XML in relationalen Datenbanken

Seminarvortrag zum Seminar
Allgemeine Informatik
XML in relationalen
Datenbanken
Tobias Webelsiep
Sommersemester 2003
Betreuer: Prof. Dr. V.
Klement
XML in relationalen Datenbanken
Inhalt des Vortrags
Einführung in XML und RDBMS
Verbreitung, Motivation
XML – eXtensible Markup Language
XML Struktur, DTD, XML Schema, XSLT, XPath
Speicherverfahren von XML in RDBMS
XSLT-Skript, CLOB, Relationenschema
Ausgabe relationaler Daten im XML-Format
Darstellung von Tabellen, SQL-Erweiterung
XML-Schnittstellen der Datenbank-Hersteller
Oracle 9i, MS SQL Server, IBM-DB2 XML Extender
Ausblick und Zukunftsperspektiven
Inhalt
Tobias Webelsiep
© 2003
XML in relationalen Datenbanken
Einführung
Relationale Datenbanken
• Das Medium zur Speicherung von Daten
• Einfacher Zugriff durch SQL
Informationen
• Starke Wandlung seit Benutzung des Internets
• Flexibilität, Austauschbarkeit und Plattformunabhängigkeit sind wichtig
XML
• Ist eine Beschreibungssprache von Dokumenten wie HTML
• Strukturiert Informationen zum Datenaustausch
Einführung
Tobias Webelsiep
© 2003
XML in relationalen Datenbanken
Verbreitungsgrad
Verbreitung relationaler Datenbanken:
• Sind fast in jedem Anwendungsgebiet einsetzbar
• Erweiterung durch das objekt-relationale Modell
• Sehr große Anzahl von Internet-Datenbanken
Anwendungsgebiete von XML
• Ideal zur Transformation in Internet-Formate (HTML, PDF, …)
• Spezielle Auszeichnungssprachen (Ausprägung von XML):
 BSML (Bioinformatic Sequence Markup Language)
 MathML (Mathematical Markup Language)
 AIML (Astronomical Instrument Markup Language)
 RDBMS und XML treffen in der Praxis häufig aufeinander
Einführung
Tobias Webelsiep
© 2003
XML in relationalen Datenbanken
XML – eXtensible Markup Language
• XML wurde 1996 vom W3C (World Wide Web Consortium)
vorgeschlagen
• 10.02.1998 als Version 1.0 standardisiert
• XML ist eine Ableitung von SGML (Standard Generalized ML)
• Einige Ziele des Designs:
 Leichte Benutzung fürs Internet
 Soll ein plattformunabhängiges Format sein
 Design soll prägnant und leicht zu erlernen sein
 Leichte Erstellung von Dokumenten
 Dokumente solle leicht lesbar und verständlich sein
XML – eXtensible Markup Language
Tobias Webelsiep
© 2003
XML in relationalen Datenbanken
Warum XML?
HTML (Hyper Text Markup Language)
• HTML ist eine Beschreibungssprache für Internetseiten
• Das Aussehen der Information wird definiert
• Festgelegte Tags, die viel Spielraum erlauben
Vorteile von XML
• Tags sind frei wählbar, je nach Anwendungsgebiet
• Die Struktur und die Semantik von Dokumenten wird hervorgehoben
• Dem Dokument werden Meta-Daten hinzugefügt
• Die Interpretation ist fest definiert
XML – eXtensible Markup Language
Tobias Webelsiep
© 2003
XML in relationalen Datenbanken
Aufbau und Struktur
Struktur
• Zentrale Struktur ist der Baum
• Gleichartige Informationen im
Dokument werden zusammengefasst
• Jedes XML Dokument hat die
gleiche interne Struktur
Aufbau
• Jedes XML Dokument muss mit
der XML Deklaration beginnen
• Jedes Dokument besitzt genau
eine Wurzel
XML – eXtensible Markup Language
Tobias Webelsiep
© 2003
XML in relationalen Datenbanken
Syntax – Beispiel (1)
• Stylesheet-Deklaration
<?xml-stylesheet href="buchliste.xsl" type="text/xsl"?>
• Kommentar
<!-- Ich bin ein Kommentar, den keiner sieht -->
• Tags
Zu jedem Start-Tag muss ein Ende-Tag angegeben werden.
 Es gibt das Leere Elemente: <LeerTag/>
• Attribute
Können beliebig zu jedem Element angegeben werden
XML – eXtensible Markup Language
Tobias Webelsiep
© 2003
XML in relationalen Datenbanken
Syntax – Beispiel (2)
• Entity-Referenzen
Stehen für spezielle Zeichen
&
<
>
&qout;
'
->
->
->
->
->
&
<
>
“
‘
• CDATA
Die Zeichen innerhalb von
CDATA werden nicht untersucht (wie Kommentar),
aber angezeigt.
<![CDATA[Ich schreibe < und & wie ich will]]>
XML – eXtensible Markup Language
Tobias Webelsiep
© 2003
XML in relationalen Datenbanken
DTD oder XML Schema?
DTD (Document Type Definition)
• Legt den Aufbau eines XML Dokuments fest
• Bestimmt Abhängigkeiten und Reihenfolge
• Anzahl von Elementen: ?, +, * bzw. durch |
Vorteile von XML Schema
• Ist selbst wieder ein XML Dokument
• Angabe von Datentypen (Zahl, Datum usw.) möglich
• Die Definition vom XML Schema durch eine DTD oder XML
Schema möglich
• Angabe von Namensräumen zur Vermeidung von Konflikten
XML – eXtensible Markup Language
Tobias Webelsiep
© 2003
XML in relationalen Datenbanken
DTD oder XML Schema - Beispiel
DTD
<!ELEMENT
<!ELEMENT
<!ATTLIST
<!ELEMENT
<!ELEMENT
buchliste (buch+)>
buch (isbn, autor, titel, verlag, erscheinungsjahr)>
buch ausgabe (t|g|r) ’g’>
autor (#PCDATA)>
titel (#PCDATA)>
XML Schema
<xsd:element name="buchliste" type="buch"/>
<xsd:element name="buch>
<xsd:complexType>
<xsd:sequence>
<xsd:element name="autor" type="xsd:string"/>
<xsd:element name="titel" type="xsd:string"/>
</xsd:sequence>
<xsd:attribute name="ausgabe" value="g" type="xsd:string"/>
XML – eXtensible Markup Language
Tobias Webelsiep
© 2003
XML in relationalen Datenbanken
XSL Transformation
• Ist wiederum ein XML Dokument
• XSL ist eine Stylsheetsprache (eXtensible Stylesheet Language)
• Erlaubt die Umwandlung von XML Dokumenten in beliebige Formate
Elemente von XSLT
• XSLT Elemente - zu Definition
<xsl:template>
• XPath – zur Navigation
• XSLT Muster
<xsl-tamplate match=“buch“>
• XSLT Funktionen –
zur Typumwandlung, Arthmetik
XML – eXtensible Markup Language
Tobias Webelsiep
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XML in relationalen Datenbanken
XSLT - Beispiel
Umwandlung von XML in HTML
<?xml version="1.0" encoding="ISO-8859-1"?>
<xsl:template match="/">
<html>
<head>
<title>Buchliste</title>
</head>
<body>
<h1>Buchliste</h1>
<table>
<tr>
<td><b>Buch<b></td>
</tr>
<xsl:apply-templates/>
</table>
</body>
</html>
</xsl:template>
XML – eXtensible Markup Language
...
<xsl:template match="buchliste">
<xsl:apply-templates/>
</xsl:template>
<xsl:template match="buch">
<tr>
<td><xsl:value-of
select="child::buch"/></td>
</tr>
</xsl:template>
Tobias Webelsiep
© 2003
XML in relationalen Datenbanken
XPath – XML Navigator
• XPath wurde zusammen mit XSLT entwickelt
• Mit XPath-Ausdrücken können Teile des Baumes selektiert werden
• Beispiel:
<xsl:value-of select="autor"/> Direkte Angabe eines Elementnamens
• Erweiterungen von XPath:
 XQuery: Für Zugriff auf Dokumentsammlungen
 XPointer: Zur Verlinkung von Dokumenten
• Implementierungen in Java und RDBMS
• Ähnliche APIs: DOM und SAX
XML – eXtensible Markup Language
Tobias Webelsiep
© 2003
XML in relationalen Datenbanken
Speicherverfahren von XML in RDBMS
Schwierigkeiten bei der Speicherung
• Die Baumstruktur ist nicht mit dem relationalen Modell vereinbar
• Komplexe Strukturen wie Abhängigkeiten, Rekursion und
Mehrwertigkeit müssen abgebildet werden
• Gemischte Inhalte schwer abzuspeichern:
<Absatz>
Normaler Text <fett> Fetter Text </fett> Text
</Absatz>
• Für Reihenfolge von Elementen benötigt man Zusatzinformationen
• Die Unterscheidung von Subelement und Attribut ist schwierig
Speicherverfahren von XML in RDBMS
Tobias Webelsiep
© 2003
XML in relationalen Datenbanken
Von XML zu SQL
Transformation über XSLT-Skript
• Einfache Möglichkeit ohne spezielle DB-Unterstützung
• Vorgehen nach folgendem Schema:
 Erstellen einer passenden Tabelle mittels CREATE-Statement
 Umwandlung des XML Dokuments in ein INSERT-Statement
 Speichern der Daten über SQL
Probleme bei diesem Ansatz
• Nur flache Hierarchien möglich
• Keine Unterscheidung von Attributen und Subelementen
• Bei Bedingungen und Rekursion nicht anwendbar
Speicherverfahren von XML in RDBMS
Tobias Webelsiep
© 2003
XML in relationalen Datenbanken
Der CLOB – Ansatz
Vorteile von CLOB
• Speicherung eines XML Dokuments als Character Large Object
• Kein Verlust von Metainformationen
• Zugriff auf eine Tabellenspalte zum Auslesen des gesamten
Dokuments
Nachteile dieser Speichermethode
• Beschränkter Zugriff auf Teile des Dokuments
• Navigation durch Baumstruktur benötigt spezielle Funktionen
• Die Auswahl von Teilbäumen nur mit Volltextsuche oder
speziellen XML Suchen der DB-Hersteller.
Speicherverfahren von XML in RDBMS
Tobias Webelsiep
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XML in relationalen Datenbanken
Abbildung XML auf Relationenschema (1)
Orientierung von Dokumenten
• Dokument-Orientiert:
 Ist auf die Einteilung und Strukturierung der Dokumente
ausgerichtet  Komplexe Hierarchie und Struktur
• Daten-Orientiert:
 Spezialisiert auf den Datenaustausch
 Flache Hierarchie, einfache Struktur
Vorteile
• Zugriff auf Teile über normale SQL-Abfragen
• Alle Vorzüge der RDBMS (Views, Indices usw.) nutzbar
• Elemente eines Typ werden in einer Tabelle verwaltet
Speicherverfahren von XML in RDBMS
Tobias Webelsiep
© 2003
XML in relationalen Datenbanken
Abbildung XML auf Relationenschema (2)
Vorschrift zur Speicherung
(1) Eine Tabelle für jeden Elementtyp mit Subelementen bzw.
gemischtem Inhalt
(2) Eine separate Tabelle für jeden Elementtyp mit gemischtem
Inhalt zur Speicherung des PCDATA-Anteils
(3) Für jedes einwertige Attribut und Subelement, das nur PCDATA
enthält eine Spalte. Die Spalte muss NULL akzeptieren
(4) Für jedes mehrwertige Attriburte und Subelemente eine
eigene Tabelle und verknüpfe sie mit Tabelle des Elementtyps.
(5) Verknüpfe für jedes Subelementtyp oder gemischten Inhalt die
Tabelle des Elementtyps mit der Tabelle des Subelements.
Speicherverfahren von XML in RDBMS
Tobias Webelsiep
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XML in relationalen Datenbanken
Ausgabe rel. Daten im XML-Format
Ausgabe als Rowset
• Ausgabe der Ergebnistabelle
einer SQL-Abfrage
• Vergleichbar mit HTML Tabelle
Beispiel
• Durch XSLT später in ein
beliebiges Format transformierbar
<TABLE>
<ROW>
<COLUMN> ... </COLUMN>
...
<COLUMN> ... </COLUMN>
</ROW>
...
</TABLE>
Nachteile
• Ausgabe strukturierter Daten
über eine normale SQL-Abfrage
nicht möglich
 Erweiterung von SQL nötig
Ausgabe relationaler Daten im XML-Format
Tobias Webelsiep
© 2003
XML in relationalen Datenbanken
Vorschlag des SQL-Komitees
• Erweiterung des SQL-Standards um XML Zugriffsfunktionen
• In einem Select-Statement können eigene XML Funktionen
angegeben werden
SELECT autor.name, autorFkt(autor.ID, autor.name,
buchLst(autor.ID)) FROM autor
• Erstellung der Funktion AutorFkt:
CREATE FUNCTION autorFkt
(id INTEGER, name VARCHAR(50), buchLst CLOB(10000))
RETURNS CLOB(10000) LANDUAGE XML
RETURN
<autor id={id}>
<name> {name} </name>
<buchliste> {buchLst} </buchliste>
</autor>
Ausgabe relationaler Daten im XML-Format
Tobias Webelsiep
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XML in relationalen Datenbanken
Schnittstellen der DB-Hersteller
• Die meisten Datenbank-Hersteller haben eigene XMLSchnittstellen
• Es werden immer hybride Ansätze gewählt
Oracle 9i
• Erweiterte Abfragesprache XSQL zur Generierung von XML
Dokumenten aus relationalen Daten.
• Aufbau der Abfrage als XML mit integriertem SQL-Statement
<?xml version="1.0"?>
<xsql:query connection="oracle" xmlns:xsql="urn:oracle-xsql">
SELECT ’Hello, World!’ AS text
FROM DUAL
</xsql:query>
Schnittstellen der Datenbank-Hersteller
Tobias Webelsiep
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XML in relationalen Datenbanken
Oracle 9i
Übersicht
• XSLT Prozessor
• XML Parser
• XPath Engine
• Intermedia
• XMLType
• XSU
Schnittstellen der Datenbank-Hersteller
Tobias Webelsiep
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XML in relationalen Datenbanken
Microsoft SQL Server 2000
Erweiterung zur Verwaltung von XML
• SQLXML als eigene Erweiterung von SQL
 FOR XML: Erweitert den Select-Befehl zur direkten Ausgabe
der Ergebnistabelle als XML Dokument mit verschieden Modi
o RAW: Erstelle eine flache Struktur (Rowset)
o AUTO: Je nach Komplexität (durch Joins)
o EXPLICIT: Angabe der Hierarchie bei der Ausgabespalte
 OPENXML: Ist ein spezieller Befehl zum Manipulieren von
XML innerhalb der Datenbank-Tabelle. (Insert, Update)
• XRD-Schema: Ermöglicht den Zugriff über XPath
• .NET Integration und Unterstützung
Schnittstellen der Datenbank-Hersteller
Tobias Webelsiep
© 2003
XML in relationalen Datenbanken
DB2 XML-Extender von IBM
Speicherung als CLOB
• XMLVARCHAR: Speichert ein XML Dokument in Tabellenspalte
• XMLCLOB: Als spezielle DB-Datei. Einzelne Element können in einer
Seitentabelle für schneller Zugriff gespeichert werden.
• XMLFile: externe Datei mit der DB verlinkt
• DAD: Speichert Zusatzinformationen aus XML Schema
Abbildung auf Relationenschema
• Zugriff über DB2 eigene stored procedures
• dxxGenXML(): Erzeugt XML aus relationalem Datenmodell
• dxxShredXML(): Speichert ein XML Dokument als Relationenschema
Schnittstellen der Datenbank-Hersteller
Tobias Webelsiep
© 2003
XML in relationalen Datenbanken
Weitere Hersteller
MySQL
• Weit verbreitet Open Source Datenbank
• enthält keine Erweiterung für XML
• Speicherung als CLOB möglich, aber keine speziellen Suchund Zugriffsfunktionen vorhanden
Sybase Adaptive Server
• Möglichkeiten zur Ausgabe von rel. Daten als Rowset
• Speicherung von XML Dokumenten über spezielle JAVA-APIs
Schnittstellen der Datenbank-Hersteller
Tobias Webelsiep
© 2003
XML in relationalen Datenbanken
Zusammenfassung
XML Dokumente
• Eigenen sich bestens zum Datenaustausch
• Strukturieren Informationen
• Können in ein beliebiges Format transformiert werden
RDBMS mit XML-Unterstützung
• SQL-Komitee um Standardisierung bemüht
• Direkte Speicherung als CLOB wird hinreichen unterstützt
• Einige Tools zur Abbildung in Relationenschema verfügbar
Zusammenfassung
Tobias Webelsiep
© 2003
XML in relationalen Datenbanken
Ausblick
RDBMS vs. XML Datenbanken vs. Content Management
• XML Datenbanken
 speziell auf XML ausgerichtet
 Speicherung "normaler" Daten nicht möglich
• RDBMS
 Zusatz-Tool zur Verwaltung von XML
 Abbildung von XML auf Relationenmodell möglich
• Content Management
 Enthält zusätzliche Verwaltungsinformation
 Verwaltung von Dokumentsammlungen
Zusammenfassung
Tobias Webelsiep
© 2003
XML in relationalen Datenbanken
Danke für Ihre Aufmerksamkeit
Danke für Ihre Aufmerksamkeit
Tobias Webelsiep
© 2003