Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Leitfrage „Wie kann man von den ersten Entwürfen und Ideen bis hin zu den Anforderungen des zukünftigen Anwenders, eine effiziente Datenbankstruktur entwerfen?“ zu beantworten.
Dabei soll eine anwendungsorientierte Konzeptionierung und Planung von Datenbanken durch das Fünf-Phasen-Modell wiedergegeben werden, das besonders die Anforderungen des zukünftigen Anwenders berücksichtigt. Des Weiteren soll die Ausarbeitung die wesentlichen Merkmale einer Datenbank verdeutlichen, die unter anderem ebenfalls bedeutungsvoll für die Konzeptionierung und Planung einer Datenbank sind. Verwirklicht wird dies zu Beginn der Ausarbeitung durch die Erläuterung des Aufbaus eines Datenbanksystems. Ebenfalls wird es durch die Anforderungen und durch die Problematiken einer Datenbank veranschaulicht. Im Anschluss darauf werden die einzelnen Phasen des Fünf-Phasen-Modells zur Konzeptionierung und Planung einer Datenbank näher dargelegt. Zuletzt wird die Ausarbeitung dann auf der Basis der Charakteristika eines Datenbanksystems und dem Fünf-Phasen-Modell zur Planung und Konzeptionierung einer Datenbank in einer abschließenden Zusammenfassung komprimiert und mit einer kritischen Würdigung und einem Fazit abgeschlossen.
Durch die Zunahme von Informationen werden immer mehr leistungsstärkere Rechner mit Programmsystemen benötigt, die ebenfalls die Speicherung und Verwaltung von Daten übernehmen können. Dieses Aufgabenfeld wird heutzutage durch den Einsatz eines Datenbanksystems ermöglicht. Es muss jedoch für das Verständnis beachtet werden, dass es sich bei den Begrifflichkeiten „Datenbank“ und „Datenbanksystem“ um zwei verschiedene Bedeutungen handelt. Das Datenbanksystem setzt sich dabei aus einer Kollektion von Datenbanken zusammen und besitzt ebenfalls verschiedene Datenmanagementsysteme.
Eine Datenbank kann dabei im übertragenen Sinne als ein sicherer Aufbewahrungsort für wertvolle Informationen verstanden werden. Hierbei gilt die Aufgabe der Datenbank, die Informationen langfristig, strukturiert und vor allem sicher aufzubewahren, damit die Informationen ständig für einen oder mehrere Anwender abrufbar sind und nicht verloren gehen. Zwischen der physischen Datenbank und dem Anwender liegt ein Datenmanagementsystem, welches aus einer Menge von Programmen besteht und die Verwaltung sowie den Zugriff auf die Daten in der Datenbank erst ermöglicht. Ein Datenbanksystem fasst dabei die beiden Komponenten zusammen.
Inhaltsverzeichnis
I. Abstract
II. Abbildungsverzeichnis
1 Einführung in die Thematik
1.1 Ziel und Gang der Ausarbeitung
1.2 Kurzübersicht der Ausarbeitung
2 Die Charakteristika eines Datenbanksystems
2.1 Der Aufbau eines Datenbanksystems
2.2 Die Problematiken eines Datenbankeinsatzes
2.3 Die Anforderungen und Ziele eines Datenbankeinsatzes
3 Die Konzeptionierung und Planung einer Datenbank
3.1 Nutzen- und Anforderungsanalyse
3.2 Entwurf und Design
3.3 Implementierung
3.4 Auswertung
3.5 Einsatz und Wartung
3.6 Kurze Zusammenfassung des Fünf-Phasen-Modells
4 Zusammenfassung der Ausarbeitung
5 Kritische Würdigung
6 Abschließendes Fazit
III. Literaturverzeichnis
I. Abstract
Diese wissenschaftliche Arbeit befasst sich mit der Konzeptionierung und der Planung einer Datenbank. Angesichts dessen soll die Leitfrage beantwortet werden „Wie kann man von den ersten Entwürfen und Ideen bis hin zu den Anforderungen des zukünftigen Anwenders, eine effiziente Datenbankstruktur entwerfen?“. Als Lösungsansatz wird das Fünf-Phasen-Modell zur Konzeptionierung und Planung einer Datenbank vorgestellt, welches in der Praxis als Anwendungshilfe in der Entwicklung einer Datenbank verwendet werden kann. Zu Beginn der wissenschaftlichen Arbeit werden für das Grundverständnis, die Charakteristika eines Datenbanksystems erläutert. Hierbei werden die Anforderungen eines Datenbankeinsatzes und der vereinfachte Aufbau eines Datenbanksystems durch wissenschaftliche Literatur dargelegt. Um die Herausforderungen bei der Konzeptionierung und Planung einer Datenbank zu verdeutlichen, werden ebenfalls die möglichen Probleme bei einem Datenbankeinsatz aufgegriffen, die besonders durch eine mangelhafte Planung verursacht werden können. Daraufhin werden die einzelnen Prozessschritte des Fünf-Phasen-Modelles näher veranschaulicht. Dabei zeigt die abschließende Zusammenfassung der Ausarbeitung, dass die Leitfrage bezüglich zur Konzeptionierung und Planung einer Datenbank, durch das Fünf-Phasen-Modell beantwortet werden kann. Die Ausarbeitung kann als Anwendungsorientierung für Prozessbeteiligte in der Konzeptionierung und Planung einer Datenbank dienen.
II. Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: vereinfachter Aufbau eines Datenbanksystems
Abbildung 2: vereinfachte Veranschaulichung des Drei-Ebenen-Modells
Abbildung 3: Die fünf Phasen zur Konzeptionierung & Planung einer Datenbank
Abbildung 4: vereinfachtes Entity-Relationship-Diagramm
1 Einführung in die Thematik
1.1 Ziel und Gang der Ausarbeitung
Das Ziel dieser Ausarbeitung ist es, die Leitfrage „Wie kann man von den ersten Entwürfen und Ideen bis hin zu den Anforderungen des zukünftigen Anwenders, eine effiziente Datenbankstruktur entwerfen?“ zu beantworten. Dabei soll eine anwendungsorientierte Konzeptionierung und Planung von Datenbanken durch das Fünf-Phasen-Modell wiedergegeben werden, dass besonderen die Anforderungen des zukünftigen Anwenders berücksichtigt. Des Weiteren soll die Ausarbeitung die wesentlichen Merkmale einer Datenbank verdeutlichen, die unter anderem ebenfalls bedeutungsvoll für die Konzeptionierung und Planung einer Datenbank sind. Verwirklicht wird dies zu Beginn der Ausarbeitung durch die Erläuterung des Aufbaus eines Datenbanksystems. Ebenfalls wird es durch die Anforderungen und durch die Problematiken einer Datenbank veranschaulicht. Im Anschluss darauf werden die einzelnen Phasen des Fünf-Phasen-Modells zur Konzeptionierung und Planung einer Datenbank näher dargelegt. Zuletzt wird die Ausarbeitung dann auf der Basis der Charakteristika eines Datenbanksystems und dem Fünf-Phasen-Modell zur Planung und Konzeptionierung einer Datenbank in einer abschließenden Zusammenfassung komprimiert und mit einer kritischen Würdigung und einem Fazit abgeschlossen.
1.2 Kurzübersicht der Ausarbeitung
Die wissenschaftliche Ausarbeitung verdeutlicht, dass die Leitfrage mit dem Fünf-Phasen-Modell zur anwendungsorientierten Konzeptionierung und Planung einer Datenbank realisiert werden kann. Um die einzelnen fünf Phasen zur Konzeptionierung und Planung einer Datenbank erfolgreich zu durchlaufen, ist das Fachwissen von Experten und ein grundlegendes Verständnis der Anwender von Datenbanken notwendig. So sollte der grundlegende Aufbau eines Datenbanksystems ebenfalls von der Nutzerseite aus klar sein, um die Anforderungen für die Anforderungsanalyse besser definieren zu können. Zudem ist ein Grundverständnis über die grundsätzlichen Anforderungen an eine Datenbank und die Thematisierung der gängigen Problematiken bei einem Datenbankeinsatz erforderlich, um Fehleinschätzungen vorbeugen zu können. Dabei sollen die Anwender stets in die Prozessschritte der Konzeptionierung und Planung einer Datenbank mit eingebunden sein, um die Akzeptanz und die Zufriedenheit durch den Einsatz steigen zu können. Ebenfalls ist während der Konzeptionierung und Planung einer Datenbank, die laufende Dokumentation sowie der Einsatz von Verifikations- und Validationstechniken von hoher Bedeutung, denn so kann abschließend die Qualität im späteren Betrieb durch den Datenbankeinsatz für den Kunden und dessen Anforderungen garantiert werden.
2 Die Charakteristika eines Datenbanksystems
Nachfolgend werden die Charakteristika eines Datenbanksystems genauer erläutert, um ein vereinfachtes Verständnis zu vermittelt, wie ein Datenbanksystem grundsätzlich aufgebaut ist. Zudem werden die grundlegenden Anforderungen an eine Datenbank dargelegt sowie die Problematiken eines Datenbankeinsatzes. Dabei soll durch die Problematiken verdeutlicht werden, wo die grundlegenden Stolperfallen in der Planung und in dem Einsatz einer Datenbank liegen können.
2.1 Der Aufbau eines Datenbanksystems
Durch die Zunahme von Informationen werden immer mehr leistungsstärkere Rechner mit Programmsystemen benötigt, die ebenfalls die Speicherung und Verwaltung von Daten übernehmen können. Dieses Aufgabenfeld wird heutzutage durch den Einsatz eines Datenbanksystems ermöglicht. Es muss jedoch für das Verständnis beachtet werden, dass es sich bei den Begrifflichkeiten „Datenbank“ und „Datenbanksystem“ um zwei verschiedene Bedeutungen handelt. Das Datenbanksystem setzt sich dabei aus einer Kollektion von Datenbanken zusammen und besitzt ebenfalls verschiedene Datenmanagementsysteme (Kleinschmidt und Rank 2004). Eine Datenbank kann dabei im übertragenen Sinne als ein sicherer Aufbewahrungsort für wertvolle Informationen verstanden werden. Hierbei gilt die Aufgabe der Datenbank, die Informationen langfristig, strukturiert und vor allem sicher aufzubewahren, damit die Informationen ständig für einen oder mehrere Anwender abrufbar sind und nicht verloren gehen (Heuer et al. 2020). Zwischen der physischen Datenbank und dem Anwender liegt ein Datenmanagementsystem, welches aus einer Menge von Programmen besteht und die Verwaltung sowie den Zugriff auf die Daten in der Datenbank erst ermöglicht. Ein Datenbanksystem fasst dabei die beiden Komponenten zusammen. Somit besteht ein Datenbanksystem, wie in der Abbildung 1 zu sehen ist, aus einem Datenbankmanagementsystem und einer Datenbank (Schneider 2004).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 1: vereinfachter Aufbau eines Datenbanksystems
Um die Struktur einer Datenbank zu verdeutlichen, wird das Drei-Ebenen-Modell (siehe Abbildung 2) verwendet. Das Modell besteht aus der internen Ebene, der konzeptionellen Ebene und aus der externen Ebene. Die drei Ebenen sollen dabei die Unabhängigkeit bzw. die Trennung von den Daten und der Anwendungssoftware in einem Datenbanksystem veranschaulichen. Die interne Ebene beschreibt die physikalische Speicherstruktur einer Datenbank. Hier geht es um die Speicherung der Daten bzw. der Informationen (Kleinschmidt und Rank 2004). Die konzeptionelle Ebene kann als grundlegendes Regel- und Strukturwerk einer Datenbank verstanden werden (Schubert 2007). Die Ebene beschreibt dabei, die Erfassung der logischen Struktur der Datenbank für mehrere Anwender mit der Hilfe eines vom Datenmanagementsystem bereitgestellten Datenmodells. Beispielsweise wird hier der Aufbau der Datenbank mit den einzelnen Vorlagen und dessen Beziehungen festgelegt. Die externe Ebene umfasst die Ebene des individuellen Nutzers. So werden in der externen Ebene, die Benutzeransichten definiert. Hier können zum Beispiel Informationen individuell für den Anwender durch Ein- oder Ausgabemasken zusammengefasst oder ausgeblendet werden (Kleinschmidt und Rank 2004). Das Drei-Ebenen-Modell stellt somit zusammenfassend die vereinfachten Erscheinungsformen einer Datenbank dar (Schubert 2007). Die Betrachtung und das Verständnis des Aufbaus eines Datenbanksystems sind insbesondere für den Entwurfsprozess und für das Design einer Datenbank von hoher Bedeutung. Angesichts dessen ist die Betrachtung und das Verständnis des Aufbaus eines Datenbanksystems ebenfalls ein bedeutungsvoller Kernaspekt für eine erfolgreiche Konzeptionierung und Planung einer Datenbank (Saake u. a. 2018).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2: vereinfachte Veranschaulichung des Drei-Ebenen-Modells
2.2 Die Problematiken eines Datenbankeinsatzes
Trotz der Effizienz, die ein Datenbanksystem mit sich bringt, tauchen oftmals viele Stolperfallen auf, die besonders durch eine mangelhafte Konzeptionierung und Planung einer Datenbank hervorgerufen werden können. Da ein Datenbanksystem oft von mehreren Anwendern in Anspruch genommen wird, werden Daten oftmals unterschiedlich definiert. Dies sorgt unter anderem dafür, dass Redundanzen entstehen. So werden beispielsweise Daten wiederholt in unterschiedlichen Dateien abgespeichert. Dies hat zur Folge, dass ein erhöhter Verwaltungs- und Verarbeitungsaufwand entsteht, da in mehreren unterschiedlichen Dateien dieselben Informationen liegen. Ebenfalls sorgt es dafür, dass die Konsistenz der Daten nicht aufrecht gehalten werden kann und somit eine geringe logische Übereinstimmung der einzelnen Daten vorhanden ist. Infolgedessen ist es aufwendiger die Daten auszuwerten, da sie statt anwendungsneutral als anwendungsspezifisch angesehen werden und dadurch eine geringe Anpassungsfähigkeit aufweisen. Ein weiterer Punkt, der zu einem Problem führen kann, ist die Abhängigkeit der Daten zu den Anwendungsprogrammen. Wenn zum Beispiel der Aufbau einer Datei und dessen Daten verändert werden, so müssen ebenfalls alle Anwendungsprogramme, die darauf basieren, überarbeitet werden. Umgekehrt betrifft es auch die Dateien, wenn die Funktionalitäten der Anwendungsprogramme erweitert werden. Auch hier müssen die Dateien und ihr Aufbau an die Anforderungen der Anwendungsprogramme entsprechend angepasst werden. Die genannten Problematiken, die durch eine mangelhafte Planung und Datenorganisation entstehen, verdeutlichen damit noch einmal, dass die Daten ein wesentlicher Kernaspekt bei der Betrachtung von den späteren Anwendern sein müssen. Dabei müssen die Daten in einer Datenbank klar definiert werden. Ebenfalls müssen sie von allen Anwendern als integriertes Ganzes angesehen und verwaltet werden (Schneider 2004). Um dies zu ermöglichen, können Schulungen eingesetzt werden, die die Anwender mit der Funktionsweise eines Datenbanksystems vertraut machen. Die Schulung kann ebenfalls dabei verhelfen, dass die Akzeptanz des Anwenders im späteren Betrieb gesteigert wird (Nävy 2018). Somit zeigen die Problematiken abschließend, dass viele Herausforderungen im späteren Datenbankeinsatz durch eine mangelhafte Planung und Datenorganisation verursacht werden können. Angesichts dessen ist es besonders bedeutend, diese Herausforderungen schon während der Konzeptionierung und Planung einer Datenbank mitzuberücksichtigen.
2.3 Die Anforderungen und Ziele eines Datenbankeinsatzes
Nachdem der Aufbau und die Problematiken eines Datenbanksystems genauer betrachtet wurden, werden nun die Anforderungen und Ziele eines Datenbankeinsatzes genauer erläutert. Wie schon vor ab erwähnt, ist eine Datenbank eine integrierte und strukturierte Sammlung von Daten, die von verschiedenen Anwendern gemeinsam verwendet werden kann. Dabei gilt besonders in der Planung zu beachten, dass die Datenbank anwendungsneutral in der Gesamtansicht ist und die natürlichen Zusammenhänge der Anwendungswelt widerspiegelt. Insbesondere muss eine Datenbank so gestaltet werden, dass sie keine zufällige Anordnung von Daten darstellt, sondern eine logische Zusammenstellung von betreffenden Daten in einer schnellen Abfrage abbildet. Hierbei ist es besonders bedeutend, dass die Daten in einer Datenbank redundanzfrei abgespeichert werden (Schneider 2004). Somit wird insbesondere von einer Datenbank gefordert, dass sie widerspruchsfrei beziehungsweise konsistent ist (Bühler et al. 2019). Eine weitere Anforderung ist, dass nur wesentliche und wichtige Daten langfristig und sicher in den externen Speichermedien aufbewahrt werden und verfügbar sind. Ebenfalls müssen die Daten so organisiert werden, dass alle Anwendungsprogramme und Anwender sie ohne Einwand zeitgleich nutzen können. Auch ein Systemabsturz oder ein unautorisierter Zugriff darf die Sicherheit einer Datenbank nicht gefährden (Schneider 2004). Zudem muss eine Datenbank einen unabhängigen Zugriff bezüglich der Anwendungsprogramme aufweisen. Dies bedeutet, dass die gespeicherten Daten auch unabhängig von einem spezifischen Programm gelesen werden können. (Kleinschmidt und Rank 2004). Damit ein Datenbankeinsatz letzten Endes den Anforderungen des späteren Anwenders gerecht wird, ist es von hoher Bedeutung, dass die Anwender mit ihren Anforderungen und Wünschen frühzeitig im Austausch mit den Datenbankentwicklern stehen, denn die Anforderungen haben einen erheblichen Einfluss auf die Struktur eines Datenbanksystems. So können die Anforderungen darüber entscheiden, welche Merkmale und Funktionen ein Datenbanksystem später verfügen wird. Angesichts dessen ist es essenziell, eine sorgfältige Erhebung der individuellen Nutzeranforderungen durchzuführen. Die Ergebnisse sollen dann schließlich mit in die Planung und die Entwicklung einer Datenbank einbezogen werden. Somit kann unter anderem die Zufriedenheit der Anwender abschließend durch die Einbeziehung der Anforderungen garantiert werden (Unland und Pernul 2014).
3 Die Konzeptionierung und Planung einer Datenbank
Datenbanksysteme spielen nach wie vor eine wichtige Schlüsselrolle für viele Unternehmen, denn ein Unternehmen kann sich nur dann am Markt behauptet, wenn es eine sehr gute Datenhaltung aufweisen kann. Um dies zu ermöglichen, ist eine gute Konzeptionierung und Planung einer Datenbank notwendig. Eine effiziente Planung und Erstellung einer Datenbank erfolgt in der Regel in mehreren Phasen und muss gemeinsam mit den Kunden und mit dem Datenbankdesigner vorab abgestimmt werden. Dabei muss beachtet werden, dass der Datenbankdesigner ausreichend technische Kompetenz aufweisen kann, denn falsche Entwurfsentscheidungen können erhebliche Auswirkungen auf die Leistung einer Datenbank haben. Diese Auswirkungen können dann später nur noch mit einem erhöhten Aufwand korrigiert werden (Unland und Pernul 2014). Beispielsweise gilt es vorab in der Planung zu klären, welche Informationen überhaupt für die spätere Bearbeitung und Verwaltung gespeichert werden sollen. Angesichts dessen muss ebenfalls der Umfang der gespeicherten Daten bestimmt werden (Herrmann 2018). In der Abbildung 3 wird das Fünf-Phasen-Modell vorgestellt, welches zur Konzeptionierung und Planung einer Datenbank verwendet werden kann. Die Phasen im Modell sind wiederum durch unterschiedliche Teilaktivitäten strukturiert. Dabei werden die einzelnen Phasen durch die Lebenszyklusphasen einer Datenbank identifiziert (Unland und Pernul 2014).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3: Die fünf Phasen zur Konzeptionierung & Planung einer Datenbank
Begleitend zu den Phasen ist es vorteilhaft, wenn permanent Verifikations- und Validationstechniken eingesetzt werden. Darunter versteht man die Prüfung der Ergebnisse der Entwurfsphasen auf die Korrektheit und die Vollständigkeit. Anhand dessen lässt sich erkennen, ob auch alle Anforderungen tatsächlich durch die entwickelte Datenbank wiedergegeben werden können. Um diese Qualitätssicherung gewährleisten zu können, werden häufig bewährte Methoden verwendet. Zum einen wird die formale Verifikation angewendet. Hierbei basiert das Datenbankmodell auf klare mathematische Semantik, die es ermöglicht, sowohl manuelle als auch computerunterstützende Verfahren zur formalen Spezifikation und der nachfolgenden Verifikation einzusetzen. Außerdem werden experimentelle Prototypen vor der endgültigen Implementierung verwendet. Hierbei können die späteren Nutzer die Richtigkeit des Entwurfs ebenfalls evaluieren. Eine weitere Möglichkeit ist, dass man mit der Hilfe eines statistischen Testverfahrens die Richtigkeit des Entwurfs durch künstliche oder reale Testdaten an den Prototypen testet. Ebenfalls ist ein entscheidender Faktor für die Qualitätssicherung, die laufende Dokumentation des Entwurfsprozesses sowie die Erstellung eines Dokuments, welche alle Aktivitäten des gesamten Datenbanksystems beinhaltet, die parallel zu dem Entwicklungsprozess erfolgen. Die detaillierte Dokumentation dient dabei als Stütze für alle wichtigen Entwurfsentscheidungen und für die Modifikation des Datenbanksystems (Unland und Pernul 2014).
3.1 Nutzen- und Anforderungsanalyse
Die erste Phase des Modells zur Konzeptionierung und Planung einer Datenbank, ist die Nutzen- und Anforderungsanalyse. Dabei ist die sorgfältige Erhebung der Nutzeranforderungen und dessen Analyse eine Grundvoraussetzung für den Entwurf einer effizienten Datenbank, denn die Anforderungen bestimmen letztendlich die grundlegenden Basiselemente des zukünftigen Datenbanksystems (Unland und Pernul 2014). Eine sorgfältige Erhebung kann ebenfalls spätere Nachbearbeitungen und enorme Zeit- und Kostenaufwände für den Kunden ersparen. Außerdem kann durch die frühe Einbindung des Anwenders und durch die detaillierte Anforderungsanalyse, dem Kunden eine Übersicht darüber verschafft werden, wie hoch letztendlich der Kosten- und Leistungsumfang durch den Datenbankeinsatz sein wird. Die Anforderungen können beispielsweise durch Befragungen in Form von Interviews oder Fragebogen identifiziert werden. Dabei werden unter anderem auch wichtige Aspekte wie zum Beispiel die Struktur der Datenbank, das Budget des Kunden, die zeitlichen Ziele des Projekts oder die technische Infrastruktur des zukünftigen Anwenders identifiziert (Riedel 2020). Der Einbezug der zukünftigen Anwender in die Anforderungsanalyse kann zudem unmittelbar dafür sorgt, dass die Anwender eine höhere Akzeptanz für den Datenbankeinsatz empfinden, da sie vom Entwurfsprozess an, mit eingebunden sind und Entwurfsentscheidungen mitbestimmen dürfen. Ebenfalls wird dadurch das betriebliche Fachwissen von den zukünftigen Anwendern in die Entwurfsentscheidung mit eingegliedert. Ermöglicht wird dies durch eine einwandfreie Kommunikation zwischen dem Anwender und dem Datenbankdesigner. Wenn die Anforderungen bestimmt sind, werden sie schließlich in einem Anforderungsdokument festgehalten. Das Anforderungsdokument dient dabei zur Konzeptualisierung aller Daten, die in einer Datenbank verwaltet werden sollen. Außerdem wird schließlich durch das Anforderungsdokument überprüft, ob die Planungsprozesse richtig bearbeitet werden und die Qualität für den Kunden garantiert werden kann (Unland und Pernul 2014).
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