Das Entity-Relationship-Modell

Bevor ein Datenbankmodell grafisch entworfen wird, muss eine präzise Beschreibung der Realität, die sogenannte Miniwelt, vorliegen. Sie dient als Textgrundlage für den Bauplan der Datenbank. Der Prozess des Datenbankentwurfs wird dabei üblicherweise in vier Phasen unterteilt:

• Anforderungsanalyse: Die Informationsbedarfe der Nutzer werden gesammelt und in der „Miniwelt“ textlich fixiert.
• Konzeptioneller Entwurf: Die Miniwelt wird in ein informelles Beschreibungsmodell (meist das ER-Modell) überführt. Dieser Schritt ist unabhängig von der späteren Software.
• Logischer Entwurf: Das ER-Modell wird in ein konkretes Datenmodell (z. B. das Relationenschema mit Tabellen) transformiert.
• Physischer Entwurf: Die Tabellenstrukturen werden im DBMS implementiert (hier wird erstmals SQL eingesetzt) und für die Hardware optimiert.

Die Miniwelt der Schulbibliothek

Nutzer werden über N_ID, Name, Vorname und Schülerstatus (ist_Schueler) erfasst. Bücher werden durch ISBN, Titel, Verlag und Jahr beschrieben. Autoren sind über Name, Vorname und Land definiert. Ein Nutzer leiht optional beliebig viele Bücher aus. Ein Buch wird dabei von höchstens einem Nutzer geliehen. Zudem wird jedes Buch von mindestens einem und maximal drei Autoren verfasst. Nicht von jedem eingetragener Autor liegt ein Buch vor.

Elemente des ER-Modells

Basierend auf dieser Miniwelt werden die drei Bausteine des ER-Modells Entitätstyp, Attribut und Beziehungstyp erklärt.

Auszug aus dem ER-Modell der Schulbibliothek

Entitätstypen (Entity Types)

Entitätstyp

Ein Entitätstyp fasst gleichartige Objekte der Realität zusammen. Wichtig ist die Unterscheidung zwischen der konkreten Entität als individuellem Einzelobjekt (z. B. "Max Müller") und dem Entitätstyp als abstraktem Bauplan (z. B. Buch oder Autor). In der grafischen Notation werden Entitätstypen als Rechtecke dargestellt.

Attribute

Entitätstyp mit Attributen

Attribute dienen dazu, die Eigenschaften eines Entitätstyps näher zu spezifizieren. Sie legen fest, welche Datenmerkmale für jede Entität des Typs gespeichert werden sollen. Im Diagramm werden Attribute als Ovale dargestellt. Beispielsweise besitzt der Entitätstyp Buch die Attribute Titel, ISBN, Verlag und Jahr.
Ein besonderes Merkmal ist der Primärschlüssel: Dieses Attribut (oder eine Kombination daraus) muss für jede Entität innerhalb eines Typs eindeutig sein, um Verwechslungen auszuschließen. Im Diagramm wird der Primärschlüssel durch eine Unterstreichung gekennzeichnet (z. B. ISBN).

Beziehungstypen (Relationship Types)

Beziehungstyp

Beziehungstypen beschreiben logische Verknüpfungen zwischen Entitätstypen. Während eine Beziehung die konkrete Verbindung zwischen zwei Entitäten darstellt (z. B. "Max Müller leiht Buch X"), definiert der Beziehungstyp die allgemeine Struktur dieser Verknüpfung (z. B. NUTZER — leiht aus — BUCH). Diese Typen werden durch Rauten symbolisiert. In der Miniwelt werden Beziehungstypen oft als Verben formuliert.

Training

1. Zeichne das vollständige ER-Modell für die Miniwelt Schulbibliothek.
2. Die Datenbank soll geändert werden, um Verlage als eigene Entitäten zu führen. Ein Verlag ist an einem Ort in einem Land ansässig, hat einen Namen und eine ID. Zeichne das neue ER-Modell.

---

3. Zeichne für die Miniwelt "Fiti" ein ER-Modell
   Das lokale Fitnessstudio "FitBot" möchte seine veraltete Papierverwaltung endlich digitalisieren und benötigt dafür ein robustes Datenbankmodell. Jedes Mitglied wird dabei eindeutig über eine Mitgliedsnummer identifiziert, wobei zusätzlich der vollständige Name und das Eintrittsdatum gespeichert werden sollen. Um das Training optimal zu organisieren, müssen alle vorhandenen Fitnessgeräte in der Datenbank erfasst werden. Jedes Gerät besitzt eine Gerätenummer, eine Typbezeichnung und wird einer bestimmten Muskulatur-Gruppe zugeordnet. Ein besonderes Highlight von "FitBot" sind die Gruppenkurse. Jedes Mitglied hat die Möglichkeit, an verschiedenen Kursen teilzunehmen. Ein Kurs wird durch seinen Namen, die Uhrzeit und den Namen des leitenden Trainers beschrieben.
4. Analyse und Weiterentwicklung
   • Im Text wird nur der "Name des Trainers" als Teil des Kurses genannt. Diskutiere, warum es für eine echte Datenbank besser ist, Trainer als eigenen Entitätstyp anzulegen.
   • Der Text erwähnt keine Räume. Ergänze dein Modell sinnvoll um einen Entitätstyp Raum. Was wären sinnvolle Attribute.
   • Warum wurde für Mitglieder eine Mitgliedsnummer eingeführt, obwohl jeder Mensch bereits einen Namen hat? Begründe die Notwendigkeit technischer Primärschlüssel.
   • Die Fitnessgeräte stehen zu den andere Entitätstypen nicht in Beziehung. Überlege dir eine sinnvoll Beziehung und trage sie in dein ER-Modell mit ein.

Kardinalitäten

In der klassischen Chen-Notation werden Beziehungen über grobe Kardinalitäten (Komplexitätsgrade) beschrieben. Eine 1:1-Beziehung ordnet jedem Objekt genau einen Partner zu. Ein Beispiel ist die Zuordnung zwischen einem Schüler und seinem persönlichen Schließfach (Schüler — 1:1 — Schließfach).

Bei einer 1:n-Beziehung kann ein Element mit vielen anderen verknüpft sein, während die Gegenrichtung eindeutig bleibt. Dies zeigt sich bei einem Verlag, der viele Bücher veröffentlicht, wobei jedes Buch jedoch nur von einem Verlag stammt (Verlag — 1:n — Buch).

Die m:n-Beziehung erlaubt beidseitig beliebig viele Verknüpfungen. Ein typischer Fall ist das Verhältnis zwischen Lehrer und unterrichteten Schülern (Lehrer — m:n — Schueler).

Im ER-Modell werden die Kardinalitäten neben die Entitäten geschrieben. Für unsere Miniwelt ergeben sich folgende Beziehungen:

Ein Nutzer leiht beliebig viele Bücher aus.

Ein Buch kann mehrere Autoren haben. Ein Autor kann mehrere Bücher verfassen.

Min-Max-Notation

Da die Chen-Notation für die technische Umsetzung oft zu ungenau sind, nutzt man die Min-Max-Notation im Format (min, max). Sie wird direkt an die Linien der jeweiligen Entität geschrieben und definiert sowohl die Unter- als auch die Obergrenze der Beteiligung. Der Wert min legt fest, ob eine Teilnahme optional (0) oder obligatorisch (1) ist. Der Wert max bestimmt die Obergrenze, wobei 1 für höchstens eine und N (oder *) für beliebig viele Verknüpfungen steht. Werte dazwischen sind auch erlaubt.

Beispielsweise besitzt ein Schüler in einer Schule kein oder höchstens ein Schließfach (0,1). Ein Schließfach ist entweder leer oder wird von genau einem Schüler belegt (0,1). Ebenso veröffentlicht ein Verlag in der Datenbank mindestens ein Buch (1,N). Im Gegenzug wird jedes Buch von genau einem Verlag herausgegeben (1,1).

Miniwelt Schulbibliothek

Beziehung „leiht aus“: Ein Nutzer (0, N) leiht beliebig viele oder keine Bücher aus. Das Buch (0, 1) ist entweder verfügbar oder an genau eine Person verliehen.

Beziehung „verfasst von“: Jedes Buch (1, 3) besitzt zwingend einen bis maximal drei Autoren. Ein Autor (0, N) ist für beliebig viele oder noch kein Werk im Bestand verantwortlich.

Das vollständige ER-Modell der Miniwelt mit (min,max)-Notation:

Training

Bestimme die wahrscheinlichsten Kardinalitäten (1:1, 1:n oder m:n) als auch die präzisere (min, max)-Notation für folgende Beziehungen. Begründe kurz, warum du dich so entschieden hast:

• Kurs —— findet statt in —— Raum (zu einem festen Zeitpunkt)
• Schüler —— nimmt teil an —— AG
• Land —— hat als Hauptstadt —— Stadt
• Kunde —— bestellt —— Produkt (in einem Onlineshop)
• Bürger —— besitzt —— Reisepass
• Rezept —— enthält —— Zutat
• Mutter —— hat —— Kind
• Musiker —— spielt in —— Band