6. Kriterien für relationale Datenbanksysteme

Viele moderne Datenbanksysteme werden von ihren Herstellern als relational bezeichnet. Welchen Kriterien eine der Definition entsprechende relationale Datenbank genügen müßte, soll hier kurz beschrieben werden.

6.1 Mindestanforderungen an eine relationale Datenbank

• Alle Information muß in Tabellen dargestellt werden. Nur so kann die gewünschte Flexibilität erreicht werden.
  Beispiel:
  

Angestellter	Personalnummer	Abteilung
Meier	14093-2	EDV
Siebert	21145-9	Verwaltung

• Die Daten müssen mindestens mit den folgenden Operationen bearbeitet werden können:

• Selektion
  Alle Zeilen der Ausgangstabelle, die eine bestimmte Bedingung erfüllen, werden in eine Ergebnistabelle kopiert.

Beispiel:
Alle Zeilen bei denen der Name des Angestellten mit S anfängt.

• Verbund von Tabellen (Join)
  Zwei Tabellen mit mindestens einem gemeinsamen Attribut (Feldnamen) werden verbunden.

Beispiel:
Mit einer zusätzlichen Tabelle der Form

Personalnummer	Gehalt
14093-2	5300
21145-9	4100

kann folgende Tabelle erzeugt werden:

Angestellter	Personalnummer	Gehalt	Abteilung
Meier	14093-2	5300	EDV
Siebert	21145-9	4100	Verwaltung

• Projektion
  Die Ergebnistabelle enthält alle Spalten der Ausgangstabelle, die eine bestimmte Bedingung erfüllen.

Beispiel:
Angestellter und zugehörige Personalnummer

Mehr zu Selektion, Vereinigung und Projektion in Abschnitt 7 'SQL und Relationale Algebra'

• Alle Beziehungen zwischen den Daten müssen explizit in den Daten selbst beschrieben werden (also insbesondere nicht über Zeigerstrukturen wie in hierarchischen Datenbanken).

Beispiel:
Der Aufbau verschiedener Tabellen, die zu einer Datenbank gehören, muß auch in einer Tabelle beschrieben sein

6.2 Die goldenen Regeln der Relationalität

Die Erfüllung dieser einfachen Bedingungen genügt jedoch noch nicht, ein Datenbanksystem als relational zu klassifizieren.

1985 wurden von E. F. Codd zwölf Regeln veröffentlicht, die eine relationale Datenbank im strengen Sinne definieren:

• Regel 1: Darstellung von Information

Alle Information in relationalen Datenbanken muß logisch in Tabellen dargestellt sein, insbesondere

• Daten

• Definitionen von Tabellen und Attributen

• Integritätsbedingungen und die Aktion bei deren Verletzung (siehe Regel 10)

• Sicherheitsinformationen (z. B. Zugangsberechtigungen)

• Regel 2: Zugriff auf Daten

Jeder Wert einer relationalen Datenbank muß logisch durch eine Kombination von Tabellenname, Primärschlüssel und Attributname (Spaltenname) auffindbar sein. Dies bedeutet, daß in einer Tabelle an jedem Schnittpunkt einer Zeile mit einer Spalte nur ein Wert stehen darf.

Beispiel:
Tabellenname: Angestellte
Primärschlüssel: Angestellter = Meier
Attributname: Gehalt = 5300

• Regel 3: Systematische Behandlung von Nullwerten

Nullwerte stellen in Attributen, die nicht Teil eines Primärschlüssels sind, fehlende Information dar und werden durchgängig gleich, insbesondere unabhängig vom Datentyp des Attributes, behandelt.

Beispiel:
Man kann also nicht in numerischen Feldern bei fehlenden Daten das Feld leerlassen, und bei Textfeldern das Zeichen -- einfügen. Fehlende Informationen werden heute meist mit NULL bezeichnet.

• Regel 4: Struktur einer Datenbank

Die Datenbankstruktur wird in derselben logischen Struktur wie die Daten gespeichert, also in Tabellen. Dazu muß die Struktur aller Tabellen, die zu einer Datenbank gehören, in einer Tabelle (dem Katalog) zugänglich sein. Diese Forderung bedingt, daß sich eine Änderung im Katalog automatisch in einer geänderten Datenbankstruktur auswirkt!

• Regel 5: Die Abfragesprache

Ein relationales System enthält mindestens eine befehlsgesteuerte Abfragesprache, die mindestens die folgenden Funktionen unterstützt:

• Datendefinition

• Definition von Views
  (logische Sichten der Datenbank, die der Benutzer aus den Attributen der Basistabellen erstellt und mit den gewohnten Operatoren manipulieren kann)

• Definition von Integritätsbedingungen

• Definition von Transaktionen
  Eine Transaktion ist eine Folge von Befehlen, die eine Datenbank von einem konsistenten Zustand in einen anderen überführen. Eine Transaktion muß entweder vollständig durchgeführt oder, bei einem Abbruch, vollständig zurückgesetzt werden

• Definition von Berechtigungen

Eine weit verbreitete Abfragesprache ist SQL (Structured Query Language, siehe Abschnitt 7.1)

• Regel 6: Aktualisieren von Views

Alle Views, die theoretisch aktualisiert werden können, können auch vom System aktualisiert werden.

Beispiel:
Hat man zwei Spalten A und B mit Zahlen, so kann man sich eine weitere Spalte definieren, die A*B enthält. Ändert man einen Wert in dieser Spalte, so kann daraus nicht der Wert der Spalten A und B bestimmt werden, da im allgemeinen aus dem Produkt zweier Zahlen diese zwei Zahlen nicht bestimmt werden können. Dieses View kann also theoretisch nicht aktualisiert werden.

Problem:
Im allgemeinen kann nicht entschieden werden, ob ein View theoretisch aktualisiert werden kann

• Regel 7: Abfragen und Editieren ganzer Tabellen

Abfrage- und Editieroperationen müssen als Operanden ganze Tabellen und nicht nur einzelne Sätze erlauben

• Regel 8: Physikalische Unabhängigkeit

Der Zugriff auf die Daten durch den Benutzer muß unabhängig davon sein, wie die Daten gespeichert werden oder wie physikalisch auf sie zugegriffen wird. Dies bedeutet, daß Anwendungen nur auf die logische Struktur des Systems zugreifen dürfen.

Beispiel:
Die Daten dürfen auf einem Datenträger durchaus hierarchisch gespeichert sein. Nur die logische Struktur der Datenbank muß relational sein. Ändert der Datenbankverwalter die physikalische Struktur, darf der Anwender davon nichts mitbekommen.

• Regel 9: Logische Unabhängigkeit der Daten

Anwendungen und Zugriffe dürfen sich logisch nicht ändern, wenn Tabellen so geändert werden, daß alle Information erhalten bleibt (z. B. beim Aufspalten einer Tabelle in zwei Tabellen)

• Regel 10: Unabhängigkeit der Integrität

Alle Integritätsbedingungen müssen in der Abfragesprache definierbar sein und in Tabellen dargestellt werden. Das System muß mindestens die folgenden Integritätsbedingungen prüfen:

• Vollständigkeitsintegrität (Entity Integrity, Existential Integrity)
  Ein Primärschlüssel muß eindeutig sein und darf insbesondere keinen Nullwert enthalten.

• Beziehungsintegrität (Referentielle Integrität, Referential Integrity)
  Zu jedem Fremdschlüsselwert existiert ein Primärschlüsselwert.

Beispiel: Zu jeder Personalnummer muß es auch einen Namen eines Angestellten geben

• Regel 11: Verteilung der Daten

Anwendungen für eine nicht-verteilte Datenbank dürfen sich beim Übergang zu einer verteilten Datenbank logisch nicht ändern.

Beispiel:
Wenn die oben beschriebenen Tabellen in einem Netzwerk auf zwei verschiedenen Rechnern gespeichert sind, darf sich bei der Anwendung nichts ändern, wenn die Tabellen irgendwann auf demselben Rechnern gespeichert werden

• Regel 12: Unterlaufen der Abfragesprache

Unterstützt ein relationales Datenbanksystem neben der High-Level-Abfragesprache eine Low-Level-Abfragesprache, so darf diese die Integritätsbedingungen der High-Level-Sprache nicht unterlaufen.

Beispiel:
Die Low-Level Abfragesprache darf z. B. nicht direkt auf die physikalischen Eigenschaften der gespeicherten Daten zugreifen

Anmerkungen:

• Die zwölf Regeln dürfen bei der Beurteilung eines Datenbanksystems nicht gleich gewichtet werden. Daher bezeichnen viele Hersteller ihre Datenbank als relational, wenn sie nur einige der wichtigsten Kriterien erfüllt

• Ende 1990 veröffentlichte E. F. Codd ein Buch über relationale Datenbanken, in dem er die einstigen zwölf Regeln des relationalen Modells auf 333 Regeln differenziert. Dadurch wird die Relationalität einer Datenbank bis ins letzte Detail festgeschrieben

6.3 Literaturhinweise

• E. F. Codd, A Relational Model for Large Shared Data Banks, Comm. ACM, Vol.13, No. 6, June 1970

• E. F. Codd, The Relational Model for Database Management - Version 2, Addison-Wesley 1990