Speicherung von XML in (objekt-)relationalen Datenbanken. Burkhard Schäfer

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1 Speicherung von XML in (objekt-)relationalen Datenbanken Burkhard Schäfer

2 Übersicht Motivation Anforderungen Ansätze modellorientiert strukturorientiert Zusammenfassung

3 Motivation Warum XML in Datenbanken speichern? Einsatz bewährter Datenbanktechnologie: Transaktionsmanagement Logging und Recovery Synchronisation Integritätsregeln XML XML XML (O)RDBS

4 Anforderungen (1) Definition einer Abbildung von XML- Strukturen in ein Datenbankschema Transformation von Dokumenten Transformation von Anfragen

5 Anforderungen (2) Definition eines Abbildungsschemas Rückgewinnung des Originaldokuments möglich Unterstützung von Anfragen Erhaltung der Reihenfolge Formale Beschreibung der Abbildung Generisch oder Schema-spezifisch

6 Anforderungen (3) Transformation von Dokumenten Zerlegung in Fragmente ( shredding ) Ablage der Fragmente in mehreren Tupeln (RDBS) geschachteltem Tupel (ORDBS)

7 Anforderungen (4) Transformation von Anfragen Formulierung in XML-typischen Sprachen (XQuery, XPath, XML-QL) Umsetzung in SQL Transformation der Ergebnismenge nach XML

8 Naiver Ansatz Speichern des XML-Dokuments in einem BLOB-Feld Documents (docid( docid,, doccontent)

9 Naiver Ansatz Speichern des XML-Dokuments in einem BLOB-Feld Documents (docid( docid,, doccontent) docid doccontent 4711 <buch> 4711 <buch> <titel>professional <titel>professional XML</titel> XML</titel> </buch> </buch>

10 Naiver Ansatz Speichern des XML-Dokuments in einem BLOB-Feld Documents (docid( docid,, doccontent) docid doccontent 4711 <buch> 4711 <buch> <titel>professional <titel>professional XML</titel> XML</titel> </buch> </buch> niedriger Verwaltungsaufwand schwierige Anfrageverarbeitung

11 Beispieldokument <buch> <titel>professional XML</titel> <isbn> </isbn> <preis waehrung="eur EUR"> ">60,44</preis> <autoren> <autor geschlecht="m"> "> <vorname>mark Mark</vorname> <nachname>birbeck Birbeck</nachname> </autor> <autor geschlecht="m"> "> <vorname>jon Jon</vorname> <nachname>duckett Duckett</nachname> </autor> </autoren> </buch>

12 Baumdarstellung EUR m m

13 Baumdarstellung Wurzelknoten EUR m m

14 Baumdarstellung EUR Elementknoten m m

15 Baumdarstellung EUR Attributknoten m m

16 Baumdarstellung EUR Textknoten m m

17 Modellorientierte Ansätze Ausnutzung der hierarchischen Struktur von Dokumenten Adressierung von Werten über Pfad im Dokumentenbaum Unabhängig von DTD oder Schema

18 XRel: Überblick Charakterisierung eines Dokuments über Knoten des Baums Ablage eines Pfadausdrucks zusammen mit dem Wert zur Beschreibung eines Knotens Unterstützung von XPath-Anfragen

19 XRel: Pfadausdrücke Beschreibung der Position eines Knotens im Dokumentbaum Syntax an XPath angelehnt

20 XRel: Pfadausdrücke Beschreibung der Position eines Knotens im Dokumentbaum Syntax an XPath angelehnt PfadAusdruck ::= #/ Schritt PfadAusdruck #/ Schritt Schritt ::= Name Name ::= XMLName

21 XRel: Pfadausdrücke Pfadausdrücke nicht eindeutig EUR m m Beispiel: #/buch buch#/

22 XRel: Pfadausdrücke Pfadausdrücke nicht eindeutig EUR m m Beispiel: #/buch buch#/

23 XRel: Pfadausdrücke Pfadausdrücke nicht eindeutig EUR m m Beispiel: #/buch buch#/

24 XRel: Pfadausdrücke Pfadausdrücke nicht eindeutig EUR m m Beispiel: #/buch buch#/

25 XRel: Pfadausdrücke Pfadausdrücke nicht eindeutig EUR m m Beispiel: #/buch buch#/

26 XRel: Pfadausdrücke Pfadausdrücke nicht eindeutig EUR m m Beispiel: #/buch buch#/

27 XRel: Pfadausdrücke Pfadausdrücke nicht eindeutig EUR m m Beispiel: #/buch buch#/

28 XRel: Pfadausdrücke Pfadausdrücke nicht eindeutig EUR m m Beispiel: #/buch buch#/

29 XRel: Datenbankschema (1) Eine relationale Tabelle pro Knotentyp Ein Tupel pro Knoten

30 XRel: Datenbankschema (1) Eine relationale Tabelle pro Knotentyp Ein Tupel pro Knoten Element (docid, path, start, end) Attribute (docid, path, start, end, value) Text (docid, path, start, end, value)

31 XRel: Datenbankschema (1) Eine relationale Tabelle pro Knotentyp Ein Tupel pro Knoten Element (docid, path, start, end) Attribute (docid, path, start, end, value) Text (docid, path, start, end, value)! Pfadinformation redundant

32 XRel: Datenbankschema (2) Eine relationale Tabelle pro Knotentyp Ein Tupel pro Knoten Element (docid, pathid, start, end, index, reindex) Attribute (docid, pathid, start, end, value) Text (docid, pathid, start, end, value) Path (pathid, pathexp)

33 XRel: Verfahren (1) 1. Erzeugen der Pfadtabelle

34 XRel: Verfahren (1) 1. Erzeugen der Pfadtabelle pathid pathexp 1 #/buch 2 #/buch#/titel 3 #/buch#/isbn 4 #/buch#/preis 5 6 #/buch#/autoren 7 #/buch#/autoren#/autor 8 9 #/buch#/autoren#/autor#/vorname #/buch#/autoren#/autor#/nachname

35 XRel: Verfahren (2) 2. Erzeugen der Element-Tabelle <buch> <titel>professional XML</titel> <isbn> </isbn> <preis waehrung="eur">60,44</preis>... </buch>

36 XRel: Verfahren (2) 2. Erzeugen der Element-Tabelle <buch> <titel>professional XML</titel> <isbn> </isbn> <preis waehrung="eur">60,44</preis>... </buch> docid pathid start start end end index reindex

37 XRel: Verfahren (2) 2. Erzeugen der Element-Tabelle <buch> <titel>professional XML</titel> <isbn> </isbn> <preis waehrung="eur">60,44</preis>... </buch> docid pathid start start end end index reindex

38 XRel: Verfahren (2) 2. Erzeugen der Element-Tabelle <buch> <titel>professional XML</titel> <isbn> </isbn> <preis waehrung="eur">60,44</preis>... </buch> docid pathid start start end end index reindex buch

39 XRel: Verfahren (2) 2. Erzeugen der Element-Tabelle <buch> <titel>professional XML</titel> <isbn> </isbn> <preis waehrung="eur">60,44</preis>... </buch> docid pathid start start end end index reindex buch #/buch

40 XRel: Verfahren (2) 2. Erzeugen der Element-Tabelle <buch> <titel>professional XML</titel> <isbn> </isbn> <preis waehrung="eur">60,44</preis>... </buch> docid pathid start start end end index reindex buch

41 XRel: Verfahren (2) 2. Erzeugen der Element-Tabelle <buch> <titel>professional XML</titel> <isbn> </isbn> <preis waehrung="eur">60,44</preis>... </buch> docid pathid start start end end index reindex buch titel

42 XRel: Verfahren (2) 2. Erzeugen der Element-Tabelle <buch> <titel>professional XML</titel> <isbn> </isbn> <preis waehrung="eur">60,44</preis>... </buch> docid pathid start start end end index reindex buch titel #/buch#/titel

43 XRel: Verfahren (2) 2. Erzeugen der Element-Tabelle <buch> <titel>professional XML</titel> <isbn> </isbn> <preis waehrung="eur">60,44</preis>... </buch> docid pathid start start end end index reindex buch titel

44 XRel: Verfahren (2) 2. Erzeugen der Element-Tabelle <buch> <titel>professional XML</titel> <isbn> </isbn> <preis waehrung="eur">60,44</preis>... </buch> docid pathid start start end end index reindex buch titel isbn

45 XRel: Verfahren (2) 2. Erzeugen der Element-Tabelle <buch> <titel>professional XML</titel> <isbn> </isbn> <preis waehrung="eur">60,44</preis>... </buch> docid pathid start start end end index reindex buch 1 #/buch#/titel titel isbn

46 XRel: Verfahren (2) 2. Erzeugen der Element-Tabelle docid pathid start start end end index reindex

47 XRel: Verfahren (3) 3. Erzeugen der Attribut-Tabelle docid pathid start start end end value EUR waehrung m geschlecht m geschlecht 4. Erzeugen der Text-Tabelle docid pathid start start end end value Professional XML ,44

48 XRel: Anfrageverarbeitung (1) Transformation von XPath-Ausdrücken in SQL-Anweisungen Ersetzung von Zeichenketten: / durch #/ // durch #%/ Durchführung einer LIKE-Suche Darstellung des Ergebnisses in XML

49 XRel: Anfrageverarbeitung (2)

50 XRel: Anfrageverarbeitung (2) XPath-Ausdruck: /buch/*/autor

51 XRel: Anfrageverarbeitung (2) XPath-Ausdruck: /buch/*/autor Ersetzungsergebnis: #/buch buch#%/ #%/autor

52 XRel: Anfrageverarbeitung (2) XPath-Ausdruck: /buch/*/autor Ersetzungsergebnis: #/buch buch#%/ #%/autor SQL-Anfrage: SELECT e.docid, e.start, e.end FROM Element e, Path p WHERE e.pathid = p.pathid AND p.pathexp LIKE '#/buch#%/autor' ORDER BY e.docid, e.start, e.end

53 XRel: Bewertung + Speicherung unterschiedlich strukturierter Dokumente + XPath-Unterstützung + einfach ausführbar String-Vergleiche langsam schlecht durch Indexstrukturen stützbar Ineffizient bei gleichartigen Dokumenten

54 Strukturorientierte Ansätze Nachbildung der logischen Dokumentstruktur Baumstruktur nur implizit vorhanden Spezialisierung auf bestimmte Klasse von Dokumenten gestützt auf DTD oder XML Schema

55 XDatabase: Überblick Analyse eines XML-Schemas Erzeugung eines relationalen Datenbankschemas Eine Relation pro Elementtyp Felder für Attribute und Attributgruppen Fremdschlüsselbeziehungen für Hierarchie buch (id) autoren (id, parentbuchid) autor (id, parentautorenid, geschlecht)

56 XDatabase: Typen Darstellung einfacher Typen Verwendung von Constraints CONSTRAINT CHECK (geschlecht IN ( m, w )) Darstellung komplexer Typen: Einführen separater Tabellen Referenz über Fremdschlüssel

57 XDatabase: Beispiel Erzeugte Tabellenstruktur: buch (id) isbn (id, parentbuchid, isbn) preis (id, parentbuchid, waehrung, preis) autoren (id, parentbuchid) autor (id, parentautorenid, geschlecht) vorname (id, parentautorid, vorname) nachname(id, parentautorid, nachname)

58 XDatabase: Bewertung + Abbildung von logischen Zusammenhängen + Robustheit durch starke Typisierung Anfrageverarbeitung sehr aufwändig nur Dokumente einer Klasse ablegbar

59 LegoDB: Überblick Ansatz zur automatischen Bestimmung optimierter Abbildungen Nutzung von Wissen über Anwendung Datenstruktur Typische Benutzerabläufe Datenverteilung

60 LegoDB: Grundlagen Äquivalenzbegriff über XML Schema Zwei XML Schemata heißen genau dann äquivalent, wenn die Mengen gültiger Dokumente, die von beiden Schemata beschrieben werden, identisch sind.

61 LegoDB: Grundlagen Äquivalenzbegriff über XML Schema Zwei XML Schemata heißen genau dann äquivalent, wenn die Mengen gültiger Dokumente, die von beiden Schemata beschrieben werden, identisch sind. Äquivalenzumformungen Reguläre Ausdrücke Typdefinitionen

62 LegoDB: Eingabe Wissen über Anwendung XML Schema XQuery Lastprofil Statistiken über Datenverteilung

63 LegoDB: Verfahren (2) Äquivalenz- umformungen auf XML Schemata durchführen Schema Suchraum aufspannen

64 LegoDB: Verfahren (2) Äquivalenz- umformungen auf XML Schemata durchführen Schema Schema Schema Schema Suchraum aufspannen

65 LegoDB: Verfahren (2) Äquivalenz- umformungen auf XML Schemata durchführen Schema Schema Schema Schema Suchraum aufspannen

66 LegoDB: Verfahren (2) Für jeden Knoten: Relationales Schema erzeugen Schema Schema Schema Schema SELECT SELECT SELECT 10s 35s 20s

67 LegoDB: Verfahren (2) Für jeden Knoten: Relationales Schema erzeugen Schema Schema Schema Schema CREATE TABLE CREATE TABLE CREATE TABLE SELECT SELECT SELECT 10s 35s 20s

68 LegoDB: Verfahren (2) Für jeden Knoten: Relationales Schema erzeugen XQuery-Lastprofil nach SQL umsetzen Schema Schema Schema Schema CREATE TABLE CREATE TABLE CREATE TABLE SELECT SELECT SELECT 10s 35s 20s

69 LegoDB: Verfahren (2) Für jeden Knoten: Relationales Schema erzeugen XQuery-Lastprofil nach SQL umsetzen Abbildung mit relationalem Optimizer bewerten Schema Schema Schema Schema CREATE TABLE CREATE TABLE CREATE TABLE SELECT SELECT SELECT 10s 35s 20s

70 LegoDB: Verfahren (2) Für jeden Knoten: Relationales Schema erzeugen XQuery-Lastprofil nach SQL umsetzen Abbildung mit relationalem Optimizer bewerten Schema Schema Schema Schema CREATE TABLE CREATE TABLE CREATE TABLE SELECT SELECT SELECT 10s 35s 20s

71 LegoDB: Bewertung + Leistungsfähige Abbildungen erzeugbar Bindung an Dokumentklasse Aufwändige Anfrageverarbeitung

72 Zusammenfassung Datenbanksysteme zur Speicherung von XML-Daten geeignet Verfügbarkeit unterschiedlicher Ansätze modellorientiert, strukturorientiert Werkzeuge zum Vergleich von Ansätzen Werkzeuge zur Unterstützung von Anwendungsentwicklern

73 Speicherung von XML in (objekt-)relationalen Datenbanken Burkhard Schäfer

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