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PS Informationssysteme in vernetzten Systemen1 Database Interoperability UND Gegenwärtige Forschungsschwerpunkte Michael Rinner, 9901425.

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1 PS Informationssysteme in vernetzten Systemen1 Database Interoperability UND Gegenwärtige Forschungsschwerpunkte Michael Rinner,

2 PS Informationssysteme in vernetzten Systemen2 Interoperability – Inhalt Überblick Datenbank Integration Durchführen von Abfragen Transaktionsmanagement Objekt-Orientierte Technologien

3 PS Informationssysteme in vernetzten Systemen3 Interoperability - Überblick Homogene verteilte DB Systeme Heterogene verteilte DB Systeme Verteilte Multi-DBMS: Bestehen aus mehreren unterschiedlichen DB Typen mit jeweils unterschiedlichen DBMS Bieten Interoperabilität zwischen den DBs

4 PS Informationssysteme in vernetzten Systemen4 Interoperability – Database Integration Schemata aus verschiedenen Datenbanken werden zu einem einzigen universellen DB-Schema zusammengefasst Wird als Global Conceptual Schema bezeichnet Design von Multi-DBMS ist Bottom-up DB Integration erfolgt in zwei Schritten: Schema Übersetzung Schema Integration Schema Übersetzung: Ein bestimmtes Schema wird auf ein anderes abgebildet. Das Produkt wird als kanonische Zwischenform bezeichnet Schema Integration: Identifikation der Komponenten einer DB und Bestimmung ihrer Beziehungen zueinander Wahl der bestmöglichen Repräsentation Integration der kanonischen Zwischenformen in ein globales Schema

5 PS Informationssysteme in vernetzten Systemen5 Interoperability – Database Integration

6 PS Informationssysteme in vernetzten Systemen6 Ein Schema wird auf ein anderes Schema abgebildet Für das Globale konzeptuelle Schema muss ein Zieldatenmodell festgelegt werden Gemeinsamkeiten zwischen dem Ursprungsmodell und dem Zielmodell müssen herausgearbeitet werden Interoperability – Schema Translation

7 PS Informationssysteme in vernetzten Systemen7 Generiert das globale konzeptuelle Schema, indem es die kanonischen Zwischenformen zusammenfasst Beschäftigt sich mit: Identifikation der Komponenten einer DB und ihren Beziehungen Auswahl der bestmöglichen Repräsentationsform für das globale konzeptuelle Schema Integration der kanonischen Zwischenformen Interoperability – Schema Integration

8 PS Informationssysteme in vernetzten Systemen8 Interoperability - Integrationsmechanismen Integrationsmechanismen Binäre Integration Zwei verschiedene Schemata werden zur gleichen Zeit integriert N-äre Integration Mehrere verschiedene Schemata werden zur gleichen Zeit integriert One-Pass Integration Alle vorhandenen Schemata werden zur gleichen Zeit integriert (Sonderform N-äre Integration) Trade-Off zwischen Komplexität und Informationsgehalt Je mehr Schemata zur gleichen Zeit integriert werden, desto mehr Information ist zur Integrationszeit vorhanden. Allerdings werden die Vorgänge dadurch auch immer komplexer und schwieriger zu automatisieren

9 PS Informationssysteme in vernetzten Systemen9 Interoperability – Schema Integration

10 PS Informationssysteme in vernetzten Systemen10 Interoperability – Schema Integration Schema Integration umfasst zwei zentrale Begriffe: Homogenisierung Bestimmung der strukturellen und der semantischen Probleme jeder Teildatenbank Ziel: Teildatenbanken sollen sowohl semantisch, als auch strukturell vergleichbar sein, wenn sie integriert sind Semantische Konflikte – Problem mit Benennung von Einheiten Synonyme und Homonyme Zwei identische Entitäten, unterschiedlicher Name – Synonym Zwei unterschiedliche Entitäten, gleicher Name – Homonym Strukturelle Konflikte Typ Konflikte Abhängigkeitskonflikte Schlüssel Konflikte Verhaltenskonflikte

11 PS Informationssysteme in vernetzten Systemen11 Interoperability – Schema Integration Homogenisierung Bestimmung von Homonymen und Synonymen und die Bestimmung von strukturellen Konflikten erfordert die Bestimmung von Beziehungen zwischen einzelnen Schemata Sie können identisch sein Eine Schema kann eine Teilmenge eines anderen Schemas sein Ein Schema kann eine Elemente enthalten, die auch in einer anderen Menge enthalten sind Sie können disjunkt sein Integration Verschmelzung und Restrukturierung der Zwischen Schemata zu einem einheitlichen globalen Schema Informationen aus den Zwischenschemata müssen übernommen werden Drei Dimensionen Komplett Minimal Verständlich

12 PS Informationssysteme in vernetzten Systemen12 Interoperability – Behandlung von Abfragen Optimierung von Abfragen in homogenen verteilten DBMSs: Aufspalten der Abfrage Suchen der betreffenden Daten Globale Optimierung Lokale Optimierung Architektur des Multi-DBMS spielt entscheidende Rolle Zusätzliche Softwareschicht über den lokalen DBMS Optimierung von Abfragen in Multi-DBMS komplexer, weil Fähigkeiten der lokalen DBMS unterschiedlich Kosten für die Durchführung unterschiedlich Problem beim Verschieben von Daten zwischen DBMS Fähigkeiten für lokale Optimierung sehr unterschiedlich

13 PS Informationssysteme in vernetzten Systemen13 Interoperability - Autonomie Autonomie der Teil-DBMS in folgenden Formen Autonomie bei der Kommunikation Autonomie beim Design Autonomie bei der Ausführung Autonomie sollte nicht beeinträchtigt werden, stellt aber großes Hindernis in Heterogenen Verteilten Systemen dar.

14 PS Informationssysteme in vernetzten Systemen14 Interoperability – verteilte Abfragen

15 PS Informationssysteme in vernetzten Systemen15 Interoperability – Optimierung von Abfragen 1 Arten Heuristik basierte Ansätze Kosten basierte Ansätze Bushy Join Trees Left Linear Join Trees Left Linear Join Trees liefern in zentralisierten Datenbanken sehr gute Ergenisse, sind aber für Multi-DBMS nur bedingt geeignet, da sie keine Möglichkeiten für parallele Abarbeitung bieten.

16 PS Informationssysteme in vernetzten Systemen16 Interoperability – Optimierung von Abfragen 2

17 PS Informationssysteme in vernetzten Systemen17 Lösung: Es werden Bushy Join Trees zu den gleichen Kosten wie Left Linear Trees erzeugt!? – Zauberei? Zuerst werden Left Linear Trees erzeugt und dann zu Bushy Join Trees umgebaut Globale Kostenfunktion – 3 verschiedene Ansätze Teil DBMS wird als Black Box betrachtet. Ergebnisse von Testabfragen werden als Richtwerte herangezogen Ableitung der Kostenfunktion aus dem bestehenden Wissensstand unter Berücksichtigung der Informationen über jedes Teil-DBMS Beobachtung des Laufzeitverhaltens – dynamisches Sammeln und Auswertung von Information Interoperability – Optimierung von Abfragen 3

18 PS Informationssysteme in vernetzten Systemen18 Interoperability – Transaktionsmanagement 1 Herausforderung für Multi-DBMS: Durchführung von globalen Update-Operationen (INSERT, DELETE, UPDATE), ohne die Autonomie der Teilsysteme einzuschränken Autonomie der Teil-DBMS Execution Autonomie Design Autonomie Jedes Teil-DBMS hat einen eigenen Lokalen Transaktions Manager (LTM) und eine Multi-DBMS Software Schicht Transaktionsmanager der Multi-DBMS Schicht heißt Global Transaction Manager (GTM) Zwei Arten von Transaktionen in einem Multi-DBMS: Lokale Transaktionen Globale Transaktionen

19 PS Informationssysteme in vernetzten Systemen19 Concurrency Control (Kontrolle des gleichzeitigen Zugriffs) Jeder LTM ist für die korrekte Ausführung der Transaktionen in seiner eigenen DB verantwortlich Jeder LTM ist außerdem dafür verantwortlich, dass sein Transaktionsplan serialisierbar ist und Fehler rückgängig gemacht werden können Jeder LTM hält sich an die Ausführungsreihenfolge, die vom GTM festgelegt wird Der GTM ist verantwortlich für die globale Steuerung von Transaktionen (Deadlocks!) Interoperability – Transaktionsmanagement 2

20 PS Informationssysteme in vernetzten Systemen20 Interoperability – Objekt- Orientierung Objektorientierung spielt eine wichtige Rolle im Bereich Architektur und als objektorientierte DBs Zwei wichtige OO-Konzepte: Kapselung Spezialisierung/Generalisierung Zahlreiche OO-Plattformen zur Entwicklung von verteilten Systemen können auch zur Verbindung von Datenbanksystemen herangezogen werden: CORBA DCOM COM OLE Etc.

21 PS Informationssysteme in vernetzten Systemen21 Interoperability - OMA Object Management Architecture (OMA) ist eine verteilte Architektur der Object Management Group (OMG) zur Erstellung verteilter Umgebungen OMA definiert Objekt Modell Interaktionsmodell mit Method Invocations Services Ein OMA Modul besteht aus Applikationsobjekten Common Object Request Broker (CORBA) Common Object Services (COSS)

22 PS Informationssysteme in vernetzten Systemen22 Interoperability - CORBA

23 PS Informationssysteme in vernetzten Systemen23 Interoperability - CORBA CORBA – wichtigster Mechanismus von OMA Object Request Broker (ORB) – regelt die Kommunikation zwischen den Objekten im Netzwerk Bietet folgende Grundfunktionalitäten: Target Object Location Message Delivery Method Binding Außerdem bietet CORBA noch Services für: Naming Query Concurrency Transaction Event Life Cycle Relationship Etc.

24 PS Informationssysteme in vernetzten Systemen24 Interoperability - CORBA

25 PS Informationssysteme in vernetzten Systemen25 Interoperability – CORBA und Database Interoperability Unterstützt Heterogenität durch Interface Definitionen (IDL) CORBA und COSS bieten einfache Datenbank Services Transaction Services Backup- und Recovery Services Concurrency Services Query Services

26 PS Informationssysteme in vernetzten Systemen26 Current Issues - Inhalt Überblick Datenübertragung Data Warehousing World Wide Web (WWW) Push-based Technolgies Mobile Datenbanken

27 PS Informationssysteme in vernetzten Systemen27 Grundlage – Technologische Veränderungen Entwicklung von Breitband Netzwerken Aufkommen des Internets Decision Support Systems Bewältigung riesiger Datenmengen Online Transaction Processing (OLTP) Online Analytical Processing (OLAP) Data Warehousing Änderungen im Datenzugriffsverhalten Repräsentation von Informationen im Internet Current Issues - Überblick

28 PS Informationssysteme in vernetzten Systemen28 Current Issues – Grundlagen Datenübertragung Drei verschiedene Gesichtspunkte: Übertragungsmodus Pull-only Push-only Hybrid Übertragungshäufigkeit Periodisch Bedingt Ad-hoc Unregelmäßig Kommunikationsmethoden Unicast (one-to-one) Multicast (one-to-many)

29 PS Informationssysteme in vernetzten Systemen29 Current Issues - Grundlagen

30 PS Informationssysteme in vernetzten Systemen30 Current Issues – Data Warehousing Data Warehousing – Soll den Entscheidungsprozess erleichtern Wichtiges Anwendungsgebiet für verteilte DBs: Decision Support Systems Vorläufer und Technologien: Online Transaction Processing (OLTP) Online Analytical Processing (OLAP) Aggregation von Daten Zugriffe auf Daten generell read-only

31 PS Informationssysteme in vernetzten Systemen31 Current Issues – Data Warehousing

32 PS Informationssysteme in vernetzten Systemen32 Current Issues – Data Warehousing Architekturen Besteht aus einer oder mehreren Quelldatenbanken Quell-DBs beinhalten operationale Daten (nicht aufbereitet) Werden in einer Zieldatenbank zusammengefasst (Warehouse) Integration ist ähnlich zur Integration von Multi-DBMS Zwei verschiedene Typen Zentralisierter Ansatz Datamarts Dezentralisierter Ansatz OLAP Datenmodell Multidimensional Aggregation als wichtigste Methode zur Datenmanipulation OLAP Servers Multidimensional OLAP (MOLAP) – direkter Zugriff auf mehrdimensionale Datenstrukturen Relational OLAP (ROLAP) – verwendet Methoden von relationalen DBs

33 PS Informationssysteme in vernetzten Systemen33 Current Issues – Data Warehousing Architekturen

34 PS Informationssysteme in vernetzten Systemen34 Das Web wächst exponentiell Anzahl und Art der Applikationen nimmt ständig zu Schnelle Entwicklung führt zu Problemen Sicherheit Zugriff auf die „richtigen“ Informationen Verteilte DBs werden immer wichtiger Stichwort: Strukturierung von Information Current Issues - WWW

35 PS Informationssysteme in vernetzten Systemen35 Current Issues - WWW Architektur und Protokolle Web Architektur: Client/Server HTTP und TCP/IP HTTP ist effizient (große Anzahl zustandsloser Verbindungen) Bietet nur unzureichende Unterstützung für Sessions Uniform Resource Locator (URL) HTML (Hypertext Markup Language) Weitgehend plattformunabhängig XML (Extended Markup Language) Bietet eine klarere Trennung zwischen Datenstrukturierung und Präsentation Stärker plattformunabhängig als HTML Erleichtert den Suchprozess durch Strukturinformation in Dokumenten Standard für den Datenzugriff

36 PS Informationssysteme in vernetzten Systemen36 Zugriff auf Datenbanken im Web Three-Tier-Architektur Kann auf eine N-Tier-Architektur verallgemeinert werden Current Issues - WWW

37 PS Informationssysteme in vernetzten Systemen37 Current Issues - WWW Web ist eine Sammlung von unstrukturierten Dokumenten Welche Formen der Strukturierung kommen vor? Unstrukturiert (Bilder, einfache Texte) Semistrukturiert (HTML, XML) Voll Strukturiert (relationale oder objektorientierte DBs) Semistrukturierte Daten Darstellung als Graph Knoten sind Objekte Kanten sind Referenzen Object Exchange Model (OEM) Document Object Model (DOM) Datenintegration im Internet Einsatzgebiet für Multi-DBMS große Anzahl an Datenquellen Unterschiedlich stark strukturiert Unterschiedliche Fähigkeiten Forschung erst am Anfang – Datenbanken nicht für Speicherung geeignet

38 PS Informationssysteme in vernetzten Systemen38 Current Issues – WWW Integration von Information aus dem Internet erfordert integrierte globale Sicht Anzahl der Datenquellen sehr hoch Datenquellen sehr dynamisch Datenquellen sind sehr unterschiedlich (DBMS, Files, etc.) Daten können unstrukturiert oder semistrukturiert sein Wrapper Exportiert Informationen über die Datenquelle, das verwendete Schema, die Daten und die Abarbeitung von Abfragen Mediator Zentralisiert die Informationen, die Wrapper liefern und bereitet sie in einer einheitlichen Sicht auf (global data dictionary) Zerlegt Benutzerabfragen in Teile (welche die Wrapper ausführen) und baut die Antwort aus den Teilergebnissen zusammen

39 PS Informationssysteme in vernetzten Systemen39 Current Issues – WWW Keine Vorgaben, wie die Datenquellen beschreiben sollen Keine Vorgaben, wie Mediator mit den Daten umgehen soll Weit verbreitete Abstraktion für die Integration von Information

40 PS Informationssysteme in vernetzten Systemen40 Gegenwärtige Forschungsschwerpunkte Mediator-Wrapper Architektur Gleichartiger Zugriff auf heterogene Datenquellen im Internet Zugriff auf semistrukturierte Daten Verhindern von Ausfällen des Gesamtsystems, wenn eine Datenquelle ausfällt - Fehlertoleranz Current Issues – WWW

41 PS Informationssysteme in vernetzten Systemen41 Current Issues – Push-based Approach Antwort auf Probleme in traditionellen Pull-based Systemen Pull-based? Client fordert Information vom Server an – Server selbst ist passiv Problem Benutzer muss selbst wissen, wo er Information findet Asymmetrie im Web – wird vom Pull-based Approach nicht berücksichtigt Asymmetrie im Netz Unterschiedliche Bandbreite bei Up- und Downstream Unterschiedliche Anzahl von Clients und Servern in DS (Serverüberlastung) Datenfluß vom Server zum Client umfangreicher als umgekehrt Data Volatility Probleme bei Push-based Ansätzen Server muss die Bedürfnisse der Clients kennen Cache Management auf Client Seite schwierig

42 PS Informationssysteme in vernetzten Systemen42 Current Issues – Push-based Approach Delivery Schedule (Zeitplan für Datenübertragungen) Server muss wissen, wann jeder Client welche Infos benötigt Broadcast Disk – Daten werden übertragen, wenn sie verfügbar sind Flat Disk – Gleichzeitige Übertragung aller Daten in konstanten abständen – Problem: „hot“ und „cold“ Pages Skewed – Zufällige Übertragung von Seiten, wobei Hot Pages eine höhere Übertragungswahrscheinlichkeit haben Multi-Disk – Hot Pages werden häufiger übertragen, aber in unregelmäßigen Abständen

43 PS Informationssysteme in vernetzten Systemen43 Client Cache Management Update-Zeitplan ist ein Kompromiss Aufgabe: So viele benötigte Seiten wie möglich im Cache halten Traditionelle Ansätze (LRU): „Hottest Pages“ werden gecached Problem 1: Muss die Kosten für das Ersetzen einer Seite berücksichtigen Problem 2: Jeder Client hat eigene „Hot Pages“ Problem 3: Müssen nicht mit globalen „Hot Pages“ übereinstimmen Lösung: Cache sollte jene Seiten beinhalten, die global „cold“, aber lokal „hot“ sind Current Issues – Push-based Approach

44 PS Informationssysteme in vernetzten Systemen44 Durchführen von Updates Add, Delete und Update Operationen Entfernen von Seiten aus dem Update Schedule Konsistenzprobleme auf der Clientseite Ansätze zur Lösung des Problems Latest Value Quasi-Caching Periodisch Serializability Opportunistic Problem mit Updates ist noch großteil unverstanden!!!!! Current Issues – Push-based Approach

45 PS Informationssysteme in vernetzten Systemen45 Current Issues – Mobile Datenbanken Zentrales Thema: Einsatz von Datenbanken in Wireless Networks Wireless Network besteht aus Einer „Wireline“ (fixed) Network Bachbone Mehreren Kontrollstationen die über diese verbunden sind Jede Kontrollstation kontrolliert die Kommunikation mit Mobilen Einheiten innerhalb seiner Zelle Daten können sowohl im Netzwerk, als auch auf mobilen Einheiten liegen „Walkstation“ Case Probleme mit Wireless Networks: Kommunikation: Ausfälle von Einheiten, schlechte Verbindungen, Echo, geringe Bandbreite Mobilität: Adress Migration Portabilität: Beschränkungen für Equipment

46 PS Informationssysteme in vernetzten Systemen46 Current Issues – Mobile Datenbanken

47 PS Informationssysteme in vernetzten Systemen47 Current Issues – Mobile Datenbanken Weitere Probleme mit mobilen Einheiten Batteriebetriebene Geräte haben eine begrenzte Lebensdauer Verfügbarkeit ist nicht immer gegeben Problem mit der Verfolgung von mobilen Einheiten im Netzwerk Directory Management Hängt eng mit Architektur zusammen Optimale Verteilung der Einheiten? – Zentrale Frage Wie sollen Mobile Einheiten lokalisiert werden? Jede Mobile Einheit hat eine Heimatstation, die seine gegenwärtige Position kennt Suchen mit Hilfe von Broadcasts in einem bestimmten Bereich des Netzwerks Zurücklassen der Adresse zu der die Station geht Wie sollen Daten im Netzwerk verteilt werden, damit optimal darauf zugegriffen werden kann?

48 PS Informationssysteme in vernetzten Systemen48 Caching in Wireless Networks Query Shipping System – Leistungsschwache Einheiten Berechnung werden stationär durchgeführt Daten danach an die mobilen Einheiten gesendet Semantic Caching Granularität – Resultat einer Abfrage Weniger Netzwerk Traffic Geringerer Platzbedarf Unterstützt Ortsbasierende Ersetzungsstrategien Cache Kohärenz Automatische Updates vom Server Benachrichtigungen über Gültigkeit der Daten Current Issues – Mobile Datenbanken

49 PS Informationssysteme in vernetzten Systemen49 Broadcast Data Broadcasting von Basisstationen an mobile Einheiten wirkt Performance steigernd Sehr regelmäßiger Broadcast Schedule nötig Inhalt der übertragenen Daten sollte dynamisch und adaptiv sein Tuning time Wie lange muss ein Client auf einem Kanal horchen, bis die Information kommt Air-Cache Approach Ändert den Inhalt einer Broadcast Disk dynamisch, je nach der Zugriffsfrequenz der Daten Current Issues – Mobile Datenbanken

50 PS Informationssysteme in vernetzten Systemen50 Abarbeitung und Optimierung von Abfragen sind sehr stark von der Mobilität der Einheiten beeinflusst Problem: Ortsabhängigkeit von Abfragen im Zusammenhang mit mobilen Einheiten Traditionelle DBMS unterstützen nur ortsabhängige Abfragen („location transparency“) Location Dependent Data (LDD) Gleiche Abfrage an verschiedenen Orten führt zu unterschiedlichen Ergebnissen „Spatial Replication“ Lösung: Lokale Abfragen werden mit Ortsspezifischen Informationen Abfrage wird dabei an einen bestimmten Ort gebunden Optimierung: Bestimmung von Kosten der Kommunikation sehr schwer! Hohe Kosten durch Network Traffic, schlechte Bandbreite, etc. Statische Optimierungsmethoden können nicht angewandt werden Current Issues – Mobile Datenbanken


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