SQL- and NoSQL-Datenbanken

Die Autoren führen in relationale (SQL) und nicht-relationale (NoSQL) Datenbanken ein. Die 9. Auflage erklärt die drei Typen relationale Datenbanken, Graphdatenbanken und Dokumentdatenbanken im Detail anhand der Themen Datenbankmanagement, Datenbankmodellierung, Datenbanksprachen, Datenbanksicherheit und Systemarchitektur. Das Buch bietet außerdem einen Überblick auf postrelationale und nicht-relationale Datenbanksysteme. In den ersten fünf Kapiteln analysieren die Autoren detailliert die Verwaltung, Modellierung, Sprachen, Sicherheit und Architektur von relationalen Datenbanken, Graphdatenbanken und Dokumentendatenbanken. Außerdem wird ein Überblick über andere SQL- und NoSQL-basierte Datenbankansätze gegeben. Neben klassischen Konzepten wie dem Entitäts- und Beziehungsmodell und seiner Abbildung in SQL-Datenbankschemata, Abfragesprachen oder dem Transaktionsmanagement werden weitere Aspekte für NoSQL-Datenbanken wie nicht-relationale Datenbankschemas und Abfragesprachen (MQL, Cypher), das Map/Reduce-Verfahren, Verteilungsoptionen (Sharding, Replikation) oder das CAP-Theorem (Consistency, Availability, Partition Tolerance) erläutert. Die 9. Auflage bietet neu eine vertiefte Einführung in Dokumentdatenbanken mit einer Methode zur Modellierung von Dokumentstrukturen, einem Überblick auf dokumentenorientierte Datenbanksprache MongoDB Query Language MQL sowie Sicherheits- und Architekturaspekte. Die neue Auflage berücksichtigt neue Entwicklungen der Sprache Cypher. Das Thema Datenbanksicherheit wird neu als eigenes Kapitel eingeführt und im Detail bezüglich Datenschutz, Integrität und Transaktionen analysiert. Texte zum Datenmanagement, zur Datenbankprogrammierung und zum Data Warehouse wurden aktualisiert. Zudem erklärt die 9. Auflage die Konzepte JSON, JSON-Schema, BSON, indexfreie Nachbarschaft, Cloud-Datenbanken, Suchmaschinen und Zeitreihendatenbanken. Eine Webseite ergänzt den Inhalt des Buches durch Tutorien für Abfrage- und Manipulationssprachen (SQL, Cypher), Übungsumgebungen für Datenbanken (MySQL, Neo4j), zwei Fallstudien mit OpenOffice Base und Neo4j sowie als Unterrichtsmaterial Folienvorlagen mit allen Abbildungen Das Buch richtet sich sowohl an Studierende, die eine Einführung in das Gebiet der SQL- und NoSQL-Datenbanken möchten, als auch auch an Praktiker in Datenwissenschaften und Informatik, denen es hilft, Stärken und Schwächen relationaler und nicht-relationaler Ansätze sowie Entwicklungen für Big-Data-Anwendungen besser einschätzen zu können Geleitwort Vorwort Inhaltsverzeichnis 1 Datenbankmanagement 1.1 Informationssysteme und Datenbanken 1.2 SQL-Datenbanken 1.2.1 Relationenmodell Identifikationsschlüssel Tabellendefinition 1.2.2 Strukturierte Abfragesprache SQL 1.2.3 Relationales Datenbanksystem Relationales Datenbanksystem 1.3 Big Data und NoSQL-Datenbanken 1.3.1 NoSQL-Datenbanksysteme NoSQL NoSQL-Datenbanksystem 1.4 Graphdatenbanken 1.4.1 Graphenmodell Property Graph 1.4.2 Graphenorientierte Abfragesprache Cypher 1.5 Dokumentdatenbanken 1.5.1 Dokumentmodell Digitales Dokument 1.5.2 Dokumentorientierte Datenbanksprache MQL 1.6 Organisation des Datenmanagements Bibliography 2 Datenbankmodellierung 2.1 Von der Anforderungsanalyse zur Datenbank 2.2 Das Entitäten-Beziehungsmodell 2.2.1 Entitäten und Beziehungen 2.2.2 Assoziationen und Assoziationstypen Einfache Assoziation (Typ 1) Konditionelle Assoziation (Typ c) Mehrfache Assoziation (Typ m) Mehrfach-konditionelle Assoziation (Typ mc) 2.2.3 Generalisation und Aggregation 2.3 Umsetzung im Relationenmodell 2.3.1 Abhängigkeiten und Normalformen Relationenmodell Redundanz eines Merkmals Funktionale Abhängigkeiten Erste Normalform (1NF) Zweite Normalform (2NF) Transitive Abhängigkeiten Dritte Normalform (3NF) 2.3.2 Abbildungsregeln für relationale Datenbanken Regel R1 (Entitätsmengen) Regel R2 (Beziehungsmengen) Abbildungsregeln für Beziehungsmengen Regel R3 (netzwerkartige Beziehungsmengen) Regel R4 (hierarchische Beziehungsmengen) Regel R5 (einfach-einfache Beziehungsmengen) 2.4 Umsetzung im Graphenmodell 2.4.1 Eigenschaften von Graphen Ungerichteter Graph Zusammenhängender Graph Das Entscheidungsproblem für Brückentraversierung (Eulerweg) Grad eines Knoten Berechnung kürzester Wege nach Dijkstra Gewichteter Graph Gewicht eines Graphen Algorithmus von Dijkstra Property Graph 2.4.2 Abbildungsregeln für Graphdatenbanken Regel G1 (Entitätsmengen) Regel G2 (Beziehungsmengen) Abbildungsregeln für Beziehungsmengen Regel G3 (netzwerkartige Beziehungsmengen) Regel G4 (hierarchische Beziehungsmengen) Regel G5 (einfach-einfache Beziehungsmengen) 2.5 Umsetzung im Dokumentmodell 2.5.1 Dokumentorientierte Datenbankmodellierung Komplexe Objekte Datenformat JSON JSON-Schema JSON-Datenmodellierung mit Prototypen 2.5.2 Abbildungsregeln für Dokumentdatenbanken Regel D1 (Entitätsmengen und Attribute) Regel D2 (Aggregierung) Regel D3 (eindeutige untergeordnete Assoziation) Regel D4 (mehrdeutige untergeordnete Assoziation) Regel D5 (Beziehungsattribute) Regel D6 (Dokumenttypen) Regel D7 (Beziehungsmengen) 2.6 Rezept zum Datenbankentwurf Bibliography 3 Datenbanksprachen 3.1 Interaktion mit einer Datenbank 3.2 Die Relationenalgebra 3.2.1 Übersicht über Operatoren 3.2.2 Die mengenorientierten Operatoren Vereinigungsverträglichkeit 3.2.3 Die relationenorientierten Operatoren 3.2.4 Relational vollständige Sprachen Kriterium der Vollständigkeit 3.3 Relationale Sprache SQL 3.3.1 Erstellen und Befüllen des Datenbankschemas 3.3.2 Relationale Operatoren Projektion Kartesisches Produkt Verbund Selektion Vereinigung Differenz Schnittmenge 3.3.3 Eingebaute Funktionen Aggregatfunktionen Gruppierung Geschachtelte Abfragen 3.3.4 Nullwerte 3.4 Graphbasierte Sprache Cypher 3.4.1 Erstellen und Befüllen des Datenbankschemas 3.4.2 Relationale Operatoren Selektion und Projektion Kartesisches Produkt und Join 3.4.3 Eingebaute Funktionen Aggregatfunktionen Datenoperatoren 3.4.4 Graphanalysen 3.5 Dokumentorientierte Sprache MQL 3.5.1 Erstellen und Füllen des Datenbankschemas 3.5.2 Relationale Operatoren Selektion Projektion Join Kartesisches Produkt Vereinigung 3.5.3 Eingebaute Funktionen Akkumulatoraggregationen Gruppierung Ausgabe valider JSON-Syntax Verschachtelte Abfragen mit Pipelines 3.5.4 Nullwerte 3.6 Datenbankprogrammierung mit Cursor 3.6.1 Einbettung von SQL in prozedurale Sprachen Stored Procedures und Stored Functions Einbettung von SQL in externe Programmiersprachen 3.6.2 Einbettung graphbasierter Sprachen 3.6.3 Einbettung von Dokumentdatenbanksprachen Bibliographie 4 Datenbanksicherheit 4.1 Sicherheitsziele und Maßnahmen 4.2 Zugriffskontrolle 4.2.1 Authentisierung und Autorisierung in SQL Änderbare Sicht SQL-Injection 4.2.2 Authentisierung und Autorisierung in Cypher Cypher Injection 4.2.3 Authentisierung und Autorisierung in MQL JavaScript Injection in MQL 4.3 Integritätsbedingungen 4.3.1 Relationale Integritätsbedingungen in SQL 4.3.2 Integritätsbedingungen für Graphen in Cypher Eindeutigkeitsbedingung für Knoteneigenschaften Existenzbedingung für Knoteneigenschaften Existenzbedingung für Kantenattribute (Relationship Property) Knotenschüsselbedingung Wertebereichsbedingungen Referenzielle Integrität 4.3.3 Integritätsbedingungen für Dokumentdatenbanken in MQL Primärschlüsselbedingungen Eindeutigkeitsbedingungen Existenzbedingung Wertebereichsbedingung Referenzielle Integritätsbedingungen 4.4 Konsistenz von Transaktionen 4.4.1 Mehrbenutzerbetrieb 4.4.2 Das ACID-Prinzip 4.4.3 Serialisierbarkeit Prinzip der Serialisierbarkeit Serialisierbarkeitskriterium 4.4.4 Pessimistische Verfahren Zweiphasen-Sperrprotokoll 4.4.5 Optimistische Verfahren Optimistische Synchronisation (engl. „optimistic concurrency control“) 4.4.6 Fehlerbehandlung 4.5 Weiche Konsistenz bei massiv verteilten Daten 4.5.1 BASE und CAP-Theorem CAP-Theorem 4.5.2 Differenzierte Konsistenzeinstellungen 4.5.3 Vektoruhren zur Serialisierung verteilter Ereignisse Kausalitätsprinzip basierend auf Vektoruhren 4.5.4 Vergleich zwischen ACID und BASE 4.6 Sprachelemente für die Transaktionskontrolle 4.6.1 Transaktionsmanagement in SQL 4.6.2 Transaktionsmanagement in der Graphdatenbank Neo4j und in der Sprache Cypher Isolation Levels Transaktionen in Cypher 4.6.3 Transaktionsmanagement in MongoDB und MQL Atomarität von Transaktionen Transaktionen in der Mongo Shell Isolation von verteilten Transaktionen über mehrere Rechner Bibliographie 5 Systemarchitektur 5.1 Verarbeitung homogener und heterogener Daten 5.2 Speicher- und Zugriffsstrukturen 5.2.1 Indexe 5.2.2 Baumstrukturen Mehrwegbaum (engl. „B-tree“) 5.2.3 Hashverfahren Hashing mit Divisionsrest 5.2.4 Consistent Hashing 5.2.5 Mehrdimensionale Datenstrukturen Gitterdatei 5.2.6 Binary JavaScript Object Notation BSON 5.2.7 Indexfreie Nachbarschaft 5.3 Übersetzung und Optimierung relationaler Abfragen 5.3.1 Erstellen eines Anfragebaums Anfragebaum 5.3.2 Optimierung durch algebraische Umformung 5.3.3 Berechnen des Verbundoperators Geschachtelter Verbund Sortier-Verschmelzungsverbund 5.3.4 Kostenbasierte Optimierung von Zugriffspfaden 5.4 Parallelisierung mit Map/Reduce 5.5 Schichtarchitektur 5.6 Nutzung unterschiedlicher Speicherstrukturen 5.7 Clouddatenbanken Bibliographie 6 Postrelationale Datenbanksysteme 6.1 Die Grenzen von SQL – und darüber hinaus 6.2 Föderierte Datenbanken 6.3 Temporale Datenbanken 6.4 Multidimensionale Datenbanken 6.5 Data Warehouse und Data Lake Systeme 6.6 Objektrelationale Datenbanken 6.7 Wissensbasierte Datenbanken 6.8 Fuzzydatenbanken Bibliographie 7 NoSQL-Datenbanksysteme 7.1 Zur Entwicklung nicht-relationaler Technologien 7.2 Schlüssel-Wert-Datenbanken 7.3 Spaltenfamilien-Datenbanken 7.4 Dokumentdatenbanken 7.5 XML-Datenbanken 7.6 Graphdatenbanken 7.7 Suchmaschinen-Datenbanken 7.8 Zeitreihen-Datenbanken Bibliographie Glossar Stichwortverzeichnis