Estudo Comparativo dos BDXML exist e Xindice

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1 Estudo Comparativo dos BDXML exist e Xindice Fábio Pasquali 1, Denio Duarte 1 1 Universidade Comunitária Regional de Chapecó - Unochapecó Centro Tecnológico - CETEC Av. Senador Attílio Fontana 591-E Chapecó SC Brasil {fabio Graduação Abstract. The problem of XML documents storage is an active area of research. Several XML native databases (called XMLDB) have been proposed as result of these research. This work presents a study of some XMLDB implementation features, such as: storage capacity and XML document validation process. The chosen XMLDB are exist and Xindice. The aim of this study is to identify which of two is the best one to implement a framework to update XML documents and schemas. Resumo. O armazenamento de documentos XML em banco de dados é ainda objeto de pesquisas. Como resultado dessas pesquisas, vários bancos de dados XML nativos (chamados de BDXML) foram propostos. Este artigo apresenta um estudo sobre algumas características de implementação, tais como capacidade de armazenamento, tratamento de validação, entre outros, de dois BDXML: exist e Xindice. O objetivo deste trabalho é identificar qual BDXML estudado é o mais adequado para implementar um framework para atualização de documentos e esquemas XML. 1. Introdução As aplicações se apóiam, cada vez mais, na linguagem XML para modelar seus dados semi-estruturados e, conseqüentemente, uma grande quantidade de documentos XML é gerada. Assim, o gerenciamento eficiente de documentos XML em banco de dados é uma necessidade cada vez mais crescente. Atualmente, existem algumas abordagens para o gerenciamento de banco de dados XML, entre elas [Yao et al. 2004]: (i) sistemas de arquivos f lat, (ii) extensões de bancos de dados relacionais ou orientados a objetos para XML, (iii) bancos de dados XML nativos (BDXML). A primeira abordagem é a mais simples pois trata documentos XML como arquivos do sistema operacional. A segunda abordagem representa uma evolução dos bancos de dados tradicionais que apresentam camadas para aceitar e exportar dados em formato XML. Os BDXML são implementados para armazenar dados apenas no formato XML e são otimizados para tal. Existem várias implementações para o gerenciamento de documentos XML de forma nativa, entre elas, podem-se citar (por tipo de licença) 1 : Bolsista FAPESC - Prémio Mérito Universitário 1 Os endereços para acesso as ferramentas podem ser encontrados em

2 Código aberto (open source): 4Suite, Berkeley DB XML, DBDOM, dbxml, exist, myxmldb, ozone, Timber, XDBM, XDB, Xindice, XpSQL. Comerciais: Birdstep RDM XML, Centor Interaction Server, Dieselpoint, DOM- SafeXML, extc, Extraway, GoXML DB, Infonyte, Ipedo, MarkLogic Server, Natix, NaX, Neocore, SQL/XML-IMDB, Sonic XML Server, Tamino, TeraText DBS, TEXTML Server, TigerLogic XDMS, TOTAL XML,Virtuoso, XediX Tera- Solution, X-Hive/DB, XML Transactional, XQuantum XML Database Server, XStreamDB Native XML Database, Xyleme Zone Server. Livres ou acadêmicos: Lore, Sedna XML DBMS. Percebe-se pela lista apresentada acima que existem várias ferramentas para gerenciar documentos XML nativamente, indicando que esta área continua em expansão. É importante salientar que essa lista apresenta apenas as ferramentas nativas para o gerenciamento de documentos XML. A grande variedade de gerenciadores de documentos XML pode causar dúvidas no momento de escolher uma delas para gerenciar documentos e/ou propor uma extensão para tratar problemas especifíficos na área, tais como: atualização de esquemas, validação incremental de documentos, entre outros. Assim, este trabalho objetiva testar dois BDXML nos seguintes aspectos: capacidade de armazenamento tanto em tamanho quanto em número de elementos dos documentos, número máximo de documentos armazenados, profundidade máxima dos documentos (aninhamento de elementos), validação, boa formação, consulta, atualização e API s disponíveis (Application Programming Interface). Os BDXML escolhidos foram o exist [Meier 2003] e o Xindice [Bates et al. 2008]. Estes gerenciadores foram escolhidos por serem de código aberto e de licença livre, além de possuírem um grande número de funcionalidades para manipulação de documentos XML 2. Este artigo está organizado da seguinte forma: a próxima seção apresenta alguns trabalhos correlatos; a Seção 3 descreve os BDXML utilizados para este estudo; a seção seguinte apresenta a metodologia utilizada para a realização dos testes; a Seção 5 apresenta os resultados do estudo realizado; finalmente, a Seção 6 apresenta as conclusões e alguns trabalhos futuros. 2. Trabalhos Correlatos Vários trabalhos foram propostos com o intuito de analisar banco de dados XML nativos ou não. A seguir alguns dentre eles são apresentados. Em [Kolar and Loupal 2004], os autores comparam os BDXML exist e Xindice baseando-se no conjunto de dados INEX [Fuhr et al. 2003]. A comparação é feita em relação ao desempenho de consultas em relação ao tempo. Nesse estudo o Xindice teve um desempenho muito abaixo do exist. Já em [Nunes et al. 2003], as três abordagens para gerenciamento de documentos XML apresentadas anteriormente são avaliadas. Os autores também testaram os gerenciadores em relação ao desempenho de consultas. Os testes foram feitos através da 2 Os BDXML Sedna e Timber também foram prospectados porém optou-se por trabalhar apenas com dois gerenciadores.

3 construção de interfaces para acesso ao bancos via API. As ferramentas testadas foram: T amino, Xindice, Ozone e SQL Server. Schimdt e Härder [Schmidt and Härder 2008] analisaram as configurações das estruturas de armazenamento nativas para os documentos e desempenho para diferentes cargas. O objetivo dessa análise foi discutir conceitos importantes para a configuração de formas de armazenamentos ótimos para documentos XML. A análise realizada em [Yao et al. 2004] foi similar às apresentadas anteriormente: desempenho dos gerenciadores. As ferramentas analisadas foram dois bancos de dados relacionais com extensão XML (DB2 e SQL Server) e um BDXML, o X Hive. Apesar dos autores descreverem tamanhos de documentos XML utilizados, o foco dos testes foi o tempo para carregar tais documentos e o desempenho de consultas. Esses testes foram feitos, principalmente, para validar a ferramenta de benchmark proposta no trabalho: XBench. Diferente dos trabalhos citados anteriormente, a análise proposta neste trabalho é verificar, principalmente, os limites de carga nos banco de dados utilizados. Esses limites são principalmente: tamanho do documento, quantidade de documentos e profundidade da árvore do documento. 3. BDXML analisados Conforme apresentado anteriormente, os BDXML analisados foram o exist e o Xindice. Ambos serão, brevemente, discutidos nesta seção exist exist é um banco de dados de código aberto que pode ser integrado em aplicações que utilizam XML. Essa utilização pode ser desde aplicações W eb até sistemas de documentação. A ferramenta é completamente desenvolvida em Java podendo, assim, ser oferecida de várias maneiras, e.g., servidor standlone e como servlet embutida em aplicações. exist oferece armazenamento de documentos XML sem esquemas através de coleções hierárquicas. Através da sintaxe XPath, usuários podem recuperar partes distintas da coleção ou todos os documentos contidos no banco de dados. O módulo de consulta do exist processa de forma eficiente consultas baseadas em índice. O esquema de indexação suporta a identificação rápida das relações estruturais entre os nós das árvores que representam o documento XML. Por exemplo, relações pai f ilho, sucessor antecessor e/ou irmãos. Baseado em algoritmos de junção, uma grande faixa de expressões de caminho são processadas apenas com as informações de índices geradas. O banco de dados é mais apropriado para aplicações que utilizam de pequenas à grandes coleções que são ocasionalmente atualizadas. exist oferece extensões para o padrão XPath para processar consultas f ulltext, incluindo por palavras chaves, por proximidade ou expressões regulares. Para desenvolvedores, são oferecidos acessos via HTTP, XL-RPC, SOAP e WebDav. Aplicações Java podem utilizar a API XML:DB [The XML:DB Project 2001].

4 3.2. Xindice O grupo dbxml 3 foi fundando em março de 2000 com o propósito de desenvolver ferramentas baseadas em XML. O primeiro produto lançado foi o banco de dados dbxml. Após o lançamento, o código fonte foi doado ao Apache Software Foundation. O projeto foi, assim, renomeado para Xindice (Apache Xindice). Xindice é um BDXML que armazena e indexa documentos XML compactados para oferecer os dados para os clientes com pouco overhead de processamento no lado do servidor. Também oferece funcionalidades inerentes aos dados XML que não podem ser reproduzidas em bancos de dados relacionais. Xindice é um banco de dados hierárquico. A estrutura hierárquico é definida por coleções (equivalente à pastas) e os documentos estão dentro dessas coleções (equivalente aos arquivos em pastas). A raiz de todos os dados é uma instância do banco de dados, chamada db na instalação padrão. Todas as coleção abaixo da raiz começam com /db. Atualmente, Xindice utiliza XPath como linguagem de consulta e XML:DB XUpdate como linguagem de atualização. É oferecida uma implementação da API XML:DB para o desenvolvimento em Java. Também é possível acessar Xindice de outras linguagens de programação utilizando a API XML-RPC [Winer 1999]. 4. Metodologia da Análise dos BDXML A análise dos dois BDXML em questão foi realizada utilizando os seguintes requisitos: Capacidade de armazenamento de um documento XML em bytes: foi inserido um documento XML de 1 Mb e o tamanho do mesmo foi duplicado, através de sucessivas inserções, até o banco de dados em teste não acusar erro. Também foi testada a capacidade máxima de texto (em bytes) que um elemento pode armazenar. Número de nós (elementos) de um documento XML suportado pelos BDXML: Verificar, inicialmente, o número de nós não considerando a profundidade: inserir um documento com o nó raiz possuindo 100 filhos. Duplicar o número de filhos para identificar o número máximo de subelementos (nós filhos) que um elemento (nó pai) pode ter. Profundidade máxima da árvore (número máximo de elementos aninhados): foi criado um documento com profundidade 1 e sub-árvores foram inseridas duplicando a profundidade a cada inserção. Número máximo de documentos em uma coleção: foi gerado um documento XML com 4Kb e inserido várias vezes na coleção até a identificação do limite de armazenamento por coleção. Verificação da boa formação dos documentos: inserir um documento XML não bem formado. Inserir um documento bem formado e em seguida atualizá-lo de tal forma que o documento perca a boa formação. Esse teste foi realizado para identificar se a boa formação, requisito mínimo para um documento XML, é realmente respeitada pelos BDXML. Verificação da validade dos documentos (documentos associados a esquemas): inserir um documento não válido em relação ao esquema associado. Atualizar o esquema de uma coleção e verificar o tratamento dado aos documentos que anteriormente válidos tornaram-se inválidos em relação ao novo esquema. 3

5 Consultas e inserções de dados em documentos XML: Consultas: verificar a aderência do BDXML em relação a linguagem de consulta XQuery. Atualizações: verificar a aderência do BDXML em relação a linguagem de atualização. Os documentos XML foram gerados de forma sintética sem a preocupação com o formato. Para os casos relativos à quantidade de nós, não foram considerados os dados que os nós armazenavam. Como o objetivo não era medir o desempenho em tempo, os testes de consultas e atualizações foram feitos em documentos pequenos (menores que 100 Kb) As características da computador onde foram realizados os testes são: Processador: Intel core 2 duo 2.2 GHz Memória cache:2m b Memória RAM: 2Gb Disco rígido: Sata 160Gb Sistema operacional: Windows XP 5. Resultados da Análise Nesta seção são apresentados os resultados dos testes realizados nos dois bancos de dados XML nativos escolhidos. Capacidade de Armazenamento: o teste de capacidade de armazenamento foi realizado enfocando no tamanho final do documento XML, sem considerar o número de elementos ou os dados contidos nesses elementos. No BDXML exist, não há, teoricamente, um limite para o tamanho do arquivo XML a ser inserido. Entretanto, existe uma descrição na documentação do exist afirmando que, na prática, algumas características, tanto do próprio arquivo quando do sistema operacional, podem ter influência em uma possível ocorrência de erro durante a tentativa de inserção do documento. Isto foi confirmado através de um teste, que consistiu em inserir dois arquivos, sendo que um deles de 491MB (DBLP.xml, válido em relação à gramática DBLP.dtd, ambos disponíveis em dblp.uni-trier.de/xml) e, o outro, com 1, 19 Gb (também associado a gramática DBLP.dtd). Apenas a inserção do primeiro arquivo (de tamanho menor) resultou em erro. No BDXML Xindice, concluiu-se, através dos testes, que o tamanho máximo que um arquivo XML deve possuir para poder ser inserido é de 2, 4 Mb, independentemente de sua estrutura. No teste de tamanho máximo de dados que um elemento suportava foi obtido os seguintes resultados:o BDXML exist aceitou elementos com até 23, 36 M b de dados. Para o Xindice o limite foi de 2 Mb. Número de Nós: conforme apresentado na Seção 4, foram criados documentos XML sintéticos para testar a capacidade de armazenamento dos bancos exist e Xindice em relação ao tratamento da quantidade de elementos (nós) em um documento XML. A estrutura do documento utilizada para o primeiro teste (aninhamento) foi:

6 <a> (nível 1) <a> (nível 2) <a> (nível 3) <a> (nível 4) : :...(nível n) </a> </a> </a> </a> O exist suportou um aninhamento de até 8191 níveis hierárquicos. Já o Xindice, a quantidade máxima de nível hierárquicos foi de 693 níveis. Para o número máximo de subelementos de um elemento raiz (número de filhos do nó raiz), o Xindice suportou até elementos (começando a ficar instável a partir do o elemento). Na medida que os testes eram executados, percebeu-se que o exist se comporta de maneira instável quando insere-se arquivos cuja quantidade de elementos aninhados no elemento mais externo está entre 2 e 2, 3 milhões. Um documento com uma quantidade de nós abaixo dessa faixa sempre é aceito. Conforme citado anteriormente, esses testes não consideraram os dados armazenados, apenas a quantidade de elementos. O objetivo desses testes eram identificar a capacidade de tratamento dos elementos de cada BDXML. Número Máximo de Documentos em uma Coleção: não foi possível determinar o número máximo de arquivos XML que uma coleção pode possuir, em ambos os BDXML. Os testes foram abortados quando o número de documentos inseridos ultrapassou a marca de 3 milhões no exist e 1.4 milhões no Xindice. A razão da não continuidade dos testes foi pelo fato de se identificar que o limite de armazenamento estar relacionado ao sistema operacional utilizado e a capacidade da memória secundária (disco rígido). Verificação da Boa Formação dos Documentos: como era de se esperar, tanto o exist quanto o Xindice não permitem inserir documentos que não respeitam a boa formação, nem fazer atualizações que retiram a boa formação de um documento já armazenado. Verificação da Validade dos Documentos (Documentos Associados a Esquemas): o exist faz a análise sintática dos documento XML armazenados através do parser SAX. O banco suporta a validação implícita e a validação explícita. A validação implícita pode ser executada automaticamente quando um documento XML é inserido na base. Para isso, é necessário cadastrar a gramática (DTD ou XML-Schema) deste documento em um catálogo (também em formato XML). Este catálogo, por sua vez, deve estar cadastrado no documento de configuração conf.xml como um elemento filho do nó validation: <validation mode="auto"> <entity-resolver> <catalog uri="${webapp_home}/web-inf/catalog.xml"/> </entity-resolver> </validation>

7 Este exemplo de elemento validation possui apenas um catálogo de gramáticas chamado catalog.xml, além da configuração relativa ao modo de validação do arquivo (se deve ser validado ou não), contida no atributo mode. O arquivo catalog.xml possui um conjunto de esquemas que são usados para validar documentos XML que são inseridos na base. Abaixo está um exemplo deste documento: <?xml version="1.0" encoding="utf-8"?> <catalog> <system systemid="esq.dtd" uri="entities/esq.dtd"/> <uri name="http://www.meusite.com/esquemas" uri="entities/esquema2.xsd"/> </catalog> Este catálogo possui dois esquemas cadastrados, sendo um deles um XML- Schema (no elemento uri) e o outro uma DTD (no elemento system). Tanto system quanto uri devem possuir o identificador do esquema em questão (usado no documento XML para associá-lo ao esquema) e o caminho que aponta para o esquema. Por exemplo, para associar o esquema esq.dtd a um documento XML, este deverá possuir uma cláusula DOCT Y P E como segue: <!DOCTYPE elemento SYSTEM esq.dtd>, pois esq.dtd não é apenas o nome do esquema, mas também seu identificador no catálogo. A validação explícita ocorre quando o usuário valida o documento manualmente um documento já armazenado. Pode ser feita por comandos no Shell do cliente ou através de scripts XQuery. O comando que valida explicitamente um documento XML possui a sintaxe: validate nomedodocumento [esquema], sendo que [esquema] corresponde ao nome de um esquema específico e é opcional. Se este não for especificado, então o documento XML será validado usando-se o esquema cadastrado no catálogo. Não foram encontradas formas de validação para o banco de dados Xindice. Segundo o Guia de Usuário deste BDXML (disponível em esta funcionalidade foi omitida para favorecer a flexibilidade de armazenamento de dados. Consultas e Inserções de Dados em Documentos XML: O exist implementa uma extensão da linguagem XQuery (padrão da W3C) como mecanismo de consulta dos dados XML armazenados. XQuery utiliza expressões de caminho XPath para referir-se a partes do documento XML. Através do XPath é possível navegar na árvore do documento através da notação de caminhos, além de definir predicados e eixos para filtrar os dados desejados. Para a realização dos testes de consulta, foram utilizados dois documentos XML que modelavam dados de livros e disciplinas de um curso. A interface gráfica XQuery Sandbox do próprio banco foi utilizada para executar os comandos. Esse teste teve como objetivo identificar a aderência do exist com XQuery. As consultas que retornavam partes de um documento e um documento completo, sendo que ambas funcionaram de forma correta. XIndice utiliza XPath para consulta dos dados. Uma consulta pode ser realizada duas formas: através da API XML-RPC, ou por linha de comando. A linha de comando utilizada para realizar uma consulta em arquivos XML possui a seguinte estrutura: xindice xpath -c contexto [-f nomedoarquivo] -q expressãoxpath

8 Para recuperar um documento completo utiliza-se, então, o comando: xindice xpath -c /db/minhacolecao -f disciplinas.xml -q /disciplinas. Também é possível recuperar caminhos existentes em vários documentos distintos: xindice xpath -c /db/minhacolecao -q /disciplinas, que recupera todos os documentos que contenham a raiz disciplina presentes na coleção minhacolecao. Perceba que nesse exemplo, o nome do documento XML não foi especificado. Ambas as ferramentas permitem atualização dos dados armazenados. O exist implementa uma extensão de XQuery que permite inserir comandos de atualização dentro de suas expressões. Com esta extensão é possível inserir, atualizar (nomes de nós e valores), excluir e renomear nós de documentos XML. Já o Xindice permite que documentos XML sejam atualizados através da linguagem XUpdate. Uma atualização em XUpdate é expressada em formato XML. Portanto, esta atualização deve estar em um documento separado, que deve ser indicado na linha de comando juntamente com o nome do arquivo/coleção a ser atualizada. XUpdate foi criada pela iniciativa XML:DB, e suas capacidades de atualização são semelhantes às da extensão XQuery fornecida pelo exist (inserção, anexação, modificação, exclusão e renomeação). Nem o exist nem o Xindice garantem a validade dos documentos previamente válidos após a atualização. Considerações: a Tabela 1 apresenta o resumo dos testes realizados nos dois DBXML. Percebe-se que o exist teve um melhor resultado em relação ao testes realizados. Porém, as duas ferramentas apresentaram um problema: a não garantia da validação de documentos XML válidos após atualização. Tabela 1. Resumos dos testes realizados. Item exist Xindice Nível máximo de hierarquia Máximo de dados no elemento 23,36 Mb 2 Mb Tamanho máximo do documento não identificado 2.4Mb Máximo de subelementos 2 milhões Máximo de documentos por coleção não identificado não identificado Validação inserção sim não Validação atualização não não Verificação boa formação sim sim Linguagem consulta XQuery XPath Linguagem atualização Extensão XQuery XUpdate 6. Conclusões O gerenciamento de documentos XML é importante para as aplicações baseadas nos mesmos para armazenar e/ou compartilhar dados semi-estruturados. Existem várias proposições de ferramentas para esse fim. Muitas das mesmas são oferecidas com o código aberto e licença livre. Este trabalho apresentou uma comparação entre dois gerenciadores de bancos de dados semi-estruturados nativos, chamados do BDXML. Ambas as ferramentas são de licença livre e código aberto.

9 Os resultados mostraram que exist é a melhor opção para os casos aqui discutidos. Porém ambas possuem ainda dois problemas: A não revalidação dos documentos XML que se tornaram inválidos devido à atualizações (apesar do BDXML exist oferecer validação durante a inserção de documentos na base de dados); e A instabilidade na inserção de documentos grandes. No caso do Xindice, o limite é pequeno: 2, 4 Mb. O objetivo deste estudo foi identificar qual das duas abordagens seria a mais apropriada para o desenvolvimento de uma camada para gerenciamento de atualizações de documentos e esquemas XML. Esse gerenciamento inclui: (i) revalidação de documentos atualizados (validações f rom scratch e incremental) e (ii) atualização de esquemas e verificação da validade dos documentos válidos. Para esses casos, o BDXML exist seria o mais apropriado para o desenvolvimento desta camada. Como proposta futura para este trabalho pretende-se incluir mais BDXML nos testes, como, por exemplo, T imber, Sedna e T amino. Referências Bates, J., Bradford, T., Gritsenko, V., O Neill, K., Padilla, F., Ross, K., Viner, D., and Ward, K. (2008). Xindice - the apache XML project. Technical report, Fuhr, N., Gvert, N., Kazai, G., and Lalmas, M. (2003). Initiative for the evaluation of XML retrieval. INEX. Kolar, P. and Loupal, P. (2004). Comparison of native XML databases and experimenting with INEX. In Dateso 2006 Annual International Workshop on Databases, Texts, Specifications and Objects, pages Meier, W. (2003). exist: An Open Source Native XML Database, volume Springer- Verlag. Nunes, R. C., da Silva, M. M., and Davies, R. (2003). A comparison of database system for storing XML documents. In ICEIS. Schmidt, K. and Härder, T. (2008). Usage-driven storage structures for native xml databases. In IDEAS 08: Proceedings of the 2008 international symposium on Database engineering and applications, pages , New York, NY, USA. ACM. The XML:DB Project (2001). XML:DB database API working draft. Technical report, Winer, D. (1999). XML-RPC specification. Technical report, Yao, B. B., Özsu, M. T., and Khandelwal, N. (2004). XBench benchmark and performance testing of XML DBMSs. In ICDE 04, pages IEEE Computer Society.

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