Das Entity-Relationship-Modell (ERM)

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 einer Schulbibliothek

Für die Verwaltung einer Schulbibliothek soll eine neue Datenbank konzipiert werden, welche das Ausleihen von Bücher durch Nutzer verwaltet. Es gelten folgende Rahmenbedingungen:

• Von allen Nutzern werden die N_ID, der Nachname, der Vorname sowie der Schülerstatus (ist_Schüler) gespeichert.
• Bücher werden über ihre ISBN, den Titel, den Verlag und das Erscheinungsjahr (Jahr) identifiziert und können von Nutzer ausgeliehen werden.
• Bücher werden von Autoren verfasst, welche durch ihren Namen, Vornamen und ihre Herkunft (Land) definiert sind.

Elemente des ER-Modells

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

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 Verlag, ISBN, Titel und Jahr.
Ein Schlüssel ist eine minimale Menge von Attributen, die jede Entität eines Entitätstyps eindeutig identifizierbar macht. Existieren für einen Entitätstyp mehrere solcher Mengen, wird eine davon vom Datenbankdesigner zum Primärschlüssel bestimmt. 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)

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. Buch — verfasst von — Autor). Diese Typen werden durch Rauten symbolisiert. In der Miniwelt werden Beziehungstypen oft als Verben formuliert.

Ein Beziehungstyp verknüpft zwei Entitätstypen.

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 ergibt sich

Ein Nutzer leiht beliebig viele Bücher aus.

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

Training

1. Zeichne das vollständige ER-Modell für die Miniwelt Schulbibliothek. Das Online-Tool Draw.io eignet sich gut für das Erstellen von ER-Diagrammen.

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

3. Formuliere zu dem gegebenem ER-Modell eine Miniwelt Fiti. Gehe dabei auch auf die Kardinalitäten ein.

   

   ER-Diagramm eines Fitnessstudios.

4. Bestimme die wahrscheinlichsten Kardinalitäten (1:1, 1:n oder m:n) 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

5. Erstelle zu der Miniwelt "Sportverein" ein ER-Diagramm mit Angabe der Kardinalitäten. Markiere die Primärschlüssel.

   Ein Sportverein verwaltet seine Mitglieder, die jeweils durch eine Mitgliedsnummer, einen Vor- und Nachnamen, ein Geburtsdatum sowie ein Eintrittsdatum beschrieben werden. Jedes Mitglied kann in einer oder mehreren Mannschaften mitspielen. Eine Mannschaft besteht aus mehreren Mitgliedern. Eine Mannschaft wird durch einen Namen und die Liga charakterisiert.
   Jede Mannschaft wird von einem oder mehreren Trainern betreut, wobei ein Trainer stets genau einer Mannschaft zugeordnet ist. Ein Trainer besitzt als Attribute einen Vor- und Nachnamen, ein Geburtsdatum sowie eine Trainerlizenz.
   Mannschaften nehmen an Spielen teil. An einem Spiel sind genau zwei Mannschaften beteiligt. Ein Spiel wird durch ein Datum, eine Uhrzeit und ein Endergebnis beschrieben.
   Jedes Spiel findet auf genau einem Sportplatz statt, wobei auf einem Sportplatz im Laufe der Saison viele Spiele ausgetragen werden können. Ein Sportplatz hat einen Namen, eine Adresse, eine Kapazität und einen Belagstyp (z.B. Naturrasen oder Kunstrasen).

6. Erstelle zu der folgenden Miniwelt "Streamify" ein ER-Diagramm mit Angabe der Kardinalitäten. Markiere die Primärschlüssel.

   Die Plattform "Streamify" verwaltet ihre Nutzer, wobei die E-Mail-Adresse, der Name und der aktuelle Abo-Status gespeichert werden. Das Herzstück des Dienstes sind die Filme, zu denen jeweils der Titel, das Erscheinungsjahr und die Spieldauer erfasst werden. Um den Katalog strukturiert zu halten, wird jeder Film einem bestimmten Genre zugeordnet, das durch einen Namen und eine kurze Beschreibung definiert ist. Für ein individuelles Nutzungserlebnis können Nutzer unter einem frei wählbaren Namen eigene Playlists erstellen, um darin verschiedene Filme für später zu speichern.