FernUniversität in Hagen - Seminar im Sommersemester 2005

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1 Heike Sous, Thema 11, Onyx Seite 1 FernUniversität in Hagen - Seminar im Sommersemester 2005 Neue Techniken der Anfragebearbeitung: Datenströme, kontinuierliche Anfragen und adaptive Auswertung Thema 11 ONYX (Operator Network using YFilter for XML dissemination) Referent: Heike Sous

2 Heike Sous, Thema 11, Onyx Seite 2 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung Situation Herausforderungen Weiteres Vorgehen 4 2 Anforderungen Ausdrucksfähigkeit Skalierbarkeit Das Umfeld 5 3 Systemmodell Schnittstelle Die zwei Ebenen der Content-basierten Verarbeitung Content-basiertes Routing Inkrementelle Transformation Verarbeitung von Anwenderabfragen 9 4 Elemente von ONYX YFilter NFA-basiertes Modell für "Shared-Path-Processing" Konstruktion eines NFA Wertbasierte Prädikate und Klauseln Abfrageebene Erzeugung der Routing-Tabelle Inkrementelle Transformation Datenebene Holistische Nachrichtenverarbeitung Effiziente XML-Transmission 14 5 Broker-Architektur 15 6 Zusammenfassung 17 7 Literatur 17

3 Heike Sous, Thema 11, Onyx Seite 3 1. Einleitung Bild 1 zeigt wie ein Datenverbreitungsservice arbeitet. Anwender abonnieren einen Service, indem sie Service-Profile übermitteln, die ihre Interessen ausdrücken. Datenquellen publizieren ihre Daten, indem sie dem System Nachrichten übermitteln. Das System vergleicht jede Nachricht mit den Profilen der Anwender und übermittelt allen Anwendern die Nachrichten, die den im Profil festgelegten Interessen der Anwender entsprechen. Bild 1: Übersicht über eine Content-basierte Datenverbreitung (Content Based Data Dissemination) Die Grundlage für diese Arbeit sind die Arbeiten [1],[2] und [3]. 1.1 Situation Die heute im Internet üblichen Publish/Subscribe Systeme bieten Content basierte Verbreitungsservices im Internet. Sie sind skalierbar, d.h. sie haben die Fähigkeit ihre Services an eine große Anzahl von Anwendern und hohe Datenraten anpassen zu können. Diese Services werden aber beschränkt durch die Semantik der Daten und Ausdrucksmöglichkeiten der Abfragen. In den letzten Jahren ist XML praktisch zum Standard für die Datenübertragung im Internet avanciert. Gleichzeitig werden zur Zeit im Bereich der selektiven Verbreitung von XML-Daten signifikante Fortschritte gemacht beim Wechsel vom Filtern der Daten hin zur Transformation, die mehr Funktionalität für die Anpassung der Ergebnisse bietet. Im Allgemeinen werden aber die Herausforderungen, die eine Bereitstellung dieser Fortschritte als Services im Internet erfordern, ignoriert. Die Entwicklung von ONYX stellt sich genau dieser Herausforderung, die Vorteile der Publish/Subscribe-Systeme bzgl. Skalierbarkeit mit den Vorteilen der XML-Filterung und Transformation bei der Anpassung von Ergebnissen und der Ausdrucksmöglichkeit von Abfragen zu verbinden.

4 Heike Sous, Thema 11, Onyx Seite Herausforderungen Publish/Subscribe Services verwendeten 'Content-Driven-Routing' zur Verbreitung von Daten. Die Integration von XML führt hierbei zu folgenden Herausforderungen: XML verbindet strukturelle und wertbasierte Informationen. 'Content-Driven-Routing' muss daher Constraints für beide unterstützen. Die den XML-Daten eigene Wiederholung und Rekursion von Elementnamen kann mit den bekannten, für einfachere Datenmodelle entwickelten, Routing-Methoden nicht verarbeitet werden. Es müssen also neue Techniken entwickelt werden. Die Wahl der Stelle, an der die XML-Transformation in einem verteilten System eingeführt werden soll. Die Kriterien, die benutzt werden um Anwenderprofile zu unterteilen, haben einen Einfluss auf die Effektivität des 'Content-Driven-Routing'. Die Wiederholung und Rekursion von Elementnamen sowie die Mischung von strukturellen und wertbasierten Informationen erschweren die Unterteilung der Anwenderprofile. Die Wortfülle von XML führt zu langen Nachrichten, die bei jedem Routing-Schritt von einem Parser analysiert werden müssen. Daher sollten alternative Formate für die effiziente XML-Übermittlung überlegt werden. 1.3 Weiteres Vorgehen In Kapitel 2 werden zuerst die Anforderungen, die von ONYX zu erfüllen sind, dargestellt. Anschließend wird in Kapitel 3 ein kurzer Überblick über das System von ONYX gegeben. Kapitel 4 beschreibt YFilter, einen Multi-Query-XML-Filter, der von ONYX benutzt wird um XML Daten zu verarbeiten. Die übrigen Bestandteile von ONYX werden in Kapitel 5 kurz dargestellt. Kapitel 6 enthält eine abschließende Zusammenfassung. 2 Anforderungen In diesem Kapitel werden die Anforderungen, für eine 'Large-Scale-XML-Dissemination' beschrieben. In erster Linie geht es hierbei um die Möglichkeiten, die XML bzgl. Ausdrucksfähigkeit bietet, sowie um gute Skalierbarkeit wie sie vorhandene Pubish/Subscribe- Systeme besitzen. 2.1 Ausdrucksfähigkeit Die erste Anforderung ist die Ausdrucksfähigkeit. Für die als Ausgangspunkt XML als Datenmodell und eine Untergruppe von XQuery als Profilmodell gewählt wurden. Anwenderprofile sollen Constraints über Struktur und Werte von XML-Fragmenten sowie Spezifikationen für die Anpassung der Ergebnisse beinhalten können.

5 Heike Sous, Thema 11, Onyx Seite Skalierbarkeit Die zweite Anforderung ist die Skalierbarkeit, genauer gesehen muss der Service die folgenden Dimensionen skalieren können: Datenmenge Die Datenmenge wird bestimmt durch die Anzahl und Größe der Nachrichten, die pro Sekunde im System ankommen. Gesamtzahl der Abfragen Die Gesamtzahl der Abfragen kann bis zu Millionen von Abfragen beinhalten. Frequenz der Abfrageaktualisierung Die Frequenz mit der die Anwender ihre Profile aktualisieren. Ergebnismenge Wenn die Anpassung der Ergebnisse unterstützt wird, kann die Menge der Ergebnisse enorm sein. Dies ist darauf zurückzuführen, dass für jede Nachricht eine Punkt zu Punkt Zusendung erforderlich ist für jede Abfrage, die zur Nachricht passt. 2.3 Das Umfeld Vorhandene Publish/Subscribe-Systeme stellen verteilte Content-basierte Datenverbreitung zur Verfügung. Verteilte Verarbeitung verteilt die Arbeitslast und bietet die Möglichkeit sowohl den Service-Input als auch den Output zu skalieren. Diese Systeme stellen aber in der Regel nur eine beschränkte Ausdrucksfähigkeit beim Filtern von Nachrichten zur Verfügung. In den ersten Systemen konnte der Anwender nur vordefinierte Themen aussuchen, die ihn interessierten. Neuere Systeme verwenden Attribut/Value-Paare und erlauben ein Filtern von Tupel-ähnlichen Nachrichten basierend auf Attributen. In letzter Zeit gab es mehrere Ansätze für die Filterung von XML, die normalerweise, wie z.b. auch der von ONYX verwendete YFilter, eine Untergruppe von XPath unterstützen. XML- Filterung stellt eine größere Ausdrucksfähigkeit beim spezifizieren von Interessen zur Verfügung. Wie in Bild 2 graphisch dargestellt ist es das Ziel von ONYX hohe Skalierbarkeit und große Ausdrucksfähigkeit miteinander zu verbinden. Bild 2: Kombinieren von Ausdrucksfähigkeit und Skalierbarkeit

6 Heike Sous, Thema 11, Onyx Seite 6 3 Systemmodell In diesem Kapitel wird das grundlegenden Modell von ONYX dargestellt. ONYX ist ein Overlay-Netzwerk das Content-basierte Many-to-Many Datenverbreitung vom Publisher zum Endanwender bereitstellt. Die meisten Knoten des Netzwerks sind Broker, die für die Verarbeitung von Nachrichten und Anwenderabfragen zuständig sind. Einige Knoten arbeiten zusammen, um einen Registrierungsservice zur Verfügung zu stellen. Ein Überblick ist in Bild 3 zu sehen. 3.1 Schnittstelle Die Schnittstelle stellt folgende Methoden zur Verfügung: Registrieren einer Datenquelle Die Datenquelle übermittelt Informationen über Ort, verwendetes Schema, Nachrichtenhäufigkeit und -größe etc. Der Registrierungsservice weist der Datenquelle eine ID und einen Root-Broker (in Abhängigkeit von Ort, Datenvolumen...) zu. Publizieren von Daten Eine Datenquelle publiziert Nachrichten, indem sie ihre ID an die Nachricht anhängt und sie dem zugewiesenen Root-Broker übermittelt. Registrieren von Dateninteressen Der Anwender übermittelt sein Profil und seine Netzwerkadresse dem Registrierungsservice, der dem Profil eine ID und einen Host-Broker (abhängig vom Ort und dem Inhalt des Profils) zuweist. Aktualisieren von Dateninteressen Aktualisierungen werden direkt an den zugewiesenen Host-Broker gesendet. Bild 3: Überblick über die Architektur von ONYX Bild 3 zeigt den Ablauf einer Registrierung. Nachricht 1-3 zeigen die Registrierung der Datenquelle, Nachricht 4 das Publizieren von Daten, Nachricht 5-7 die Registrierung von Dateninteressen und Nachricht 8 das Aktualisieren von Dateninteressen. Die Schnittstelle stellt keine Methoden zum Abrufen von Nachrichten zur Verfügung, da diese vom System entsprechend der Anwenderprofile versendet werden (s. Bild 3, Nachricht 9).

7 Heike Sous, Thema 11, Onyx Seite Die zwei Ebenen der Content-basierten Verarbeitung ONYX ist ein Applikationslevel-Overlay-Netzwerk, das aus zwei Schichten besteht. Der unteren Schicht, der Kontrollebene (Control-Plane), die u.a. jedem Broker einen Broadcast-Baum zuweist, dessen Wurzel der jeweilige Broker ist, und über den der Broker alle Broker des Netzwerks erreichen kann. Die obere Schicht, die Inhaltschicht (Content-Layer) ist für die Content-basierte Verarbeitung zuständig. Im Folgenden wird nur die obere Schicht betrachtet. Die Operationen der oberen Schicht werden in zwei Ebenen, eine Datenebene (Data-Plane) und eine Abfrageebene (Query-Plane), unterteilt. In der Datenebene werden die Daten (Nachrichten), die durch das System fließen, verarbeitet, in der Abfrageebene werden die Abfragen verarbeitet und aktualisiert. In Bild 4 werden die beiden Ebenen innerhalb einer vereinfachten Brokerarchitekturdarstellung dargestellt. Wie man im Bild schon andeutungsweise erkennen kann, besteht eine Dualität von Daten und Abfrage, die die gesamte Ebene durchzieht. XML messages Query packets Packet Listener Message Pre-processor Query Pre-processor Data plane YFilter Processor Query plane Content Layer Control Plane Message Post-processor Query Post-processor Packet Sender XML messages Query packets Bild 4: Vereinfachte Broker-Architektur Im Folgenden werden die drei Aufgaben, die innerhalb der oberen Schicht ausgeführt werden, näher beschrieben Content-basiertes Routing Das Content-basierte Routing wird benötigt um zu verhindern, dass Nachrichten alle Broker im Netzwerk überschwemmen. Es baut auf dem Broadcast-Baum der unteren Ebene auf. Ein Broker sendet Nachrichten nur an die Kinder im Broadcast-Baum, die sich für die jeweilige Nachricht interessieren.

8 Heike Sous, Thema 11, Onyx Seite 8 Dieses Routing-Schema vergleicht die Inhalte der Nachrichten mit Einträgen in der Routing- Tabelle (oder Routing-Abfragen), die die Interessen der Kind-Broker repräsentieren. Es unterscheidet sich grundlegend von dem üblichen IP-basierten Routing. Bild 5 zeigt ein Beispiel für dieses Routing. Als Beispiel wird der Verlauf einer Nachricht mit "/nitf/head/pubdata und "/nitf//tobject.subject[tobject.subject.type="stock"]" oder "/nitf//tobject.subject[tobject.subject.matter="fishing"]" dargestellt. Bild 5: Content-basiertes Routing von Nachrichten Die Teilaufgaben sind auf die beiden Ebenen verteilt. Die Generation der Einträge in der Routing-Tabelle findet in der Abfrage-Ebene statt, das Vergleichen der Nachrichten mit den Tabelleneinträgen in der Datenebene Inkrementelle Transformation Interessante Fälle bei der zweiten Aufgabe, der inkrementellen Transformation, innerhalb der Schicht sind (1) die frühe Projektion der Daten (d.h. das Entfernen von Daten) und (2) die frühe Restrukturierung. Die frühe Projektion findet z.b. statt, wenn alle Anwender, an die mehrere Nachrichten weitergeleitet werden sollen, nur an einem Teil der Nachrichten interessiert sind, dann können diese Nachrichten auf interessante Nachrichten projiziert werden, d.h. die für die Anwender interessanten Nachrichten können mit Hilfe einer Abfrage herausgefiltert und weitergeleitet werden. Die frühe Restrukturierung findet statt, wenn Nachrichten für alle Anwender, die über den aktuellen Broker ihre Nachrichten beziehen, auf die gleiche Art und Weise umcodiert werden müssen. Z.B. wenn alle Anwender keine Bilder übermittelt bekommen möchten, können die Bilder schon vom aktuellen Broker entfernt werden. Die inkrementelle Transformation, die das Datenvolumen verringern und das Wiederholen von Arbeitsschritten durch unterschiedlichen Broker verhindern kann, wird dadurch ermöglicht, dass Transformationsabfragen den Output-Links der Broker hinzugefügt werden. Anwenderabfragen der die Nachrichten empfangenden Anwender werden aggregiert, wobei Gemeinsamkeiten herausgefiltert und in eine Transformationsabfrage für den aktuellen Broker umgewandelt werden.

9 Heike Sous, Thema 11, Onyx Seite 9 Die Teilaufgabe der Erzeugung von Abfragen, wird in der Abfrageebene ausgeführt. Die korrespondierenden Teilaufgaben in der Datenebene bestehen aus dem Transformieren von Nachrichten, unter Benutzung der von der Abfragebene erzeugten Abfragen, ehe diese zu den Output-Links geschickt werden Verarbeitung von Anwenderabfragen Die Verarbeitung von Anwenderabfragen beinhaltet das überprüfen auf Übereinstimmung und Transformieren von Nachrichten gemäß der individuellen Abfragen der einzelnen Anwender durch deren Host-Broker. Für die Anwenderabfragen, die bei einem bestimmten Broker liegen, ist dies der letzte Schritt in der Nachrichtenverarbeitung. Die Teilaufgaben in der Abfrageebene bestehen aus Punkten wie dem Indizieren von Anwenderbfragen für die der Broker der Host-Broker ist. Die korrespondierenden Teilaufgaben in der Datenebene besteht aus dem überprüfen der Nachrichten auf Übereinstimmung mit den Indizes. Bild 6: Systemaufgaben der zwei Ebenen der Verarbeitung Bild 6 stellt abschließend eine zusammenfassende Übersicht der Verarbeitungsaufgaben der beiden Ebenen, Abfrageebene und Datenebene, dar. 4 Elemente von ONYX In diesem Kapitel werden die Hauptelemente des Content-Layers dargestellt. Hierbei wird zuerst YFilter ein XML-Filter und Transformationssystem vorgestellt, das von den Elementen von ONYX als Basis für die Verarbeitung verwendet wird. Danach wird auf die in Kapitel 3 erwähnten Ebenen (Abfrageebene, Datenebene) noch einmal näher eingegangen. 4.1 YFilter In diesem Kapitel wird YFilter vorgestellt. YFilter ist eine Engine, die zum Filtern und Transformieren von XML-Daten entwickelt wurde. YFilter verarbeitet mehrere Abfragen auf eine verallgemeinernde Art und Weise. YFilter stellt sozusagen die Basis dar, auf die ONYX aufbaut, und wird von den Ebenen des Content-Layers für das Vergleichen mit Abfragen und die Transformation von Nachrichten verwendet. Im Folgenden wird beschrieben wie YFilter mit XPath Abfragen arbeitet. Anschließend wird kurz darauf eingegangen wie YFilter XQuery- Anfragen verarbeitet.

10 Heike Sous, Thema 11, Onyx Seite NFA-basiertes Modell für "Shared-Path-Processing" Eine Abfrage in XPath besteht aus einer Sequenz von Lokalisierungsschritten, die aus einer Achse, einem Knotentest und 0 oder mehr Prädikaten besteht. Achsen beschreiben die hierarchische Struktur. Im Folgenden werden nur die Operatoren Eltern-Kind ( / ) sowie Vorgänger-Nachfolger ( // ) betrachtet. Knotentests werden unterstützt, wenn sie entweder durch einen Elementnamen oder dem Wildcard-Operator * beschrieben werden. Mit diesen Beschränkungen existiert zu jedem Pfadausdruck eine FSM (Finite-State-Machine). YFilter kombiniert Pfadausdrücke zu einer einzelnen FSM, die die Form eines NFA (Nondeterministic- Finite-State-Automaton) hat. Alle Präfixes der Pfade werden innerhalb der NFA nur einmal repräsentiert. Bild 7: Beispiele für XPath-Abfragen und die dazugehörende NFA-Darstellung In Bild 7 entspricht jeder Kreis einem Zustand, zwei konzentrische Kreise einem akzeptierenden Zustand. Akzeptierende Zustände werden zudem mit den zugehörigen Abfrage-IDs versehen. Das Symbol an den Kanten repräsentiert die Eingabe, die den Übergang ausgelöst hat. Das spezielle Symbol * steht für jedes Element. Das Symbol ε markiert Übergänge, die keine Eingabe erfordern. Schattierte Kreise kennzeichnen Zustände, die von mehreren Abfragen verwendet werden. Es ist zu beachten, dass im NFA mehrere akzeptierende Zustände vorhanden sind, da im NFA mehrere Abfragen dargestellt werden, die jeweils einen akzeptierenden Zustand besitzen Konstruktion eines NFA Die vier grundlegenden Lokationsschritte in der hier verwendeten Untergruppe von XPath sind /a, //a, /*, //*, wobei a für einen beliebigen Elementnamen aller in einer DTD definierten Elemente steht und * den Wildcard-Operator repräsentiert. In Bild 8 werden diese Grundelemente als NFA Fragmente dargestellt.

11 Heike Sous, Thema 11, Onyx Seite 11 Bild 8: Darstellung der Grundelemente der NFA und Beispiele für deren Kombination Die NFA für einen Pfadausdruck, genannt NFA P kann durch die Konkatenation aller NFA- Fragmente der Lokationsschritte erzeugt werden. Der letzte Zustand ist der einzige akzeptierende Zustand des Ausdrucks. Die NFA P s werden wie folgt zu einer einzigen NFA kombiniert: Alle NFA P s haben den gleichen Anfangszustand. Um einen weiteren NFA P der NFA zuzufügen wird der NFA durchlaufen bis 1.) der akzeptierende Zustand erreicht wird, dieser Zustand wird dann als akzeptierender Zustand markiert (falls es noch keiner ist) und die Abfrage-ID dem Zustand zugewiesen, oder 2.) ein Zustand erreicht wird von dem aus es keinen Übergang gibt, der zum korrespondierenden Übergang des NFA P passt. Von diesem Zustand aus wird ein neuer Zweig der NFA zugefügt der aus dem nicht passendem und den restlichen Übergängen des NFA P besteht. Beispiele sind in Bild 8 zu sehen Wertbasierte Prädikate und Klauseln Während die strukturellen Komponenten von Pfadausdrücken im NFA behandelt werden, werden alle übrigen Teile von Abfragen von einem Netzwerk von Operatoren ausgeführt, die sich sozusagen in den akzeptierenden Zuständen der NFA befinden. Diese Operatoren werden angestoßen, wenn ein akzeptierender Zustand erreicht wird. Aufgrund dieses SP (Selection- Postponed) Ansatzes müssen in der NFA zusätzliche Informationen über den Weg zum akzeptierenden Zustand gespeichert werden. Ohne diese Wegangabe wäre es nicht möglich zu ermitteln, mit welchen Prädikaten früherer Knoten eine Abfrage auf Übereinstimmung geprüft werden muss. Bild 9: Beispielabfrage mit NFA und NFA-Ausführung

12 Heike Sous, Thema 11, Onyx Seite 12 Man betrachte beispielsweise das XML-Fragment und die Abfrage q5 in Bild 9. Hier führt eine Analyse des Elementes "b" zu einem akzeptierenden Zustand (Knoten 5). Um die Bedingung 1 =v 2 ]" zu überprüfen, muss bekannt sein welches XML-Element diese Bedingung erfüllen muss. Im "Runtime-Stack" kann man erkennen, dass der akzeptierende Zustand auf zwei unterschiedlichen Wegen erreicht werden kann. Während beim rechten Weg ( ) die Überprüfung fehlschlägt, weil die Bedingung mit dem XML-Element "<a a 1 =v 1 >" geprüft werden muss, gelingt sie beim linken Weg ( ), wo das XML-Element "<a a 1 =v 2 >" überprüft werden muss. Neben wertbasierten Prädikaten können die Abfragen auch For-, Where-, und Return- Klauseln enthalten. Bei dem Überprüfen des Pfades auf Übereinstimmungen bestanden die Möglichkeiten nur die For-Klausel (PathSharing-F), die For und Where-Klauseln (PathSharing-FW) sowie alle Klauseln (PathSharing-FWR) in der Matching-Engine des YFilters zu überprüfen. Hierbei nutzt PathSharing-FWR die Möglichkeiten der Matching-Engine am aggressivsten aus, erfordert aber auch die anspruchsvollste Nachverarbeitung (z.b. bzgl. Sortierung oder Eliminieren von Duplikaten), was zur schlechtesten Performance unter den drei Möglichkeiten führt. Durch Optimierungsmaßnahmen kann die Performance aber verbessert werden. Bild 10: Beispiele für Auswirkungen von Optimierungsmaßnahmen In Bild 10 werden die Auswirkungen von Optimierungen auf die Performance gemessen in Multi-Query-Processing Time (MQPT) dargestellt. Links für ein Beispiel mit nicht rekursiven Daten, Rechts für eins mit rekursiven Daten. Bei den angewandten Optimierungen werden die Fälle NoOpt (keine Optimierungen), Opt(q) (Optimierungen, die auf den Abfragen basieren) und Opt(q+dtd) (Optimierungen, die auf Abfragen und der DTDs der XML-Daten basieren) unterschieden. Wie zu erkennen ist werden die durch die intensive Nachverarbeitung entstehenden Kosten bei PathSharing-FWR durch Optimierungsmaßnahmen ausgeglichen. Genauere Angaben können [4] entnommen werden. In ONYX werden als Folge der o.a. Ergebnisse die For-, Where-, und Return- Klauseln der XQuery-Abfragen von der Matching-Engine bearbeitet. Beispiele für Abfragen und Nachbearbeitung werden in Bild 11 dargestellt.

13 Heike Sous, Thema 11, Onyx Seite 13 Bild 11: Beispielabfragen und ihrer Darstellung in YFilter Man kann in Bild 11 erkennen, dass zu den Zuständen 4 und 7 ein, zum Zustand 6 zwei Operatoren (σ) für die Überprüfung von Prädikaten in den zugehörigen Wegen gehören. Zu einer Abfrage können mehrere akzeptierende Zustände gehören. Zu den Abfragen Q1 und Q2 beispielsweise gehören die akzeptierenden Zustände 4 und 6. Die Wege zu den akzeptierenden Zustände sind bei beiden gleich. In Zustand 6 erfüllen die beiden Abfragen jedoch nicht die Bedingungen des gleichen Operators. Nach Anwendung der Operatoren in den Knoten wird der "Join-Operator" ( ) angewendet, der die einzelnen Elemente der Abfragen wieder zusammenführt und überprüft. Die Bearbeitung der Abfragen Q1 und Q2 ist mit der Anwendung des "Join-Operator" abgeschlossen. Bei Abfrage Q3 ist aufgrund des Vorhandenseins einer Return-Klausel eine Transformation notwendig, die, wie in Bild 11 dargestellt, abschließend nach der Anwendung des "Join-Operator" ausgeführt wird. 4.2 Abfrageebene In diesem Abschnitt beschreiben wir die unter 3.2 schon erwähnten Aufgaben der Erzeugung einer Routing-Tabelle und der inkrementellen Transformation Erzeugung der Routing-Tabelle Die Erzeugung einer Routing-Tabelle aus verteilten Abfragen besteht aus der Anwendung von 3 Funktionen, Map(), Collect(), und Aggregate() zur Generierung von Routing-Abfragen. Map() bildet den zu einer Anwenderabfrage passenden Pfad auf die kanonische Form einer Routing-Abfrage ab. Collect() sammelt Routing-Abfragen, die von einem Kind geschickt werden, und fügt sie zur Routing-Tabelle des Brokers Aggregate() vereinigt die Routing-Abfragen in der Routing-Tabelle eines Brokers mit denen die mit Map() aus den Anwenderabfragen des Brokers bestimmt wurden und generiert eine neue Routing-Abfrage, die den Broker gegenüber seinem Parent repräsentiert.

14 Heike Sous, Thema 11, Onyx Seite Inkrementelle Transformation Die inkrementelle Transformation geschieht während des Routings. Wie bereits in Kapitel 3 erwähnt kann es sich hierbei um eine frühe Projektion oder eine frühe Restrukturierung handeln. Eine Transformationsabfrage für eine frühe Projektion kann dem Output-Link eines Brokers hinzugefügt werden, wenn sich die Abfrage verallgemeinern lässt. D.h.: Wenn (1) die For- Klausel von allen relevanten Abfragen übereinstimmen, und (2) die Where-Klausel die Where- Klauseln aller dieser Abfragen verallgemeinert und zudem das Binding der For-Klauseln alle Informationen enthält, die die Return- Klauseln der jeweiligen Abfragen benötigen. Ähnlich ist es bei der Transformationsabfrage für frühe Restrukturierung. Diese kann dem Output-Link zugefügt werden, wenn die Konditionen (1) und (2) erfüllt werden und die Return Klauseln aller relevanten Abfragen alle eine Serie von Transformationsschritten enthalten und die ersten Schritte allen Abfragen gemeinsam sind. Wenn Möglichkeiten der Verallgemeinerung von Abfragen an einem Host-Broker festgestellt werden, werden Transformationsabfragen, die diese Verallgemeinerungen repräsentieren generiert und an den Parent-Broker übertragen. Der Parent-Broker vergleicht alle Transformationsabfragen und entzieht diesen alle Gemeinsamkeiten. Aus diesen Gemeinsamkeiten werden neue Transformationsabfragen generiert, die der Parent-Broker wiederum an seinen Parent weiterleitet. Aus den Teilen der ursprünglichen Transformationsabfragen, die keine Gemeinsamkeiten besitzen, werden wieder neue Restabfragen generiert, die den jeweiligen ursprünglichen Output-Links zugewiesen werden. 4.3 Datenebene Nach Beschreibung der Abfrageebene wird nun die Datenebene, die den Fluss von XML- Nachrichten behandelt beschrieben. Im Folgenden werden die holistische Nachrichtenverarbeitung für verschiedene Aufgaben und die effiziente XML-Übertragung dargestellt Holistische Nachrichtenverarbeitung In ONYX wird von jedem Broker jeweils eine einzige Instanz eines YFilters benutzt um einen gemeinsamen, holistischen Ausführungsplan für die Routing-Tabelle, inkrementelle Transformationsabfragen und lokale Anwenderabfragen zu erstellen. Im Folgenden wird die Verarbeitung von XML mithilfe dieses gemeinsamen Plans skizziert. Wie erwähnt beinhaltet der holistische Plan unterschiedliche Typen von Abfragen (Routing- Abfragen, Transformationsabfragen, Anwenderabfragen). Aus Performancegründen sollten die beiden beim Routing verwendeten Abfragen nicht von den Anwenderabfragen behindert werden. Außerdem sollten Transformationsabfragen nur angewandt werden, nachdem die zugehörige Routing-Abfrage positiv war. Aus diesem Grund wird für die holistische Nachrichtenverarbeitung ein abhängigkeitsbewusstes Prioritäten-Scheduling verwendet. Bei diesem Algorithmus wird Abfragen, die das Routing betreffen, hohe Priorität zugewiesen. Den Abfragen für die inkrementelle Transformation mittlere und den übrigen Abfragen niedrige Priorität. Wobei die mittlere Prioritätenklasse als abhängig von der hohen deklariert wird. D.h., ein

15 Heike Sous, Thema 11, Onyx Seite 15 Operator der mittleren Priorität wird nur ausgeführt, wenn mindestens eine Abfrage der hohen Priorität, die deren Ausführung erforderlich macht, erfolgreich war Effiziente XML-Transmission Die Kosten für die XML-Transmission gering zu halten ist ein weiteres wichtiges Ziel. Die Verwendung von XML führt hier zu zwei Problemen. Zum einen die wortreiche Natur von XML, die zu einer Vielzahl überflüssiger Bytes in den Nachrichten führen kann und zum anderen die Notwendigkeit die XML-Nachrichten bei jedem Broker syntaktisch zu analysieren. Die Transmissionsoptimierung befindet sich zur Zeit noch im Entwicklungsstadium. Im Folgenden werden einige Möglichkeiten, die einen positiven Einfluss auf die Transmission haben können beschrieben. Die dem XML eigene Wortfülle führte zur Entwicklung von Komprimierungs-Algorithmen. Das Problem der Übersetzung würde eine Komprimierung der Daten aber nicht lösen. Ein anderer Ansatz ist die Verwendung eines Element-Stream-Formates für die XML- Transmission. Bei diesem Format handelt es sich um eine in-memory binäre Repräsentation einer XML-Nachricht bei der white spaces etc. eliminiert werden. Dieses Format kann direkt, ohne vorherige Verarbeitung oder Durchlauf durch einen Parser dem YFilter übergeben werden. Schemabewusste Repräsentation von XML ist eine weitere Möglichkeit der Optimierung der Transmission. Wenn die Kontrollebene benutzt werden kann um das Schema einer publizierenden Quelle zu verbreiten, dann kann eine schemabewusste Kodierung von XML- Nachrichten für die Transmission zwischen Brokern ausgeführt werden. Im besonderen wird ein Dictionary-Kodierungsschema verwendet, das XML-Elemente und Attributnamen des Schemas einem platzsparenderen Key-Space zuweist.

16 Heike Sous, Thema 11, Onyx Seite 16 5 Broker-Architektur In Bild 12 ist die Broker-Architektur von ONYX dargestellt. Im Folgenden werden einige der Elemente der Architektur kurz beschrieben. Bild 12: Broker-Architektur Paket Listener Wartet auf Pakete und ordnet diese den zugehörigen Strömen (XML Nachrichten, Abfragen) zu. Nachrichten Pre-Prozessor XML-Nachrichten können sowohl von der Datenquelle als auch von anderen Brokern des Systems kommen. Die Nachrichten von einer Datenquelle sind im Textformat und besitzen eine ID. Wenn eine solche Nachricht empfangen wird, wird die ID mit Hilfe des Katalogs validiert. Außerdem wird die Nachricht in eine in-memory Darstellung für späteres Routing und Abfragebearbeitung umgewandelt. Falls die Nachricht von einem internen Broker kommt, wird die Validierung der Quelle übersprungen. Abhängig von der internen Repräsentation von XML, kann die Nachricht in unterschiedlichen Formaten vorliegen und muss entsprechend verarbeitet werden (z.b. Dekomprimierung, Deserialisierung) Abfrage Pre-Prozessor Analog zum Nachrichten Pre-Prozessor, außer dass zusätzlich eine Datenquelle, in der die Profile der Anwender gespeichert werden, gepflegt wird.

17 Heike Sous, Thema 11, Onyx Seite 17 Datenebene Der Prozessor führt drei Aufgaben in der Datenebene aus, wenn eine Nachricht empfangen wird. 1. Falls der Broker der Root-Broker der Nachricht ist, fügt er der Nachricht seine ID zu. Er holt die Output-Links wieder aus dem Broadcast-Baum zurück, die durch die zur Nachricht gehörende Root-Broker-ID identifiziert werden. Und schlägt in der Routing-Tabelle nach um die Output-Links zu filtern 2. Für jeden selektierten Output-Link transformiert der Broker die Nachricht falls dem Link ein Transformationsplan zugewiesen ist. 3. Der Broker wendet lokale Abfragen auf die Nachricht an um Ergebnisse zu produzieren. Diese Aufgaben werden alle vom YFilter realisiert Abfrageebene Die Abfrageebene weist eine Dualität mit der Datenebene auf. Bei Anwenderabfragen wird der Verarbeitungsplan aktualisiert. Falls eine Anfrage von einem anderen Broker kommt um die Routing-Tabelle oder die inkrementellen Transformation zu aktualisieren führen die jeweiligen Modifikationen dazu, dass eine neue Query generiert wird, die dem Parent des Brokers übermittelt wird. YFilter Prozessor YFilter wurde bereits beschrieben. Er wird in diesem Rahmen dafür eingesetzt holistische Verarbeitungspläne für alle Verarbeitungsaufgaben zu erstellen, sodass die gemeinsame Verarbeitung bei den Aufgaben maximiert wird. In der Abfrageebene wird er bei der Konstruktion der Routing-Tabelle benutzt. In der Datenebene wird ein Scheduler zur Unterstützung der Priorisierung der Verarbeitung für unterschiedliche Arten der Abfragen benutzt. Nachricht- und Abfrage Post-Prozessor Die Resultate der Datenebene werden dem Nachrichten Post-Prozessor, die Resultate aus der Abfrageebene dem Abfrage Post-Prozessor zugeordnet. Resultate von lokalen Abfragen werden in XML-Nachrichten umgewandelt, um diese dann an den Endanwender weiterzuleiten. Resultate von Routing und inkrementeller Transformation werden serialisiert (und möglicherweise komprimiert). Auch Abfragen aus der Abfrageebene werden von ihrem Post- Prozessor serialisiert und komprimiert. Packet-Sender Dieser fügt jedem Paket einen Header mit dem Datenflusstyp, der ID des Root-Broker (falls es sich um eine XML-Nachricht handelt) und dem verwendeten Format hinzu. Danach werden die Datenflüsse in den Output-Kanal übertragen.

18 Heike Sous, Thema 11, Onyx Seite 18 6 Zusammenfassung und Beurteilung Der Artikel stellt ein erstes Design für ONYX dar und wird von den Autoren als erster Schritt betrachtet. Die vorgeschlagene Architektur und Lösungen zu kritischen Punkten wie beispielsweise die Konstruktion der Routing-Tabelle, Unterteilung der Gesamtzahl der Abfragen legen eine Grundlage dar, um Large-Scale-Dissemination-Services mit hoher Ausdrucksfähigkeit und Skalierbarkeit anbieten zu können. Es ist geplant die Forschung fortzusetzen. Es sollen alternative Möglichkeiten für das Routing von Abfragen untersucht werden. Die alternativen Möglichkeiten sollen mit unterschiedlichen Belastungen getestet werden um Vor- und Nachteile zu beurteilen. Das Schema zur Optimierung der Konstruktion von Routing-Tabellen soll weiter ausgeschöpft werden. Außerdem ist geplant den Gedanken der Dualität von Daten und Abfrage im Kontext von Multi-Source Routing zu erweitern. Analog zum Setzen von Routing-Abfragen und dem Filtern und Lenken des Nachrichtenflusses, sollen Datenquellenbeschreibungen im Netzwerk platziert werden um den Abfragenfluss zu kürzen und vom Host-Broker zum Root-Broker weiterzuleiten. ONYX arbeitet bei der Verarbeitung von Daten im Kern mit YFilter. YFilter selber ist ein relativ ausgereiftes System, das auch für andere Ansätze verwendet werden kann. Die Möglichkeiten bei der Ausdrucksfähigkeit sind gut. Folgerichtig befassen sich die Gebiete, in denen weiter geforscht werden soll, in erster Linie mit dem Routing von Nachrichten und Abfragen. Als Nachteil des Systems kann man die Notwendigkeit ansehen das Daten an allen beteiligten Brokern gefiltert werden müssen. Inwieweit sich die Performance durch die o.a. Ansätze verbessern lässt bleibt abzuwarten. 7 Literatur [1] Y. Diao, S. Rizvi, and MJ Franklin. Towards an Internet-Scale XML Dissemination Service. In [2] Y. Diao, M. Franklin, High-Performance XML Filtering: An Overview of YFilter, ICDE, [3] Diao, Y., Altinel, M., Zhang, H., Franklin, M.J., and Fischer,P.M. Path Sharing and Predicate Evaluation for High-Performance XML Filtering. TODS, 28(4), , Dec [4] Diao, Y., and Franklin, M.J. Query Processing for High-Volume XML Message Brokering. In VLDB 2003, ,Sep [5] XML Path Language (XPath) Version 1.0,Deutsche, kommentierte Übersetzung

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