1. Fakultät Informatik, Institut für Software- und Multimediatechnik, Lehrstuhl Softwaretechnologie
Sichere templategestützte
Verarbeitung von XML-Dokumenten
Falk Hartmann
Verteidigung der Dissertation
Dresden, 1. Juli 2011

2. Motivierendes Beispiel
Fehler
 Nicht-wohlgeformtes XML
 Verletzung einfacher Typen
 Strukturell falsches XHTML
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3. Begrifflichkeiten
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4. Begrifflichkeiten
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5. Agenda
▪ Motivierendes Beispiel und Begrifflichkeiten
Sichere Template-Verarbeitung
Entwurf einer generischen Slot Markup-Sprache
Unterstützung der sicheren Template-Erstellung
Flexible, effiziente und sichere Template-Ausprägung
Validierung
▪ Beiträge der Arbeit und Fazit
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6. Agenda
▪ Motivierendes Beispiel und Begrifflichkeiten
Sichere Template-Verarbeitung
Entwurf einer generischen Slot Markup-Sprache
Unterstützung der sicheren Template-Erstellung
Flexible, effiziente und sichere Template-Ausprägung
Validierung
▪ Beiträge der Arbeit und Fazit
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7. Ziele
Sichere Erstellung
Rückmeldung an den Autor über die Richtigkeit des
Ausprägungsergebnisses in Bezug auf die Zielsprache
Sichere template-
gestützte Verarbeitung
Sichere Ausprägung
Klare und ausreichende Rückmeldung von bei der
Ausprägung auftretenden Problemen
Trennung der Belange
Möglichkeit arbeitsteiliger Entwicklung
Breite Anwendbarkeit
Vermeidung von Einschränkungen in Bezug auf Ziel- und Anfragesprachen
sowie Anwendungsgebiete
Nutzung existierender Standards
Wiederverwendung bestehender Sprachen, Werkzeuge und Prozesse
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8. Anforderungen
Erhaltung der Einschränkungen der Zielsprache
Übernehmen von Verboten der Zielsprache in die Templatesprache
Abdeckung der Zielsprache
Ermöglichen der Erzeugung aller Sätze der Zielsprache
Ableitbarkeit
Automatisches Ableiten der Grammatik der Templatesprache aus der
Grammatik der Zielsprache
Steueranweisungen
Erlauben bedingter und wiederholter Ausprägung von Teilen der Templates
Typsicherheit der Ausprägungsdaten
Erzwingen oder Überprüfen der korrekten Typen der Ausprägungsdaten
Unabhängigkeit von der Anfragesprache
Vermeiden von Annahmen über die Anfragesprache
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9. Ziele → Anforderungen
Beispiel:
Trennung der Belange → Steueranweisungen:
Fehlende Steueranweisungen resultieren i.d.R. in mangelnder Trennung
der Belange
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10. Lösungsarchitektur
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11. Anforderungen → Lösungsarchitektur
Beispiel:
Unabhängigkeit von der Anfragesprache → Bestimmung der
Ausprägungsdaten:
Spezielle Lösungsarchitekturkomponente zur Bestimmung der
Ausprägungsdaten erleichtert Anpassung an Anfragesprachen
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12. Agenda
▪ Motivierendes Beispiel und Begrifflichkeiten
Sichere Template-Verarbeitung
Entwurf einer generischen Slot Markup-Sprache
Unterstützung der sicheren Template-Erstellung
Flexible, effiziente und sichere Template-Ausprägung
Validierung
▪ Beiträge der Arbeit und Fazit
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13. Entwurf einer generischen Slot Markup-Sprache
XTL – XML Template Language
Universell, syntax- und semantik-erhaltend
Adressiert Fehlertyp 
Sprachumfang
• Erzeugung von Attributwerten, Text (xtl:attribute, xtl:text)
• Bedingte und wiederholte Ausführung (xtl:if, xtl:for-each)
• Makros
• Einbettung kompletter XML-Fragmente
• Unterstützung für multiple Ausprägungsdatenquellen
• Unterstützung für mehrschrittige Ausprägung
Syntax
• XML Schema
Semantik
• Denotationell formuliert in Haskell
• Zusätzlich translationale und operationelle Beschreibung
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14. Agenda
▪ Motivierendes Beispiel und Begrifflichkeiten
Sichere Template-Verarbeitung
Entwurf einer generischen Slot Markup-Sprache
Unterstützung der sicheren Template-Erstellung
Flexible, effiziente und sichere Template-Ausprägung
Validierung
▪ Beiträge der Arbeit und Fazit
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15. Grundidee der sicheren Erstellung
Adressiert Fehlertypen  und 
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16. Aufteilung der Einschränkungen
XML Schema ist nicht ausdrucksstark genug zur
Beschreibung der Templatesprache → CXSD!
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17. Aufteilung der Einschränkungen
Zielsprachengrammatik
Erforderliche oder optionale Attribute
Templatesprachengrammatik Einschränkung der Ausprägungsdaten
• Umwandlung in optionale Attribute • Typüberprüfung entsprechend Typ des
• Erlauben von xtl:attribute im Attributes
Inhaltsmodell des Elternknotens
• Einschränkung der erzeugbaren Attribute
(Namen)
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18. Aufteilung der Einschränkungen
Zielsprachengrammatik
Simple Content (durch “einfache” Inhaltstypen eingeschränkter Elementinhalt)
Templatesprachengrammatik Einschränkung der Ausprägungsdaten
• Umwandeln in Mixed Content • Typüberprüfung entsprechend
• Erlauben von xtl:text im Inhaltstyp
Inhaltsmodell
• Einschränkung des Textinhalts
entsprechend Inhaltstyp
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19. Aufteilung der Einschränkungen
Zielsprachengrammatik
Elemente mit Kardinalität {0,1} oder {n,m}
Templatesprachengrammatik Einschränkung der Ausprägungsdaten
• Ersetzen durch Alternative zwischen • Überprüfung der Anzahl der
Ursprungselement und xtl:if oder Wiederholungen
xtl:for-each
• Einschränkung des Inhalts von xtl:if
bzw. xtl:for-each auf
Ursprungselement
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20. Agenda
▪ Motivierendes Beispiel und Begrifflichkeiten
Sichere Template-Verarbeitung
Entwurf einer generischen Slot Markup-Sprache
Unterstützung der sicheren Template-Erstellung
Flexible, effiziente und sichere Template-Ausprägung
Validierung
▪ Beiträge der Arbeit und Fazit
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21. Eigenschaften der Template-Ausprägung
Flexibel
• Plug in-Mechanismus für Anfragesprachen
• Implementierungen für XPath, SPARQL, OCL
Effizient
• Implementierung mit StAX (JSR-173)
• Speicherbedarf wächst linear mit Anzahl der Knoten in größter zu
wiederholender Einheit im Template
• Zeit wächst linear mit Größe des Ausprägungsergebnisses
Sicher
• Ausprägungsdaten werden auf Typ und Multiplizität geprüft
• Alternativer Ansatz: Generierung einer Template-Schnittstelle
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22. Generierung einer Template-Schnittstelle
Grundidee
• Nutzung der Ausdrücke der Anfragesprache zur Erzeugung eines Modells
der Ausprägungsdaten
• Gewährleistung der Richtigkeit der Ausprägungsdaten durch Transfer der
Datentypen aus dem XML- in das Java-Typsystem
• Analog zur XML binding-Technologien (z.B. JAXB), aber neu für
Templates
Konsequenzen
• Einschränkung der Abfragesprache XPath auf umkehrbare Ausdrücke
• Beispiel:
XPath-Ausdruck //a -> nicht anwendbar auf Java-Objekt-Modell
• Umkehrung der Datenbezugsrichtung
push statt pull-Strategie
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23. Agenda
▪ Motivierendes Beispiel und Begrifflichkeiten
Sichere Template-Verarbeitung
Entwurf einer generischen Slot Markup-Sprache
Unterstützung der sicheren Template-Erstellung
Flexible, effiziente und sichere Template-Ausprägung
Validierung
▪ Beiträge der Arbeit und Fazit
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24. Validierungsmittel
Implementierung eines Prototyps
Aufteilung der Einschränkungen, Template-Validierung und -Ausprägung,
Template Schnittstellen-Generierung
Testsuite
entsprechend Implementierung
Übereinstimmung Template-Ausprägung mit denotationeller und
translationaler Semantik
Anwendung der Implementierung
Einsatz in den Projekten SNOW, FeasiPLe und EMODE
Beweis der Erhaltung der Einschränkungen der Zielsprache
Induktionsbeweis ausgehend von Algorithmus zur Aufteilung der
Einschränkungen
Performance-Messungen
Laufzeit der Template-Validierung, Laufzeit und Speicherbedarf der Template-
Ausprägung, Vergleichsmessung mit JSP und XSL-T
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25. Validierungsmittel → Ziele
Beispiel:
Performance-Messungen → Breite Anwendbarkeit:
Ist der Einsatz des Ansatzes praktisch vertretbar?
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26. Testsuite
Überprüfung der Implementierung
im Hinblick auf die Ziele Sichere Erstellung und Sichere Ausprägung
• Vergleich der Ergebnisse der verschiedenen Komponenten mit hinterlegten,
geprüften Ergebnissen
• Prüfung der Aufteilung der Einschränkungen, Validierung, Ausprägung,
Generierung von Template-Schnittstellen und Round-Trip-Test
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27. Beweis der Erhaltung der Einschränkungen
Voraussetzung
Template, welches der Template-Grammatik genügt
Ausprägungsdaten, welche den entsprechenden Einschränkungen genügen
Behauptung
Ausprägungsergebnis genügt der Zielsprachengrammatik
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28. Performance-Messungen
Laufzeit der Templatevalidierung
Basis: Template mit 2n Kindknoten mit erforderlichem Attribut,
• n Attribute direkt spezifiziert
• n-1 Attribute mittels xtl:attribute erzeugt
• 1 Attribute fehlt und wird nicht erzeugt
(Messung auf Intel 2 Duo 2.8 GHz, 4 MB RAM, MacOS 10.6.7, JDK 1.6.0_24)
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29. Agenda
▪ Motivierendes Beispiel und Begrifflichkeiten
Sichere Template-Verarbeitung
Entwurf einer generischen Slot Markup-Sprache
Unterstützung der sicheren Template-Erstellung
Flexible, effiziente und sichere Template-Ausprägung
Validierung
▪ Beiträge der Arbeit und Fazit
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30. Beiträge
Weitere Beiträge
• Definition des Begriffes Template
• Klassifikation existierender Template-Ansätze
Entwurf einer universellen Slot Markup-Sprache
• Syntax- und semantik-erhaltend
• Unabhängig von konkreter XML-Zielsprache
• Unabhängig von Anfragesprache
• Denotationell definierte Semantik
Sichere Erstellung und Ausprägung
• Überprüfung der Ausprägungsergebnisse soweit als möglich zur
Erstellungszeit
• Direkte Überprüfung der Ausprägungsdaten zur Ausprägungszeit
• Alternative: Generierung einer Template-Schnittstelle
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31. Fazit
Sichere Erstellung und Ausprägung sind
mit dem gezeigten Ansatz möglich!
- Trennung der Belange, Breite Anwendbarkeit gegeben
- Nutzung existierender Standards eingeschränkt erreicht
- Fehlerklasse  adressiert durch Sprachentwurf der XTL
- Fehlerklassen  und  adressiert durch Aufteilung der Einschränkungen
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32. Vielen Dank für Ihre
Aufmerksamkeit!
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33. Verwandte Arbeiten
Templates: Mittel zur Erzeugung konkreter Syntax
- Modell-zu-Text Transformationen
- Anwendungsgebiete: Webapplikationen, Codegenerierung
- Einfache Nutzung existierender Fragmente der konkreten Syntax
Verwandte Ansätze
- Aspekt-orientierte Programmierung (XUpdate)
- Sicherheit ist Forschungsthema
- Transformationstechniken (XSL-T)
- Erhalten die Syntax der Zielsprache nicht
- Hoher Lernaufwand
- Binding-Techniken (JAXB)
- Sicher per Definition
- Fragmente konkreter Syntax müssen in anderen technologischen
Raum übersetzt werden
- Verletzung der Trennung der Belange
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34. Verwandte Arbeiten (Vergleich)
Quelle 1 + Quelle 2
JSP
XML Java any XML
Ziel
XUpdate
XML XML
XUpdate XML
(core) (advice)
XSL-T
XSL-T + XML XPath XML’ XML
JAXB
Java Java any XML
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35. Definition Template-Begriff
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36. Klassifikation Template-Ansätze (1)
1. Target Language Awareness of Slot Markup
- Syntax preserving
- Semantic preserving (TAL)
- Semantic abusing (XMLC)
- Syntax destructing (Perl)
2. Generality of Slot Markup
- Specific for a particular target language
- Generic
3. Entanglement Index [Parr, 2006]
- No modification of the model
- No computations
- No comparisons
- No type assumptions
- Separation of concerns
4. Instantiation Data Access Strategy
- Push
- Pull
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37. Klassifikation Template-Ansätze (2)
5. Query Language
- Opaque vs. significant
- Declarative vs. imperative
- Domain specific vs. general purpose
6. Instantiatian Technique
- Compiler
- Interpreter
7. Reuse
- Macros
- Group inheritance
8. Further Features
- Group interfaces
- Newline handling
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38. XTL - Beispiel
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39. Anwendung der Implementierung
SNOW
- Benutzung der XTL als einfache Sprache für Dokumentationsautoren bei
EADS
- Zwei Hauptkomponenten basierend auf der XTLEngine (Datenschicht,
Controller)
- EADS Ingenieure schätzen Einfachheit der XTL
EMODE
- Komplexe Transformationen auf Basis der XTLEngine
- Nutzung der XTL zur Erzeugung von MXML (Flex) Applikationen
FeasiPLe
- Codegenerierung aus Ontologien mittels SPARQL-Abfragen
- Emulation der transitiven Hülle innerhalb eines PHP → Erweiterung von
SPARQL um die Fähigkeit zur Hüllenbildung
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40. SNOW-Architektur
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41. Zeitbedarf Validierung
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42. Zeitbedarf Ausprägung
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43. Vergleich Zeitbedarf Ausprägung
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44. Speicherbedarf (1)
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45. Speicherbedarf (2)
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46. Fallunterscheidung Sichere Erstellung
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47. Klassifikation von Schemasprachen
1. Regular Tree Grammars (Relax NG)
2. Restrained-Competition Tree Grammars
3. Single-Type Tree Grammars (XML Schema)
4. Local Tree Grammars (DTD)
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48. Vertikale und horizontale XML-Pipeline
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49. Pull parser vs. Push parser
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50. Push strategy vs. Pull strategy
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51. ReadWindow Operationen
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52. Auswirkungen unpassender Ausdrucksstärke
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53. Sichere Erstellung: Prozessänderung
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54. Grundlage der operationellen Semantik
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55. Prinzip der translationalen Semantik
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56. Round-trip Test
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57. OCL Constraint für erforderliche Attribute
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58. OCL Constraint für Textinhalte
Sichere templategestützte Verarbeitung von XML-Dokumenten Folie 58

59. Unique Particle Attribution
XML Schema Part 1: Structures
A content model must be formed such that during validation of an element
information item sequence, the particle component content contained directly,
indirectly or implicitly therein with which to attempt to validate each item in
the sequence in turn can be uniquely determined without examining the
content or attributes of that item, and without any information about the
items in the remainder of the sequence.
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