XML-Datenmodellierung / XML-Schemasprachen

Transcription

XML-Abfragesprachen
XML-Schemasprachen
XPath
DTD
XQuery
XML-Transformationssprache
XML-Schema
XSLT
...
XML
Relationale
DBMS
38
XML in DBMS
Dedizierte
XML-DBMS
XML-Grundlagen, -Sprachen, -Datenhaltungsfragen
2. XML-Datenmodellierung / XML-Schemasprachen
-
39
Warum XML-Schemasprachen?
Document Type Definition (DTD)
XML-Schema
alternative Ansätze (Relax NG und Schematron)
Warum XML-Schemasprachen?
<vorlesung titel="XML ..."
<teilnehmer matrikel="4711">
<name>Mustermann</name>
Fakultät
<student matrikel="4712">
Fakultät 1 <vorname>Max</vorname>
<name>Normalverbraucher</name>
<semester>5</semester>
<vorname>Otto</vorname>
<studienfach>8</studienfach>
</teilnehmer>
</vorlesung>
<lehrveranstaltungen>
<vorlesung titel="XML ..."/>
</lehrveranstaltungen>
</student>
<teilnehmer>
<matNr>4713</matNr>
<name>Erika Mustermann</name>
<studienfach>Inf</studienfach>
</teilnehmer>
</vorlesung>
unterschiedliche Struktur
bei gleichartigem Informationsgehalt
Fakultät 3
40
2
Probleme
-
kein einheitliches Schema
systematischer Zugriff kaum möglich
Informationen vorhanden, aber unbrauchbar
verständlicher Datenaustausch (fakultätsübergreifend) nicht realisierbar
Warum dann überhaupt XML?
Weil es auch XMLSchemasprachen gibt
41
Woher kennen wir „Schemas“ schon?
E/R-Diagramm
(konzeptionelles Schema)
Vorname
Matrikel
Name
Student
Studienfach
42
Titel
*
*
Vorlesung
Semester
Übertragen auf die „XML-Welt“ (am Bsp. XML-Schema)
<?xml version="1.0" encoding="ISO-8859-1"?>
<xs:schema xmlns:xs="http://www.w3.org/2001/XMLSchema">
<xs:element name="vorlesung">
<xs:complexType>
<xs:sequence>
<xs:element maxOccurs="unbounded" name="teilnehmer">
<xs:complexType>
<xs:sequence>
<xs:element name="name" type="xs:string" />
<xs:element name="vorname" type="xs:string" />
<xs:element name="semester" type="xs:int" />
<xs:element name="studienfach" type="xs:int" />
</xs:sequence>
<xs:attribute name="matrikel"
type="xs:int"
use="required" />
</xs:complexType>
</xs:element>
</xs:sequence>
<xs:attribute name="titel" type="xs:string" use="required" />
</xs:complexType>
</xs:element>
</xs:schema>
43
möglicher Einsatz von XML-Schemasprachen
<teilnehmer matrikel="4711">
<name>Mustermann</name>
<vorname>Max</vorname>
Fak
</teilnehmer>
</vorlesung>
Validierung
Ergebnis
.1
Fak. 2
<teilnehmer>
<matNr>4713</matNr>
<name>Erika Mustermann</name>
Fak
<studienfach>Inf</studienfach>
</teilnehmer>
</vorlesung>
.3
44
DTD, XML-Schema, …
<student matrikel="4712">
<name>Normalverbraucher</name>
<vorname>Otto</vorname>
<lehrveranstaltungen>
<vorlesung titel="XML ..."/>
</lehrveranstaltungen>
</student>
- „alter“ Standard aus SGML-Spezifikation (80er Jahre), der in vereinfachter
Form durch XML-Spezifikation aufgegriffen wurde
- definiert eine Klasse strukturell ähnlicher XML-Dokumente
- im Detail definierbar
• Elementreihenfolge
• Verschachtelung von Elementen
• Inhalt von Attributen
45
- DTDs müssen stets am Anfang von XML-Dokumenten definiert werden
Wurzelelement im XML-Dokument
Beginn
<!DOCTYPE vorlesung[
<!ELEMENT vorlesung (teilnehmer+)>
<!ATTLIST vorlesung titel CDATA #REQUIRED>
<!ELEMENT teilnehmer (name, vorname, semester,
studienfach)>
<!ATTLIST teilnehmer matrikel NMTOKEN #REQUIRED>
Attributliste
<!ELEMENT
<!ELEMENT
<!ELEMENT
<!ELEMENT
Elementtyp
Ende
46
name (#PCDATA)>
vorname (#PCDATA)>
semester (#PCDATA)>
studienfach (#PCDATA)>
]>
Elementtyp
- definiert Name (dokumentweit eindeutig) und Inhaltsmodell eines Element
Name
Inhaltsmodell
<!ELEMENT teilnehmer (name,
vorname,
semester,
studienfach)>
- Inhaltsmodell wird von runden Klammern umschlossen und besteht aus
• EMPTY – leeres Element
• #PCDATA – nicht näher definierte Daten
• ANY – beliebiger Inhalt (nicht näher definierter Text oder beliebiges in
der DTD definiertes Element)
• weiteren Elementtypen mit Angabe deren Kardinalität (Häufigkeit)
47
Elementtyp
- Definition weiterer Elementtypen im Inhaltsmodell per
• Sequenz (",") – alle Elemente in angegebener Reihenfolge oder
• Auswahl ("|") – ein Element aus Aufreihung
- Kardinalitäten (eines Elementtyps)
• "*" – beliebig häufiges Vorkommen, einschließlich keinmal
• "+" – mehrfaches Vorkommen, mindestens einmal
• "?" – optionales Vorkommen, maximal einmal
• keine Angabe – genau einmaliges Vorkommen
- aus unserem Beispiel
• eine Vorlesung hat beliebig viele, mindestens jedoch einen Teilnehmer
<!ELEMENT vorlesung (teilnehmer+)>
48
Attributliste
- definiert für einen bestimmten Elementtyp eine Liste von Attributen mit
jeweils Name (eindeutig innerhalb Element), Typ und Verhalten
Elementtyp Name Typ
Verhalten
<!ATTLIST vorlesung titel CDATA #REQUIRED>
Attributtyp
- Attributliste kann mehrere Attributtypen für ein Element definieren
(einzelne Typdefinition nur durch Leerzeichen oder Umbruch getrennt)
- pro Element können ebenfalls mehrere Attributlisten definiert werden
49
Attributliste
- Typen
• CDATA – beliebige Zeichendaten
Bsp.: beschreibung="Wir lernen die DTD kennen!"
• NMTOKEN (Namens-Token) – eine einzelne zusammenhängende
Zeichenkette
Bsp.: rolle="Student"
• NMTOKENS – eine Liste mehrerer NMTOKEN
Bsp.: spez="DTD XML-Schema Relax_NG Schematron"
50
Attributliste
- Typen
• ID – eindeutiger Bezeichner dessen Wert innerhalb des ganzen
Dokuments eindeutig sein muss
Bsp.: stud_ID="inf4711"
• Aufzählungsliste – Liste von NMTOKEN, aus denen das Attribut
genau ein Wert annehmen kann
Bsp. für Definition: (Mo | Di | Mi | Do | Fr | Sa | So)
• ...
51
Attributliste
- Verhalten
• "Standardwert" – Standardwert zuweisen
Bsp.: <!ATTLIST inf_student geschlecht(m | w) "m">
• #IMPLIED – optionales Attribut
Bsp.: <!ATTLIST teilnehmer
zweiter_vorname CDATA #IMPLIED>
• #REQUIRED – zwingend erforderliches Attribut
Bsp.: <!ATTLIST teilnehmer
matrikel NMTOKEN #REQUIRED>
• #FIXED – unveränderbar vorbelegtes Attribut
Bsp.: <!ATTLIST vorlesung
lehrstuhl CDATA #FIXED "DBIS">
52
Auslagerung einer DTD
- Referenzieren externer DTD-Datei statt Definition der DTD im XMLDokument möglich
vorlesung.dtd
<?xml version="1.0"
encoding="ISO-8859-1"?>
<!ELEMENT vorlesung
(teilnehmer+)>
...
]>
<vorlesung titel="XML ...">
...
53
<!ELEMENT vorlesung
(teilnehmer+)>
...
<?xml version="1.0"
<!DOCTYPE vorlesung SYSTEM
".../vorlesung.dtd" []>
...
Modularisierung einer DTD
- Zerlegung einer DTD in logische und übersichtliche Einheiten (Module)
- Einbinden der Module mittels Parameter Entities
teilnehmer.mod
Deklaration
<?xml version="1.0"
...
<!ENTITY % teilnehmer
SYSTEM "teilnehmer.mod">
...
%teilnehmer
]>
...
<!ELEMENT teilnehmer (name,
vorname,
semester,
studienfach)>
<!ATTLIST teilnehmer matrikel
NMTOKEN #REQUIRED>
<!ELEMENT
<!ELEMENT
<!ELEMENT
<!ELEMENT
name (#PCDATA)>
vorname (#PCDATA)>
semester (#PCDATA)>
studienfach (#PCDATA)>
Import
54
Was kann eine DTD noch?
-
55
Referenzen beschreiben (mittels ID und IDREF bzw. IDREFS)
weitere Formen von Entities (zum Zweck der Wiederverwendbarkeit)
Notationen (zur Formatangabe für externe „XML-fremde“ Daten)
rekursive Beziehungen abbilden
Nachteile von DTDs
- funktionale Beschränktheit
• kaum Datentypen (keine Zahlen, Datum, etc.)
• keine Unterstützung für Namespaces
• dokumentweite Eindeutigkeit von Elementen und IDs
• keine Sonderzeichen für Aufzählungstyp zulässig
- Syntax
• DTDs sind selbst keine XML-Dokumente
• zusätzliche Editoren zur Bearbeitung nötig
- ...
56
DTD
57
XML-Schema
- Nachteile der DTD förderten seit 1999 Standardisierungsbestrebungen zu
einer „XML-spezifischeren“ Schemasprache
- Entwurfsziele
• Fähigkeiten von DTD einschließen
• umfangreiches Typsystem bereitstellen
• Unterstützung von Namespaces
• lokale Definition von Elementen
• Verwendung von XML-Syntax
- 2001 Verabschiedung der W3C Recommendation „XML-Schema“
(sehr komplex* und daher 3-teilig)
* Wir werden uns aufgrund der erwähnten Komplexität auf die Grundlagen der XML-Schema-Spezifikation beschränken.
58
XML-Schema-Dokument
- XML-Schemas werden durch XML-Schema-Dokumente beschrieben*
XML-SchemaDokument
Vorlesung.xsd
<xs:complexType>
<xs:sequence>
<xs:element maxOccurs="unbounded" name="teilnehmer">
<xs:complexType>
<xs:sequence>
<xs:element name="name" type="xs:string" />
<xs:element name="vorname" type="xs:string" />
<xs:element name="semester" type="xs:int" />
<xs:element name="studienfach" type="xs:int" />
</xs:sequence>
type="xs:int"
use="required" />
</xs:complexType>
</xs:element>
</xs:sequence>
<xs:attribute name="titel" type="xs:string" use="required" />
</xs:complexType>
</xs:element>
</xs:schema>
* Vereinfachung: Wir werden die Begriffe XML-Schema und XML-Schema-Dokument teilweise synonym füreinander verwenden.
59
Charakteristik von XML-Schema-Dokumenten
- XML-Schema-Dokumente ⊂ XML-Dokumente
- Besonderheiten von XML-Schemas
• umschließendes schema-Element (nach XML-Deklaration)
• Namespace "http://www.w3.org/2001/XMLSchema"
• Namespace-Präfix häufig xs oder xsd
...
60
Deklaration von Elementen
- per Element <xs:element> und damit verbundenen Attributen
• name – Elementname
• type – zugeordneter Typ
• minOccurs – min. Vorkommen eines Elements
• maxOccurs – max. Vorkommen ("unbounded" für beliebig oft)
• ...
<xs:element name="vorlesung" type="xs:string" />
61
Deklaration von Elementen
- alternative Form der Typdefinition: „anonyme Typdefinition“
• Typdefinition ohne Name direkt innerhalb des Elements
• keine Möglichkeit zur Wiederverwendung
<xs:element name="vorlesung" >
[anonyme Typdefinition]
</xs:element>
62
Deklaration von Attributen
- per Element <xs:attribute> und damit verbundenen Attributen
• name – Attributname
• use – Verwendung ("required", "optional", "prohibited")
• default – Standardwert (nur erlaubt bei use="optional")
• fixed – fixer Wert vorausgesetzt (nicht in Verbindung mit default )
• ...
type="xs:int"
use="required" />
- anonyme Typdefinition (siehe Elemente) auch bei Attributen möglich
63
Vordefinierte Typen
Legende
64
Vordefinierte Typen
- insgesamt 44 vordefinierte (einfache) Typen für unter anderem
• Zeichenketten (bspw. "xs:string", "xs:language")
• Zahlen (bspw. "xs:int", "xs:float")
• Zeit- und Datumsangaben (bspw. "xs:date", "xs:datetime")
- vordefinierte Typen unterscheiden sich in
• Urtypen
• primitive Typen
• (von Primitivtypen) abgeleitete Typen
- DTD-Datentypen aus Kompatibilitätsgründen weitgehend übernommen
65
Erzeugung eigener Typen
- zusätzlich zu vordefinierten Datentypen lassen sich eigene Typen erzeugen
Typen
ohne (Kind-) Elemente
und Attribute
einfache
Typen
komplexe
Typen
einfacher Inhalt
ohne (Kind-) Elemente
66
umfassen (Kind-)
Elemente oder Attribute
komplexer Inhalt
mit (Kind-) Elementen
Die Typen im Detail – einfache Typen
- Verwendung für Attributwerte oder Textinhalt von Elementen
- Komponenten
• Wertebereich (value space)
• Repräsentationsraum (lexical space) – Repräsentationen für Werte
• Aspekte (facets) – Eigenschaften von Typen über die eingeschränkt
werden kann
- oft gibt es zu einem Wert mehrere Repräsentationen (Bsp.: 100 = 1.0E2)
67
- einschränkende Aspekte (facets)
• Unter-/Obergrenzen für geordneten Wertebereich
minInclusive, minExclusive,
maxInclusive, maxEclusive
• Längenbeschränkungen
- für Zeichenketten
length, minLength, maxLength
- für Listen
length, minLength, maxLength
- für Dezimalzahlen
totalDigits – maximale Gesamtanzahl der Dezimalstellen,
fractionDigits – Anzahl der Nachkommastellen
68
- einschränkende Aspekte (facets)
• Aufzählung der erlaubten Werte (enumeration)
• Reguläre Ausdrücke (pattern) zur Einschränkung des
Repräsentationsraums (und damit indirekt auch des Wertebereichs)
• Behandlung von Whitespace (Leerzeichen, Tabulator,
Zeilenende/Wagenrücklauf)
preserve – Whitespace wird beibehalten
replace – Tabulator und Zeilenende/Wagenrücklauf werden durch
Leerzeichen ersetzt
collapse – wie replace, zusätzlich werden jedoch führende und
folgende Leerzeichen abgeschnitten sowie Folgen von
Leerzeichen auf ein je einmaliges Vorkommen beschränkt
69
Die Typen im Detail – komplexe Typen
- Verwendung für Elemente
- Unterscheidung
• einfacher Inhalt – Inhalt ohne (Kind-) Elemente
• komplexer Inhalt – Inhalt umfasst (Kind-) Elemente
- per Reihung (sequence) – (Kind-) Elemente müssen in angegebener
Reihenfolge vorkommen
- per Auswahl (choice) – nur eines der angeführten (Kind-) Elemente
darf vorkommen
- per Konjunktion (all) – alle aufgeführten (Kind-) Elemente dürfen
maximal einmal in beliebiger Reihenfolge
vorkommen
70
- besonderer komplexer Inhalt
• anyType
- wird einem Element der Typ anyType zugeordnet, so ist für dieses
Element beliebiger (komplexer) Inhalt erlaubt
<xs:element name="irgendetwas" type="xs:anyType" />
• gemischter Inhalt (mixed content)
- komlexer Inhalt mit Text wird durch das Attribut mixed="true"
im Element complexType gekennzeichnet
<xs:element name="Element_mit_gemischtem_Inhalt">
<xs:complexType mixed="true">
...
</xs:complexType>
</xs:element>
71
- besonderer komplexer Inhalt
• leerer Inhalt
- komplexer Inhalt ist „standardmäßig“ Inhalt ohne Text
- Inhaltsmodell (leer) kann bei Definition daher vernachlässigt werden
<xs:element name="Element_ohne_Inhalt">
<xs:complexType>
<xs:attribute name="nur_ein_Attribut"
type="xsd:string" />
</xs:complexType>
</xs:element>
72
Ableitungsmechanismen
- Vererbungsmechanismen
• Einschränkung (restriction)
- Ableitung eines Typs von einem Basistyp unter Verwendung von
beliebig vielen beschränkenden Aspekten
- Ergebnis ist einfacher oder komplexer Typ
<xs:simpleType name="Telefonnummer">
<xs:restriction base="xs:string">
<xs:pattern value="0[0-9]+/[0-9]+"/>
<xs:maxLength value="25"/>
</xs:restriction>
</xs:simpleType>
73
- Vererbungsmechanismen
• Erweiterung (extension)
- Erweiterung eines bestehenden Typs um neue Attribute oder Elemente
- Ergebnis ist stets ein komplexer Typ
<xs:complexType name="Telefonnummer_erweitert">
<xs:simpleContent>
<xs:extension base="Telefonnummer">
<xs:attribute name="Funktion"
type="xs:string"/>
</xs:extension>
</xs:simpleContent>
</xs:simpleType>
74
- Aggregationsmechanismen
• Listenbildung (list)
- Ableitung eines einfachen Typs zu einer Liste einfacher Typen
- Liste selbst ist ebenfalls einfacher Typ
<xs:simpleType name="Telefonnummern">
<xs:list itemType="Telefonnummer"/>
</xs:simpleType>
75
- Aggregationsmechanismen
• Vereinigung (union)
- Vereinigung der Wertebereiche und Repräsentationsräume von
einfachen Typen
- Ergebnis ist stets ein einfacher Typ
<xs:simpleType name="Kontakt">
<xs:union memberTypes="Telefonnummer eMail"/>
</xs:simpleType>
76
Was kann XML-Schema noch?
- Gruppen von Elementen und/oder Attributen (zum Zweck der
Wiederverwendbarkeit)
- offene Schemata (Einschränkungen nur in Abhängigkeit zu Namespaces)
- gezielte Eindeutigkeiten und Referenzen beschreiben
- Unterstützung für Namespaces
- Ersetzungsgruppen definieren
- Import von XML-Schema-Dokumenten
- ...
77
XML-Schema
78
alternative Ansätze
- Regular Language Description for XML New Generation (RELAX NG)
• aus den Schemasprachen RELAX und TREX hervorgegangen
• grammatikorientierter Ansatz (geschlossener Schemaformalismus)
- nur die Konstrukte sind erlaubt, die sich anhand der Produktionsregeln der Grammatik von RELAX NG ableiten lassen
- analog zum XML-Schema-Konzept
• Entwurfsziele
- kompakte, einfache und verständliche Schemasprache
- Beschränkung auf strukturelle Beschreibung
- Verwendung von XML-Syntax
- Unterstützung von Namespaces
79
alternative Ansätze
- Schematron
• regelbasierten Ansatz (offener Schemaformalismus)
- alle Konstrukte sind erlaubt, die nicht explizit verboten wurden
- Ausschließen von Unzulässigkeiten per Regeln
• Besonderheiten
- durch Regeln (in XML-Syntax) lassen sich umfangreiche
Zusammenhänge beschreiben (bspw. inhaltliche Abhängigkeiten)
- Gesamtheit aller strukturellen Zusammenhänge wiederum lässt sich
nur sehr aufwändig mit Regeln fixieren
- Schematron daher weniger als eigenständige Schemasprache,
sondern vielmehr als Ergänzung zu grammtikorientierten Sprachen
zu verstehen
80
Zusammenfassung
- es existieren verschiedene Schemasprachen in unterschiedlicher
Mächtigkeit zur Beschreibung von XML-Dokumenten
- DTDs sind historische „Überbleibsel“ der SGML-Spezifikation, die den
XML-Spezifika nur wenig gerecht werden
- XML-Schema ist zum heutigen Zeitpunkt die de facto XMLSchemasprache mit enormer Mächtigkeit
- der funktionale Umfang von XML-Schema wird durch eine hohe
Komplexität erkauft
- alternative Ansätze (bspw. RELAX NG) versuchen beispielsweise dieser
Komplexität wiederum entgegenzuwirken oder bieten erweiterte
Möglichkeiten zur Prüfung inhaltlicher Abhängigkeiten (Schematron)
81

XML-Datenmodellierung / XML-Schemasprachen

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