Μοντέλο δεδομένων για δυναμικά εξελισσόμενα περιβάλλοντα βάσεων δεδομένων

Abstract

Η δυνατότητα εξέλιξης αποτελεί κρίσιμη απαίτηση για ένα πληροφορικό σύστημα, όπως άλλωστε συμβαίνει για κάθε σύστημα που μοντελοποιεί μια άποψη του πραγματικού κόσμου, η οποία ακολουθεί εξελικτική πορεία. Τα συστήματα βάσεων δεδομένων όχι μόνο δεν αποτελούν εξαίρεση αλλά συνιστούν και το πιο χαρακτηριστικό παράδειγμα. Το λογικό σχήμα μιας βάσης δεδομένων, το οποίο αποτελεί τη συγκεντρωτική άποψη όλων των δομικών στοιχείων που την αποτελούν, υπόκειται συνεχώς σε μεταβολές προκειμένου να αποτυπώνει τις αλλαγές που συμβαίνουν στον πραγματικό κόσμο και, συνεπώς, στα δεδομένα που αποθηκεύει η βάση. Σαν διαδικασία η εξέλιξη του λογικού σχήματος είναι αρκετά σύνθετη καθώς υπεισέρχεται σε κάθε φάση του κύκλου ζωής του συστήματος. Μια καινούργια απαίτηση στην περιγραφή του μικρόκοσμου, τον οποίο αναπαριστά η βάση δεδομένων, μπορεί να προκαλέσει τη μεταβολή στη δομή του λογικού σχήματος και να δημιουργήσει ασυνέπειες, οι οποίες να φέρουν επιπτώσεις στην υπόλοιπη δομή του, παραβιάζοντας τη σημασιολογική ακεραιότητα. Επιπλέον, οι μεταβολές του σχήματος μπορεί να μην είναι συμβατές με τα δεδομένα που είναι αποθηκευμένα στη βάση δεδομένων ή ακόμα μπορεί να προκαλέσουν συντακτικές και σημασιολογικές ασυνέπειες στις περιβάλλουσες εφαρμογές που εξαρτώνται από τη δομή της. Στην πλειοψηφία τους οι έρευνες που έχουν καταγραφεί τα τελευταία τριάντα χρόνια μελετούν τη δυνατότητα εξέλιξης του σχήματος σε συστήματα βάσεων δεδομένων σύμφωνα με το μοντέλο δεδομένων που ακολουθούν. Τόσο τα αντικειμενοστραφή όσο και τα σχεσιακά συστήματα έχουν διερευνηθεί σε μεγάλο βαθμό. Οι προσεγγίσεις που έχουν ακολουθηθεί εστιάζουν στην ταξινομία του είδους των μεταβολών του σχήματος και τη διαχείριση των επιπτώσεών τους, σε επίπεδο δομής του σχήματος και σε επίπεδο δεδομένων, μέσα από χρονοβόρες διαδικασίες που απαιτούν σε πολύ μεγάλο βαθμό την ανθρώπινη παρέμβαση. Σε ότι αφορά δε τις επιπτώσεις που προκαλούν οι τροποποιήσεις του λογικού σχήματος της βάσης σε περιβάλλουσες εφαρμογές, τα σύγχρονα συστήματα διαχείρισης βάσεων δεδομένων δεν παρέχουν τρόπο για την αυτόματη προσαρμογή τους στις ασυνέπειες που προκύπτουν. Γενικά, η αντιμετώπιση του προβλήματος της εξέλιξης του σχήματος σαν πρόβλημα διαχείρισης των επιπτώσεων που προκαλούν οι μεταβολές του δεν έχε δώσει τις λύσεις εκείνες που να μπορούν να υλοποιηθούν με ευκολία και χωρίς μεγάλο υπολογιστικό κόστος και ανάγκη ανθρώπινης παρέμβασης. Για το λόγο αυτό κρίνεται σημαντικό, εκτός από εξαιρετικά ενδιαφέρον, να διερευνηθεί η δυνατότητα ανάπτυξης ενός νέου μοντέλου δεδομένων με την απαραίτητη ευελιξία στην υποστήριξη δυναμικά εξελισσόμενων περιβαλλόντων βάσεων δεδομένων. Το προτεινόμενο μοντέλο δεδομένων αποτελεί παραστατικό μοντέλο (μοντέλο υλοποίησης) και στηρίζεται στην προϋπάρχουσα έρευνα για ένα πλαίσιο στήριξης δυναμικά εξελισσόμενων περιβαλλόντων βάσεων δεδομένων (Framework Database, FDB). Επίσης, συντάσσεται με τη φιλοσοφία που ακολουθεί η έρευνα στον τομέα της διαχείρισης μοντέλων και αξιοποιεί την ευελιξία που παρέχουν οι λογικές δομές οργάνωσης των εγγράφων της Επεκτάσιμης Γλώσσας Σήμανσης (Extensible Markup Language, XML). Για την κατασκευή του μοντέλου έχει διενεργηθεί μελέτη σύμφωνα με την οποία προτείνεται η υιοθέτηση ενός κατάλληλου φορμαλισμού για τον ορισμό του συνόλου των αφαιρέσεων και των πράξεων του μοντέλου σε εννοιολογικό επίπεδο. Ο φορμαλισμός αυτός περιγράφει με μαθηματική πληρότητα και σαφήνεια τα δομικά στοιχεία του μοντέλου (μεταδεδομένα) και τις διαδικασίες που επιτρέπουν τη διαχείρισή τους. Σε ό,τι αφορά τη δομή οργάνωσης των δεδομένων σε λογικό επίπεδο ορίζονται συγκεκριμένες λογικές δομές που μπορούν να υποστηρίξουν τα ιδιαίτερα εννοιολογικά χαρακτηριστικά του μοντέλου και δίνεται μια τυπική περιγραφή της δομής αυτής μέσω του ορισμού ενός XML σχήματος. Η τυπική περιγραφή της λογικής οργάνωσης των δεδομένων χρησιμοποιείται για την ανάπτυξη αλγορίθμων διαχείρισης των δεδομένων που αξιοποιούν τα μεταδεδομένα ενός συστήματος. Η ευελιξία που παρέχει το προτεινόμενο μοντέλο στην υποστήριξη των δυναμικά εξελισσόμενων περιβαλλόντων βάσεων δεδομένων αφορά τόσο στην αντιμετώπιση των ασυνεπειών που δημιουργούνται στο ίδιο το λογικό σχήμα και στις περιβάλλουσες εφαρμογές όσο και στην αντιμετώπιση ασυνεπειών μεταξύ δεδομένων και σχήματος. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω της αξιοποίησης των μεταδεδομένων που υποστηρίζουν το δυναμικό ορισμό των συνιστωσών ενός συστήματος, χωρίς την ανάγκη για αναδιοργάνωση της υποκείμενης δομής της βάσης δεδομένων, η οποία αποτυπώνεται στο λογικό σχήμα της. Ο σχεδιαστής μιας βάσης δεδομένων, σύμφωνα με την προτεινόμενη μοντελοποίηση, έχει τη δυνατότητα να ορίζει δυναμικά τις οντότητες, τα γνωρίσματα τους, καθώς και ένα σύνολο ιδιοτήτων που ρυθμίζουν τη συμπεριφορά αυτών, διατηρώντας μια συγκεκριμένη (καθολική) δομή. Αντίστοιχα και κατά τη λειτουργική περίοδο, μπορεί να προσθέσει ή να αφαιρέσει οντότητες, γνωρίσματα ή να τροποποιήσει τις αντίστοιχες ιδιότητες τους, δίχως να επιφέρει μεταβολή στη δομή. Η δομή αυτή εκτός από το γεγονός ότι, θεωρητικά τουλάχιστον, έχει τη δυνατότητα αναπαράστασης οποιουδήποτε οργανισμού ασχέτως πολυπλοκότητας, έχει και χαρακτηριστικά που ελαχιστοποιούν την ανθρώπινη παρέμβαση σε ό,τι αφορά την εξέλιξη ενός συστήματος. Οι επαναλαμβανόμενες τιμές, για παράδειγμα, στο γνώρισμα μιας οντότητας δε δημιουργούν πλεονασμό στα δεδομένα ώστε να χρειάζεται παρέμβαση από το σχεδιαστή της βάσης δεδομένων για λόγους κανονικοποίησης-βελτιστοποίησης. Το ίδιο ισχύει και για τις κενές τιμές (null) που δεν αποθηκεύονται καθόλου στη βάση δεδομένων και δεν αποτελούν παράγοντα που επηρεάζει το βέλτιστο σχεδιασμό. Με τον τρόπο αυτό η καθολική δομή παρέχει συνέπεια και σταθερότητα στις περιβάλλουσες εφαρμογές κατά την εκτέλεση των αλγορίθμων που διαχειρίζονται τα μεταδεδομένα, μέσω των οποίων υποστηρίζεται η διαδικασία εξέλιξης της βάσης. Η ανάπτυξη συστημάτων διαχείρισης βάσεων δεδομένων υπό τις προδιαγραφές του προτεινόμενου μοντέλου ως μελλοντικός στόχος κρίνεται απόλυτα εφικτός. Στην πραγματικότητα αρκεί να υλοποιηθούν οι διαδικασίες του, οι οποίες άλλωστε ορίζονται με τρόπο τυπικό και ακριβή. Οι αλγόριθμοι που παρατίθενται για τη διαχείριση των μεταδεδομένων αποτελούν τυπική περιγραφή των διαδικασιών μιας γλώσσας ορισμού των δεδομένων (DDL) και οι αλγόριθμοι της διαχείρισης των δεδομένων αποτελούν την τυπική περιγραφή των διαδικασιών μιας γλώσσας διαχείρισης των δεδομένων (DML). Βέβαια οι αλγόριθμοι διαχείρισης των δεδομένων, αν και διέπονται από ανεξαρτησία σε σχέση με τους μηχανισμούς φυσικής αποθήκευσης, γίνεται σαφές ότι στηρίζουν την αποτελεσματικότητα τους στην κατάλληλη επιλογή αυτών. Για το λόγο αυτό, παράλληλα με το μοντέλο, γίνεται σε πρώτο επίπεδο και η διερεύνηση του τρόπου φυσικής αποθήκευσης των δεδομένων, λαμβανομένων υπόψη των περιορισμών που εισάγονται από το υλικό. Με την οριστικοποίηση ενός κατάλληλου μηχανισμού φυσικής αποθήκευσης, είναι βέβαιο ότι τα πλεονεκτήματα του προτεινόμενου μοντέλου δεδομένων, σε σχέση με την υποστήριξη δυναμικά εξελισσόμενων περιβαλλόντων βάσεων δεδομένων, τείνουν άμεσα να αξιοποιηθούν για το σχεδιασμό και ανάπτυξη συστημάτων.