Chuyển đổi hai mô hình dữ liệu XML và quan hệ bằng công cụ HDM

TẠP CHÍ KHOA HỌC, Đại học Huế, tập 73, số 4, năm 2012<br /> <br /> CHUYỂN ĐỔI HAI MÔ HÌNH DỮ LIỆU<br /> XML VÀ QUAN HỆ BẰNG CÔNG CỤ HDM<br /> Nguyễn Mậu Hân1, Trần Đình Toàn2,<br /> 1<br /> Khoa Công nghệ Thông tin, Đại học Khoa học-Đại học Huế<br /> 2<br /> Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP HCM<br /> <br /> Tóm tắt. Internet ra đời đáp ứng việc trao đổi thông tin ngày càng cao của con<br /> người, thông tin không còn dừng lại ở các thông điệp đơn giản mà phải được trích<br /> xuất từ ngữ nghĩa của nó. Việc chuyển đổi các mô hình dữ liệu để sử dụng trên môi<br /> trường Internet ngày càng được quan tâm, đặc biệt trong các lĩnh vực thương mại<br /> điện tử và khai phá dữ liệu. Bài báo này trình bày một phương pháp chuyển đổi dữ<br /> liệu XML, một ngôn ngữ thường được sử dụng trong các ứng dụng web, sang dữ<br /> liệu quan hệ và ngược lại bằng công cụ HDM (Hypergraph Data Model).<br /> <br /> 1. Giới thiệu<br /> XML như một ngôn ngữ làm cầu nối chuyển đổi dữ liệu cho các mô hình dữ liệu<br /> khác nhau để phục vụ cho các ứng dụng trên môi trường Internet. Về cơ bản, cấu trúc<br /> của tài liệu XML và CSDL quan hệ là hoàn toàn khác nhau. Để xác định được sự tương<br /> quan giữa chúng là một công việc phức tạp, đòi hỏi phải qua nhiều bước phân tích, giữa<br /> một bên là dữ liệu lồng nhau và một bên là dữ liệu phẳng. Hiện nay, có một số phương<br /> pháp chuyển đổi dữ liệu từ XML sang quan hệ và ngược lại như phương pháp XML<br /> Schema, DOM,... Tuy nhiên, các phương pháp này còn hạn chế trong việc chuyển đổi<br /> các ràng buộc dữ liệu. Ở đây, chúng tôi lại sử dụng mô hình HDM trung gian để thực<br /> hiện việc chuyển đổi dữ liệu giữa hai mô hình XML và quan hệ nhằm đảm bảo sự toàn<br /> vẹn dữ liệu cũng như các ràng buộc dữ liệu vốn yêu cầu một cách nghiêm ngặt trong mô<br /> hình dữ liệu quan hệ.<br /> 2. Mô hình dữ liệu HDM<br /> HDM là một ngôn ngữ mô hình bậc thấp được sử dụng để tạo ra mô hình dữ liệu<br /> từ nhiều nguồn dữ liệu khác nhau trong đó bao gồm cả dữ liệu quan hệ và XML. HDM<br /> dựa vào một cấu trúc dữ liệu gồm những nút và cạnh của một đồ thị cùng với những<br /> ràng buộc tạo thành một mô hình dữ liệu. Một lược đồ HDM là bộ ba S = (Nodes, Edges,<br /> Constraints). Trong đó, Nodes, Edges định nghĩa một đồ thị có nhãn, lồng nhau, có<br /> hướng. Constraints là một tập hợp các ràng buộc, cụ thể là các truy vấn đại số Boolean<br /> qua S, Nodes được xác định bởi một tên duy nhất, Edges và Constraints thì có tên tùy<br /> chọn.<br /> 69<br /> <br /> 2.1. Ngôn ngữ bậc cao trong HDM<br /> Cũng như các mô hình dữ liệu khác, HDM được xây dựng từ hai cấu trúc: cấu<br /> trúc mở rộng (extensional constructs) và cấu trúc ràng buộc (constraint constructs) [3].<br /> Cấu trúc mở rộng là một tập hợp những giá trị dữ liệu trong một miền đã cho.<br /> Cấu trúc này có ba lớp:<br /> - Nodal: Ánh xạ đến các nút trong HDM.<br /> - Linking: Phạm vi của một cấu trúc liên kết là một tập con của kết quả các thành<br /> phần mà nó liên kết. Cấu trúc liên kết không thể tồn tại độc lập, nó ánh xạ đến các cạnh<br /> trong HDM.<br /> - Nodal-Linking: Là cấu trúc Nodal và chỉ tồn tại khi có các thành phần khác nối<br /> đến nó. Ánh xạ vào HDM là các nút và cạnh.<br /> Cấu trúc ràng buộc là những hạn chế trên phạm vi của các cấu trúc mở rộng,<br /> chúng có thể được sử dụng để thể hiện cấu trúc lược đồ dữ liệu trong một mô hình dữ<br /> liệu. Đồng thời các ràng buộc trực tiếp sẽ được hỗ trợ trong HDM. Bảng dưới cho thấy<br /> cấu trúc quan hệ được thể hiện trong HDM.<br /> Bảng 1. Định nghĩa cấu trúc mô hình quan hệ trong HDM<br /> <br /> Cấu trúc quan hệ<br /> Construct<br /> <br /> relation (R)<br /> <br /> Class<br /> <br /> nodal<br /> <br /> Scheme<br /> <br /> <br /> <br /> Thể hiện trong HDM<br /> <br /> Node <br /> <br /> Construct attribute (A)<br /> <br /> Node <br /> <br /> Class<br /> <br /> Edge <br /> <br /> nodal-linking<br /> <br /> constraint<br /> Scheme<br /> <br /> <br /> <br /> Links <br /> Cons if (n=null)<br /> Then makeCard(,{0,1},{1..N })<br /> else makeCard(,{1},{1..N })<br /> Cons<br /> <br /> x   x  t<br /> <br /> Construct primary key(P)<br /> <br /> Links<br /> <br /> , ...,<br /> <br /> Class<br /> <br /> constraint<br /> <br /> Cons<br /> <br /> x   x = <br /> <br /> Scheme<br /> <br /> <br /> <br />   ...<br />   <br /> 70<br /> <br /> Construct foreign key(F)<br /> <br /> Links<br /> <br /> ,..., <br /> <br /> Class<br /> <br /> Cons<br /> <br />   ...<br /> <br /> constraint<br /> <br /> Scheme <br /> <br />  <br />   <br /> <br /> Để định nghĩa cấu trúc của một mô hình dữ liệu mới M trong HDM chúng ta cần<br /> định nghĩa các biến đổi sau cho M vào trong HDM:<br /> - Đối với mỗi cấu trúc trong M ta thực hiện một phép biến đổi add để thêm các<br /> nút, cạnh hoặc ràng buộc tương đương vào lược đồ HDM. Biến đổi này có 0 hoặc một<br /> biến đổi addNode HDM, toán hạng nhận từ trường Node trong định nghĩa cấu trúc sẽ đi<br /> theo bởi 0 hoặc một biến đổi addEdge lấy từ trường Edge. Cuối cùng, một dãy của 0<br /> hoặc nhiều biến đổi addConstraint lấy từ trường Constraint được thực hiện.<br /> - Để đảo nghịch biến đổi add như đã nói ở trên chúng ta cần một biến đổi del<br /> cho mỗi cấu trúc bên trong M của nó. Như vậy, sẽ có một dãy những biến đổi HDM<br /> delConstraint đi theo có thể là delEdge hoặc delNode.<br /> - Đối với những cấu trúc có một tên là một xâu ký tự, chúng ta thực hiện biến<br /> đổi rename, là các biến đổi được định nghĩa dưới dạng của biến đổi HDM: renameNode<br /> và renameEdge.<br /> - Một thể hiện M trong HDM có thể tự động nhận dạng bằng cách thêm vào một<br /> hoặc nhiều biến đổi nguyên thủy như đã định nghĩa ở trên.<br /> 2.2. Cấu trúc XML Nodal trong HDM<br /> Trong lược đồ XML mỗi phần tử (element) đóng vai trò là một cấu trúc nodal.<br /> Cấu trúc Nodal sẽ ánh xạ trực tiếp vào các nút của HDM.<br /> Khi giải thuật tìm kiếm kiểu của element tìm thấy element đó thật sự chỉ là một<br /> tham chiếu tới element khác thì element tham chiếu sẽ được thay thế bởi element đã<br /> tham chiếu. Một khi các tham chiếu đã được thay thế thì có thể giao tiếp với định nghĩa<br /> kiểu của element đó.<br /> Định nghĩa kiểu có thể là không tên, trong trường hợp element không có thuộc<br /> tính type, lúc này kiểu của nó là phần nội dung khai báo của element.<br /> Lúc này giải thuật chia các element phù hợp với các simpleType (chẳng hạn kiểu<br /> cơ sở XSD), hoặc các simpleType được khai báo hoặc không tên, hoặc của complexType.<br /> Những element và attribute kiểu simpleType được thêm vào như những nút của HDM<br /> cũng như các ràng buộc tương ứng.<br /> 2.3. Cấu trúc XML Linking trong HDM<br /> Trong lược đồ XML, sự lồng nhau của các element đóng vai trò là quan hệ<br /> 71<br /> <br /> linking. Cấu trúc linking ánh xạ trực tiếp đến cạnh của HDM. Sự lồng nhau này thể hiện<br /> trong các định nghĩa kiểu complexType đã thảo luận ở trên có thể có tên hoặc không tên.<br /> Đối với các element của kiểu complexType, trước hết ta thêm một nút vào mô<br /> hình HDM với các ràng buộc tương ứng. Sau đó, từ định nghĩa kiểu complexType ta tìm<br /> element con của element đó.<br /> 2.4. Cấu trúc XML Linking Nodal trong HDM<br /> Cấu trúc Link nodal ánh xạ vào nút và cạnh của HDM. Trong lược đồ XML các<br /> attribute đóng vai trò là cấu trúc link nodal. Cũng giống như việc thêm cạnh giữa các<br /> element cha và attribute con nên trong thuật toán phải thêm một nút attribute. Mục này<br /> phải xử lý riêng vì hai lý do:<br /> - Tránh sự nhầm lẫn của các ràng buộc được định nghĩa thông qua các attribute<br /> khác, cách mà chúng được định nghĩa qua các element.<br /> - Quy định cách đặt tên để attribute định danh trong mô hình HDM cho phép<br /> đảo ngược quá trình chuyển đổi.<br /> Chúng ta quy ước, thêm vào đầu tên attribute với tên element cha bởi dấu gạch<br /> nối dưới.<br /> 2.5. Cấu trúc XML Constraint trong HDM<br /> Một số cách thể hiện ràng buộc trong lược đồ XML:<br /> - Các thuộc tính trong định nghĩa element có thể là ràng buộc trực tiếp hoặc trỏ<br /> đến một vị trí trong lược đồ, nơi mà các ràng buộc đã được định nghĩa.<br /> - Các thuộc tính trong định nghĩa attribute cũng giống như các ràng buộc định<br /> nghĩa trong khai báo element, một khác biệt đáng kể là cách mà các ràng buộc biến cố<br /> được định nghĩa.<br /> Các khai báo kiểu simpleType. Các khai báo này xây dựng dựa trên kiểu XSD cơ<br /> sở hoặc một kiểu simpleType khác, thêm một giới hạn để định nghĩa nhiều kiểu tốt hơn.<br /> Khi các định nghĩa xây dựng dựa trên các định nghĩa kiểu simpleType khác ta cần thêm<br /> tất cả các ràng buộc đã định nghĩa trong kiểu cơ sở vào các ràng buộc rút ra trực tiếp từ<br /> khai báo kiểu.<br /> 2.6. Mô hình quan hệ trong HDM<br /> Mô hình quan hệ bao gồm các quan hệ, thuộc tính, một khoá chính cho mỗi<br /> quan hệ và các khóa ngoại.<br /> - Các quan hệ được thể hiện trong HDM bởi các nút, phạm vi một quan hệ là<br /> khóa chính của nó.<br /> - Các thuộc tính thể hiện bởi những nút và có phạm vi là một mình chúng, chúng<br /> 72<br /> <br /> không thể tồn tại độc lập, mà phải kèm theo định nghĩa một cạnh trong HDM, cạnh này<br /> được nối từ nút là tên của quan hệ đến thuộc tính đó. Các thuộc tính quan hệ được ràng<br /> buộc bằng null hay not null. Sự ràng buộc này được thể hiện trong HDM như một sự lựa<br /> chọn giữa tùy chọn (null{0,1}) hoặc (null{1}).<br /> - Khóa chính là một ràng buộc kiểm tra phạm vi của quan hệ r có giống phạm vi<br /> của những thuộc tính khóa a1,.., an hay không.<br /> - Khóa ngoại là tập hợp những thuộc tính a1,.., an xuất hiện trong quan hệ r mà là<br /> khoá chính của quan hệ rf khác.<br /> - Đối với các ràng buộc trong HDM, ta có thể dùng 2 kiểu cơ bản sau: Integer và<br /> String với độ rộng tùy ý.<br /> 2.7. XML trong HDM<br /> Sắp xếp tự nhiên của dữ liệu trong một tài liệu XML đòi hỏi một số khái niệm<br /> phải được mô tả vào HDM. Điều này sẽ được thực hiện thông qua một nút thứ tự dự trữ.<br /> Phạm vi của nút thứ tự là tập hợp những số và thể hiện tự nhiên của những thành viên<br /> của tập cạnh. Bảng 2 thể hiện định nghĩa của XML trong HDM.<br /> Xử lý tài liệu XML trong HDM như sau:<br /> - Các element là những cấu trúc nodal, thể hiện trong HDM là một nút.<br /> - Các attribute là những cấu trúc nodal linking, thể hiện trong HDM bởi một nút<br /> và một cạnh không nhãn liên kết nút mới đến element cha.<br /> - Mỗi element lồng vào một element khác được thể hiện thành một cạnh trong<br /> HDM.<br /> - Một nút HDM gọi là pcdata được định nghĩa để lưu trữ các text xuất hiện giữa<br /> các thẻ phần tử. Một phần tử liên quan đến một phần của text được mô tả bằng<br /> một cạnh không nhãn .<br /> Bảng 2. Định nghĩa cấu trúc XML trong HDM<br /> <br /> Cấu trúc XML<br /> Construct<br /> <br /> element (R)<br /> <br /> Class<br /> <br /> nodal, set<br /> <br /> Scheme<br /> <br /> <br /> <br /> Thể hiện trong HDM<br /> <br /> Node<br /> <br /> <br /> <br /> Construct attribute (Att)<br /> <br /> Node <br /> <br /> Class<br /> <br /> Edge<br /> <br /> nodal-linking<br /> constraint, list<br /> <br /> <br /> <br /> Links <br /> 73<br /> <br />