Datenbanken: Implementierungstechniken: [Architekturprinzipien, Dateiorganisation & Zugriffsstrukturen ; massiv verteilte Datenverwaltung in P2P-Systemen ; Illustration der Konzepte am Beispiel aktueller DBMS-Produkte]
Gespeichert in:
| Beteiligte Personen: | , , |
|---|---|
| Format: | Buch |
| Sprache: | Deutsch |
| Veröffentlicht: |
Bonn
mitp-Verl.
2005
|
| Ausgabe: | 2., aktualisierte und erw. Aufl. |
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| Umfang: | XXI, 869 S. graph. Darst. |
| ISBN: | 3826614380 |
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| adam_text | Inhaltsverzeichnis
Vorwort zur 2. Auflage
Vorwort
1 Aufgaben und Prinzipien von Datenbanksystemen 1
1.1 Wiederholung der Datenbank-Grundbegriffe........... 2
1.1.1 Architektur eines Datenbanksystems........... 2
1.1.2 Neun Funktionen nach Codd................ 5
1.1.3 Datenmodelle und Datendefinition............. 6
1.1.4 Anfrage-und Änderungsoperationen............ 9
1.1.5 Sprachen und Sichten.................... 11
1.2 Überblick über behandelte Komponenten............. 14
1.2.1 Optimierer........................... 14
1.2.2 Dateiorganisation und Zugriffspfade............ 19
1.2.3 Transaktionen......................... 22
1.2.4
1.2.5 Wann kommt was?...................... 31
1.3 Beispielanwendung.......................... 32
1.4 Vertiefende Literatur......................... 33
1.5 Übungen................................ 34
2 Architektur von Datenbanksystemen 37
2.1 Betrachtete Fragestellungen..................... 38
2.2 Schichtenmodell eines relationalen DBMS............. 40
2.3 Hardware und Betriebssystem.................... 43
2.4 Pufferverwaltung........................... 46
2.5 Speichersystem ............................ 48
2.6 Zugriffssystem............................. 49
2.7 Datensystem.............................. 53
2.8 Varianten der Schichtenarchitektur ................ 54
2.8.1 Client-Server-Systeme.................... 54
2.8.2 Architekturen objektorientierter Datenbanksysteme . . 55
2.8.3 Weitere Architekturen.................... 58
2.9
2.10 Architekturen konkreter
2.11 Vertiefende Literatur......................... 70
2.12 Übungen................................ 70
Verwaltung des Hintergrundspeichers 73
3.1 Speichermedien............................ 74
3.1.1 Speicherhierarchie...................... 74
3.1.2 Cache, Hauptspeicher und Sekundärspeicher....... 77
3.1.3 Die Magnetplatte....................... 77
3.1.4 Speicherkapazität, Geschwindigkeit und Kosten..... 80
3.2 Speicherarrays: RAID......................... 84
3.2.1 Ziele von RAID-Systemen.................. 84
3.2.2
3.3 Sicherungsmedien: Tertiärspeicher................. 91
3.3.1 Optische Platten....................... 92
3.3.2 Bänder............................. 93
3.3.3
3.3.4 Langzeitarchivierung..................... 94
3.4 Verwaltung des Hintergrundspeichers............... 95
3.4.1 Betriebssystemdateien.................... 96
3.4.2 Abbildung der konzeptuellen Ebene auf interne Struktu¬
ren ............................... 97
3.4.3 Einpassen von Datensätzen auf Blöcke .......... 98
3.4.4 Modell des Sekundärspeichers ............... 100
3.5 Seiten, Sätze und Adressierung................... 100
3.5.1 Struktur der Seiten...................... 100
3.5.2 Satztypen ........................... 102
3.5.3 Adressierung von Datensätzen............... 108
3.6 Pufferverwaltung im Detail..................... 110
3.6.1 Die mangelnde Eignung des Betriebssystem-Puffers. . . 111
3.6.2 Suchen einer Seite...................... 113
3.6.3 Speicherzuteilung im Puffer................. 114
3.6.4 Seitenersetzungsstrategien................. 115
3.7 Einsatz kryptographischer Methoden................ 124
3.8 Speicherorganisation in konkreten DBMS............. 127
3.8.1 Oracle.............................. 127
3.8.2 DB2............................... 131
3.8.3 SQLServer........................... 133
3.8.4 Informix............................ 135
3.9 Vertiefende Literatur......................... 137
3.10 Übungen................................ 138
Dateiorganisation und Zugriffsstrukturen 139
4.1 Klassifikation der Speichertechniken................ 140
4.1.1 Primärschlüssel
4.1.2 Primärindex
4.1.3 Dateiorganisationsform
4.1.4 Dünn besetzter
4.1.5 Geclusterter
4.1.6 Schlüsselzugriff
4.1.7 Ein-Attribut-
4.1.8 Eindimensionale
4.1.9 Nachbarschaftserhaltende
4.1.10 Statische
4.1.11 Beispiele für Klassifikationen................ 150
4.1.12 Alternative Klassifikationen von Zugriffsverfahren . . . 151
4.1.13 Anforderung an Speichertechniken............. 152
4.2 Sequenzielle und indexierte Dateien................ 153
4.2.1
4.2.2 Sequenzielle Speicherung.................. 155
4.2.3 Indexsequenzielle Dateiorganisation............ 156
4.2.4 Indexiert-nichtsequenzieller Zugriffspfad......... 160
4.3 Baumverfahren............................ 163
4.3.1 B-Bäume............................ 163
4.3.2 Varianten von B-Bäumen.................. 171
4.3.3
4.3.4 B-Bäume in der Praxis.................... 180
4.4 Hashverfahren............................. 182
4.4.1 Grundprinzipien von Hashverfahren............ 182
4.4.2 Hashverfahren für Datenbanken.............. 184
4.4.3 Hashfunktionen mit erweiterbarem Bildbereich..... 187
4.4.4 Lineares Hashen....................... 188
4.4.5 Erweiterbares Hashen.................... 191
4.4.6 Spiral-Hashen......................... 194
4.4.7 Kombinierte Methoden.................... 197
4.5 Mehrdimensionale Speichertechniken............... 198
4.5.1 Mehrdimensionale Baumverfahren............. 199
4.5.2 Mehrdimensionales Hashen................. 204
4.5.3
4.6 Cluster-Bildung und Partitionierung................ 215
4.6.1 Index-organisierte Tabellen................. 216
4.6.2
4.6.3 Weitere Formen der Cluster-Bildung............ 220
4.6.4 Partitionierung........................ 220
4.7 Physische Datendefinition und Umsetzung in SQL-Systemen . 222
4.7.1
4.7.2
4.7.3
4.7.4
4.7.5
4.7.6
4.8 Vertiefende Literatur......................... 233
4.9 Übungen................................ 234
Zugriffssírukíuren
5.1 Hierarchische und Netzwerk-Datenbanken............ 238
5.1.1 Netzwerk-Datenbanken................... 239
5.1.2 Hierarchische Datenbanken................. 242
5.2 Zugriffstrukturen für Objektdatenbanken ............ 244
5.2.1 Konzepte objektorientierter Datenbankmodelle..... 244
5.2.2 Objektorientierte Datenbankmodelle............ 248
5.2.3 Aufbau der internen Ebene................. 253
5.2.4 Implementierung der Objektidentität........... 255
5.2.5 Konzepte für die Speicherung von Klassen ........ 256
5.2.6 Konzepte für Klassenhierarchien.............. 259
5.2.7 Zugriffspfade für Klassen, Klassenhierarchien, Kompo¬
nentenhierarchien und Methoden............. 260
5.2.8 Objektpuffer.......................... 269
5.2.9 Pointer Swizzling....................... 269
5.3 Geometrische Zugriffsstrukturen.................. 271
5.3.1 Probleme und Aufgaben................... 272
5.3.2 Eignung klassischer Suchbäume und Indexstrukturen . 275
5.3.3 Prinzipien nachbarschaftserhaltender Suchbäume .... 276
5.3.4 R-Bäume und Varianten................... 279
5.3.5 Rechteckspeicherung durch Punktdatenstrukturen . . . 286
5.3.6 Klassifizierung und Vergleich................ 293
5.4 Zugriffsstrukturen
5.4.1 Spezielle Anforderungen in Multimedia-Datenbanken . 294
5.4.2 Kontinuierliche Datentypen................. 296
5.4.3 Hochdimensionale Indexe.................. 297
5.4.4 Speicherung von Bildern................... 307
5.4.5 Video-Daten.......................... 311
5.4.6 Audio-Daten.......................... 317
5.4.7 Zusammengesetzte Multimedia-Dokumente....... 318
5.5 Information
5.5.1 Anfragen an Volltexte .................... 319
5.5.2 Zugriffsstrukturen für inhaltsbasierte Suche....... 321
5.6 Data
5.6.1 Konzepte und Modelle für OLAP und Data
5.6.2 Anforderungen an Zugriffsstrukturen für Data
se
5.6.3 Data
5.6.4 Bitmap-Index......................... 334
5.6.5 UB-Baum ........................... 337
5.7 Vertiefende Literatur......................... 340
5.8 Übungen................................ 343
Basisalgorithmen für Datenbankoperationen 345
6.1 Benötigte Grundalgorithmen .................... 346
6.1.1 Parameter für Kostenbestimmung............. 346
6.1.2 Grundannahmen....................... 348
6.1.3 Hauptspeicheralgorithmen ................. 348
6.1.4 Zugriffe auf Datensätze ................... 349
6.1.5 Externe und interne Sortieralgorithmen.......... 350
6.2 Navigationsoperationen: Scans................... 351
6.2.1 Arten des Scans........................ 352
6.2.2 Operationen auf Scans.................... 353
6.2.3 Scan-Semantik ........................ 356
6.3 Unäre Operationen: Selektion, Projektion und Gruppierung . . 357
6.3.1 Selektion............................ 357
6.3.2 Projektion........................... 359
6.3.3 Aggregatfunktionen und Gruppierung........... 359
6.4 Binäre Operationen: Mengenoperationen............. 363
6.4.1 Techniken für binäre Operatoren.............. 363
6.4.2 Klassen binärer Operatoren................. 365
6.4.3 Vereinigung mit Duplikateliminierung........... 366
6.5 Berechnung von Verbunden..................... 367
6.5.1 Nested-Loops-Verbund.................... 368
6.5.2 Merge-Techniken....................... 370
6.5.3 Hash-Verbund......................... 372
6.5.4 Vergleich der Techniken................... 376
6.6 Vertiefende Literatur......................... 378
6.7 Übungen................................ 378
Optimierung von Anfragen 381
7.1 Grundprinzipien der Optimierung................. 382
7.2 Motivierende Beispiele........................ 383
7.3 Phasen der Anfragebearbeitung................... 388
7.4 Anfrageübersetzung und-Vereinfachung.............. 391
7.4.1
7.4.2 Übersetzung in Relationenalgebra............. 392
7.4.3 Auflösung von Sichten.................... 394
7.4.4 Standardisierung und Vereinfachung von Ausdrücken . 395
7.4.5 Entschachteln von Anfragen................. 397
7.5 Logische Optimierung......................... 400
7.5.1 Algebraische Optimierung................. . 401
7.5.2 Verbundoptimierung mit
7.6 Physische Optimierung und kostenbasierte Auswahl ...... 426
7.6.1 Planoperatoren und Planrepräsentation.......... 427
7.6.2 Plangenerierung und Suchstrategien ........... 436
7.6.3 Kostenmodelle und Kostenabschätzung.......... 440
7.6.4 Strategien zur kostenbasierten Planauswahl....... 456
7.7 Konkrete Optimierer......................... 472
7.7.1 Oracle.............................. 472
7.7.2 DB2............................... 478
7.7.3 SQLServer........................... 482
7.7.4 PostgreSQL.......................... 486
7.7.5 Ingres.............................. 488
7.7.6 Informix............................ 490
7.7.7 Optimierer-Generatoren................... 491
7.8 Vertiefende Literatur......................... 492
7.9 Übungen................................ 494
Transaktionsmodelle 497
8.1 Transaktionen im Mehrbenutzerbetrieb.............. 497
8.2 Transaktionseigenschaften...................... 499
8.3 Probleme im Mehrbenutzerbetrieb................. 500
8.3.1 Inkonsistentes Lesen: Nonrepeatable
8.3.2 Lesen inkonsistenter Zustände............... 502
8.3.3 Abhängigkeiten von nicht freigegebenen Daten:
Read ..............................
8.3.4 Das Phantom-Problem.................... 503
8.3.5 Verloren gegangene Änderungen: Lost Update...... 504
8.3.6 Integritätsverletzung durch Mehrbenutzer-Anomalie . . 505
8.3.7 Cursor-Referenzen...................... 506
8.3.8 Problemklassifikation .................... 507
8.4 Serialisierbarkeit........................... 508
8.4.1 Einführung in die Serialisierbarkeitsthematik...... 508
8.4.2 Der Begriff des
8.4.3 Grundlegende Definitionen................. 517
8.4.4 Das Konzept der Serialisierbarkeit............. 518
8.4.5 Sichtserialisierbarkeit.................... 519
8.4.6 Konfliktserialisierbarkeit.................. 521
8.4.7 Graphbasierter Test auf Konfliktserialisierbarkeit. . . . 524
8.4.8 Abgeschlossenheitseigenschaften.............. 526
8.5 Transaktionsabbruch und Fehlersicherheit............ 529
8.5.1 Rücksetzbarkeit........................ 529
8.5.2 Vermeidung kaskadierender Abbruche........... 530
8.5.3 Striktheit............................ 531
8.5.4 Operationen für den Transaktionsabbruch........ 532
8.6 Ausnutzung semantischer Informationen............. 534
8.6.1 Vertauschbarkeit von Operationen............. 534
8.6.2 Kompensierende Aktionen.................. 537
8.7 Erweiterte Transaktionsmodelle .................. 539
8.7.1 Probleme mit ACID-Transaktionen............. 540
8.7.2 Prinzipien erweiterter Transaktionsmodelle....... 541
8.7.3 Von Transaktionen zu
8.8 Formalisierung von Transaktionsmodellen............ 550
8.8.1 Spezifikation von Transaktionsmodellen in
8.8.2 Formalisierung von Inter-Transaktionsbeziehungen . . . 556
8.9 Vertiefende Literatur......................... 566
8.10 Übungen................................568
Transaktionsverwaltung 573
9.1 Der
9.2 Sperrmodelle.............................. 576
9.2.1 Sperrdisziplin......................... 576
9.2.2 Verklemmungen........................ 577
9.2.3 Livelock-Problem...................... . 579
9.3 Sperrprotokolle ............................ 579
9.3.1 Notwendigkeit von Sperrprotokollen............ 579
9.3.2 Zwei-Phasen-Sperrprotokoll................. 580
9.3.3 Striktes Zwei-Phasen-Sperr-Protokoll........... 581
9.3.4 Aggressive und konservative Protokolle.......... 582
9.4 Sperrgranulate............................. 583
9.4.1 Hierarchisches Sperren ................... 584
9.4.2 Baumprotokolle für Sperren in Indexstrukturen..... 588
9.5 Nichtsperrende Verfahren zur Synchronisation.......... 590
9.5.1 Zeitmarkenverfahren..................... 591
9.5.2 Serialisierbarkeitsgraphentester.............. 594
9.5.3 Optimistische Verfahren................... 595
9.6 Multiversionen-Synchronisation................... 597
9.7 Transaktionen in SQIj-Datenbanksystemen............ 600
9.7.1 Aufweichung von
9.7.2 Ingres.............................. 602
9.7.3 Oracle.............................. 605
9.7.4 DB2 und Informix....................... 606
9.8 Vertiefende
9.9 Übungen................................ 607
10 Wiederherstellung und Datensicherung 609
10.1 Beteiligte Systemkomponenten................... 610
10.2 Fehlerklassifikation und Recovery-Klassen............ 612
10.2.1 Felllerklassifikation...................... 612
10.2.2 Felllerkategorien und zugehörige Recovery-Maßnahmen 615
10.3 Protokollierungsarten......................... 615
10.3.1 Aufbau des Logbuchs..................... 616
10.3.2 Physisches versus logisches Logbuch ............ 618
10.3.3 Sicherungspunkte....................... 621
10.4 Recovery-Strategien.......................... 623
10.4.1 Seitenersetzungsstrategien................. 624
10.4.2 Propagierungsstrategien................... 624
10.4.3 Einbringstrategien...................... 625
10.4.4 Konkrete Recovery-Strategien ............... 626
10.4.5 Wiederanlauf nach einem Fehlerfall............ 628
10.4.6 Das REDO-Protokoll als konkrete Realisierung...... 629
10.4.7 Abbruche im Recovery-Prozess............... 630
10.5 Das ARIES-Verfahren......................... 631
10.5.1 Vorgehensweise in ARIES.................. 631
10.5.2 Grundprinzipien und Datenstrukturen.......... 632
10.5.3 Phasen des Wiederanlaufs.................. 633
10.6 Schattenspeicherverfahren...................... 635
10.7 Backup-Strategien und Archivierung................ 637
10.7.1 Backups und Archivierung.................. 638
10.7.2 Spiegelung von Datenbanken................ 640
10.8
10.8.1 DB2............................... 640
10.8.2 Oracle.............................. 641
10.8.3 SQLServer........................... 642
10.8.4 PostgresSQL.......................... 642
10.8.5 Ingres.............................. 642
10.8.6 Informix............................ 643
10.9 Vertiefende Literatur......................... 643
10.10 Übungen................................ 644
11 Verteilte Datenbanken 645
11.1 Architekturvarianten......................... 646
11.1.1 Anforderungen an verteilte Datenhaltung......... 647
11.1.2 Spektrum der Realisierungsmöglichkeiten........ 648
11.2 Schema-Architektur für verteilte Datenbanken.......... 650
11.3 Fragmentierung, Replikation und Allokation........... 653
11.3.1 Fragmentierung........................ 654
11.3.2 Replikation und Allokation................. 658
11.3.3 Verteilter Katalog....................... 663
11.4 Verteilte Anfragebearbeitung.................... 663
11.4.1 Relationenalgebra auf Fragmenten............. 664
11.4.2 Lokalisierung von Operationen............... 665
11.4.3 Verteilter Verbund...................... 666
11.4.4 Optimierung in verteilten Datenbanksystemen...... 670
11.5 Verteilte Transaktionen ....................... 671
11.5.1 Verteiltes
11.5.2 Verteilte Synchronisation.................. 681
11.5.3 Transaktionen auf
11.5.4 Verteilte Deadlock-Erkennung............... 686
11.6 Verteilte SQL-Systeme........................ 689
11.6.1 Prototypen........................... 689
11.6.2 Oracle.............................. 690
11.6.3 Realisierungen in weiteren kommerziellen Systemen . . 692
11.7 Transaktionsmonitore ........................ 693
11.8 Vertiefende Literatur......................... 695
11.9 Übungen................................ 696
12 Föderierte und parallele Datenbanken 697
12.1 Heterogenität und Autonomie.................... 699
12.1.1 Heterogenität......................... 699
12.1.2 Autonomie........................... 700
12.2 Architektur föderierter Datenbanksysteme............ 701
12.2.1 Fünf-Ebenen-Schema-Architektur nach Sheth und
son
12.2.2 Alternative Ansätze für Schema-Architekturen...... 704
12.2.3 Mediatoren versus Föderationen.............. 706
12.2.4 Einbindung weiterer Datenquellen............. 708
12.3 Implementierungsaspekte: Anfragen, Integrität, Transaktionen 710
12.3.1 Anfragen in FDBS ...................... 711
12.3.2 Integritätssicherung in FDBS................ 712
12.3.3 Transaktionen......................... 713
12.4 Multidatenbanksysteme und -sprachen.............. 718
12.5 Parallele Datenbanksysteme..................... 720
12.5.1 Architektur paralleler DBMS................ 720
12.5.2 Partitionierungsstrategien.................. 721
12.5.3 Parallele Anfragebearbeitung................ 721
12.6 Datenbankmaschinen......................... 724
12.6.1 Ansatzpunkte für Spezial-Hardware............ 725
12.6.2 Spezielle Datenstrukturen und Algorithmen....... 726
12.6.3 Einige bekannte Systeme.................. 727
12.7 Vertiefende Literatur........................ . 727
12.8 Übungen................................ 729
13 Neuere Entwicklungen und Ausblick 731
13.1 Erweiterbare Datenbanksysteme.................. 732
13.1.1 Ebenen der Erweiterbarkeit................. 732
13.1.2 Realisierung der Erweiterbarkeit.............. 733
13.1.3 Erweiterbarkeit in kommerziellen Systemen....... 735
13.2 Verarbeitung von Datenströmen................... 739
13.2.1 Datenmodelle und Anfragesprachen............ 742
13.2.2 Anfrageoperatoren...................... 745
13.2.3 Anfrageoptimierung und
13.2.4 Konkrete Systeme....................... 754
13.3 Massiv verteiltes Datenmanagement................ 755
13.3.1 Peer-to-Peer-Systeme..................... 755
13.3.2 Unstrukturierte
13.3.3 Strukturierte
13.3.4 Schemabasierte
13.4 Vertiefende Literatur......................... 774
A
В
С
Verzeichnis der Abbildungen 787
Verzeichnis der Tabellen 797
Literaturverzeichnis 799
Sachindex 839
Personenindex 861
Bchlüsselwortindex 365
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Teilbibliothek Mathematik & Informatik
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0102 DAT 650f 2005 A 9298(2) Lageplan |
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