NATIVE XML DATENBANKEN. Claude Eisenmann 2. Juni 2005

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1 NATIVE XML DATENBANKEN Claude Eisenmann 2. Juni 2005

2 Inhaltsverzeichnis EINLEITUNG Historie Motivation Zwei Varianten: XML-fähige Datenbanken oder native XML Datenbanken DIE XML-STANDARDS XML-FÄHIGE DATENBANKEN Prinzip und Funktionsweise Speichermethoden für XML-Dokumente Middleware SQL/XML Die Produkte 2

3 Inhaltsverzeichnis DIE NATIVEN XML DATENBANKEN Prinzip und Funktionsweise Speicherung Charakteristika Normalisierung, referenzielle Integrität und Skalierbarkeit Die Produkte VERGLEICH: XML-FÄHIGE DATENBANKEN GEGEN NATIVE XML DATENBANKEN Checkliste für Unternehmen Charakteristika Datenkategorien 3

4 Inhaltsverzeichnis ANWENDUNGSGEBIETE Content Management EAI (Enterprise Application Integration) ZUSAMMENFASSUNG 4

5 EINLEITUNG XML 5

6 Einleitung Die XML-Historie XML gibt es ungefähr seit Anfang 1999 vor allem im Bereich der Verwaltung von Datenbankinhalten und bei den Austauschformaten Der Einfluss von XML wird im Laufe der Zeit immer größer (DTD, XML-Schemata, XSLT, ) Schließlich wird die Technologie XML dank der Architektur der Web-Services universell einsetzbare Methode zur Beschreibung von Anwendungs-Schnittstellen (SOAP, UDDI, WSDL) 6

7 Einleitung Da die XML- Dokumente mit der Zeit in allen Ebenen der Informationssysteme sind, müssen sie in einem Bezugssystem gespeichert werden. Dies nennt sich Datenbank. Motivation Datenmodell / Grammatik XSD oder XML DB DTD XSLT Prozessor XSL (extensible Stylesheet Language) Neue Datei XML HTML Text... 7

8 Einleitung XML-fähige Datenbanken oder native XML Datenbanken Die Unternehmen können sich zwischen zwei Produktvarianten entscheiden: Native XML Datenbanken (NXDBMS) XML-fähige Datenbanken (RDBMS XML-Enabled) 8

9 XML-STANDARDS 9

10 XML-Standards Liste der Standards Das W3C Konsortium definiert und gibt Empfehlungen für die meisten der verschiedenen XML-Standards Name DOM DTD Infoset SAX Funktion Spezifikation der Dokumentstruktur in Form eines Hierarchieobjektes Grammatik zum Überprüfen der Übereinstimmung des XML- Dokuments Die W3C Empfehlung XML Information Set kann als Referenzmaterial verwendet oder als normative Referenz von anderen Dokumenten zitiert werden Die Simple API for XML (SAX) ist ein Standard für eine API. SAX ruft für definierte Ereignisse (Starttag, Endtag...) vorgegebene Callback-Funktionen auf 10

11 XML-Standards Liste der Standards Name XLink XPath XPointer XSD XSL XQL Funktion XLink ist eine Sprache zur Definition von Links in XML- und anderen Dokumenten. Ein Link ist definiert als eine Verbindung zwischen (Teilen von) Ressourcen XPath ist eine Adressierungssprache zur Identifizierung bestimmter Stellen oder Bereiche in einem XML-Dokument XPointer ermöglicht den Verweis auf Teile eines XML- Dokuments Erlaubt die genaue Beschreibung eines XML-Dokuments XSL dient dem Transformieren von XML-Dokumenten XQL ist der Vorläufer der Abfragesprache XQuery. XQL wird in der Praxis nur noch selten eingesetzt und wurde so sehr durch seinen Nachfolger XQuery verdrängt, dass die Bezeichnung XQL häufig auch für XQuery verwendet wird 11

12 XML-Standards Liste der Standards Name XQuery XUpdate Funktion XQuery ist eine funktionale, deklarierende, stark typisierte Programmiersprache. XQuery benutzt eine an XSLT, SQL und C angelehnte Syntax und verwendet XPath sowie XML Schema für sein Datenmodell und seine Funktionsbibliothek XUpdate ist eine rein deskriptive Sprache zur Aktualisierung von XML-Dokumenten 12

13 XML-fähige Datenbanken RDBMS 13

14 XML-fähige Datenbanken Prinzip und Funktionsweise Datenbanken mit der Extension XML ermöglichen die Datenübermittlung zwischen XML-Dokumenten und sich selbst XML-fähige RDBMS bieten Manipulationsmöglichkeiten und Aktualisierung/Fortschreibung der Daten im XML-Format Das Resultat einer Abfrage wird in XML-Formatierung zurückgesendet Oft werden auf XML-spezifischen Elementen basierende Indices erstellt, um die Recherche-Performance von/in/nach XML-Dokumenten zu beschleunigen 14

15 XML-fähige Datenbanken Speichermethoden Die Speichermethoden variieren unter den Herstellern Pauschal gibt es zwei Varianten für die Speicherung von XML-Dokumenten: Text-basierend: Dokumentspeicherung «en bloc» in einem Feld (*LOB oder Text) Modell-basierend: «Filterung» der Dokument- Informationen zur Aufsplittung in verschiedene Tabellen und Felder 15

16 XML-fähige Datenbanken Speichermethoden Variante 1a speichert pauschal das ganze XML-Dokument in einem *LOB-Feld RDBMS Directory [table] city Strasbourg Nantes Lyon Paris Tours Bordeaux description <?xml version="1.0" <?xml version="1.0" <?xml version="1.0" <?xml version="1.0" <?xml version="1.0" <?xml version="1.0" 16

17 XML-fähige Datenbanken Speichermethoden Variante 1b erstellt einen spezifischen Datentyp (wird auch XMLType genannt), um das vollständige XML-Dokument in einer Tabelle zu speichern RDBMS city Directory [table] description Strasbourg Nantes 17

18 XML-fähige Datenbanken Speichermethoden Variante 2 splittet das XML-Dokument auf und packt die Daten in verschiedene relationale Tabellen RDBMS 18

19 XML-fähige Datenbanken Middleware ist eine Softwarekomponente über einer RDBMS, welche die Speicherung und Abfrage von XML-Dokumenten durch XML-Umwandlung in Tabellen sichert XML Middleware Middleware Stockage RDBMS XQuery XML XML XML Recherche XML XML SQL 19

20 XML-fähige Datenbanken SQL/XML Die SQL/XML-Sprache wurde von Microsoft spezifiziert und ist heute Teil der SQL ANSI/ISO Standards SQL/XML ermöglicht die Erstellung eines XML-Dokuments aus dem Inhalt relationaler Tabellen Beispiel: SELECT Ville, AVG(Prix_Menu) AS PrixMoyen FROM Restaurant GROUP BY Ville FOR XML RAW oder AUTO oder EXPLICIT Updategrams ermöglichen die Aktualisierung des Inhalts einer relationalen Datenbank aus dem Inhalt eines XML-Dokuments 20

21 XML-fähige Datenbanken Die Produkte DB2 von IBM mit XML extender und XPeranto Oracle 9i von Oracle SQLServer von Microsoft 21

22 NATIVE XML DATENBANKEN Native XML DBMS 22

23 Native XML Datenbanken Prinzip und Funktionsweise Die XML-Dokumente werden in ihrem nativen Format gespeichert, das interne Modell basiert auf XML XML Native XML DBMS Speichern XML XML XML XML XML Indices DTD oder XSD- Schema sind fakultativ Abfrage XML Suchen Suchen XML XML XML XML XML 23

24 Native XML Datenbanken Speicherung Die Speicherarchitektur der nativen XML Datenbanken kann in drei Schichten aufgeteilt werden: Anwendungen Externe Schicht Autorisiert den Datenzugang und maskiert Systemteile, die aus Gründen der Sicherheit oder Berechtigung nicht dargestellt oder versteckt werden sollen Konzeptuelle Schicht Physische Schicht Festplatte XML-Dokumentenverwaltung Link zwischen logischer Darstellung und physischer Erfassung. Die physische Schicht speichert und recherchiert die Daten in effizienter Weise auf der Festplatte 24

25 Native XML Datenbanken - Speicherung Feine Granularität bedeutet, dass alle Dokumente, Elemente und Attribute adressierbar sind. Bei mittlerer Granularität sind nur die Elemente adressierbar Eine Sammlung spielt eine ähnliche Rolle für die Tabelle in einer relationalen Datenbank Native XML DBMS Die Indexierung der Werte von Elementen und Attributen verbessert die Performance bei der Datenrecherche Collection avec des documents XML de type A et B Collection avec des documents XML de type C et D 25

26 Native XML Datenbanken Charakteristika Häufig verwendete Abfragesprachen sind XPath und vor allem XQuery. Bald auch XQuery FT Das Ergebnis einer Abfrage sendet die XML-Dokumente als Ganzes oder als Fragmente zurück aber immer derart wie sie vor ihrer Speicherung in der Datenbank waren Die nativen XML Datenbanken schlagen API s (Application Programming Interfaces) vor, die viele Funktionalitäten haben. Diese Schnittstellen bestehen aus Methoden, welche die Verbindung zur Datenbank, die Auswertung/das Abtasten der Metadaten, Durchführung von Abfragen und die Ergebnisrecherche (durch DOM-Baum oder SAX Analyzer) ermöglichen 26

27 Native XML Datenbanken - Charakteristika Aktualisierung der Daten erfolgt durch die Datenbankeigene Sprache oder durch XUpdate Fast alle nativen XML Datenbanken unterstützen diese Transaktionen Die Sperrung der Daten erfolgt oft eher ganz auf Dokumentenebene als auf Ebene einzelner Dokumentfragmente 27

28 Native XML Datenbanken Normalisierung, referenzielle Integrität und Skalierbarkeit Die Normalisierung der Daten für eine native XML Datenbank ist größten Teils ähnlich wie die Normalisierung im Fall einer relationalen Datenbank: die Dokumente müssen so konzipiert werden, dass keinerlei Daten wiederholt werden Die referenzielle Integrität in den nativen XML Datenbanken kann sich in zwei Kategorien gliedern: Integrität interner Pointer (XPointer) Integrität externer Pointer (XLink) Die Skalierbarkeit ist abhängig von der Indexgröße und nicht von der Dokumentgröße oder gar der Anzahl der Dokumente 28

29 Native XML Datenbanken Die Produkte exist extensible Information Server Db4XML Ipedo Natix Nax Base SleepyCat Tamino TextML X-Hive/DB Xindice Xylème 29

30 XML-FÄHIGE DATENBANKEN VERSUS NATIVE XML DATENBANKEN Native XML DBMS XML-fähige RDBMS 30

31 XML-fähige RDBMS versus native XML DBMS Checkliste für Unternehmen XML-fähige RDBMS Native XML DBMS Kosten und Risiken Investment EAI 31

32 XML-fähige RDBMS versus native XML DBMS Charakteristika XML-fähige RDBMS Native XML DBMS Sicherheit Speicherung Round-tripping Datenmodell Transaktionen und Sperrung Skalierbarkeit Normalisierung und Datenintegrität starr flexibel 32

33 XML-fähige RDBMS versus native XML DBMS - Charakteristika Abfragesprachen Datenmanipulation Programmier- Schnittstellen XML-fähige RDBMS (SQL/XML) (SQL) Native XML DBMS (XQuery, XQueryFT) (XUpdate) Performance (einfache Operationen und häufige Aktualisierung) (Speicherung und komplexe Abfragen) 33

34 XML-fähige RDBMS versus native XML DBMS Datenkategorien XML-fähige RDBMS Native XML DBMS Dokumentorientierte Inhalte Datenorientierte Inhalte Semistrukturierte Inhalte Inhalte mit Metadaten (einfache Abfrage) (häufige und komplexe Abfragen) 34

35 Anwendungsgebiete 35

36 Anwendungsgebiete Content Management Das Web-Content Management erfolgt mit einer nativen XML Datenbank. Je nach Auslastung kann aber auch eine relationale XML-fähige Datenbank in Betracht gezogen werden HTML-Browser Web-Server XML-fähige DBMS 1- XQuery 2- XQuery 4- HTML + CSS Prozessor XSLT XSLT 3a- XML 3b- XSL 36

37 Anwendungsgebiete Content Management Sollte die Dokumentverwaltung dokument-orientierte Inhalte voraussetzen, fällt die Entscheidung auf eine native XML Datenbank. Der Inhalt soll seine Struktur behalten sowie für intelligente Recherchen zugänglich sein. Dabei muss das Ganze fein verwaltbar bleiben Verfasser XML XML Editor Editor XML Verlaufs_ protokoll Administrator Webanwendung Such_ Such_ schnittstelle Internet-Surfer/in HTML Publikation Speicherung Suche Extrahierung PDF XML Native XML DBMS 37

38 Anwendungsgebiete Content Management Die Verwaltung medizinischer Daten (Patienten, Analysen, Diagnosen, ) schreibt einen Kontext mit semi-strukturierten Inhalten ja sogar Metadaten vor. Daher wird die Nutzung einer nativen XML Datenbank empfohlen Mediziner Experte_ schnittstelle Forschungs_ verantwortliche Anwendungsserver Verwaltungs_ schnittstelle XML Remote Anwendungsserver B2B Austausch XML Kommunications_ modul modul Native XML DBMS 38

39 Anwendungsgebiete Content Management Die Verwaltung von eforms (auf dem Internet verfügbare Dokumente) verwendet relationale Datenbanken. Das Datenmodell ist starr, die Protagonisten jedes Sektors haben Dokumentenmodelle (XSD-Schemata) definiert. Die XML- Dokumente müssen diesbezüglich gültig sein. Dennoch könnte eine Weiterentwicklung dieser Architektur eine native XML Datenbank integrieren, welche die XML-Daten (als Beweis) mit oder ohne Schema speichert. 39

40 Anwendungsgebiete EAI (Enterprise Application Integration) Das SOI-Konzept (Service-Oriented Integration) integriert die heterogenen Anwendungs-Services: in diesem Zusammenhang ist es notwendig, die empfangenen XML- Daten zu konvertieren und diese in einer Datenbank zur weiteren Nutzung zu speichern. Es ist äußerst schwer, eine Empfehlung auszusprechen, ob XML-fähige RDBMS oder native XML Datenbanken besser wären, da speziell den jeweiligen XML-Datenkategorien, die aus den heterogenen Anwendungs-Services stammen, Rechnung getragen werden muss 40

41 Anwendungsgebiete - EAI Shared Repository (oder auch geteilter Bezug) ist ebenfalls ein Anwendungsbeispiel für Datenbanken, die Daten speichern können Berücksichtigt Anwendungen, die nicht für das Integrieren und Verstehen von XML entwickelt wurden Komplexe und variable Struktur der XML-Daten Einfache und starre Struktur der XML-Daten XML-fähige RDBMS Native XML DBMS 41

42 ZUSAMMENFASSUNG 42

43 Zusammenfassung Die Wahl zwischen einem nativen Speicherungssystem oder einem relationalen Speicherungssystem ist abhängig vom Kontext einer Anwendung und klaren Kriterien Die Gartner Group sagt voraus, dass bereits gegen Ende des Jahres % des B2B-Austauschs durch XML-Dokumente erfolgen wird Durch seine permanente Weiterentwicklung wird XML eine bedeutende Technologie in der verteilten Verarbeitung von Informationen werden. Die nativen XML Datenbanken werden ebenfalls eine wichtige Rolle spielen Die Tendenz geht zu Anwendungen, die native XML Datenbanken und XML-fähige Datenbanken durch die Entwicklung von dynamischen Konnektoren zwischen XML Marken und Kolonnen relationaler Tabellen verbinden 43

44 Quellenverzeichnis Akmal B. Chaudhri, Awais Rashid, Roberto Zicari XML Data Management: Native XML and XML- Enabled Database Systems, Addison Wesley Mark V. Scardina, Ben Chang, Jinyu Wang Oracle Database 10g XML & SQL: Design, Build & Manage XML Applications in Java, C, C++ & PL/SQL, McGraw-Hill/Osborne Kevin Williams Professional XML Databases, Wrox Press

45 Quellenverzeichnis Bourret Ronald, XML and Databases La mission du World Wide Web Consortium Cover Pages, Xml and Databases Feinberg G., Anatomy of a Native XML Database, Sleepycat Software Software AG, XML and Related Technologies 45

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