A dissertação propõe uma técnica de fragmentação virtual adaptativa para processamento eficiente de consultas XML em ambientes distribuídos, sem necessidade de projeto prévio de fragmentação. A solução é baseada em trabalhos anteriores sobre fragmentação virtual para dados relacionais e XML, mas automatiza o processo de fragmentação durante a execução da consulta.

1. Processamento de Consultas XML em
Ambientes Distribuídos
Luiz Augusto Matos da Silva
Vanessa Braganholo (orientadora)
Niterói, Março de 2013.

2. Organização
• Contexto e Motivação
• Objetivos
• Trabalhos Relacionados
• Solução Proposta
• Considerações Finais
2

3. Contexto e Motivação
• + transações => Aumento no volume de dados
• Informação útil para a tomada de decisão
• Armazenamento distribuído de dados
• Diferentes formas de representação de dados
3

4. consulta
???
XML
resultado
Sistema de Apoio
à Decisão
CONSULTAS DE ALTO CUSTO
4

5. Como tornar mais eficiente o
processamento de consultas XML em
ambientes distribuídos?
5

6. Fragmentação de Dados
6

7. Por que fragmentar?
- Compartilhamento de dados (confiabilidade)
- Distribuição e paralelização de processamento
(perfomance) [ÖZSU e VALDURIEZ, 2011]
GANHO DE DESEMPENHO
7

8. Processamento paralelo
• Paralelismo Interconsulta
Processamento simultâneo de diferentes consultas de
baixo custo em nós distintos.
• Paralelismo Intraconsulta
Processamento simultâneo da mesma consulta em
múltiplos nós.
[MATTOSO, 2009]
8

9.  Single Document (SD)
 Multiple Documents
(MD)
9

10. Como fragmentar?
Fragmentação Física
10

11. Fragmentação Horizontal
f1
f2
Seleção () Unidade de dados= tuplas
Modelo Relacional
Modelo XML
Seleção () Unidade de dados = árvores [SILVA, 2013]
11

12. F1Residencial:= <CContatos,σcontato/telefone/tipo=‟Residencial‟>
F2Outros:= <CContatos,σcontato/telefone/tipo <> „Residencial‟>
F1Residencial F2Outros
<contato> <contato>
<id>001</id> <id>002</id>
<nome>Maria Silva</nome> <nome>José Abreu </nome>
<endereco> <endereco>
<logradouro> Rua A </logradouro> <logradouro> Rua C</logradouro>
<numero>10</numero> <numero>155</numero>
<complemento>Casa 3</complemento> <complemento>Ap. 501</complemento>
</endereco> </endereco>
<email>maria.silva@hotmail.com</email> <email>jose.abreu@hotmail.com</email>
<telefone> <telefone>
<tipo> Residencial </tipo> <tipo> Celular </tipo>
<ddd>21</ddd> <ddd>31</ddd>
<numero>22220000</numero> <numero>99990000</numero>
<telefone> <telefone>
</contato> </contato>
[SILVA, 2013, adaptado]
12

13. Fragmentação Vertical
f1
f2
Projeção ()
Modelo Relacional
Modelo XML
Projeção () [SILVA, 2013]
13

14. F1Contatos:= <CContatos, π/Contato, /Contato/Telefone>
F2Contatos:= <CContatos, π/Contato/Telefone, {}>
F1Contatos
Esquema Id Logradouro
Nome Número
Logradouro Contato
Id Endereço Complemento
Nome Número e-mail Bairro
Endereço Complemento Cidade
Contato e-mail Bairro
Cidade
Tipo
DDD
F2Contatos
Telefone Tipo
Número
Telefone DDD
Número
[SILVA, 2013]

15. consulta
XML
resultado
Sistema de Apoio
à Decisão
- Consultas analíticas = grande volume de dados
- + operações de agregação
- Consultas ad-hoc = não há um padrão de execução
15

16. Limitações da Fragmentação Física para
este cenário
• Requer conhecimento prévio das consultas
frequentes
• Para cada nova consulta, novo projeto de
fragmentação
PROCESSO ONEROSO
16

17. Fragmentação Virtual
Sub -Query BD
C11
SGBD
DBMS
Sub -Query
C22
SGBD
DBMS BD
Original
C
Query
Sub -Query
C33
SGBD
DBMS BD
Sub -Query
C44
SGBD
DBMS
BD
[MATTOSO et al., 2005, adaptada]
17

18. Select sum(price) from ITEM Select sum(price) from ITEM
where item_no >= 1 where item_no >= 250,001
and item_no < 250,001 and item_no < 500,001
Select sum(price) from ITEM
Select sum(price) from ITEM Select sum(price) from ITEM
where item_no >= 500,001 where item_no >= 750,001
and item_no < 750,001 and item_no < 1,000,001
[MATTOSO et al., 2005]
18

19. Problema
• Seleção do atributo de fragmentação
RESTRIÇÕES DE UNICIDADE
19

20. Fragmentação Virtual Adaptativa
SGBD
DBMS
SGBD
DBMS
Original
C
Query
SGBD
DBMS
SGBD
DBMS
Subconsultas [MATTOSO et al., 2005,
adaptada]

21. 21

22. OBJETIVOS
22

23.  Definir
um processo,
uma arquitetura e
um conjunto de algoritmos eficientes
para a Fragmentação Virtual Adaptativa de
bases de dados XML distribuídas, no intuito de
otimizar o desempenho do processamento de
consultas.
23

24. TRABALHOS RELACIONADOS
24

25. [MA e SCHEWE, 2003]
 Contribuição: Define técnicas de fragmentação horizontal e
vertical em dados XML.
 Limitações: DTD (modelo), XML-QL (consulta), somente
documentos, sem alocação, exige projeto de fragmentação.
25/40
25

26. [BREMER e GERTZ, 2003]
 Contribuição: Abordagem para fragmentação
horizontal/vertical e alocação de dados XML.
 Limitações: Esquema específico (RepositoryGuide),
baixo desempenho em consultas e atualizações
distribuídas, exige projeto de fragmentação.
26/40
26

27. [ANDRADE et al., 2006]
 Contribuições: Define as técnicas de fragmentação
vertical, horizontal e híbrida, descreve critérios de
correção.
 Limitação: Exige projeto de distribuição.
27/40
27

28. [FIGUEIREDO et al., 2010]
 Contribuições: Automatiza as técnicas de fragmentação
e os critérios de correção definidos em [Andrade et al.,
2006], trata da redução de fragmentos irrelevantes.
 Limitação: Modelo de consultas utiliza subconjunto
limitado da XQuery, exige projeto de distribuição.
28

29. Arquitetura Mediador-Adaptadores para o
processamento de consultas XML
[FIGUEIREDO et al., 2010]
29

30. [KLING et al., 2010]
 Contribuições: Automatiza a fragmentação, consulta
e alocação dos dados fragmentados, poda de
fragmentos irrelevantes.
 Limitação: Modelo de consultas utiliza subconjunto
limitado da XQuery, não trata da fragmentação híbrida,
exige projeto de distribuição.
30/40
30

31. [RODRIGUES et al., 2011]
 Contribuições: Fragmentação virtual para o modelo
XML, não exige projeto de distribuição.
 Limitação: Variação do tempo de recuperação da função
position(), desbalanceamento de carga.
31/40
31

32. /books/book[position()=2)]
32

33. [RODRIGUES, 2011]
33

34. Visão Geral da Arquitetura para a
Fragmentação Virtual XML [RODRIGUES et al., 2011]
34

35. [LIMA et al., 2010]
 Contribuições: Ajusta dinamicamente os tamanhos dos
fragmentos durante a execução da consulta, implementa o
balanceamento de carga.
 Limitação: Aplicado somente ao modelo relacional.
35/40
35

36. SOLUÇÃO PROPOSTA
36

37.  Adaptar a técnica de Fragmentação Virtual Adaptativa
utilizada no modelo relacional para o modelo XML.
1 – Executa a subconsulta
subconsultas cluster com intervalo inicial
2 – Incrementa o intervalo
consulta e executa a subconsulta
BD
enquanto o tempo de
execução for aceitável
coordenador ... 3 – Para de incrementar o
intervalo
4 – Se o tempo aumentou
BD desproporcionalmente
então reduz o tamanho do
intervalo e volta para o
passo 1.
37/40
37

38. 2 cluster
1 for $r in doc(„books.xml‟)//book
subconsultas
[position() >= 1 and position() < 2000]
consulta
BD where $r/book[@year=“2003”]
for $r in doc(„books.xml‟)//book
... [position() >= 2001 and position() <
for $r in doc(„books.xml‟)//book 4000]
where $r/book[@year=“2003”]
where $r/book[@year=“2003”]
BD
for $r in doc(„books.xml‟)//book
[position() >= 4001 and position() <
for $r in doc(„books.xml‟)//book
8000]
[position() >= 1 and position() < 20000] where $r/book[@year=“2003”]
where $r/book[@year=“2003”] for $r in doc(„books.xml‟)//book
for $r in doc(„books.xml‟)//book [position() >= 8001 and position() <
10500]
[position() >= 20001 and position() < 40000] where $r/book[@year=“2003”]
where $r/book[@year=“2003”] 38/40
38

39.  E se um nó finalizar o processamento antes de outro nó?
1 – Se o Nó 1 ainda possuir dados a serem
cluster
processados e o Nó 2 já tiver concluído seu
processamento, então
BD
2 – Nó 1 divide a quantidade de dados a serem
... processados em dois intervalos
BD
3 – A faixa de intervalos mais alta é informada ao Nó 2,
que irá processá-la.
39/40
39

40. FVA-
XML
Arquitetura Mediador-Adaptadores para o
processamento de consultas XML
[FIGUEIREDO et al., 2010]
40

41. CONSIDERAÇÕES FINAIS
41

42. Com o aumento da quantidade de dados …
Como tornar mais eficiente o
processamento de consultas
XML em ambientes distribuídos?
42/40
42

43. O que já existe para o modelo relacional?
43/40
43

44. O que já existe para o modelo XML?
Trabalho Armazena- Técnica Frag- Modelo Consulta Exige
mento mentação Projeto Frag.
[FIGUEIREDO et SD e MD Horizontal, XML XQuery Sim
al., 2006] vertical e Schema
híbrida
[KLING et al., SD e MD Horizontal, XML XQuery Sim
2010] vertical Schema
[RODRIGUES et SD e MD Virtual Simples XML XQuery Não
al., 2011] Schema
Nossa Proposta SD e MD Virtual XML XQuery Não
Adaptativa Schema
44/40
44

45. Próximos passos …
 Experimentos com SGBD XML Nativos
(armazenamento, índices, consultas etc.)
45/40
45

46. [SILVA JÚNIOR, 2012]
46

47. Próximos passos …
 Definição da arquitetura/metodologia;
 Definição e codificação dos algoritmos;
 Prototipação;
 Validação.
47/40
47

48. Referências
ANDRADE, Alexandre; RUBERG, Gabriela; BAIÃO, Fernanda; BRAGANHOLO, Vanessa; MATTOSO,
Marta. Efficiently Processing XML Queries over Fragmented Repositories with PartiX. In: INTERNATIONAL
WORKSHOP ON DATABASE TECHNOLOGIES FOR HANDLING XML INFORMATION ON THE WEB
(DATAX), 2., 2006, Munique. Proceedings... . Munique, 2006. p. 150-163.
BREMER, Jan-Marco; GERTZ, Michael. On Distributing XML Repositories. In: INTERNATIONAL
WORKSHOP ON THE WEB AND DATABASES (WebDB), 2003, San Diego. Proceedings… . San Diego,
2003.
KLING, Patrick; ÖZSU, M. Tamer; DAUDJEE, Khuzaima. Distributed XML Query Processing:
fragmentation, localization and pruning. Relatório Técnico, Universidade de Waterloo, Ontario, Canada,
2010.
LIMA, Alexandre A. B. ; MATTOSO, Marta; VALDURIEZ, Patrick. Adaptive Virtual Partitioning for OLAP
Query Processing in a Database Cluster. Journal of Information and Data Management, v. 1, p. 75-87,
2010.
MA, Hui; SCHEWE, Klaus-Dieter. Fragmentation of XML Documents. In: SIMPÓSIO BRASILEIRO DE
BANCO DE DADOS (SBBD), 18., 2003, Manaus. Anais... . Manaus, 2003. p. 200-214.
MATTOSO, M. Database clusters. In Encyclopedia of Database Systems, L. Liu and M. T. Özsu (Eds.).
Springer, pp. 700-704, 2009.
ÖZSU, M. T.; VALDURIEZ, P. Principles of Distributed Database Systems. 3. ed. Springer, 2011.
RODRIGUES, C.; BRAGANHOLO, V.; MATTOSO, M. Virtual Partitioning ad-hoc Queries over Distributed
XML Databases. In Journal of Information and Data Management, v. 2, n. 3, pp. 495-510, 2011.