdNr, KName
• BESTELLUNG BestellNr, Datum, KdNr
• BESTELLPOSITION BestellNr, ArtikelNr, Menge
• ARTIKEL ArtikelNr, Bez, Preis
• ER-Modell Relationales Modell
• Entity Objekt Relation zweidimensionale
• Relationship Beziehung Tabelle
• Entität Schlüsselattribut Schlüsselattribut
  Entität

KdNr
KUNDE KUNDE
KdNr KName
001112 Meier
001535 Schulz
KUNDE
KName
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3. Vom Modell zur Datenbank

• 3.2 Normalisierung
• Unter Normalisierung versteht man das Aufteilen
  der Daten in Relationen
• in der Art und Weise, dass sie am Ende den
  Normalisierungsregeln
• entsprechen.
• Normalisierungsgründe
• Minimierung redundanter Daten
• Vermeidung von Änderungsanomalien
• Reduzierung inkonsistenter Daten
• Entwerfen von Datenstrukturen, die eine einfache
  Pflege erlauben

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3. Vom Modell zur Datenbank

• 3.2.1 0.Normalform
• Die Normalformenlehre von Codd besagt, dass sich
  eine Relation nur dann
• in der ersten Normalform befindet, wenn der
  Wertebereich der Attribute
• elementar ist.

PNr Vorname Name Straße PLZ Wohnort KNr Kurs
15 Hugo Meier Schulstr.1 10124 Berlin 44, 45 D, G
6 Detlef Euler Maiweg 5 54294 Trier 47, 48, 49 M, I, E
31
3. Vom Modell zur Datenbank

• 3.2.2 1.Normalform
• Eine Relation ist in der ersten Normalform, wenn
  alle Attribute nur atomare
• Werte beinhalten.
• Eindeutige Identifikation durch
  Primärschlüssel Redundanzfreiheit
• Da hier Anomalien in der 1NF auftreten können,
  ist es sinnvoll, die Relation
• in die 2NF zu überführen.

PNr Vorname Name Straße PLZ Wohnort KNr Kurs
15 Hugo Meier Schulstr.1 10124 Berlin 44 D
15 Hugo Meier Schulstr.1 10124 Berlin 45 G
6 Detlef Euler Maiweg 5 54294 Trier 47 M
6 Detlef Euler Maiweg 5 54294 Trier 48 I
6 Detlef Euler Maiweg 5 54294 Trier 49 E
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3. Vom Modell zur Datenbank

• 3.2.3 2.Normalform
• Eine Relation ist in der zweiten Normalform, wenn
  sie sich in der ersten
• Normalform befindet und jedes Nicht-Schlüssel-Attr
  ibut funktional vom
• Gesamtschlüssel abhängig ist, nicht aber von
  einzelnen Schlüsselteilen.
• Vermeidung der Anomalien der 1NF durch Aufteilung
  der Entitäten in
• seperate Tabellen.

PNr Vorname Name Straße PLZ Wohnort KNr Kurs Bereich
15 Hugo Meier Schulstr.1 10124 Berlin 44 D Sprache
15 Hugo Meier Schulstr.1 10124 Berlin 45 G Geisteswissenschaften
6 Detlef Euler Maiweg 5 54294 Trier 47 M Naturwissenschaften
6 Detlef Euler Maiweg 5 54294 Trier 48 I Naturwissenschaften
6 Detlef Euler Maiweg 5 54294 Trier 49 E Sprache
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3. Vom Modell zur Datenbank

• Tabelle Lehrer
• Wie man sieht, entfallen somit die Zeilen mit
  unterschiedlichen Kursen
• derselben Lehrer. Die Kurse wurden in eine andere
  Tabelle ausgelagert, da
• sie nicht voll funktional von dem
  Schlüsselattribut PNR abhängen.
• Tabelle Kurse

PNr Vorname Name Straße PLZ Wohnort
15 Hugo Meier Schulstr.1 10124 Berlin
6 Detlef Euler Maiweg 5 54294 Trier
KNr Kurs Bereich
44 D Sprache
45 G Geisteswissenschaften
47 M Naturwissenschaften
48 I Naturwissenschaften
49 E Sprache
34
3. Vom Modell zur Datenbank

• Mit den Tabellen Lehrer und Kurse besitzt man nun
  zwei Tabellen, die
• nichts miteinander zu tun haben und somit nicht
  mehr den Zustand der
• 1NF genügen. Es muss also eine Tabelle geschaffen
  werden, die beide
• Tabellen verbindet, jedoch die Redundanzen der
  Tabelle in der 1NF
• vermeidet.
• PNr wurde zur Herstellung der referentiellen
  Integrität als Fremdschlüssel
• in die Tabelle Kurse eingefügt.

KNr Kurs Bereich PNr
44 D Sprache 15
45 G Geisteswissenschaften 15
47 M Naturwissenschaften 6
48 I Naturwissenschaften 6
49 E Sprache 6
35
3. Vom Modell zur Datenbank

• 3.2.4 3.Normalform
• Beim Betrachten der Tabelle Kurse in der 2NF
  treten folgende Anomalien auf
• Bereichsnummer hat mehrmals den selben Wert,
  während sich der Wert des Primärschlüssels ändert
• Bereichsnamen treten mehrfach auf und müssten
  Änderungen in mehreren Datensätzen geändert
  werden
• transitive Abhängigkeit
• Transitive Abhängigkeit Abhängigkeit zwischen
  nicht Schlüsselattributen

KNr PNr Kurs Bereich BereichsNr
44 15 D Sprache 1
45 15 G Geisteswissenschaften 2
47 6 M Naturwissenschaften 6
48 6 I Naturwissenschaften 6
49 6 E Sprache 1
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3. Vom Modell zur Datenbank

• Codd erkannte das Problem oder möglichen
  Schwachpunkt der 2NF
• und entwickelte die 3NF.
• Eine Relation ist in der dritten Normalform, wenn
  sie sich in der ersten
• und in der zweiten Normalform befindet. Ferner
  sind keine funktionalen
• Abhängigkeiten zwischen Attributen erlaubt, die
  nicht als Schlüssel
• definiert sind.

KNr PNr Kurs BereichsNr
44 15 D 1
45 15 G 2
47 6 M 6
48 6 I 6
49 6 E 1
BereichsNr Bereich
1 Sprache
2 Geisteswissenschaften
6 Naturwissenschaften
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3. Vom Modell zur Datenbank

• 3.2.5 Normalisierte Tabellen
• Tabelle Lehrer
• Tabelle Kurse
• Tabelle Bereich

PNr Vorname Name Straße PLZ Wohnort
15 Hugo Meier Schulstr.1 10124 Berlin
6 Detlef Euler Maiweg 5 54294 Trier
KNr PNr Kurs BereichsNr
44 15 D 1
45 15 G 2
47 6 M 6
48 6 I 6
49 6 E 1
BereichsNr Bereich
1 Sprache
2 Geisteswissenschaften
6 Naturwissenschaften
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4. Schlussbetrachtung

• Jede in der Datenbank gespeicherte Information
  wird in solchen
• einfachen Tabellen festgehalten. Eine Tabelle
  hat immer einen fest
• strukturierten Aufbau aus Zeilen (Tupeln) und
  Spalten (Attributen), der
• einmalig beim Anlegen der Tabelle definiert wird
  und sich während der
• gesamten Lebensdauer der Tabelle nur mittels
  DDL-Befehlen ändern
• kann.
• Zur Kommunikation mit dem DBMS wird dem
  Endbenutzer in der Regel
• ein Programm zur Verfügung gestellt, welches mit
  dem DBS
• kommuniziert. Dieses Anwendungsprogramm bildet
  die Schnittstelle
• zwischen dem Benutzer und dem DBMS.