Интеграция и интероперабельность

Чтобы убедить новых потенциальных пользователей использовать новые продукты, компании-производители должны обеспечить решение проблемы использования существующих баз данных. В принципе, эта проблема является частным видом проблемы включения в систему компонентов, которая не была на это рассчитана с самого начала.

В большинстве случаев предлагаемые решения основываются на использовании индустриальных стандартов распределенных объектных систем (например, стандарта CORBA, разработанного OMG). Тем не менее, производители СУБД вынуждены решать многочисленные проблемы для вхождения их систем в новые интегрированные среды.

 

Постреляционные системы

Здесь мы кратко рассмотрим основные направления исследований и разработок в области так называемых постреляционных систем, т.е. систем, относящихся к следующему поколению (хотя термин next-generation DBMS зарезервирован для некоторого подкласса современных систем). Эти исследования, в основном, производятся в университетах, хотя известны и исследования, производящиеся в лабораториях коммерческих компаний.

 

Активные БД

По определению, БД называется активной, если СУБД по отношению к ней выполняет не только те действия, которые явно указывает пользователь, но и дополнительные действия в соответствии с правилами, заложенными в саму БД. Такая база данных ведет себя подобно полноправному партнеру пользователей, помогая им избежать рутинной работы, которую можно возложить на саму базу данных (конечно, с использованием средств СУБД).

Основа этой идеи содержалась в языке SQL времени System R (1974-1979 гг.). В этом варианте языка поддерживалось понятия триггера - оператора SQL, который срабатывал при выполнении некоторых определенных действий над базой данных. Но что такое определение триггера или условного воздействия как не введение в БД правила, в соответствии с которым СУБД должна производить дополнительные действия? Плохо лишь то, что на самом деле триггеры не были полностью реализованы ни в одной из известных систем, даже и в System R. И это не случайно, потому что реализация такого аппарата в СУБД очень сложна, накладна и не полностью понятна.

Здесь существуют вопросы, ответы на которые до сих пор не получены.

· Как эффективно определить набор вспомогательных действий, вызываемых прямым действием пользователя?

· Каким образом распознавать циклы в цепочке действие-условие-действие-... и что делать при возникновении таких циклов?

· В рамках какой транзакции выполнять дополнительные условные действия и к бюджету какого пользователя относить возникающие накладные расходы?

Масса проблем не решена даже для сравнительно простого случая реализации триггеров SQL, а задача ставится уже гораздо шире. По существу, предлагается иметь в составе СУБД продукционную систему общего вида, условия и действия которой не ограничиваются содержимым БД или прямыми действиями над ней со стороны пользователя. Например, в условие может входить время суток, а действие может быть внешним, например, вывод информации на экран. Практически все современные работы по активным БД связаны с проблемой эффективной реализации такой продукционной системы.

Вместе с тем, гораздо важнее в практических целях реализовать в реляционных СУБД аппарат триггеров.

 

Дедуктивные БД

По определению, дедуктивная БД состоит из двух частей: экстенциональной, содержащей факты, и интенциональной, содержащей правила для логического вывода новых фактов на основе экстенциональной части и запроса пользователя.

При таком общем определении любую SQL-ориентированную реляционную СУБД можно отнести к дедуктивным системам. Действительно, что из себя представляют определенные в схеме реляционной БД представления как не интенциональную часть БД.

Основным отличием настоящей дедуктивной СУБД от обычной реляционной является то, что и правила интенциональной части БД, и запросы пользователей могут содержать рекурсию. Именно возможность рекурсии делает реализацию дедуктивной СУБД очень сложной и во многих случаях эффективно неразрешимой проблемой.

Отметим, что обычно языки запросов и определения интенциональной части БД являются логическими (поэтому дедуктивные БД часто называют логическими). Имеется прямая связь дедуктивных БД с базами знаний (интенциональную часть БД можно рассматривать как БЗ). Более того, трудно провести грань между этими двумя понятиями; по крайней мере, общего мнения по этому поводу не существует.

Для реализации дедуктивной СУБД обычно применяется реляционная система. Такая система выступает в роли хранителя фактов и исполнителя запросов, поступающих с уровня дедуктивной СУБД. Между прочим, такое использование реляционных СУБД резко актуализирует задачу глобальной (или совместной) оптимизации запросов, потому что обычно при выполнении одного запроса уровня дедуктивной БД генерируется несколько запросов уровня реляционной БД.

В случае, когда набор правил дедуктивной БД становится велик и их невозможно разместить в оперативной памяти, возникает проблема управления их хранением и доступом к ним во внешней памяти. Здесь опять же может быть применена реляционная система, но уже не слишком эффективно. Требуются более сложные структуры данных и другие условия выборки. Известны частные попытки решить эту проблему, но общего решения пока нет.

Собственно говоря, «битва» в дедуктивных СУБД идет за реализацию лозунга: «Не хранить то, что можно вычислить».

 

Темпоральные БД

Обычные БД хранят мгновенный снимок модели предметной области. Любое изменение в момент времени t некоторого объекта приводит к недоступности состояния этого объекта в предыдущий момент времени. При этом в большинстве развитых СУБД предыдущее состояние объекта сохраняется в журнале изменений, но возможность доступа к этим данным для пользователей закрыта.

Конечно, можно явно ввести в хранимые отношения явный временной атрибут и поддерживать его значения на уровне приложений. Более того, в большинстве случаев так и поступают. Недаром в стандарте SQL существуют специальные типы данных date и time. Но в таком подходе имеется несколько недостатков: СУБД не знает семантики временного поля отношения и не может контролировать корректность его значений; появляется дополнительная избыточность хранения (предыдущее состояние объекта данных хранится и в основной БД, и в журнале изменений); языки запросов реляционных СУБД не приспособлены для работы со временем.

Существует отдельное направление исследований и разработок в области темпоральных БД. В этой области исследуются вопросы моделирования данных, языки запросов, организация данных во внешней памяти и т.д. Основной тезис темпоральных систем состоит в том, что для любого объекта данных, созданного в момент времени t1 и уничтоженного в момент времени t2, в БД сохраняются (и доступны пользователям) все его состояния во временном интервале [t1, t2).

Исследования и построения прототипов темпоральных СУБД обычно выполняются на основе некоторой реляционной СУБД. Как и в случае дедуктивных БД, темпоральная СУБД - это надстройка над реляционной системой. Конечно, это не лучший способ реализации с точки зрения эффективности, но он прост и позволяет производить достаточно глубокие исследования.

Одним из наиболее известных примеров постреляционной системы с темпоральными возможностями является СУБД Postgres, разработанная в университете г.Беркли, Калифорния под руководством М.Стоунбрейкера.

В этой системе, во-первых, не ведется обычная журнализация изменений базы данных, и мгновенно обеспечивается корректное состояние базы данных после перевызова системы с утратой состояния оперативной памяти. Во-вторых, система управления памятью поддерживает исторические данные. Запросы могут содержать временные характеристики интересующих объектов. Реализационно эти два аспекта связаны.

 

СУБД следующего поколения

Термин системы следующего (или третьего) поколения вошел в жизнь после опубликования группой известных специалистов в области БД «Манифеста систем баз данных третьего поколения». Сторонники этого направления придерживаются принципа эволюционного развития возможностей СУБД без коренной ломки предыдущих подходов и с сохранением преемственности с системами предыдущего поколения.

Частично требования к системам следующего поколения означают просто необходимость реализации давно известных свойств, отсутствующих в большинстве текущих реляционных СУБД (ограничения целостности, триггеры, модификация БД через представления и т.д.). В число новых требований входит полнота системы типов, поддерживаемых в СУБД; поддержка иерархии и наследования типов; возможность управления сложными объектами и т.д.

Одной из наиболее известных СУБД третьего поколения является упоминавшаяся выше система Postgres, а создатель этой системы М.Стоунбрейкер, по всей видимости, является вдохновителем всего направления. В Postgres реализованы многие интересные средства: поддерживается темпоральная модель хранения и доступа к данным, и в связи с этим пересмотрен механизм журнализации изменений, откатов транзакций и восстановления БД после сбоев; обеспечивается мощный механизм ограничений целостности; поддерживаются ненормализованные отношения (работа в этом направлении началась еще в среде Ingres).

Допускается хранение в полях отношений данных абстрактных, определяемых пользователями типов. Это обеспечивает возможность внедрения поведенческого аспекта в БД, т.е. решает ту же задачу, что и рассматриваемые ниже объектно-ориентированные СУБД, хотя, семантические возможности модели данных Postgres слабее, чем у объектно-ориентированных моделей данных.

Несмотря на то что отнесение СУБД к тому или иному классу в настоящее время может быть выполнено только условно, можно отметить три направления в области СУБД следующего поколения. Чтобы не изобретать названий, их обычно обозначают именами наиболее характерных СУБД.

1. Направление Postgres. Основная характеристика: максимальное следование (насколько это возможно с учетом новых требований) известным принципам организации СУБД (если не считать упоминавшейся коренной переделки системы управления внешней памятью).

2. Направление Exodus/Genesis. Основная характеристика: создание собственно не системы, а генератора систем, наиболее полно соответствующих потребностям приложений. Решение достигается путем создания наборов модулей со стандартизованными интерфейсами, причем идея распространяется вплоть до самых базисных слоев системы.

3. Направление Starburst. Основная характеристика: достижение расширяемости системы и ее приспосабливаемости к нуждам конкретных приложений путем использования стандартного механизма управления правилами. По сути дела, система представляет собой некоторый интерпретатор системы правил и набор модулей-действий, вызываемых в соответствии с этими правилами. Можно изменять наборы правил (существует специальный язык задания правил) или изменять действия, подставляя другие модули с тем же интерфейсом.

 

В целом можно сказать, что СУБД следующего поколения - это прямые, хотя и гораздо более развитые по сравнению со своими предками наследники реляционных систем.