GRAPHdatenbanken
Definition, Überblick & Kontext

Im Rahmen unserer Blogserie über Datenbanktechnologien beschäftigen wir uns in diesem Beitrag mit Graphdatenbanken.

Graphdatenbanken stellen eine spezielle Kategorie von NoSQL-Datenbanken dar, die auf den Grundprinzipien der mathematischen Graphentheorie beruhen. Im Gegensatz zu relationalen Datenbanken nutzen sie ein Netzwerkmodell zur Darstellung von Daten, was eine intuitive Erfassung komplexer Beziehungen ermöglicht. In diesem Zusammenhang bieten sie spezielle Abfragesprachen wie SPARQL oder GraphQL, um komplexe Muster zu durchsuchen und den kürzesten Pfad zwischen Knoten zu bestimmen.

Diese Eigenschaften machen sie besonders geeignet für Anwendungen, die stark vernetzte Datenstrukturen erfordern, wie beispielsweise soziale Netzwerke.

Daniel Huber

ENTSTEHUNG UND HINTERGRUND VON GRAPHDATENBANKEN

Graphdatenbanken haben ihren Ursprung in den 1960er Jahren, als erste theoretische Modelle der Graphentheorie entwickelt wurden. Erst in den letzten Jahrzehnten, mit dem Aufkommen großer Datenmengen und der Notwendigkeit komplexer Datenanalysen, fanden sie jedoch breite Anwendung und wurden zu einem wichtigen Werkzeug in der Datenbanktechnologie [1][2][4].

Graphdatenbanken sind eine spezielle Form von NoSQL-Datenbanken, die auf den Prinzipien der mathematischen Graphentheorie basieren. Im Gegensatz zu relationalen Datenbanken repräsentieren sie Daten als ein Netzwerk von Entitäten und Beziehungen, was eine intuitive Modellierung komplexer Zusammenhänge ermöglicht. Diese Struktur erlaubt nicht nur eine effiziente Modellierung realer Szenarien, sondern führt auch zu verbesserter Leistung und Flexibilität [1].

Zusätzlich bieten Graphdatenbanken spezielle Abfragesprachen wie SPARQL oder GraphQL. Diese ermöglichen es, komplexe Muster abzufragen, Graphen zu traversieren und den kürzesten Pfad zwischen zwei Knoten zu ermitteln [2]. Typische Anwendungen für Graphdatenbanken umfassen die Speicherung und Analyse von Verbindungen und Beziehungen, beispielsweise in sozialen Netzwerken [3]. Graphdatenbanken zeichnen sich durch eine bessere Leistung und Flexibilität aus, da sie Beziehungen effizient speichern und komplexe Datenbankabfragen in hoher Geschwindigkeit ausführen können [1][3]. Sie eignen sich besonders für die Verwaltung stark vernetzter Daten und bieten Vorteile wie verbesserte Skalierbarkeit und erleichterte Entwicklungsarbeit [4][5].

STRUKTUR VON GRAPHDATENBANKEN 

In der zugrunde liegenden Architektur einer Graphdatenbank werden Datenobjekte als Knoten und die zwischen ihnen bestehenden Beziehungen als Kanten repräsentiert. Jeder Knoten kann individuelle Eigenschaften aufweisen, während Kanten optional Attribute tragen können. Diese Struktur ermöglicht eine anpassungsfähige und leistungsstarke Abbildung komplexer Beziehungen in Form eines Netzwerks [1].

Graphdatenbanken nutzen die Speicherung von Informationen in Form von Graphen, die aus Knoten und Kanten bestehen, um komplexe Beziehungen zu visualisieren. Im Gegensatz zu relationalen Datenbanken, die auf starren Tabellenstrukturen basieren, bieten Graphdatenbanken eine verbesserte Leistung und Flexibilität durch die Speicherung von Daten als Netzwerk von Entitäten und Beziehungen. Besonders effektiv sind sie bei stark vernetzten Datensätzen und Anwendungen, in denen die Erfassung und Analyse von Verbindungen im Mittelpunkt stehen, wie etwa in sozialen Netzwerken, Empfehlungssystemen, Wissensgraphen und beim Stammdatenmanagement [1][6]. Die Fähigkeit, dynamische und vielschichtige Beziehungen effizient zu modellieren und abzubilden, macht sie zu einem wertvollen Werkzeug in der modernen Datenanalyse und -verarbeitung [6].

ANWENDUNGSFÄLLE VON GRAPHDATENBANKEN

Die Anwendungsfälle von Graphdatenbanken sind vielfältig und erstrecken sich über verschiedene Bereiche wie Betrugserkennung, Routenoptimierung, Mustererkennung und Wissensmanagement. Insbesondere in der Echtzeitverarbeitung von Finanztransaktionen ermöglichen Graphdatenbanken schnelle Abfragen von Beziehungen zwischen Daten. Im Bereich der Routenoptimierung tragen sie dazu bei, effizientere Analysen potenzieller Zielrouten durchzuführen, um optimale Lösungen für Szenarien wie die Auswahl der kürzesten Strecke oder des besten Mitarbeiters zu finden. Graphdatenbanken spielen auch eine entscheidende Rolle bei der Unterscheidung und Abgrenzung von Bot-Konten in sozialen Medien und Netzwerken. Darüber hinaus unterstützen sie aktiv das Wissensmanagement, indem sie optimierte Datenintegration, die Verknüpfung von Informationen und die Erstellung von Wissensgraphen ermöglichen [1].

Ein weiterer bedeutender Anwendungsfall ist das Stammdatenmanagement, bei dem Graphdatenbanken dabei helfen, komplexe Hierarchien und Abhängigkeiten zwischen Datenobjekten zu verwalten und zu visualisieren. Dies führt zu einer verbesserten Datenqualität und konsistenten Informationsbereitstellung [6]. Zudem werden Graphdatenbanken in Empfehlungssystemen genutzt, um personalisierte Vorschläge zu generieren, indem sie Benutzerpräferenzen und Verhaltensmuster analysieren und entsprechende Verbindungen herstellen [6].

VORTEILE

Graphdatenbanken bieten verschiedene Vorteile, insbesondere im Hinblick auf die Speicherung und Abfrage von stark vernetzten Daten. Ein zentraler Vorteil liegt in der effizienten Darstellung und Verarbeitung komplexer Beziehungen. Soziale Netzwerke, Empfehlungssysteme und Wissensgraphen können beispielsweise effektiv modelliert werden. Ein weiterer Vorteil besteht in der Flexibilität bei der Hinzufügung neuer Beziehungstypen, ohne die bestehende Struktur ändern zu müssen. Dies ermöglicht eine agile Datenmodellierung. Zudem eignen sich Graphdatenbanken besonders gut für die Analyse von Netzwerktopologien, wie die Suche nach kürzesten Pfaden oder einflussreichen Knoten in einem Netzwerk [7][8][9][10][11].

Als weitere Anwendungen können der Tourismussektor und die digitalen Geisteswissenschaften genannt werden. Die Thüringer Tourismus GmbH hat beispielsweise die erste graphbasierte Datenbank im Deutschland-Tourismus eingeführt, um touristische Informationen zu verwalten und zu nutzen [10]. In den Digitalen Geisteswissenschaften werden Graphentechnologien verwendet, um Texte zu tokenisieren, zu lemmatisieren und zu normalisieren, bevor sie in eine Graphdatenbank importiert werden [8].

NACHTEILE

Bei Graphdatenbanken gibt es jedoch auch einige Nachteile zu berücksichtigen. Ein zentraler Punkt ist ihre Komplexität im Vergleich zu anderen Datenbanktypen, da sie spezielle Abfragesprachen und Modellierungsansätze erfordern [13]. Ein weiterer Aspekt betrifft die Leistung bei bestimmten Abfragen, insbesondere wenn keine entsprechenden Indizes vorhanden sind. Moderne Datenbanken unterstützen Administratoren gut, jedoch können schnell wachsende Indizes die Abfragen unübersichtlich machen [12]. Ein zusätzlicher Nachteil besteht in der Notwendigkeit einer spezialisierten Hardware- und Softwareumgebung, was zu höheren Betriebskosten führen kann [14].

Trotz ihrer zahlreichen Vorteile sind Graphdatenbanken nicht für alle Anwendungsfälle die beste Wahl, da in einigen Szenarien andere NoSQL-Datenbanktypen oder relationale Datenbanken möglicherweise besser geeignet sind [14]. Dennoch werden Graphdatenbanken aufgrund ihrer Fähigkeit, komplexe Beziehungen effizient zu modellieren und abzufragen, in verschiedenen Anwendungsgebieten eingesetzt.

TRENDS, CHANCEN UND HERAUSFORDERUNGEN

Graphdatenbanken gewinnen in der modernen Technologielandschaft zunehmend an Bedeutung und bieten vielversprechende Möglichkeiten für Unternehmen. Zu den wichtigsten Trends gehört die Etablierung des Property-Graph-Modells, das sich als Standard für Graphdatenbanken durchsetzt, da es Daten als Knoten und Beziehungen darstellt [16]. Ein weiterer bedeutender Trend ist die Cloud-Migration, bei der Graphdatenbanken vermehrt in die Cloud wandern, um Entwicklern und IT-Teams eine einfachere Bereitstellung und Skalierung zu ermöglichen [16]. Zudem wird Graph Data Science für KI und ML immer wichtiger, da Graphdatenbanken als Wissensspeicher für generative KI-Modelle wie RAG (Retrieval-Augmented Generation) genutzt werden, um Halluzinationen zu vermeiden und unternehmensspezifische Daten einzubinden [15].

Die Chancen, die Graphdatenbanken bieten, umfassen eine effizientere Verwaltung und Analyse von stark vernetzten Daten im Vergleich zu relationalen Datenbanken [15][18]. Diese Effizienz führt zu einer schnelleren Entscheidungsfindung im gesamten Unternehmen durch die Visualisierung von Datenbeziehungen [15]. Außerdem ermöglichen Graphdatenbanken einzigartige Einblicke, da sie komplexe Beziehungen zwischen Konzepten, Personen und Ereignissen abbilden und so ein verbessertes Verständnis und eine effizientere Informationssuche ermöglichen [17]. Ein zusätzlicher Vorteil liegt in der Unterstützung von Innovationsprozessen, indem sie es Unternehmen ermöglichen, schneller auf Veränderungen und neue Anforderungen zu reagieren [18].

Jedoch gibt es auch einige Herausforderungen zu berücksichtigen. Graphdatenbanken erfordern oft die Verwendung komplexer Anfragesprachen, was eine Herausforderung für Entwickler darstellen kann [17]. Ein weiteres Hindernis ist der höhere Speicherbedarf, der durch die Speicherung von Beziehungen zwischen Daten entsteht [17]. Zudem können bei großen Datenmengen Leistungseinbußen auftreten, da Graphdatenbanken oft für eine Ein-Server-Architektur ausgelegt sind [4]. Ein weiterer Punkt ist die notwendige Expertise, die für die effektive Implementierung und Wartung von Graphdatenbanken erforderlich ist, was zu höheren Schulungskosten führen kann [17].

Insgesamt bieten Graphdatenbanken zahlreiche Möglichkeiten, um die Herausforderungen der Datenanalyse in der heutigen vernetzten Welt zu meistern. Unternehmen, die diese Technologie effektiv nutzen, können von einer effizienteren Datenverwaltung, schnelleren Entscheidungsfindung und einzigartigen Einblicken profitieren [15][18][4].

QUELLEN

[1] Was ist eine Graphdatenbank?. (2023). Amazon Web Services, Inc.. https://aws.amazon.com/de/nosql/graph/
[2] Graphdatenbank. (2023). Wikimedia Foundation Inc.. https://de.wikipedia.org/wiki/Graphdatenbank
[3] Luber, Stefan & Litzel, Nico. Was ist eine Graphdatenbank?. (2019). Vogel IT-Medien GmbH. https://www.bigdata-insider.de/was-ist-eine-graphdatenbank-a-788834/
[4] Graph Database (Graphdatenbank) erklärt. (2019). IONOS SE. https://www.ionos.de/digitalguide/hosting/hosting-technik/graphdatenbank/
[5] chrissikraus. Verständnis von NoSQL-Datenbanken und ihre Typen. (2023). Vogel Communications Group. https://www.dev-insider.de/verstaendnis-von-nosql-datenbanken-und-ihre-typen-a-829d8929dd8e42fafa2ad8eb2cfde5f4/
[6] Korolov, Maria. Drei Anwendungsfälle für Graphdatenbanken. (2020). Computer Weekly. https://www.computerweekly.com/de/feature/Drei-Anwendungsfaelle-fuer-Graphdatenbanken
[7] Efer, Thomas. Graphdatenbanken für die für die textorientierten e-Humanities: Alternative Textrepräsentation für neuartige Recherchesysteme und Text-Mining-Verfahren. (2017). Eigenverlag. https://e-humanities.textgraph.science/book.pdf
[8] Kuczera, Andreas. Graphentechnologien in den Digitalen Geisteswissenschaften: Modellierung – Import – Analyse. (n.d.).  https://zenodo.org/record/3856083/files/Kuczera_Graphentechnologien%20in%20den%20Digitalen%20Geisteswissenschaften-2019-07-19.pdf
[9] Krempel, Rasmus. Netze, Karten, Irrgärten: Graphenbasierte explorative Ansätze zur Datenanalyse und Anwendungsentwicklung in den Geisteswissenschaften. (2016). Universität zu Köln. https://kups.ub.uni-koeln.de/7533/1/Diss_Final_Pub.pdf
[10] Sommer, Prof. Dr. Guido et al.. Open Data sorgt für Aufbruchstimmung bei der Digitalisierung im Tourismus: Ergebnisse des 3. Round Table Open Data mit Ausblick und Empfehlungen für die Nutzung der Chancen einer offenen Dateninfrastruktur im Tourismus. (2020). https://opus4.kobv.de/opus4-hs-kempten/frontdoor/deliver/index/docId/622/file/Open_Data_Digitalisierung_Tourismus.pdf
[11] Schuk, Vitali. Graphendatenbank-Modell für Infrastrukturdatensätze. (2023).Universität Stuttgart. https://elib.uni-stuttgart.de/bitstream/11682/13763/1/DISS_FINAL_komplett_18102023.pdf
[12] Jastram, Michael. Sind Graphdatenbanken besser?. (2021). Formal Mind GmbH. https://www.se-trends.de/sind-graphdatenbanken-besser/
[13] Alles was du über Graphdatenbanken wissen musst. (2023). Swiss Engineering Holding GmbH. https://remotescout24.com/de/blog/613-alles-ueber-graphdatenbanken
[14] brueck. Graphdatenbanken. (2015). Technische Hochschule Mittelhessen. https://wi-wiki.de/doku.php?id=bigdata%3Agraphdb
[15] Kohlwey, Elena & Bauer, Matthias. Einzigartige Einblicke durch Graphdatenbanken. (2024). X-INTEGRATE Software & Consulting GmbH. https://www.x-integrate.com/details/neue-moeglichkeiten-durch-graphdatenbanken 
[16] Kolmar, Stefan. Trends 2021 – Vier Entwicklungen bei (Graph)Datenbanken und Datenanalyse. (2021). NetMediaEurope Deutschland GmbH. https://www.silicon.de/blog/trends-2021-vier-entwicklungen-bei-graphdatenbanken-und-datenanalyse
[
17] Graphdatenbanken. (2024). StudySmarter GmbH. https://www.studysmarter.de/studium/informatik-studium/datenverarbeitung/graphdatenbanken/ 
[18] Kolmar, Stefan & Litzel, Nico. Diese Vorteile bieten Graphdatenbanken. (2017). Vogel IT-Medien GmbH. https://www.bigdata-insider.de/diese-vorteile-bieten-graphdatenbanken-a-615118/

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