Grundlagen relationaler Datenbanken

Grundkonzepte des relationalen Datenmodells

Die von industriellen Informationssystemen zu verarbeitenden Daten werden in der Regel in Datenbanken gespeichert, die innerhalb von Datenbanksystemen zur Verfügung gestellt werden. Datenbanken haben gegenüber einfachen Dateien eine Reihe von Vorteilen, die besonders für große Datenmengen relevant sind:

• Datenbanken stellen spezifische und relativ einfach zu nutzende Funktionen für die Auswertung von Daten bereit, wodurch auch komplexe Auswertungen über verschiedene Datensätze hinweg mit überschaubarem Aufwand möglich sind.
• Datenbanken sind optimiert auf komplexe Auswertungen und große Datenmengen und dadurch sehr viel effizienter. Anders als bei einer Datei müssen nur die tatsächlich benötigten Daten gelesen und geschrieben werden, nicht die komplette Datei.
• Datenbanken unterstützen den gleichzeitigen Zugriff mehrerer Benutzer auf die Daten.
• Datenbanken unterstützen feingranularen Zugriffsschutz, d. h. Benutzern kann der Zugriff auf bestimmte Daten eingerichtet werden, während die gleichen Benutzer auf andere Daten nicht zugreifen können.
• Datenbanken unterstützen die Zuverlässigkeit des Systems in dem Sinne, dass bei einem Schreibfehler oder Absturz normalerweise wieder ein definierter, konsistenter Zustand hergestellt werden kann und nachvollziehbar ist, welche Änderungen bereits umgesetzt wurden und welche nicht.

Neben den hier beschriebenen Standard-Datenbankmanagementsystemen (DBMS) haben in den letzten Jahren mit den sogenannten noSQL-Systemen auch eine Reihe von DBMS Verbreitung gefunden, die etwas andere Schwerpunkte setzen und beispielsweise für die Steigerung der Effizienz Abstriche bei der Konsistenz der Daten machen. Der Schwerpunkt der Beschreibung soll hier aber zuerst einmal auf den Standard-DBMS liegen.

Dabei unterscheidet man drei eng verwandte Begriffe, siehe Abbildung:

• Datenbanken selbst enthalten die gespeicherten Daten in einem effizienten Format und werden auf einem Speichermedium, z.B. Festplatte, abgelegt.
• Datenbankmanagementsysteme (DBMS) verwalten den Zugriff auf die Datenbanken und stellen die entsprechenden Funktionen bereit. Der Zugriff einer Anwendung auf eine Datenbank geschieht normalerweise nur über das DBMS und nicht direkt.
• Datenbanksysteme bestehen aus der Kombination von DBMS und Datenbank, je nach Autor werden manchmal auch die Anwendungen zum Datenbanksystem gezählt. (Oft wird aber zwischen Datenbank und Datenbanksystem nicht unterschieden und es werden beide als Datenbank bezeichnet.)

Benutzer arbeiten meist nur mit den Anwendungen, nicht dem DBMS oder der Datenbank.

Die am weitesten verbreitete Art und Weise, die Speicherung von Daten zu organisieren, ist das relationale Datenmodell. Datenbankmanagementsysteme zur Verwaltung von relational organisierten Datenbanken werden relationale Datenbankmanagementsysteme (RDBMS) genannt.

Aufbau relationaler Datenbanken

Damit die in einer Datenbank gespeicherte Information durch Informationssysteme verarbeitet werden kann, müssen die einzelnen Datensätze in einer vorgegebenen Struktur gespeichert werden. Zwar können die wichtigsten Daten zur Kundenverwaltung eines Onlineshops auch als Text zum Beispiel in einem Word-Dokument gespeichert werden:

"Herr Emil Schulze hat die Email-Adresse e.schulze@gmail.com und wird unter der Kundennummer 00200 geführt."

"Frau Silke Bauer mit der Kundennummer 00300 ist per Email unter der Adresse silke334@byom.de zu erreichen."

Allerdings kann das Lesen oder Ändern in dieser Form gespeicherter Kundendaten nicht automatisch oder durch IT-Systeme erfolgen. Daher werden die zu speichernden Datensätze auf die wichtigsten Informationen reduziert und in eine für alle Datensätze einheitliche Struktur gebracht. Die wichtigsten Eigenschaften der gerade beschriebenen Kunden sind Kundennummer, Anrede, Name, Vorname und Email-Adresse. Eine Möglichkeit, die Kundendatensätze zu strukturieren, ist die Darstellung in einer Tabelle, deren Spalten jeweils eine bestimmte Eigenschaft des Datensatzes speichern und deren Zeilen jeweils genau einen Datensatz enthalten.

Alle in obiger Abbildung enthaltenen Datensätze haben die gleichen Attribute und damit auch die gleiche Struktur. Ein Datensatz wird auch Objekt genannt. Eine Menge von Objekten mit der gleichen Struktur - also denselben Attributen - wird in einer Relation gespeichert. Die in der Abbildung gezeigte Relation KUNDE hat die Struktur (KUNDENNR, ANREDE, NAME, VORNAME, EMAIL). Eine Relation wiederum wird in einer nach der Relation benannten Tabelle abgelegt.

Objekte in Relationen müssen jederzeit eindeutig identifiziert werden können, daher dürfen in einer Relation niemals zwei Datensätze die exakt gleichen Werte in allen Attributen haben. Die geforderte Eindeutigkeit ist aus fachlicher Sicht nicht immer möglich. Daher wird in einer Relation zusätzlich zu den fachlichen Attributen häufig auch ein technisches Attribut gespeichert, mit dem ein Datensatz eindeutig identifiziert werden kann. So ein Attribut heißt Identifizierer (engl.: identifier, ID-Attribut, kurz: ID). In relationalen Datenbanken werden die Identifizierer als Primärschlüssel (engl.: primary key) bezeichnet.

Die folgende Tabelle enthält die oben bereits eingeführte Relation KUNDE, die um das Attribut KUNDEID erweitert wurde. Dieses Attribut dient in dieser Relation als Primärschlüssel.

In nahezu allen praktischen Anwendungsfällen reicht eine einzelne Relation (Tabelle) nicht aus, um alle benötigten Informationen zu einem fachlichen Objekt zu speichern. So müssen für den Betrieb eines Onlineshops neben den wichtigsten Kundendaten zu jedem Kunden auch dessen Meldeadresse sowie verschiedene Liefer- und Rechnungsadressen geseichert werden können. Dazu soll in diesem Fall eine Relation ANSCHRIFT mit den Attributen (ADRESSEID, STRASSE, HAUSNUMMER, PLZ, ORT, LAND) verwendet werden, die in der folgenden Tabelle dargestellt ist.

Mit den beiden Relationen KUNDE und ADRESSE ist es nun möglich Kundendaten und Adressdaten strukturiert zu speichern. Allerdings fehlt noch die Zuordnung von Objekten der Relation KUNDE zu Objekten der Relation ADRESSE. Diese Zuordnung erfolgt über sogenannte Beziehungen. Jede Beziehung hat einen eindeutigen Namen. Es können die folgenden Typen von Beziehungen anhand ihrer Kardinalität (auch: Stelligkeit, Multiplizität) unterschieden werden: 1:1-Beziehung, 1:N-Beziehung sowie N:M-Beziehung.

1:1-Beziehung

Nachfolgende Abbildung veranschaulicht exemplarisch die 1:1-Beziehung "Hauptwohnsitz". Diese Beziehung verbindet einen Datensatz der Relation KUNDE mit genau einem Datensatz der Relation ADRESSE.

Die folgende Abbildung zeigt eine um das Attribut ADRESSEID erweiterte Relation KUNDE. Mit dem im Attribut ADRESSEID gespeicherten Wert muss sich ein Datensatz ADRESSE eindeutig identifizieren lassen. Daher wird im Datenmodell gefordert, dass als Wert von ADRESSEID nur ein bereits existierender Identifizierer (Primärschlüssel) der Relation ADRESSE gespeichert wird. Der Identifizierer von ADRESSE ist das Attribut ADRESSEID. Daher müssen die konkreten Werte von ADRESSEID in den Objekten vom Typ KUNDE ein Wert aus der Spalte ADRESSEID der Relation ADRESSE sein. Der Primärschlüssel von ADRESSE wird damit auch in der "fremden" Relation KUNDE verwendet. Diese Art der Verwendung von Primärschlüsseln einer anderen Tabelle wird Fremdschlüssel genannt. Ein Fremdschlüssel referenziert den Primärschlüssel einer anderen Tabelle, die mit der aktuellen Tabelle in Beziehung steht.

1:N-Beziehung

In nachstehender Abbildung ist die 1:N-Beziehung "Lieferadresse" dargestellt, mit der genau ein Objekt der Relation KUNDE mit mehreren Objekten der Relation ADRESSE verbunden wird.

Die folgende Abbildung stellt die erweiterte Relation ADRESSE dar, die um ein Attribut KUNDEID ergänzt wurde. In diesem Attribut werden Werte der Spalte KUNDEID der Tabelle KUNDE gespeichert. Das Attribut KUNDEID ist der Primärschlüssel der Relation KUNDE. Damit können über dieses Attribut in der Tabelle ADRESSE eindeutig die tatsächlichen Kunden zu den Datensätzen aus ADRESSE identifiziert werden.

N:M-Beziehung

Nachfolgende Abbildung veranschaulicht die N:M-Beziehung "Rechnungsadresse". Diese Beziehung stellt eine Verbindung von M Objekten der Relation KUNDE mit N Objekten der Relation ADRESSE her.

Um N:M-Beziehungen im relationalen Datenmodell abzubilden, werden sogenannte Beziehungstabellen benötigt. Die folgende Abbildung zeigt exemplarisch eine Beziehungstabelle um die N:M-Beziehung zwischen Datensätzen der Relation KUNDE und Datensätzen der Relation ADRESSE zu speichern. Eine Beziehungstabelle hat als Attribute die Identifizierer der Relationen, die sie in Beziehung setzen soll. Im konkreten Beispiel also ADRESSEID der Relation ADRESSE sowie KUNDEID der Relation KUNDE. Datensätze dieser Beziehungstabelle bestehen nur aus Fremdschlüsseln.

Der Primärschlüssel der Tabelle RECHNUNGSADRESSE ergibt sich aus der Kombination von ADRESSEID und KUNDEID. Damit handelt es sich um einen zusammengesetzten Primärschlüssel.

Eintragen von Datensätzen in relationale Datenbanken

Ganz allgemein erfolgt das Eintragen von Datensätzen in relationale Datenbanken nach folgendem Schema:

1. Auswahl der gesuchten Relationen (Tabellen), in denen die gewünschte Information eingetragen werden soll
2. Einfügen des Objektes (Datensatz) mit den entsprechenden Attributwerten
3. dabei darauf achten, dass die Primärschlüssel eindeutig gesetzt werden und keine Fremdschlüssel ohne dazugehörigen Primärschlüssel entstehen

Beispiel
Folgender Sachverhalt soll in dem oben bereits vorgestellten relationalen Datenschema gespeichert werden:

"Frau Lisa Wagner mit der Email-Adresse lisa-wagner@posteo.de soll unter der Kundennummer 00700 gespeichert werden. Sie wohnt in Hamburg (20095) in der Domstr. 18. Sie hat bis jetzt fast alle Sendungen und Rechnungen zu sich nach Hause geschickt bekommen. Die letzte Bestellung inkl. Rechnung wurde allerdings nach 01189 Dresden (Deutschland), in die Stuttgarter Str. 73 versendet."

Zum Eintragen dieser Daten müssen drei Tabellen geändert werden: KUNDE, ADRESSE und RECHNUNGSADRESSE. Diese Tabellen sind unten dargestellt. Dort werden jeweils an das Ende der Tabelle die neuen Objekte hinzugefügt: ein Objekt in der Relation KUNDE, zwei Objekte in der Relation ADRESSE sowie zwei Objekte in der Relation RECHNUNGSADRESSE. Die in dem Beispiel eingefügten Werte sind fett markiert. Dabei sind neben der Eindeutigkeit aller Primärschlüssel auch folgende Fremdschlüsselbeziehungen zu beachten:

• Speichern des Hauptwohnsitzes im Attribut ADRESSEID der Tabelle KUNDE
• Speichern der Lieferanschriften im Attribut KUNDEID der Tabelle ADRESSE
• Speichern der Rechnungsadressen in der Tabelle RECHNUNGSADRESSE mit den jeweiligen Fremdschlüsseln KUNDEID und ADRESSEID