Zaawansowane systemy baz danych

Forma zajęć

Wykład (30 godzin) + laboratorium (30 godzin)

Opis

Pojawiające się coraz to nowe zastosowania baz danych pociągnęły za sobą konieczność poszukiwania nowych modeli danych lub rozszerzeń modeli istniejących, i co za tym idzie nowych rozwiązań w ramach systemów zarządzania bazami danych. W ostatnich kilkunastu latach, wychodząc naprzeciw wymogom tych nowych aplikacji, były i są prowadzone intensywne badania nad wprowadzeniem do systemów zarządzania bazami danych różnego rodzaju rozszerzeń. Badania te zaowocowały powstaniem nowych generacji systemów baz danych. Celem przedmiotu jest przedstawienie podstawowych problemów projektowych i implementacyjnych dotyczących nowych generacji systemów baz danych, nazwanych tutaj umownie zaawansowanymi systemami baz danych (ZSBD). W ramach tego cyklu wykładów będą prezentowane podstawowe zagadnienia z zakresu projektowania i implementacji oraz zarządzania danymi w wybranych klasach systemów, zaliczanych do grupy ZSBD. Oprócz wspomnianych zagadnień zostaną przedstawione również rozszerzenia funkcjonalne wprowadzone w ZSBD – rozszerzenia w stosunku do konwencjonalnych relacyjnych baz danych. Problemy te zostaną omówione w kontekście systemów rozproszonych, aktywnych, obiektowych, obiektowo-relacyjnych i multimedialnych baz danych oraz baz danych dokumentów XML-owych i hurtowni danych.

Sylabus

Autor sylabusa

Dr hab. inż. Zbyszko Królikowski, prof. nadzw. Politechniki Poznańskiej

Wymagania wstępne

Podstawowe wiadomości z zakresu: relacyjnych baz danych i języka SQL.
Podstawowe wiadomości z zakresu programowania obiektowego.

Zawartość

Wykłady:

Pierwszą część kursu stanowią dwa moduły (5 godz.) poświęcone systemom rozproszonych baz danych. W ramach tej części kursu zostaną omówione następujące zagadnienia: wprowadzenie do problematyki rozproszonych baz danych (definicja rozproszonej bazy danych, zalety i wady rozproszonych baz danych, dwanaście reguł C.J.Date’a, które powinien spełniać system rozproszonej bazy danych), podstawowa architektura sfederowanej bazy danych, jak przykład architektury implementacyjnej, podstawowe problemy związane implementacją systemu rozproszonej bazy danych (cel i techniki fragmentacji danych (w tym: algorytmy fragmentacji), alokacja danych, cel i techniki replikacji danych, odświeżanie replik danych, zarządzania transakcjami rozproszonymi (w tym: transakcja rozproszona, architektura zarządzania transakcjami rozproszonymi, protokół 2PC i jego odmiany)). Kolejny moduł kursu (2 godz.) jest poświęcony aktywnym bazom danych. W ramach tej części kursu zostaną omówione następujące zagadnienia: funkcjonalność systemu aktywnej bazy danych (mechanizm aktywności baz danych jako rozszerzenie funkcjonalności systemu zarządzania bazą danych), model reguł ECA, dziedziny zastosowań, schematy aktywności, zdarzenia elementarne i złożone oraz odpowiadające im operatory, definiowanie reguł aktywnych na przykładzie systemu Oracle, metodyka projektowania reguł aktywnych. Trzeci moduł kursu (6 godz.) jest poświęcony obiektowym i obiektowo-relacyjnym bazom danych. W ramach tej części kursu zostaną omówione następujące zagadnienia: obiektowy model danych (w tym: przesłanki pojawienia się nowej generacji baz danych, nowe dziedziny zastosowań systemów baz danych wymagające silniejszego i bardziej elastycznego modelu danych niż model relacyjny, podstawowe koncepcje obiektowego modelu danych (możliwość modelowania abstrakcyjnych typów danych, mechanizm dziedziczenia typów danych, konstruktory złożonych typów danych, jawne związki między danymi, hierarchiczne zależności między kolekcjami obiektów oraz mechanizmy polimorfizmu i późnego wiązania), rozwiązania służące do zapewnienia obiektom przechowywanym w bazie danych systemowej tożsamości i trwałości), architektura obiektowych i obiektowo-relacyjnych baz danych, model ODMG, język ODL i OQL, implementacja obiektowych baz danych (w tym: obiektowa architektura klient-serwer, buforowanie obiektów, logiczne i fizyczne identyfikatory obiektów, składowanie obiektów, zarządzanie dużymi obiektami, indeksowanie wyrażeń ścieżkowych, hierarchia ścieżek binarnych, indeksowanie hierarchii rozszerzeń klas, sygnatury zbiorów, indeks RD-drzewo). Czwarty moduł kursu (5 godz.) jest poświęcony systemom multimedialnych baz danych oraz standardowi języka SQL/MM (nowy standard uzupełniający język SQL o biblioteki do obsługi specjalistycznych danych i aplikacji, głównie multimedialnych). W ramach tej części kursu zostaną omówione następujące zagadnienia: specyfika i zastosowania multimedialnych baz danych, modele danych dla multimedialnych baz danych, metadane, standard MPEG-7, techniki wyszukiwania, składowania i prezentacji danych multimedialnych, geneza standardu SQL/MM, podstawowe części standardu SQL/MM poświęcone przetwarzaniu danych tekstowych, przestrzennych i obrazów w bazach danych. Piąty moduł kursu (7 godz.) jest poświęcony bazom danych dokumentów XML, jako przykład semistrukturalnych baz danych. W ramach tej części kursu zostaną omówione następujące zagadnienia: typy dokumentów XML i ich wpływ na bazy danych, charakterystyka języków zapytań wykorzystywanych do przetwarzania dokumentów XML, baza danych dokumentów XML i sposoby przechowywania i mechanizmy przetwarzania dokumentów XML, język zapytań XQuery (w roku 2005 język XQuery stał się standardem zatwierdzonym przez W3C), w tym: cechy języka Xquery, składnia, klauzule FOR, LET, WHERE, RETURN, ORDER BY, podzapytania, wyrażenia warunkowe i ilościowe, funkcje, przykłady zastosowań. W dalszej części tego modułu kursu zostaną omówione: charakterystyka innych języków semistrukturalnych baz danych, techniki modyfikacji dokumentów XML, w tym: wymagania dotyczące funkcjonalności języka modyfikacji, prosta wymiana i usuwanie dokumentów XML, DOM API oraz języki deklaratywne (Xupdate i rozszerzenia Xquery). Ostatni moduł kursu (5 godz.) jest poświęcony hurtowniom danych. W ramach tej części kursu zostaną omówione następujące zagadnienia: wprowadzenie do problematyki integracji rozproszonych i heterogenicznych baz danych, podstawowa architektura integracji danych oparta o hurtownię danych, oprogramowanie ETL, problem wykrywania zmian w źródłach danych, charakterystyka przetwarzania analitycznego (On-Line Analytical Processing - OLAP), wielowymiarowy model danych (wymiary i fakty), implementacja modelu wielowymiarowego w serwerach relacyjnych (ROLAP) (schemat gwiazdy, płatka śniegu i konstelacja faktów) oraz wielowymiarowych (MOLAP) (implementacja i operatory MOLAP). W dalszej części tego modułu kursu zostaną omówione zagadnienia implementacyjne i efektywność przetwarzania OLAP, w tym: odświeżanie hurtowni danych w czasie jej pracy, wykorzystanie perspektyw zmaterializowanych do implementowania hurtowni, techniki zwiększające efektywność przetwarzania analitycznego, m.in. przepisywanie zapytań w oparciu o perspektywy zmaterializowane, indeksowanie danych przy użyciu różnych struktur, partycjonowanie danych i indeksów, kompresja danych i indeksów, przetwarzanie równoległe w hurtowniach danych oraz metadane opisujące hurtownię.

Laboratoria:

Literatura

Literatura podstawowa

Connolly T., Begg C., Database Systems - A Practical Approach to Design, Implementation, and Management (third edition). Addison-Wesley, 2002, ISBN 0 201 70857 4.
Date C.J., Wprowadzenie do systemów baz danych, WNT, Seria „Klasyka Informatyki”, W-wa, 2000.
Elmasri R., Navathe S.B., Wprowadzenie do systemów baz danych, Wyd. Helion, Seria „Kanon Informatyki”, Gliwice, 2005.
Jarke M., Lenzerini M., Vassiliou Y., Vassiliadis P., Fundamentals of Data Warehouses. Springer-Verlag, 2003, ISBN 3-540-42089-4.
Subrahmanian, V.S., Principles of Multimedia Database Systems, Morgan Kaufmann, 1998.
Wrembel R., Bębel B., Oracle - Projektowanie rozproszonych baz danych, HELION Publisher, 2003, ISBN 83-7197-951-7.
Garcia-Molina H., Ullman J.D., Widom J., Systemy baz danych. Pełny wykład, WNT, Seria „Klasyka Informatyki”, W-wa, 2006.
Carlo Zaniolo, Stefano Ceri, Christos Faloutsos, Richard T. Snodgrass, V.S. Subrahmanian, and Roberto Zicari, Advanced Database Systems The Morgan Kaufmann Series in Data Management Systems, 1997.

Literatura uzupełniająca

Baldonado, M., Chang, C.-C.K., Gravano, L., Paepcke, A., The Stanford Digital Library Metadata Architecture, Int. J. Digit. Libr. 1, 1997 108–121.
Bruce, K.B., Cardelli, L., Pierce, B.C., Comparing Object Encodings, in: Abadi, M., Ito, T. (eds.): Theoretical Aspects of Computer Software. Lecture Notes in Computer Science, Vol. 1281, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg New York1997, pp. 415–438.
Clement T. Yu, Weiyi M., Principles of Database Query Processing for Advanced Applications, Morgan Kaufmann Publishers, 1998, ISBN 1-55860-434-0.
Definicje funkcji i operatorów Xquery: http://www.w3.org/TR/xquery-operators/
Dokumentacja techniczna API db4o. Dostarczana razem z pakietem bibliotek db4o w katalogu /doc/api/.
Dye C.: Oracle Distributed Systems, O'Reilly & Associates, 1999, ISBN 1-56592-432-0
http://www.garshol.priv.no/download/xmltools/
http://www.oasis-open.org/cover/xmlAndDatabases.html
http://www.rpbourret.com/xml/
http://xmldb-org.sourceforge.net/index.html
ISO/IEC 13249, Information Technology – Database Languages – SQL Multimedia and Application Packages (specyfikacja standardu ISO).
Kosch, H., Distributed Multimedia Database Technologies Supported by MPEG-7 and MPEG-21, CRC Press 2003.
Laksman, B., Oracle 9i PL/SQL Poradnik programisty, Mikom 2003.
Martínez, J. M., MPEG-7 Overview, http://www.chiariglione.org/MPEG/standards/mpeg-7/mpeg-7.htm
Melton J., Eisenberg A.: SQL Multimedia and Application Packages (SQL/MM). SIGMOD Record 30(4), 2001.
Oracle® Database Concepts (rozdział Object Datatypes and Object Views): http://download-uk.oracle.com/docs/cd/B19306_01/server.102/b14220/objects.htm#i440066
Oracle® Database JDBC Developer's Guide and Reference (rozdział Working with Oracle Object Types): http://download-uk.oracle.com/docs/cd/B19306_01/java.102/b14355/oraoot.htm#sthref874
Oracle® interMedia Reference (rozdział SQL/MM Still Image): http://download-uk.oracle.com/docs/cd/B19306_01/appdev.102/b14297/ch_stimgref.htm#AIVUG7000
Pełna specyfikacja Xquery: http://www.w3.org/TR/xquery/
Przykładowe edytory otwarte na Xquery: Oracle JDeveloper www.oracle.com/technology/products/jdev/ oraz Altova XMLSpy: www.altova.com
Rozszerzenia Xquery - Funkcjonalność modyfikacji (working draft) http://www.w3.org/TR/xqupdate/
Stolze K.: SQL/MM Spatial: The Standard to Manage Spatial Data in Relational Database Systems. BTW 2003.
Thuraisingham, B., Managing and Mining Multimedia Databases, CRC Press 2001.
van Leeuwen, J. (ed.), Computer Science Today. Recent Trends and Developments. Lecture Notes in Computer Science, Vol. 1000, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg New York 1995.
X-Hive XUpdate demo: www.x-hive.com/xupdate/
Xupdate – Specyfikacja: http://xmldb-org.sourceforge.net/xupdate/index.html
G. Booch, J. Rumbaugh, I. Jacobson, UML przewodnik użytkownika, WNT, 2001.
E. Cattel i inni, Object Database Standard ODMG 3.0, Morgan Kaufmann, 1999.
G. Lausen, G. Vossem, Obiektowe bazy danych, WNT, 2000.
P. Fortier, SQL 3 Implementing the Object–Relational Database, Mc Graw-Hill Company, 1999.