Relationen und Datenbanken - Grundlage räumlicher Informationssysteme

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Eigenschaften von Datenbanksystemen

Datenbanksysteme haben eine Reihe wichtiger Eigenschaften, die nun näher betrachtet werden sollen.

Strukturierung

Eine grundsätzliche Eigenschaft des Datenbankansatzes ist, dass ein Datenbanksystem nicht nur die Daten selbst als termstrukturierten Datenbestand enthält, sondern auch deren Definition oder Beschreibung. Diese Beschreibung besteht aus Angaben über den Umfang, die Struktur, die Art und das Format aller Daten sowie über die Beziehungen der Daten untereinander. Diese Informationen werden auch termMetadaten oder „Daten-über-Daten“ genannt. Metadaten werden nach vereinbarten Standards strukturiert abgelegt. Die nachstehende Tabelle soll als einfaches Beispiel dienen.

  1. Spalte = Vorname
  2. Spalte = Name
  3. Spalte = PLZ
  4. Spalte = Wohnort

Sie kann als eine Datenbanktabelle aufgefasst werden, falls die Struktur dieser Tabelle nicht nur für Menschen mit spezifischem Interpretationswissen implizit festgelegt ist. Durch die explizite Definition von Bezeichnung (Name) und Datentyp in einer festen Struktur (Kopfzeile, Datenzeilen) wird diese Tabelle zur termRelation und kann in eine Datenbank überführt werden.

Abbildung 3: Beispiel einer DatenbanktabelleAbbildung 3: Beispiel einer Datenbanktabelle (GITTA 2005)

Mehrfachnutzung

Ein Datenbanksystem erlaubt mehreren Benutzern gleichzeitig den konsistenten (=widerspruchsfreien) Zugriff auf eine Datenbank. So ist die Beantwortung unterschiedlicher Fragestellungen auf identischen Daten zur gleichen Zeit ein zentraler Aspekt eines Informationssystems. Eine solche Mehrfachnutzung erhöht auch die Wirtschaftlichkeit eines Systems. Die Datenerfassung und -haltung ist nicht termredundant, das System kann zentralisiert betreut und die Daten können einfacher aktualisiert werden. Nicht zu vernachlässigen ist die meistens effizientere Nutzung der oftmals teuren termGeoDaten. Ein Beispiel für Mehrfachnutzung ist die Reise-Datenbank eines größeren Reisebüros. Die Angestellten verschiedener Zweigstellen können gleichzeitig auf diese Datenbank zugreifen und Reisen buchen bzw. verkaufen. Jeder sieht sofort, wie viele Plätze für eine bestimmte Reise noch erhältlich sind oder ob diese schon ausgebucht ist.

Das Konzept der Mehrfachnutzung ermöglicht weiterhin nicht nur gemeinsames Nutzen sondern z.B., je nach Zugangsrechten und Bedürfnissen, eine individuelle Darstellung und Auswertung der Daten. Eine solche Datensicht kann aus einer Teilmenge der gespeicherten Daten oder aus daraus abgeleiteten (nicht explizit gespeicherten) Daten bestehen.

Beispiel: An einer Hochschule werden Daten über die Studierenden verwaltet. Neben Matrikelnummer, Name, Adresse etc. werden auch andere Informationen erfasst, wie die Semesterzahl oder die Angabe darüber, ob die Studierenden spezifische Module wiederholt haben. Diese Datenbank wird von Personen mit unterschiedlichen Bedürfnissen und Berechtigungen benutzt.

Klicken Sie auf einen der vier Buttons, um verschiedene Sichten auf die Datenbank darzustellen.

Abbildung 4: Der Datenbankadministrator hat eine Sicht auf die gesamte Datenbank, während andere Nutzer in diesem Beispiel jeweils eine sehr eingeschränkte Sicht auf die Datenbank haben. Trotz dieser unterschiedlichen Darstellung ist die zugrundeliegede Datenbank identisch (GITTA 2005)

Datenintegrität

Das Datenbanksystem bzw. das Anwendungsprogamm benötigt keine Kenntnis über die physikalische Datenspeicherung (Kodierung, Format, Speicherort, etc.). Es kommuniziert mit dem Verwaltungssystem einer Datenbank (DBMS) über eine normierte Schnittstelle mittels einer standardisierten Sprache. Den Zugriff auf die eigentlichen Daten und die Metadaten übernimmt das DBMS. Auf diese Weise sind Anwendungen von den Daten vollständig getrennt. Nur so kann die Konsistenz der Datenbank während des Systembetriebs aufrechterhalten. Zusätzlich ermöglicht diese Konzeption eine enorme Flexibilität bezüglich der Nutzung.

Abbildung 5:  Anwendungen bzw. Datenbanksysteme dürfen niemals direkt am Datenbankmanagement vorbei auf die Datenbank zugreifen. Die Trennung von Anwendungen und Daten ist die wichtigste Grundlage für die DatenintegritätAbbildung 5: Anwendungen bzw. Datenbanksysteme dürfen niemals direkt am Datenbankmanagement vorbei auf die Datenbank zugreifen. Die Trennung von Anwendungen und Daten ist die wichtigste Grundlage für die Datenintegrität (GITTA 2005)

Die so erzielbare Datenintegrität ist der vielleicht wichtigste Unterschied zwischen einer Datenbanktabelle und einer normalen Tabelle. Ein DBMS (anders als z.B. eine Tabellenkalkulation wie Openoffice Calc) unterstützt bei der Aufgabe, korrekte und widerspruchsfreie („konsistente“) Daten in der Datenbank vorzuhalten.

Abbildung 6: In derselben Datenbank dürfen keine widersprüchlichen Aussagen                     stehen. Die gezeigte Datenbank besteht aus den zwei Tabellen „Wohnstrassen“ und                     „Strassenplanung“. In der Tabelle „Wohnstrassen“ ist die Gartenstrasse von                     19.00–7.00 mit einem Fahrverbot belegt. In der Tabelle „Strassenplanung“ jedoch                     bestehen für die Gartenstrasse keine Einschränkungen. Dies ist ein Beispiel für                     einen Widerspruch, wie er in einer Datenbank nicht vorkommen darf.Abbildung 6: In derselben Datenbank dürfen keine widersprüchlichen Aussagen stehen. Die gezeigte Datenbank besteht aus den zwei Tabellen „Wohnstrassen“ und „Strassenplanung“. In der Tabelle „Wohnstrassen“ ist die Gartenstrasse von 19.00–7.00 mit einem Fahrverbot belegt. In der Tabelle „Strassenplanung“ jedoch bestehen für die Gartenstrasse keine Einschränkungen. Dies ist ein Beispiel für einen Widerspruch, wie er in einer Datenbank nicht vorkommen darf. (GITTA 2005)

Transaktionen

Eine sogenannte Transaktion ist immer ein vollständig ausgeführtes Set von Aktionen in einer Datenbank. Transaktionen werden nur vom DBMS abgearbeitet, damit die Datenbank sicher und nachvollziehbar von einem konsistenten Zustand wieder in einen konsistenten (widerspruchsfreien) Zustand (termDatenpersistenz) überführt werden kann. Dazwischen sind die Daten zum Teil zwangsläufig inkonsistent. Transaktionen sind atomare Datenbankoperationen, d.h. innerhalb einer Transaktion werden entweder alle Aktionen oder keine durchgeführt. Tritt ein Fehler während einer Transaktion auf so wird das Zurücksetzen auf den letzten konsistenten Zustand veranlasst(term Rollback).

Ein leicht verständliches Beispiel einer Datenbank-Transaktion ist das Umbuchen einer Summe Geld von einem Konto auf ein anderes Konto. Die Abbuchung des Geldes von einem Konto und die Gutschrift auf dem anderen Konto sind zusammen eine konsistente Transaktion, die atomar ist. Eine Abbuchung oder Gutschrift jeweils alleine würde zu einem inkonsistenten Zustand der berührten Konten (Datenbankeinträge) führen. Nach Abschluss der Transaktion (Abbuchung und Gutschrift) wird die Änderung an beiden Konten dauerhaft (termCommit). Vergegenwärtigen Sie sich diesen Zusammenhang mit Hilfe der nachfolgenden interaktiven Grafik.

Abbildung 7: Transaktion am Beispiel eines Umbuchungsvorgangs von einem Konto auf ein anderes Konto (GITTA 2005)

GI-Anwendungen vor dem Hintergrund von Datenbanksystemen

Wir haben bislang zahlreiche Beispiele für einzelne oder auch mehrere der genannten Eigenschaften von Datenbanksystemen in unseren Beispielen kennengelernt. Es ist offensichtlich, dass moderne GI-Systeme diese Konzepte integrieren müssen. Bewerten Sie einige der Ihnen bislang bekannten GIS anhand der Tabelle hinsichtlich der Erfüllung der Bedingungen für Datenbanksysteme:

Abbildung 9: Bewertungsmatrix bezüglich der Realisation von DatenbankeigenschaftenAbbildung 9: Bewertungsmatrix bezüglich der Realisation von Datenbankeigenschaften (GIS.MA 2009)

Bearbeiten Sie...

idee
  • Gibt es Ihrer Meinung nach einen Unterschied bezüglich der Datenkonsistenz einer Datenbank je nachdem ob Sie alleine Zugang besitzen oder Sie mit mehreren Nutzern gleichzeitig einen Datensatz bearbeiten müssen?
  • Entwerfen Sie ein einfaches Ablaufschema das eine Transaktion allgemein beschreibt.
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