(Luận văn thạc sĩ) cơ sở dữ liệu thời gian

- 1- MỤC LỤC HT TU TU TU TU TU TU TU TU TU TU TU TU TU TU TU TU TU TU TU TU TU TU TU TU TU TU DANH MỤC CÁC BẢNG VÀ HÌNH VẼ TH MỞ ĐẦU UT CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CSDL VÀ CSDL THỜI GIAN UT 1.1- GIỚI THIỆU UT 1.2 NHẮC LẠI MỘT SỐ KHÁI NIỆM TRONG CSDL QUAN HỆ: UT 1.3- CƠ SỞ DỮ LIỆU CÓ YẾU TỐ THỜI GIAN UT 1.3.1- Dữ liệu thời gian số khái niệm bản: UT 1.3.2- Khái niệm Thời gian hợp thức Thời gian giao dịch: 11 UT 1.3.3- Các vấn đề thời gian hoá: 14 UT 1.3.3.1 - Bán thời gian hoá: 15 UT 1.3.3.1.1 - Các ràng buộc: 17 UT 1.3.3.1.2 - Truy vấn 17 UT 1.3.3.2 -Thời gian hóa tồn phần: 18 UT 1.3.3.2.1 – Ràng buộc 21 UT 1.3.3.2.2 – Truy vấn: 23 UT 1.4- BIỂU DIỄN YẾU TỐ THỜI GIAN TRONG CSDL THỜI GIAN 24 UT 1.4.1- Khoảng thời gian 24 UT 1.4.2- Các kiểu khoảng: 26 UT 1.4.2- Tốn tử vơ hƣớng khoảng: 29 UT 1.4.3- Các toán tử gộp nhập khoảng 31 UT 1.4.5- Ràng buộc khoảng 41 UT 1.4.6- Toán tử Update khoảng: 46 UT CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CƠ SỞ DỮ LIỆU THỜI GIAN 48 UT 2.1- QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ 49 UT 2.1.1- Dƣ thừa liệu dị thƣờng cập nhật 51 UT 2.1.2- Chiều thời gian thiết kế logic 52 UT 2.2 KIỂU VÀ MODUL THỜI GIAN: 54 Cơ sở liệu thời gian UT - 2- TU TU TU TU TU TU TU TU TU TU TU TU TU TU TU TU TU TU TU TU TU TU TU 2.2.1- Kiểu thời gian: 54 UT 2.2.2 - Module thời gian: 57 UT 2.3 PHỤ THUỘC HÀM THỜI GIAN: 59 UT 2.3.1 - Các tiên đề suy diễn cho TFDs: 61 UT 2.3.2 - Bao đóng tập thuộc tính: 68 UT 2.4 CHUẨN HOÁ THỜI GIAN: 70 UT 2.5 DẠNG CHUẨN BOYCE-CODD CÓ YẾU TỐ THỜI GIAN 79 UT 2.5.1 Tách lƣợc đồ module thời gian dạng TBCNF: 80 UT 2.6 BẢO TOÀN PHỤ THUỘC: 86 UT 2.7 DẠNG CHUẨN BA CÓ YẾU TỐ THỜI GIAN 88 UT 2.7.1 Tách lƣợc đồ module thời gian dạng T3NF: 89 UT CHƯƠNG 3: UT TU NGÔN NGỮ TRUY VẤN TSQL2 96 UT 3.1- GIỚI THIỆU 96 UT 3.2- MỘT SỐ TÍNH NĂNG CẦN THIẾT CỦA NGÔN NGỮ TSQL2: 97 UT 3.3- MỘT SỐ ĐẶC TẢ VỀ SỰ MỞ RỘNG CỦA TSQL2: 99 UT 3.4-VÍ DỤ MINH HOẠ 102 UT 3.4.1 - Lƣợc đồ cho CSDL thử nghiệm 102 UT 3.4.2 - Lƣợc đồ TSQL2 104 UT 3.4.3 - Cập nhật liệu thử nghiệm 106 UT 3.4.4 - Một số truy vấn: 110 UT MỘT SỐ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 113 UT KẾT LUẬN 117 UT TÀI LIỆU THAM KHẢO 118 UT Cơ sở liệu thời gian - 3- DANH MỤC CÁC BẢNG VÀ HÌNH VẼ TU TU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CSDL VÀ CSDL THỜI GIAN UT Bảng 1.1 CSDL Nhà cung cấp & Mặt hàng (Phiên dạng ảnh tại) UT TU Bảng 1.2 CSDL Nhà cung cấp & Mặt hàng (Phiên bán thời gian hoá với giá trị đơn giản) 15 UT TU Bảng 1.3 CSDL Nhà cung cấp & Mặt hàng (Phiên thời gian hố tồn phần thứ nhất, Sử dụng nhãn thời gian) 19 UT TU Bảng 1.4 CSDL Nhà cung cấp & Mặt hàng (Phiên thời gian hố tồn phần sau , Sử dụng khoảng) 25 UT TU TU TU TU TU TU TU TU TU TU TU TU CHƢƠNG 2: THIẾT KẾ CƠ SỞ DỮ LIỆU THỜI GIAN 48 UT Hình 2.1 Quá trình thiết kế CSDL 50 UT Hình 2.2: Ví dụ quan hệ khóa học 52 UT Hình 2.3 Phép tách tự nhiên 53 UT Hình 2.4: Thuật tốn tìm X + U PU UT TPU 69 UT Hình 2.5: Thuật tốn tách dạng chuẩn TBCNF 82 UT Hình 2.6 Hàm Raise 87 UT Hình 2.7 Thuật toán tách dạng chuẩn T3NF 93 UT CHƢƠNG 3: UT TU NGÔN NGỮ TRUY VẤN TSQL2 96 UT Bảng 3.1 - Nhanvien_Tbl 109 UT Bảng 3.2 - Kynang_Tbl 109 UT Bảng 3.3 - Phong_ban_Tbl 110 UT Cơ sở liệu thời gian - 4- MỞ ĐẦU Hầu hết ứng dụng kỹ thuật sở liệu (CSDL) tự nhiên mang yếu tố thời gian Ví dụ: ứng dụng tài nhƣ: quản lý đầu tƣ, kế toán, ngân hàng; ứng dụng lƣu trữ hồ sơ nhƣ: quản lý nhân sự, hồ sơ bệnh án, quản lý kiểm kê, kiểm toán; ứng dụng lập lịch ngành đƣờng sắt, hàng không, đặt chỗ khách sạn; ứng dụng khoa học nhƣ: dự báo thời tiết, thảm hoạ tự nhiên…v.v Tất ứng dụng dựa CSDL ghi lại liệu tham chiếu tới thời gian đƣợc gọi “CSDL có yếu tố thời gian” hay “CSDL thời gian” (Temporal Database) Với ứng dụng rộng rãi lĩnh vực đời sống, quản trị CSDL thời gian đƣợc xem lĩnh vực nghiên cứu đầy sức lôi cuốn, có hàng trăm nhà nghiên cứu với 2000 viết vấn đề suốt thập kỷ qua Việc xây dựng ứng dụng CSDL có yếu tố thời gian thành cơng mang ý nghĩa quan trọng thực tiễn Một CSDL thời gian phải phản ánh hay biểu diễn đƣợc cách chân thực nhất, xác liệu thời điểm Một hệ quản trị CSDL có yếu tố thời gian quản lý liệu tham chiếu tới thời gian (Time-referenced data), yếu tố thời gian gắn liền với thực thể CSDL Nói cách khơng chặt chẽ, sở liệu (CSDL) thời gian CSDL bao gồm liệu mang tính lịch sử thay liệu Một vài số nghiên cứu thừa nhận quan điểm cực đoan liệu CSDL đƣợc chèn (Insert), khơng xoá (Delete) đƣợc cập nhật (Update), trƣờng hợp CSDL bao gồm liệu mang tính lịch sử Ở thái cực khác CSDL dạng ảnh, bao gồm liệu liệu đƣợc xóa cập nhật kiện biểu diễn liệu khơng cịn (hay nói cách khác, CSDL dạng ảnh CSDL nhƣ cách hiểu thông thƣờng, CSDL biểu thị thời gian) Cơ sở liệu thời gian - 5- Trong trình lƣu trữ thao tác CSDL giá trị số thuộc tính ổn định theo thời gian, nhƣng với số thuộc tính khác giá trị chúng lại thay đổi theo thời gian Luận văn nghiên cứu, hệ thống lại khái niệm mơ hình liệu quan hệ có yếu tố thời gian kéo theo phép toán đại số, mở rộng phụ thuộc hàm dạng chuẩn có yếu tố thời gian Trong thực tế, gặp phải nhiều khó khăn quản trị CSDL thời gian mô hình liệu ngơn ngữ truy vấn thơng thƣờng (không mang yếu tố thời gian) Từ khái niệm sở CSDL thời gian, luận văn tập trung vào nghiên cứu trình bày cách giải số vấn đề liên quan nhƣ:  Biểu diễn yếu tố thời gian CSDL  Xây dựng mơ hình CSDL thời gian, thêm yếu tố thời gian vào ngơn ngữ truy vấn chuẩn hố lệnh truy vấn  Thiết kế CSDL thời gian mức Logic Khái niệm  Xử lý câu lệnh truy vấn, toán tử đại số, mục (index) CSDL thời gian Bản luận văn đƣợc chia thành bốn phần Phần thứ nhắc lại số khái niệm CSDL quan hệ, tập trung vào giới thiệu nét tổng quan CSDL thời gian, thuật ngữ nhƣ sở để tiếp cận với CSDL thời gian Trong phần thứ hai, luận văn sâu vào việc nghiên cứu cách xây dựng, thiết kế CSDL có yếu tố thời gian, vấn đề liên quan đến phụ thuộc hàm thời gian, dạng chuẩn thời gian thuật toán tách lƣợc đồ module thời gian dạng chuẩn Để có minh hoạ rõ nét cụ thể CSDL thời gian, phần ba giới thiệu ngắn ngôn ngữ truy vấn thời gian (TSQL2) thơng qua ví dụ cụ thể Phần cuối luận văn phần nhận xét, kết luận số hƣớng nghiên cứu Cơ sở liệu thời gian - 6- U CHƢƠNG : TỔNG QUAN VỀ CSDL VÀ CSDL THỜI GIAN U 1.1- GIỚI THIỆU Một CSDL tập hợp liệu có liên quan với chứa thơng tin tổ chức (nhƣ trƣờng đại học, ngân hàng, công ty, hay nhà máy…), đƣợc lƣu trữ thiết bị nhớ thứ cấp (nhƣ đĩa từ, đĩa quang học…) để đáp ứng nhu cầu khai thác thông tin nhiều ngƣời sử dụng với nhiều mục đích khác Do đó, trƣớc hết CSDL phản ánh đƣợc thông tin hoạt động tổ chức định, nghĩa biểu thị “góc” giới thực (tạm gọi giới nhỏ) Nhƣ CSDL phải phản ánh đƣợc cách trung thực thay đổi giới nhỏ đó, phải tập hợp thơng tin mang tính hệ thống khơng thể tập hợp liệu tuỳ tiện chứa thông tin rời rạc khơng có mối quan hệ với Thơng tin lƣu trữ CSDL đƣợc chia sẻ cho nhiều ngƣời sử dụng hay cho nhiều ứng dụng khác Từ cho thấy việc thiết kế, xây dựng CSDL phản ánh giới nhỏ cách khách quan, chân thực xác trở thành nhu cầu tất yếu Từ năm 80 kỷ hai mƣơi, hệ CSDL dựa mơ hình quan hệ đƣợc sử dụng cách rộng rãi tính đơn giản sở tốn học Tuy nhiên giống nhƣ hệ CSDL thông thƣờng, CSDL quan hệ biểu thị đƣợc liệu dạng tĩnh (dạng ảnh) với kiện thực thể tƣơng ứng Trong CSDL dạng ảnh, yếu tố thời gian ảnh thông thƣờng đƣợc xem thời điểm (nghĩa thời gian mà CSDL thực đƣợc xem xét Ngay yếu tố thời gian CSDL dạng ảnh diễn khác với “hiện tại”, điều khơng tạo khác biệt đáng kể đến cách quản lý sử dụng liệu Tuy nhiên, nhƣ thấy liệu CSDL thời gian đƣợc quản lý sử dụng khác hàng loạt phƣơng diện quan trọng so với cách đƣợc quản lý sử dụng CSDL dạng ảnh; điều đƣợc xem phần quan trọng đƣợc trình bày cụ thể sau phần nhắc lại số khái niệm CSDL quan hệ Cơ sở liệu thời gian - 7- 1.2 NHẮC LẠI MỘT SỐ KHÁI NIỆM TRONG CSDL QUAN HỆ: Mơ hình quan hệ biểu thị liệu CSDL nhƣ bảng giá trị gồm hàng cột Mỗi hàng bảng tập giá trị có liên quan đến nhau, giá trị biểu thị kiện tƣơng ứng với thực thể hay mối quan hệ giới thực [1]  Miền (Domain): Một miền D tập hợp giá trị nguyên tố, hiểu theo nghĩa giá trị miền phân chia phạm vi mơ hình quan hệ  Quan hệ (Relation): Một quan hệ tập thuộc tính tập tích Đềcác hay nhiều miền: Cho quan hệ r xác định tập thuộc tính Ω = {A , A ,…,A n } Khi B B B B B B r ⊆ Dom(A ) × Dom(A ) × … × Dom(A n ), Dom(A i ) miền B B B B B B B B thuộc tính A i , tập giá trị B B  Lược đồ quan hệ (Relation schema): Một lƣợc đồ quan hệ R cặp có thứ tự R = , Ω tập hữu hạn thuộc tính quan hệ, F tập điều kiện thuộc tính (F cịn gọi tập ràng buộc tồn vẹn)  Siêu khố lƣợc đồ quan hệ R tập hợp gồm hay nhiều thuộc tính lƣợc đồ R có tính chất xác định thể R  Khoá lƣợc đồ quan hệ siêu khoá lƣợc đồ cho tập thực khơng siêu khố  Khố ngồi lƣợc đồ quan hệ tập hợp gồm hay nhiều thuộc tính khố lƣợc đồ quan hệ khác  Phụ thuộc hàm: Cho U tập thuộc tính R(U) lƣợc đồ quan hệ U Giả sử X, Y ⊆U Khi đó, Y đƣợc gọi phụ thuộc hàm vào X lƣợc đồ R(U), ký hiệu X Y, với quan hệ r lƣợc đồ R(U), với hai t , t ∈ r, mà t [X] = t [X] t [Y] = t [Y] B B B B Cơ sở liệu thời gian B B B B B B B B - 8-  Bao đóng: Ta gọi bao đóng tập hợp phụ thuộc hàm F tập phụ thuộc hàm đƣợc suy diễn logic từ F ký thiệu F* Hay nói cách hình thức: F*= { X  Y | F ⊨ (X  Y) }  Khoá: Giả sử U tập thuộc tính, R lƣợc đồ quan hệ U thỏa tập phụ thuộc hàm F, K tập U Ta nói K khoá R nếu: o (K  U) ∈ F*, nghĩa với quan hệ r lƣợc đồ R, hai r K (r ∈ R) (t , t ∈ r) B B B B t [K] = t [K]  t = t B B B B B B B B o Nếu K‟ tập thực K (K‟ U) ∉ F*  Hệ tiên đề suy diễn Armstrong: o Phản xạ: Nếu Y ⊆ X X  Y o Gia tăng: Nếu X  Y với Z ⊆ U : XZ  YZ o Bắc cầu: Nếu X  Y Y  Z X  Z  Phép tách với kết nối không thông tin: Phép tách R thành {R , B B R , ,R } đƣợc gọi tách không thông tin tập phụ thuộc hàm F, B B B B với quan hệ r R thoả mãn F, ta có r = r * r * * r k , B B B B B B r i = U i (r) (r i kết phép chiếu r U i ) B B B B B B B B  Dạng chuẩn 3NF: Lƣợc đồ quan hệ R đƣợc gọi thuộc dạng chuẩn ba (3NF) thuộc dạng chuẩn thứ với X  A R X phải siêu khố A phải thuộc tính khố  Dạng chuẩn BCNF: Lƣợc đồ quan hệ R chuẩn hóa với tập phụ thuộc hàm F đƣợc gọi thuộc dạng chuẩn BCNF có X  A lƣợc đồ R A ∉ X X chứa khố R (nói cách khác, X siêu khoá) Cơ sở liệu thời gian - 9- 1.3- CƠ SỞ DỮ LIỆU CÓ YẾU TỐ THỜI GIAN 1.3.1- Dữ liệu thời gian số khái niệm bản: Trƣớc bắt đầu xem xét tới mơ hình liệu thời gian ngơn ngữ truy vấn, nghiên cứu khái niệm độc lập với mơ hình liệu, gắn kết yếu tố thời gian với kiện, vấn đề cốt lõi quản lý liệu thời gian Trong chƣơng sử dụng CSDL đơn giản “Nhà cung cấp & Mặt hàng” để giải thích minh hoạ vấn đề liên quan đến CSDL thời gian Bảng 1.1 CSDL Nhà cung cấp & Mặt hàng (Phiên dạng ảnh tại) (Các thuộc tính khố ví dụ đƣợc in đậm gạch chân ) U S: TENCONGTY TRANGTHAI VinhTrinh 20 CMC 10 HaiAn 30 VinaComm 20 Hanel 30 S# S1 S2 S3 S4 S5 SP: S# S1 S1 S1 S1 S1 S1 S2 S2 S3 S4 S4 S4 U U P# P1 P2 P3 P4 P5 P6 P1 P2 P2 P2 P4 P5 U U Cơ sở liệu thời gian DIACHI HaNoi SaiGon SaiGon HaNoi DaNang U - 10 - U Chú ý: bảng S thể nhiện: “Nhà cung cấp có số hiệu S#, có tên U TENCONGTY, có tình trạng TRANGTHAI có trụ sở địa DIACHI”; bảng SP minh hoạ nhà cung cấp S# có khả cung ứng mặt hàng P# Tất nhiên CSDL CSDL dạng ảnh, số nhà cung cấp giá trị trạng thái S1 20 Một cách tƣơng phản, phiên mang yếu tố thời gian CSDL không giá trị trạng thái 20, mà cịn giá trị đƣợc thiết lập từ ngày tháng giá trị 15 từ ngày 5-04 đến 30-06 v.v Hiển nhiên, đặc điểm bật CSDL thời gian yếu tố thời gian Do số nghiên cứu CSDL thời gian có nhiều khảo cứu chất thời gian vài vấn đề sau đƣợc nghiên cứu thấu đáo:  Liệu thời gian có điểm đầu điểm kết thúc?  Thời gian liên tục hay xuất theo lượng rời rạc?  Việc mô tả khái niệm quan trọng: “hiện tại” (now) tốt đến mức nào? Những vấn đề thú vị nhƣng khơng đơn thuộc khía cạnh CSDL, không sâu vào xem xét chƣơng Thay vào đó, ta đƣa giả định hợp lý chỗ thích hợp Cách tiếp cận cho phép ta tiếp cận mục đích ban đầu cách trực tiếp Tuy nhiên ta ý rằng, nghiên cứu thời gian dẫn tới số kết luận thú vị, nêu lên ý tƣởng phát triển liệu thời gian có ứng dụng nhiều lĩnh vực khác Xuyên suốt chƣơng này, ta sử dụng khóa thời gian, tốn tử thời gian, quan hệ thời gian, khái niệm không giới hạn liệu thời gian Sau ta tập trung vào vấn đề quan tâm quan trọng nhiều ý tƣởng nghiên cứu (nói cách khác, chƣơng chắt lọc phần hay (chất lƣợng) nghiên cứu thông qua vấn đề thuật ngữ vấn đề nhỏ khác)  Dữ liệu thời gian [2]: (Temporal data) Nếu liệu cách biểu diễn mã hóa kiện, liệu thời gian biểu diễn mã hoá kiện Cơ sở liệu thời gian ... cách khác, X siêu khố) Cơ sở liệu thời gian - 9- 1.3- CƠ SỞ DỮ LIỆU CÓ YẾU TỐ THỜI GIAN 1.3.1- Dữ liệu thời gian số khái niệm bản: Trƣớc bắt đầu xem xét tới mơ hình liệu thời gian ngôn ngữ truy vấn,...  Dữ liệu thời gian [2]: (Temporal data) Nếu liệu cách biểu diễn mã hóa kiện, liệu thời gian biểu diễn mã hoá kiện Cơ sở liệu thời gian - 11 - có nhãn thời gian (timestamps) Trong CSDL thời gian, ... đƣợc gán nhãn thời gian thành phần thời gian hợp thức (valid-time Cơ sở liệu thời gian - 105 - elements), tập chu kỳ (periods) mà chúng phân hoạch dòng thời gian Cơ sở liệu thời gian - 106 - Bảng