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Data Vault 2.0 – Flexible Datenmodellierung

Was ist Data Vault 2.0?

Data Vault 2.0 ist ein im Jahr 2000 von Dan Linstedt veröffentlichtes und seitdem immer weiter entwickeltes Modellierungssystem für Enterprise Data Warehouses.

Im Unterschied zum normalisierten Data Warehouse – Definition von Inmon [1] ist ein Data Vault Modell funktionsorientiert über alle Geschäftsbereiche hinweg und nicht themenorientiert (subject-oriented)[2]. Ein und dasselbe Produkt beispielsweise ist mit demselben Business Key sichtbar für Vertrieb, Marketing, Buchhaltung und Produktion.

Data Vault ist eine Kombination aus Sternschema und dritter Normalform[3] mit dem Ziel, Geschäftsprozesse als Datenmodell abzubilden. Dies erfordert eine enge Zusammenarbeit mit den jeweiligen Fachbereichen und ein gutes Verständnis für die Geschäftsvorgänge.

Die Schichten des Data Warehouses:

Data Warehouse mit Data Vault und Data Marts

Data Warehouse mit Data Vault und Data Marts

Die Daten werden zunächst über eine Staging – Area in den Raw Vault geladen.

Bis hierher werden sie nur strukturell verändert, das heißt, von ihrer ursprünglichen Form in die Data Vault Struktur gebracht. Inhaltliche Veränderungen finden erst im Business Vault statt; wo die Geschäftslogiken auf den Daten angewandt werden.

Die Information Marts bilden die Basis für die Reporting-Schicht. Hier müssen nicht unbedingt Tabellen erstellt werden, Views können hier auch ausreichend sein. Hier werden Hubs zu Dimensionen und Links zu Faktentabellen, jeweils angereichert mit Informationen aus den zugehörigen Satelliten.

Die Grundelemente des Data Vault Modells:

Daten werden aus den Quellsystemen in sogenannte Hubs, Links und Satelliten im Raw Vault geladen:

Data Vault 2.0 Schema

Data Vault 2.0 Schema

Hub:

Hub-Tabellen beschreiben ein Geschäftsobjekt, beispielsweise einen Kunden, ein Produkt oder eine Rechnung. Sie enthalten einen Business Key (eine oder mehrere Spalten, die einen Eintrag eindeutig identifizieren), einen Hashkey – eine Verschlüsselung der Business Keys – sowie Datenquelle und Ladezeitstempel.

Link:

Ein Link beschreibt eine Interaktion oder Transaktion zwischen zwei Hubs. Beispielsweise eine Rechnungszeile als Kombination aus Rechnung, Kunde und Produkt. Auch ein Eintrag einer Linktabelle ist über einen Hashkey eindeutig identifizierbar.

Satellit:

Ein Satellit enthält zusätzliche Informationen über einen Hub oder einen Link. Ein Kundensatellit enthält beispielsweise Name und Anschrift des Kunden sowie Hashdiff (Verschlüsselung der Attribute zur eindeutigen Identifikation eines Eintrags) und Ladezeitstempel.

Herausforderungen bei der Modellierung

Die Erstellung des vollständigen Data Vault Modells erfordert nicht nur eine enge Zusammenarbeit mit den Fachbereichen, sondern auch eine gute Planung im Vorfeld. Es stehen oftmals mehrere zulässige Modellierungsoptionen zur Auswahl, aus denen die für das jeweilige Unternehmen am besten passende Option gewählt werden muss.

Es ist zudem wichtig, sich im Vorfeld Gedanken um die Handhabbarkeit des Modells zu machen, da die Zahl der Tabellen leicht explodieren kann und viele eventuell vermeidbare Joins notwendig werden.

Obwohl Data Vault als Konzept schon viele Jahre besteht, sind online nicht viele Informationen frei verfügbar – gerade für komplexere Modellierungs- und Performanceprobleme.

Zusätzliche Elemente:

Über die Kernelemente hinaus sind weitere Tabellen notwendig, um die volle Funktionalität des Data Vault Konzeptes auszuschöpfen:

PIT Tabelle

Point-in-Time Tabellen zeigen einen Snapshot der Daten zu einem bestimmten Zeitpunkt. Sie enthalten die Hashkeys und Hashdiffs der Hubs bzw. Links und deren zugehörigen Satelliten. So kann man schnell den jeweils aktuellsten Satelliteneintrag zu einem Hashkey herausfinden.

Referenztabellen

Zusätzliche, weitgehend feststehende Tabellen, beispielsweise Kalendertabellen.

Effektivitätssatellit

Diese Satelliten verfolgen die Gültigkeit von Satelliteneinträgen und markieren gelöschte Datensätze mit einem Zeitstempel. Sie können in den PIT Tabellen verarbeitet werden, um ungültige Datensätze herauszufiltern.

Bridge Tabelle

Bridge Tabellen sind Teil des Business Vaults und enthalten nur Hub- und Linkhashkeys. Sie ähneln Faktentabellen und dienen dazu, von Endanwender*innen benötigte Schlüsselkombinationen vorzubereiten.

Vorteile und Nachteile von Data Vault 2.0

Vorteile:

  • Da Hubs, Links und Satelliten jeweils unabhängig voneinander sind, können sie schnell parallel geladen werden.
  • Durch die Modularität des Systems können erste Projekte schnell umgesetzt werden.
  • Vollständige Historisierung aller Daten, denn es werden niemals Daten gelöscht.
  • Nachverfolgbarkeit der Daten
  • Handling personenbezogener Daten in speziellen Satelliten
  • Einfache Erweiterung des Datenmodells möglich
  • Zusammenführung von Daten aus unterschiedlichen Quellen grundsätzlich möglich
  • Eine fast vollständige Automatisierung der Raw Vault Ladeprozesse ist möglich, da das Grundkonzept immer gleich ist.

Nachteile:

  • Es sind verhältnismäßig wenige Informationen, Hilfestellungen und Praxisbeispiele online zu finden und das Handbuch von Dan Linstedt ist unübersichtlich gestaltet.
    • Zusammenführung unterschiedlicher Quellsysteme kaum in der verfügbaren Literatur dokumentiert und in der Praxis aufwendig.
  • Hoher Rechercheaufwand im Vorfeld und eine gewisse Anlauf- und Experimentierphase auch was die Toolauswahl angeht sind empfehlenswert.
  • Es wird mit PIT- und Bridge Tabellen und Effektivitätssatelliten noch viel zusätzlicher Overhead geschaffen, der verwaltet werden muss.
  • Business Logiken können die Komplexität des Datemodells stark erhöhen.
  • Eine Automatisierung des Business Vaults ist nur begrenzt möglich.

Praxisbeispiel Raw Vault Bestellung:

Das Design eines Raw Vault Modells funktioniert in mehreren Schritten:

  1. Business Keys identifizieren und Hubs definieren
  2. Verbindungen (Links) zwischen den Hubs identifizieren
  3. Zusätzliche Informationen zu den Hubs in Satelliten hinzufügen

Angenommen, man möchte eine Bestellung inklusive Rechnung und Versand als Data Vault modellieren.

Hubs sind alle Entitäten, die sich mit einer eindeutigen ID – einem Business Key – identifizieren lassen. So erstellt man beispielsweise einen Hub für den Kunden, das Produkt, den Kanal, über den die Bestellung hereinkommt (online / telefonisch), die Bestellung an sich, die dazugehörige Rechnung, eine zu bebuchende Kostenstelle, Zahlungen und Lieferung. Diese Liste ließe sich beliebig ergänzen.

Jeder Eintrag in einem dieser Hubs ist durch einen Schlüssel eindeutig identifizierbar. Die Rechnung durch die Rechnungsnummer, das Produkt durch eine SKU, der Kunde durch die Kundennummer etc.

Eine Zeile einer Bestellung kann nun modelliert werden als ein Link aus Bestellung (im Sinne von Bestellkopf), Kunde, Rechnung, Kanal, Produkt, Lieferung, Kostenstelle und Bestellzeilennummer.

Analog dazu können Rechnung und Lieferung ebenso als Kombination aus mehreren Hubs modelliert werden.

Allen Hubs werden anschließend ein oder mehrere Satelliten zugeordnet, die zusätzliche Informationen zu ihrem jeweiligen Hub enthalten.

Personenbezogene Daten, beispielsweise Namen und Adressen von Kunden, werden in separaten Satelliten gespeichert. Dies ermöglicht einen einfachen Umgang mit der DSGVO.

Data Vault 2.0 Beispiel Bestelldatenmodell

Data Vault 2.0 Beispiel Bestelldatenmodell

Fazit

Data Vault ist ein Modellierungsansatz, der vor allem für Organisationen mit vielen Quellsystemen und sich häufig ändernden Daten sinnvoll ist. Hier lohnt sich der nötige Aufwand für Design und Einrichtung eines Data Vaults und die Benefits in Form von Flexibilität, Historisierung und Nachverfolgbarkeit der Daten kommen wirklich zum Tragen.

Quellen

[1] W. H. Inmon, What is a Data Warehouse?. Volume 1, Number 1, 1995

[2] Dan Linstedt, Super Charge Your Data Warehouse: Invaluable Data Modeling Rules to Implement Your Data Vault. CreateSpace Independent Publishing Platform 2011

[3] Vgl. Linstedt 2011

Weiterführende Links und

Blogartikel von Analytics Today

Häufig gestellte Fragen

Einführung in Data Vault von Kent Graziano: pdf

Website von Dan Linstedt mit vielen Informationen und Artikeln

„Building a Scalable Data Warehouse with Data Vault 2.0“ von Dan Linstedt (Amazon Link)

Datenmodell: Sternschema

Ob es unsere Schritte während des Sports sind, Klicks auf Websiten oder auch Geschäftszahlen eines Unternehmens – all diese Informationen werden in Form von Daten gespeichert. Dabei fallen große Mengen an Daten an, die in der Regel in einer relationalen Datenbank gespeichert werden, um sie besonders gut administrieren zu können.
Gerade in einem Unternehmen ist es wichtig, dass mehrere Benutzer parallel und mit wenig Verzögerung Anfragen und Änderungen in den Daten durchführen können. Daher werden viele Datenbanken in Unternehmen als OLTP-Datenbank-Systeme ausgelegt. OLTP steht für Online Transaction Processing, auch Echtzeit-Transaktionsverarbeitung ist dafür optimiert, schnelle und parallele Zugriffe auf Daten in der Datenbank zu gewährleisten.
Möchte man hingegen Daten auswerten und analysieren, sind OLTP-Datenbanken-Systeme weniger geeignet, da sie nicht für diese Art von Anfragen konzipiert worden sind. Um effektiv analytische Befehle an eine Datenbank stellen zu können, werden daher Datenbanken genutzt, die mit einer OLAP-Verarbeitung arbeiten. OLAP ist die Abkürzung für Online Analytical Processing. Im Gegensatz zu OLTP, in welchen die Daten in einem zweidimensionalen Modell gespeichert werden, sind Daten in einem OLAP-System in einer multidimensionalen Struktur untergebracht, welche für die Durchführung komplexer Analysebefehle optimiert ist.
Für Analysen werden oft Daten aus mehreren Datenbanken benötigt, weswegen sie in einem Datenlager – oder auch Data Warehouse genannt – zusammengefasst und gespeichert werden. Ein Data Warehouse, welche auf der OLAP-Verarbeitung basiert, ist somit eine für Analysezwecke optimierte Datenbank.
Es gibt verschiedene Datenmodelle um die Daten in einem Data Warehouse anzulegen. Das verbreiteste Datenmodell für diese Zwecke ist das sogenannte Sternen-Schema (Star Schema). Neben dem Sternen-Schema gibt es auch die sogenannten Galaxy- und Snowflake-Schemen, die wiederum eine Erweiterung des zuerst genannten Datenmodells sind. In diesem Artikel werden wir das Sternschema näher beleuchten.

Aufbau und Funktionsweise

Bei einem Sternschema werden die Daten grundlegend in zwei Gruppen unterteilt:

  • Fakten, manchmal auch Metriken, Messwerte oder Kennzahlen genannt, sind die zu verwaltenden bzw. die zu analysierenden Daten und werden fortlaufend in der Faktentabelle gespeichert. Beispielhaft für Fakten sind Umsätze sowie Verkaufszahlen eines Unternehmens. Sie haben stets eine numerische Form.
  • Dimensionen sind die Attribute bzw. Eigenschaften der Fakten und beschreiben sozusagen die Fakten im Detail. Diese werden in Dimensionstabellen gelistet. Jeder Dimensionsdatensatz bzw. jede Zeile einer Dimensionstabelle wird durch Primärschlüssel eindeutig identifiziert. Diese Schlüssel werden in der Faktentabelle als Fremdschlüssel gespeichert und somit sind Dimensions- und Faktentabelle miteinander verknüpft.

Beispiel: Max Mustermann, 25 Jahre alt, wohnhaft in Musterstadt hat eine Kaffeemaschine mit dem Namen ‘Musterpresso’ am 01.01.2018 um 15:00:00 gekauft.

Wie in der Abbildung dargestellt, werden die Details, als Attribute dargestellt, vom Kunden wie Namen, Alter oder Wohnort in der Dimensionstabelle “Kunde” gespeichert und mit dem Primärschlüssel (in diesem Beispiel “1111”) gekennzeichnet. Dieser wird in der Faktentabelle als Fremdschlüssel gespeichert. Analog zu den Daten vom Kunden werden auch Dimensionstabellen für die Größen

  • Bestellung,
  • Produkt,
  • Produktkategorie und
  • Zeit gebildet.

Die Fakten, welche in diesem Beispiel der Umsatz von Max Mustermann ein Fakt wäre, können nun mithilfe der Fremdschlüssel

  • Kunden ID,
  • Bestellung ID,
  • Produkt ID,
  • Produktkategorie ID und
  • Zeit

aus der Faktentabelle aufgerufen werden.

Bei der Bildung von Tabellen ist es möglich, dass identische Werte mehrfach gespeichert werden. Dabei können Redundanzen und Anomalien in der Datenbank enstehen, welche zusätzlich einen erhöhten Speicherbedarf erfordern. Um dies zu verhindern werden Tabellen normalisiert. Bei einer Normalisierung einer Tabelle bzw. einer Tabellenstruktur wird es angestrebt, Redundanzen bis auf ein Maximum zu reduzieren. Je nach Grad der Normalisierung können diese in verschiedene Normalformen (1NF -2NF-3NF-BCNF-4NF-5NF) unterteilt werden.

Die Normalisierung in eine höhere Normalform hat jedoch zur Folge, dass die Abfrage-Performance abnimmt. Da das Sternschema-Modell darauf ausgelegt ist Leseoperationen effizient durchzuführen, sind Faktentabellen in der dritten Normalform (3NF) abgespeichert, da alle Redundanzen in dieser Form beseitigt worden sind und dennoch eine hohe Performance gewährleistet. Dimensionstabellen sind hingegen nur bis zur zweiten Normalform (2NF) optimiert. Es werden also bewusst Redundanzen und ein erhöhter Speicherbedarf in den Dimensionstabellen für eine schnelle Abfrage der Daten in Kauf genommen.

Vor- und Nachteile

Wie bereits erwähnt, sind Dimensionstabellen im Sternschema nicht vollständig normalisiert. Damit nimmt man zugunsten höherer Performance mögliche Anomalien und auch einen erhöhten Speicherbedarf in Kauf. Durch das einfache Modell ist dafür jedoch eine intuitive Bedienung möglich und auch Veränderungen sowie Erweiterungen des Modell sind leicht realisierbar.

Vorteile Nachteile
Einfaches Modell ermöglicht eine intuitive Bedienung. Durch mehrfaches Speichern identischer Werte steigt die Redundanz in den Dimenionstabellen
Veränderungen und Erweiterungen können leicht umgesetzt werden. Bei häufigen Abfragen sehr großer Dimensionstabellen verschlechtern sich die Antwortzeiten
Durch Verzicht der Normalisierung in den Dimensionstabellen ist die hierarchische Beziehung innerhalb einer Dimension leicht darstellbar Erhöhter Speicherbedarf durch Nicht-Normalisierung der Dimensionstabellen

Zusammenfassung

Das Sternschema ist ein Datenmodell, welches für analytische Zwecke im Data Warehouse und bei OLAP-Anwendungen zum Einsatz kommt. Es ist darauf optimiert, effiziente Leseoperationen zu gewährleisten.
Der Name des Modells beruht auf der sternförmigen Anordnung von Dimensionstabellen um die Faktentabelle, wobei die Dimensionstabellen die Attribute der Fakten beinhalten und in den Faktentabellen die zu analysierenden Größen gespeichert sind. Charakteristisch ist dabei, dass die Dimensionstabellen nicht bis zur dritten Normalform normalisiert sind. Der sich daraus ergebende Vorteil ist die schnelle Verarbeitung von Abfragen. Auch ist die intuitive Bedienung ein positiver Aspekt des einfachen Datenmodells. Jedoch können durch den Verzicht der Normalisierung Redundanzen innerhalb der Dimensionstabellen durch mehrfache Speicherung von identischen Werten entstehen. Ebenfalls ist bei häufigen Anfragen von großen Dimensionstabellen ein verschlechtertes Antwortverhalten feststellbar.
Daher sind sie vor allem dann effektiv, wenn

  • schnelle Anfrageverarbeitungen notwendig sind,
  • sich schnell ändernde Datenstrukturen (der Original-Daten) vorliegen,
  • Dimensionstabellen in ihrer Größe überschaubar bleiben,
  • und ein breites Spektrum an Benutzern Zugriff auf die Daten benötigt.

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