Physische XML-Speicherstrukturen und Indizes
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- Alexander Friedrich
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1 Physische XML-Speicherstrukturen und Indizes Holger Meyer Database Research Group University of Rostock Physische XML-Speicherstrukturen und Indizes p. 1
2 Inhalt 1. Überblick XML-Dateiorganisation und Zugriffpfade 2. Werteindizes 3. Volltextindizes 4. XML-Dateiorganisation 5. Struktur- und Pfadindizes 6. Zusammenfassung Physische XML-Speicherstrukturen und Indizes p. 2
3 Zugriffspfade Werteindex, atomar Elementinhalte, Attributwerte, strukturierte Anteile eins XML-Dokumentes Volltextindex einzelnen Worte des Volltextes, ganzen Sätzen oder Phrasen einer natürlichen Sprache, Zugriff mit Information Retrieval-Techniken. Struktur- und Pfadindex effiziente Auswertung von Anfragen unter Einbeziehung der Dokumentstruktur. physische Speicherstrukturen zur Ablage von XML- Fragmenten Physische XML-Speicherstrukturen und Indizes p. 3
4 1.1 Kriterien Dateiorganisationsform oder Zugriffspfad Primärindex oder Sekundärindizes Statische oder dynamische Strukturen Ein- oder Mehrattributindex, ein- oder mehrdimensionaler Index Erhaltung einer Ordnung Form der unterstützen Anfragen: Punktanfragen, Bereichsanfragen, partielle Anfragen, vage Anfragen Pfadindex: Schemainformation vorhanden oder nicht Pfadindex: akkurat, eindeutig, vollständig Physische XML-Speicherstrukturen und Indizes p. 4
5 2 Werteindex Hash-Strukturen am Beispiel Erweiterbares Hashing Punktanfragen, O(c) dynamische Index-Bäume am Beispiel B + -Baum Bereichsanfragen, Präfixsuche Signatur-Bäume n-dimensionaler Zugriff, Ähnlichkeitssuche Physische XML-Speicherstrukturen und Indizes p. 5
6 2.1 Erweiterbares Hashing d = 3 d = 3 A I N d = d = 2 A I M N d = 2 B d = 2 C d = 2 D O T H S Q d = 2 B d = 2 C d = 2 D O T H d = 3 M R S Q (a) vor (b) nach dem Einfügen von R Physische XML-Speicherstrukturen und Indizes p. 6
7 2.2 B + -Baum B H P A B D E F H J K M P R S T U Abbildung 2: B + -Baum, Ordnung M = 4 Physische XML-Speicherstrukturen und Indizes p. 7
8 B + -Baum (cont d) L B H P A B D E F H R S T U J K L M P Abbildung 3: nach dem Einfügen von L Physische XML-Speicherstrukturen und Indizes p. 8
9 2.3 Signaturbaum Abbildung 4: Baum, Ordnung M = 4 und m = 2 Physische XML-Speicherstrukturen und Indizes p. 9
10 Signaturbaum (cont d) Abbildung 5: Suche nach der Signatur Physische XML-Speicherstrukturen und Indizes p. 10
11 3 Volltextindex Anfragen an Volltext kann man grob in drei Formen unterteilen: Stichwortbasierte Suche, Mustersuche und Strukturierte Anfragen. Physische XML-Speicherstrukturen und Indizes p. 11
12 3.1 Invertierte Datei <hotel 1 > <name 2 >Am 3 Leuchtturm 4 </name 5 > <beschreibung 6 > Das 7 Hotel 8 befindet 9 sich 10 gegenüber 11 dem 12 Hotel 13 <hotel 14 ><name 15 >Neptun 16 </name 17 ></hotel 18 >. 19 </beschreibung 20 > </hotel 21 > Physische XML-Speicherstrukturen und Indizes p. 12
13 Invertierte Listen Beispiel Word Vorkommen. { 19 } am { 3 } befindet { 9 } beschreibung { 6, 20 } das { 7 } dem { 12 } gegenber { 11 } hotel { 1, 8, 13, 14, 18, 21 } leuchtturm { 4 } name { 2, 5, 15, 17 } neptun { 16 } Physische XML-Speicherstrukturen und Indizes p. 13
14 B + -Baum, Ordnung M = 4 doc1 19. am befindet beschreibung doc1 3 doc1 9 doc das das dem doc1 doc leuchtturm gegenüber hotel doc1 11 doc leuchtturm name doc1 4 neptun doc doc1 16 Physische XML-Speicherstrukturen und Indizes p. 14
15 3.2 Tries H Hotel L e i u Leitung e c h t t Leuchten Leuchtturm Physische XML-Speicherstrukturen und Indizes p. 15
16 3.3 Patricia-Baum H Hotel 0 i Leitung L 2 u 5 e Leuchten t Leuchtturm Physische XML-Speicherstrukturen und Indizes p. 16
17 3.4 Suffixbaum leuchtturm euchtturm u chtturm htturm t rm m chtturm rm turm urm Physische XML-Speicherstrukturen und Indizes p. 17
18 3.5 Suffix Arrays l e u c h t t u r m Physische XML-Speicherstrukturen und Indizes p. 18
19 Vergleich Volltextindizes Kriterium Invert. Suffix Signatur- Datei Array baum exakte Suche Bereichsanfragen Präfixsuche Teilzeichenketten partielle Anfragen Physische XML-Speicherstrukturen und Indizes p. 19
20 4 Dokumentspeicherung komplette physische Speicherung von XML- Dokumenten Speicherung der (DOM-)Knoten, Clustering Indizierung der Baum- oder Graphenstruktur eines XML-Dokumentes Pfadindizes, XPath sind nicht General Path Expression (GPE) Physische XML-Speicherstrukturen und Indizes p. 20
21 4.1 Persistentes DOM in Infonyte-DB persistente Speicherung der durch DOM implizierten Struktur pro XML-Dokument eine Datei seitenorganisiert: Knotenseite aus 128 DOM-Knoten Knotenindex (Node page index, NPI), Elementindex (Dictionary, DICT) Strukturindex auf Basis Knotensignatur Volltextindex auf Basis invertierter Dateien Xpath, XSLT, XQL, XQuery Physische XML-Speicherstrukturen und Indizes p. 21
22 Aufbau einer PDOM-Datei DICT NPI DICT NPI (a) vor DICT NPI (b) nach Reorganisation Physische XML-Speicherstrukturen und Indizes p. 22
23 4.2 Hybride Speicherung in Natix Knotenstruktur analog DOM, seitenbasierte Speicherung, Clustering: Teilbäume, Proxy-Knoten, B-Baum-ähnliche Struktur, Splitting, Merging Physische XML-Speicherstrukturen und Indizes p. 23
24 Dokument und Clustering in Natix Proxy Knoten Physische XML-Speicherstrukturen und Indizes p. 24
25 5 Struktur-/Pfadindizes allgemeine Pfadausdrücke (GPE) mit oder ohne Schema (DTD, XML Schema) eindeutig, jeder Pfad genau einmal akkurat, alle Pfade exakt abgebildet vollständig, ganze Pfade, nicht nur Teilpfade Physische XML-Speicherstrukturen und Indizes p. 25
26 6 Pfadauswertung einfache Pfade: /a/b, a/b/c Achsennavigation: Vorgänger, Nachfolger, Geschwister,... einfache Muster: a//b, a/*/b komplizierter: // und * in Kombination allgemein: Pattern matching in Bäumen, reguläre Ausdrücke, NFA (O(nm)) Physische XML-Speicherstrukturen und Indizes p. 26
27 6.1 XML-sensitiver Volltextindex <hotel 1 > <name 2 >Am 3 Leuchtturm 4 </name 5 > <beschreibung 6 > Das 7 Hotel 8 befindet 9 sich 10 gegenüber 11 dem 12 Hotel 13 <hotel 14 ><name 15 >Neptun 16 </name 17 ></hotel 18 >. 19 </beschreibung 20 > </hotel 21 > / hotel name beschreibung hotel name text() text() text() text() "Am Leuchtturm" "Neptun" "." "Das Hotel befindet sich gegenüber dem Hotel" Physische XML-Speicherstrukturen und Indizes p. 27
28 Numerierungsschemata Kodierung der Knotenabfolge Achsenavigation, Volltextoperationen Dietz (pre-, post-order), Element-Subelement, Vorgänger/Nachfolger, Phrasen, Position-Size, Updates, Bitvektor, Element-Subelement, Vorgänger/Nachfolger, Subskript, Hierarchie Grundlagen: Bereichsalgebren, Suche in metrischen Räumen Physische XML-Speicherstrukturen und Indizes p. 28
29 Numerierungsschemata (cont d) <1, 21> (1, 100) 1 <2, 5> <6, 20> (10, 30) (45, 40) <3, 4> <7, 13> <14, 18> <19, 19> (15, 5) (50, 10) (65,14) (80, 2) <15, 17> (70, 7) <16, 16> (72, 3) (c) Dietz (d) Size (e) Bitvektor Physische XML-Speicherstrukturen und Indizes p. 29
30 Numerierungsschemata (cont d) y (post) descendant(13,19) ancestor(11,11) x (pre) Physische XML-Speicherstrukturen und Indizes p. 30
31 Elementindizierung Wortposition (Start-Tag, Ende-Tag) CONTAINS-Anfragen, SQL/MM Fulltext einfache Pfadanfragen, Element-Subelement Aufbau analog Volltextindex mit Wortpositionen Element Vorkommen beschreibung {(6, 20)} hotel {(1, 21), (14, 18)} name {(2, 5), (15, 17)} Physische XML-Speicherstrukturen und Indizes p. 31
32 Anfragen Anfragetyp: elem//subelem select sub.* from element e, element sub where e.begin < sub.begin and sub.end < e.end and e.name = elem and sub.name = subelem Physische XML-Speicherstrukturen und Indizes p. 32
33 6.2 XASR Pfadindizierung, Pre-Post-Order, Vaterknoten, Element-Subelement-Anfragen Verbundfolgen docid position dparent element dmin dmax hotel name beschreibung hotel name Physische XML-Speicherstrukturen und Indizes p. 33
34 Anfragen Anfragetyp: elem/subelem select sub.* from element e, element sub where e.dmin = sub.dparent and e.name = elem and sub.name = subelem Physische XML-Speicherstrukturen und Indizes p. 34
35 6.3 Index Fabric Vollständige Pfade, ausgewählte Teilpfade für häufige Anfragen akkurat, eindeutig kein Schema Mehr-Ebenen-Patricia-Baum spezielle Elementkodierung Elementnamen als Zeichen eines erweiterten Alphabets Präfixnotation Beispiel Hotelnamen: hotel H, name N H N Am Leuchtturm H N Neptun Physische XML-Speicherstrukturen und Indizes p. 35
36 Mehr-Ebenen-Patricia-Baum Layer 1 Layer 0 "" 0 H "" 0 L L "Le" 2 u i 2 u "Leucht" 5 e t Hotel Leitung Leuchten Leuchtturm Physische XML-Speicherstrukturen und Indizes p. 36
37 6.4 Pfad-Indizierung in SphinX Schema notwendig Schemagraph und B + -Baum akkurat, eindeutige Pfadindizierung GPE Physische XML-Speicherstrukturen und Indizes p. 37
38 SphinX Index-Struktur name Dokument Graph hotel beschreibung Schema Graph hotel hotel name beschreibung Am Leuchtturm Das Hotel befindet sich gegenuber dem Hotel name Neptun B+ Baum B+ Baum Abbildung 6: Dokument- und Schemagraph Physische XML-Speicherstrukturen und Indizes p. 38
39 7 Zusammenfassung Vielzahl weiterer Techniken: Dataguides, 1-Index, 2-Index, T-Index, ToXin,... Unterstützung nicht nur für einfache Pfadausdrücke, sondern GPE Aufwand für GPE: analog zu regulären Ausdrücken, NFA, DFA Verbesserung wenn Schema vorhanden (Dokumentvs. Schemagraph) Physische XML-Speicherstrukturen und Indizes p. 39
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