4. Основные понятия
В данном разделе будут представлены основные понятия, используемые в области темпоральных баз данных. Начнем с базового понятия – линия времени.
4.1. Линии времени
В повседневной жизни человек чаще всего не задумывается, что использует только одну линию времени. События могли уже произойти в прошлом или только планируются в будущем, но время всегда измеряется согласно одним часам. С другой стороны, в базе данных может сохраняться информация о событиях и интервалах времени, соответствующих различным представлениям и связям. Если обработкой подобных данных занимается сам пользователь, то используемый тип времени можно назвать временем, определяемым пользователем. Его отличительным признаком служит отсутствие интерпретации со стороны СУБД, так как обработка данных, связанных со временем, полностью возлагается на пользователя. Фактически, все современные СУБД обеспечивают поддержку подобной разновидности времени, например, с помощью введения специальных типов данных DATA или TIMESTAMP.
Если рассматривать данные, представленные в базе данных, как некоторое отражение текущего состояния действительности для моделируемого мира, то каждая запись может восприниматься как некоторый факт, который является истинным в определенный момент или интервал времени. При переходе к темпоральной базе данных для каждого факта можно указать тот промежуток времени8, когда этот факт являлся истинным в моделируемом мире, представленном в базе данных. Подобное представление времени, когда с данными связывается промежуток времени их актуальности (с точки зрения моделируемого мира), называется модельным, или действительным (valid) временем. Его значения можно сравнить с показаниями часов моделируемого мира. Поскольку довольно часто в базе данных отражается именно реальный мир, могут быть заданы соотношения между значениями времени реального мира и представленной в базе данных моделью. Отметим, что значениями данного типа времени могут быть моменты времени как в прошлом, так и в будущем. Кроме того, эти значения могут изменяться, то есть истинность факта в определенные моменты времени может приниматься или отклоняться.
Другим типом линии времени, который рассматривается исследователями темпоральных баз данных, является транзакционное время. В любой СУБД каждой записи базы данных можно сопоставить тот промежуток времени, когда данная запись была представлена в базе данных, т.е. промежуток времени между моментами добавления записи и ее удаления из базы данных. При этом отметим, что операция обновления, которая действительно вносит изменения в запись, понимается как составная операция удаления старой записи и добавления новой. Очевидно, что значения транзакционного времени не могут относиться к будущему. В подавляющем числе СУБД транзакционное время используется для работы с блокировками, журналом для восстановления системы. В некоторых системах администраторы даже могут использовать специальные расширения языка SQL, позволяющие получить доступ к транзакционному времени и истории изменений записей в базе данных.
| Сотрудник | Зарплата
|
|---|
| ALAN | 500
|
| BOB | 400
|
Рис. 1. Таблица без темпоральных расширений
Чтобы ответить на вопрос, как соотносятся между собою модельное и транзакционное время, рассмотрим следующий пример. Пусть имеется таблица, в которой хранится информация о текущей зарплате сотрудника (рис. 1). При наличии поддержки действительного времени мы могли бы в любой момент сказать, какая у сотрудника была зарплата за произвольный период времени (рис. 2). Таким образом, данные о зарплате могут быть представлены как последовательность изменяющихся значений. При наличии поддержки транзакционного времени мы могли бы сказать, в какой момент в таблицу были внесены изменения9 (рис. 3).
| Сотрудник | Зарплата | действительное
время
|
|---|
| ALAN | 500 | с 1 января 2006
|
| BOB | 300 | с 1 марта 2005
по 31 января 2006
|
| BOB | 400 | с 1 февраля 2006
|
Рис. 2. Таблица с поддержкой действительного времени
Табельный
номер | Зарплата | транзакционное
время
|
|---|
| ALAN | 500 | с 20 декабря 2005
|
| BOB | 300 | с 3 марта 2005
по 27 января 2006
|
| BOB | 500 | с 28 января 2006
по 5 февраля 2006
|
| BOB | 400 | с 6 февраля 2006
|
Рис. 3. Таблица с поддержкой транзакционного времени
Теперь предположим, что для таблицы поддерживается как действительное, так и транзакционное время (рис. 4). Тогда в случае, если неправильно введенные данные были впоследствии исправлены, можно будет точно сказать, когда это было сделано. Кроме того, информация о подобных изменениях необходима, так как некорректные данные могли бы быть уже использованы в каких-нибудь отчетах. Поэтому в данном случае требуется поддержка транзакционного времени. При обновлении значений в системе (даже в случае исправления ошибки в данных) интервал транзакционного времени также обновляется, поэтому можно просмотреть список изменений в базе данных.
Табельный
номер | Зарплата | действительное
время | транзакционное
время
|
|---|
| ALAN | 500 | с 1 января 2006 | с 20 декабря 2005
|
| BOB | 300 | с 1 марта 2005
по 31 января 2006 | с 3 марта 2005
по 27 января 2006
|
| BOB | 500 | с 1 февраля 2006 | с 28 января 2006
по 5 февраля 2006
|
| BOB | 400 | с 1 февраля 2006 | с 6 февраля 2006
|
Рис. 4. Таблица с поддержкой обеих линий времени
Следовательно, временные метки транзакционного времени предоставляют информацию о времени изменения данных или исправления ошибок, а временные метки действительного времени хранят информацию об изменении некоторых параметров моделируемого мира. Таким образом, модельное и транзакционное время оказываются ортогональными друг другу (рис. 5).
Рис. 5. Связь линий времени для сотрудника ALAN
Исследователи темпоральных баз данных обычно используют один из данных типов времени или оба одновременно. В некоторых работах предлагаются и другие линии времени10, хранение значений которых может быть интересно пользователю, но все они могут быть сведены к одному из рассмотренных типов, возможно, через дополнительные отношения.
Говоря о линиях времени, необходимо ввести еще один термин – гранулярность, которая показывает, насколько близкие моменты на оси времени все еще будут отличимыми друг от друга. Например, возможно, что для данных о заработной плате сотрудника достаточно разбиения по дням, но для транзакционного времени может быть недостаточно даже разбиения по секундам, если в СУБД возможна более частая фиксация транзакций.
В общем случае с каждой линией времени может быть еще связан некоторый календарь, который определяет диапазоны значений, гранулярность, соответствия и преобразования между моментами времени для различных осей времени.
4.2. Интервальное и точечное представления
В предыдущем подразделе при обсуждении действительного времени, говорилось, что существует некоторый интервал, в котором определенный факт являлся истинным. Это так называемое интервальное представление. Однако можно рассматривать отдельный момент времени и все факты, которые были истинны в этот конкретный момент (рис. 6). Здесь говорится о представлении времени с точки зрения пользователя, то есть тех условных моделях, в рамках которых могут формулироваться запросы и возвращаться их результаты. При использовании любого из этих представлений истинность фактов не меняется, но в случае точечного представления мы получаем срез всех фактов на какой-то конкретный момент времени, а для интервального представления нас интересует определенный факт и периоды его истинности. Если говорить об обычной реляционной модели, то она опирается на точечное представление для актуального состояния данных. В ряде работ проводится сравнение этих подходов [Tom96], исследуются возможности их совместного использования и объединения [BBJ98], [TS01], а также анализируются способы эффективной реализации менее распространенных точечных подходов [Tom98].
Рис. 6. Точечное представление и срезы на линии времени
1 В русскоязычной литературе вместо термина «темпоральные базы данных» иногда применяется термин «временные базы данных». Но поскольку, во-первых, в этой области отсутствует устоявшаяся русскоязычная терминология и, во-вторых, при использовании первого термина, являющегося калькой английского термина temporal database, не требуется дополнительное уточнение ударения, в этой статье будет использоваться именно этот термин.
2 За исключением специально оговоренных случаев в этой статье речь будет идти о реляционной модели данных (и ее темпоральных расширениях). Кроме того, здесь не проводится различия между реляционной моделью данных в классическом смысле и моделью данных языка SQL, и используются термины, принятые в мире SQL-ориентированных баз данных.
3 Если пойти еще дальше, то можно даже сказать, что результаты любых вычислений, по сути, тоже являются темпоральными данными, так как связаны со временем. Например, представим, что определенное решение принимается на основе целочисленного округления значения некоторого вещественного выражения. Если система некоторое время округляет 0.5 до 0, а потом – до 1, то мы можем получить разные результаты на одних и тех же исходных данных, то есть F(C) ≠ F(C), где C – константа. Для формально корректной записи подобного неравенства требуется введение дополнительного аргумента – момента вычисления, и тогда получится абсолютно корректное выражение F(C, t1) ≠ F(C, t2). Данный пример может показаться несколько искусственным, но он демонстрирует, что время является неотъемлемым атрибутом любых данных, когда речь идет о практической работе с конкретной системой, а не лишь о теоретическом ее исследовании.
4 Дальше будут более подробно рассмотрены существующие реализации, но здесь подчеркивается, что они не решают все те проблемы, например, построение запросов, представление их результатов и оптимизацию хранения, которые обыкновенно рассматривают исследователи темпоральных баз данных.
5 Эти и другие термины будут более подробно рассмотрены и разъяснены в разд. 4.
6 Подробнее об этом см. разд. 7.
7 Здесь речь идет об общем стандарте, а не какой-нибудь специальной функциональности для определенной прикладной области.
8 Вместо того чтобы говорить об интервалах истинности факта, можно говорить о фактах, истинных в определенный момент времени. Это два различных взгляда на одну и ту же ситуацию: интервальный и точечный. Более подробно они будут рассмотрены ниже.
9 Можно отметить, что уже на этом примере заметна разница между действительным и транзакционным временем, так как у сотрудника повышается заработная плата, например, с первого числа месяца, а не со второго, когда данные были реально внесены в систему. При наличии поддержки только транзакционного времени можно было бы сказать, когда были изменены актуальные данные в системе, но нельзя было бы сказать, когда эти данные необходимо было бы уже учитывать при вычислениях.
10 В качестве примера приведем «время переноса значений из другой системы». Если предположить, что у нас есть поддержка транзакционного времени, то при необходимости копировать содержимое из одной базы данных в другую оказывается, что факт уже известен в одной системе, но не известен в другой, поэтому предлагается использовать некоторое подобие второго транзакционного времени.
Страницы: 1 2 3 4 вперед
[an error occurred while processing this directive]
