Universität zu Köln Informationsverarbeitung WS 2009/10. Datenbanken vs. Markup Prof. Dr. M.Thaller XML als Datenbank

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1 Universität zu Köln Informationsverarbeitung WS 2009/10 HS: Dozent: Referentin: Datenbanken vs. Markup Prof. Dr. M.Thaller Frauke Schmidt XML als Datenbank

2 Inhalt XML Datenbanken Anforderungen an XML-Datenbanksysteme XML-Anfragesprache: XQuery 2

3 Was ist XML? Format zur Speicherung und Darstellung von Daten einfach strukturierbar selbstbeschreibend flexibel erweiterbar plattform- u. herstellerunabhängig dadurch können Daten aus unterschiedlichsten Anwendungsgebieten dargestellt werden 3

4 XML neben Darstellung strukturierter Daten Repräsentation von semistrukturierten Daten Besonderheit gegenüber relationalen und objektorientierten Datenbanken 4

5 Exkurs: Semistrukturierte Daten Daten, die nicht streng typisiert sind, aber dennoch gewisse Struktur haben, welche nicht immer sofort erkennbar ist Daten aus relationalen o. objektorientierten Datenbanken sind streng typisiert, da sie in das Schema aus Tabellen bzw. Klassen passen müssen. dazwischen: semistrukturierte Daten Bilder oder Klänge haben überhaupt keine Struktur 5

6 Strukturierung in XML XML-Attribute Untertags <tagname*attribut_1= wert_1 +*attribut_2= wert_2 +*attribut_n= wert_n +/> Document Type Definitions (DTD) 6

7 XML und DTDs <buch isbn= > <titel> The XML companion </titel> <autor> <name>bradley</name> <vorname>neil</vorname> </autor> </buch> <!ELEMENT buch (titel,autor+)> <!ATTLIST isbn #REQUIRED> <!ELEMENT titel (#PCDATA)> <!ELEMENT autor (name,vorname)> <!ELEMENT name (#PCDATA)> <!ELEMENT vorname (#PCDATA)> 7

8 Unterscheidung zwischen datenorientierten XML-Dokumenten und textorientierten XML-Dokumenten 8

9 Datenorientierte XML-Dokumente Merkmale: stark strukturiert für maschinelle Verarbeitung gut geeignet Reihenfolge der Kindelemente meist unwichtig Beispiele: Börsenkurse wissenschaftliche Daten (Messreihen) 9

10 Datenorientiertes XML-Dokument <Fluege> <Airline>Airways</Airline> <Start>Aachen</Start> <Ziel>New York</Ziel> <Flug> <Abflug>09:15</Abflug> <Ankunft>10:15</Ankunft> </Flug> <Flug> <Abflug>11:15</Abflug> <Ankunft>12:15</Ankunft> </Flug> <Flug> <Abflug>13:15</Abflug> <Ankunft>14:15</Ankunft> </Flug>... </Fluege> 10

11 Textorientierte XML-Dokumente Merkmale: schwach strukturiert für Menschen leicht verständlich Reihenfolge der Kindelemente wichtig Beispiele: Bücher s handgeschriebenes XML 11

12 Textorientierte XML-Dokumente <Produkt> <Einleitung> <ProduktName>Pizza</ProduktName> von der <Hersteller>RWTH Food GmbH</Hersteller> ist <Zusammenfassung>die neueste Pizza-Kreation für Informatiker</Zusammenfassung>. </Einleitung> <Beschreibung> <Absatz>Die neue Pizza sorgt zusammen mit der bereits seit letztem Jahr verfügbaren <b>cola</b> für eine <i>optimale Ernährung</i> aller Informatiker an der RWTH.</Absatz> <Absatz>Sie können:</absatz> <Liste> <Eintrag><Link URL="i.html">mehr Infos erhalten</link></eintrag> <Eintrag><Link URL="b.html">bestellen</Link></Eintrag> </Liste> <Absatz>Die Pizza ist ab 2010 am Lehrstuhl erhältlich und kostet <b>nur 99 Cent</b>.</Absatz> </Beschreibung> </Produkt> 12

13 Daten- vs. textorientierte XML-Dokumente Entscheidung, in welche Kategorie ein Dokument fällt, nicht einfach Rechnungen können unstrukturierte Beschreibungen enthalten Handbücher können strukturierte Elemente enthalten Welche Datenbank bietet sich für welchen Dokumenttyp an? textorientierte Dokumente: in nativen XML-Datenbanken datenorientierte Dokumente: in relationalen Datenbanken 13

14 Was sind Datenbanken? Systeme zur elektronischen Verwaltung von Daten Hauptaufgaben: große Datenmengen speichern (effizient, widerspruchsfrei, dauerhaft) benötigte Teilmengen bereitstellen (in unterschiedlichen, bedarfsgerechten Darstellungsformen) 14

15 Was sind XML-Datenbanken? Datenbanken oder Datenbankverwaltungssysteme, die Daten im XML-Format speichern oder anderweitig mit XML-Daten umgehen. 15

16 Man unterscheidet zwischen 2 Datenbankarten je nach Art und Weise des Umgangs mit XML- Dokumenten: 1. XML-enabled Datenbanken 2. Native XML-Datenbanken 16

17 XML-enabled Datenbanken zugrunde liegendes Datenmodell ist nicht XML (sondern meist relational) Mapping zwischen XML und dem zugrundeliegenden Datenmodell notwendig nehmen XML-Daten entgegen, speichern diese aber in Tabellen Bsp.: Microsoft SQL-Server sowie die Datenbank von Oracle 17

18 XML-enabled Datenbanken bringen Probleme mit sich: aufwändige Anfrageausführung aufwändiges Einfügen/ Bearbeiten aufwändiges Komponieren der XML Dokumente aus dem relationalen Modell aufwändige Strukturerweiterungen Lösung: Native XML Datenbanken 18

19 Native XML-Datenbanken benutzen (hierarchisches) XML Datenmodell zur Speicherung und Verarbeitung kein Mapping notwendig Speicherformat = Verarbeitungsformat speichern direkt XML (sowie zugehörige Metadaten) 19

20 Native XML-Datenbanken treten an, um volle XML-Unterstützung zu bieten, ohne auf Datenbankfunktionalität zu verzichten basieren auf wohldefiniertem logischen Modell für ein XML- Dokument und verwenden dieses Modell für Speicherung und Datenzugriff (Retrieval) Modell muss mindestens Elemente, Attribute, textuelle Daten und die Dokumentordnung umfassen Beispiele: das Datenmodell von XPath, das XML-Infoset und DOM- und SAX-konforme Modelle 20

21 Native XML-Datenbanken XML-Dokument ist hier ebenso die grundlegende Einheit der (logischen) Speicherung, wie in einer relationalen Datenbank eine Zeile in einer Tabelle bestimmtes internes (physisches) Speicherformat ist keine Voraussetzung 21

22 Anforderungen an XML-Datenbanksystem Effizienz (Performance) Mehrbenutzerbetrieb Skalierbarkeit Transaktionskonzept Speicherungsstrukturunabhängigkeit Sicherheit Verfügbarkeit Erweiterbarkeit 22

23 Anforderungen an XML-Datenbanksystem Seltsamerweise wird nicht gefordert, dass es eine Anfragesprache in Datenbanksystemen gibt!? 23

24 XML-Anfragesprachen für alle XML-Dokumente zur Datenextraktion aus großen XML- Dokumenten zur Transformation zwischen verschiedenen Datenmodellen 24

25 XQuery Sprache zum Abfragen von XML-Daten für XML das, was SQL für Datenbanken ist auf Xpath Ausdrücken aufgebaut von allen wichtigen Datenbanken unterstützt Empfehlung des W3C 25

26 26

27 XQuery Sprache, mit welcher Elemente und Attribute in XML-Dokumenten gefunden werden können "Select all CD records with a price less than $10 from the CD collection stored in the XML document called cd_catalog.xml" mit XQuery lösbar 27

28 XQuery - Verwendung Zusammenfassungen erstellen Zusammenführen von Daten aus verschiedenen XML-Dokumenten Modifizieren der Daten Berechnung neuer Daten Sortieren der Ergebnisse XML zu XHTML transformieren Web-Dokumente nach relevanten Informationen durchsuchen Extrahieren von Informationen, um sie in einem Webservice zu nutzen 28

29 XQuery standardisierte Abfragesprache Abfragen möglich für relationale Datenbanken XML-Dokumente Web Services kommerzielle Softwarelösungen Altsysteme ähnlich zu SQL 29

30 XQuery: Ausdrucksstark Alles ist ein Ausdruck! ein einfaches Beispiel für einen XQuery-Ausdruck: let $value1 := 0 let $value2 := 1 let $rvalue := "" if ($value1 > $value2) then let $rvalue := "true" else let $rvalue := "not true" return $rvalue 30

31 Zentrale Ausdrücke allgemeine reservierte Schlüsselworte der Ausdrücke: for (Schleifen-)Verarbeitung von einzelnen Elementen innerhalb eines XML- Dokuments let Erstellung von Variablen und Zuweisung von Werten where konditionale Anweisung, zusammen mit dem Schlüsselwort for verwendet order by definiert Sortierweise return Rückgabe von Werten an die aufrufende Instanz des Ausdrucks häufig benutztes Akronym für diese allgemeinen Schlüsselwörter ist FLWOR (Merkwort: "flower ) 31

32 XML <?xml version="1.0" encoding="iso "?> <books> <book type="paperback"> <title>american Psycho</title> <author>bret Easton Ellis</author> <isbn> </isbn> <price>14.00</price> </book> <book type="hardback"> <title>a Burnt-Out Case</title> <author>graham Greene</author> <isbn> </isbn> <price>13.00</price> </book> <book type="paperback"> <title>the Information</title> <author>martin Amis</author> <isbn> </isbn> <price>14.00</price> </book> </books> XQuery let $doc = document("books.xml") for $d in $doc/books/book return {$d/title/text}?by <td> {$d/author/text} 32

33 Erläuterung hier werden alle Bücher ausgegeben, bei denen auf die Angabe des Titels der Text und der Name des Autors folgt in der for-anweisung sowie in Teilen der return-anweisung wird die XPath-Notation zur Angabe einzelner Knoten verwendet wird document ist eine standardmäßige XQuery-Funktion wird zum Zugriff auf ein XML-Dokument oder einen Knoten als ein Element innerhalb des Ausdruckes verwendet Werte werden im return-teil des Ausdrucks verwendet, indem man sie in geschweifte Klammern mit der entsprechenden XPath-Syntax setzt auf aktuelles Element wird mithilfe des in der for-anweisung deklarierten Variablennamens zugegriffen 33

34 XML <?xml version="1.0" encoding="iso "?> <books> <book type="paperback"> <title>american Psycho</title> <author>bret Easton Ellis</author> <isbn> </isbn> <price>14.00</price> </book> <book type="hardback"> <title>a Burnt-Out Case</title> <author>graham Greene</author> <isbn> </isbn> <price>13.00</price> </book> <book type="paperback"> <title>the Information</title> <author>martin Amis</author> <isbn> </isbn> <price>14.00</price> </book> </books> XQuery let $doc = document("books.xml") for $d in $doc/books/book where ($d/@type = "paperback") return {$d/title/text}?by <td> {$d/author/text} Die where-klausel garantiert, dass nur Paperbacks ausgegeben werden. 34

35 Fazit 35

36 Rückblick auf die erste Stunde dieses Hauptseminars: XML Dokument persistent verschachtelte Struktur bevorzugt irreguläre Strukturen Navigation Pfad flexibler semantisch reicher Datenbanken Dokument ad hoc Struktur zwischen Tabellen bevorzugt reguläre Strukturen Navigation Spalten/ Zeilen effizienter semantisch ärmer Fazit: Es ist schwer, den Unterschied zwischen Datenbanken und XML zu definieren. Frage: Wie kann man beide zusammenführen, dabei die Vorteile mitnehmen und die Nachteile abschwächen? 36

37 Fazit reine XML-Datenbank nicht immer eine gute Lösung siehe textorientierte vs. datenorientierte XML-Dokumente Vorteile: vorhandene XML-Daten müssen nicht transformiert werden Umwandlung oft fehlerbehaftet und führt zu Redundanz Darstellung von semistrukturierten Daten möglich 37

38 Quellen Kazakos, Schmidt, Tomczyk: Datenbanken und XML, Springer Verlag, 2002 Lehner, Schöning: XQuery, dpunkt.verlag, 2004 Harald Schöning: XML und Datenbanken, Hanser Verlag,