Der Lehrstuhl Datenbank- und Informationssysteme der Universität Rostock

Im Jahr 2014 feierte der Lehrstuhl Datenbank- und Informationssysteme (LS DBIS) an der Universität Rostock sein zwanzigjähriges Bestehen. Zur Jubiläumsveranstaltung mit ehemaligen und aktuellen Studenten, Mitarbeitern, Kollegen und Kooperationspartnern wurde diverses Material aus 20 Jahren aufbereitet. In diesem Beitrag soll daraus ein Rückblick auf 20 Jahre Forschung und Lehre im Bereich Datenbank- und Informationssysteme sowie ein Ein- und Ausblick auf aktuelle Forschungsarbeiten gegeben werden

Basiskomponenten von XML Datenbanksystemen

Für die Entwicklung von vielen kleinen und großen Softwaresystemen reichen herkömmliche (objekt-)relationale Datenbanksysteme nicht mehr aus. Viele interessante Daten sind in der Praxis nicht voll strukturiert und somit nicht effektiv mit einem Standarddatenbanksystem zu verwalten. Es werden deshalb neuartige standardisierte Systeme für unstrukturierte bzw. semi-strukturierte Daten benötigt. Diese Lücke wird nun von nativen XML Datenbanksystemen geschlossen, die als Datenformat das vom W3C standardisierte XML verwenden. XML Datenbanksysteme unterstützen außerdem viele weitere XML Standards, wie beispielsweise XSchema für Grammatiken, XPath und XQuery für die Anfrageverarbeitung, XSLT für Transformationen und DOM und SAX für die Applikationsanbindung. In dieser Arbeit werden Grundlagen von nativen XML Datenbanksystemen betrachtet, sowie neue Strukturen vorgeschlagen und alte Strukturen optimiert. Es wird auf eine solide Basis zum Testen von Algorithmen Wert gelegt. Hierzu wurde ein Testframework innerhalb der Java-Bibliothek XXL implementiert und anschließend verwendet. Die XXL Bibliothek enthielt bereits vor dieser Arbeit einige Komponenten, die für die Implementierung von Datenbanksystemen eingesetzt werden konnten, beispielsweise eine generische Anfrageverarbeitung und Indexstrukturen. Zusätzlich zu den vorhandenen Komponenten wurden nun neue hinzugefügt, so z.B. eine Komponente für den direkten Festplattenzugriff, ein frei konfigurierbarer Recordmanager, sowie ein Datenbank-Framework. Das zentrale Anliegen der Arbeit ist die Optimierung der Speicherungsebene von nativen XML Datenbanksystemen. Wichtig ist, dass bei der Abbildung von XML Dokumenten auf den Externspeicher die Baumstruktur erhalten bleibt und somit eine performante Anfragenverarbeitung mit wenigen Externspeicherzugriffen möglich wird. Ähnlich wie bei R-Bäumen, können für XML Speicherungsstrukturen verschiedene Splitalgorithmen angegeben werden, die gewisse Heuristiken verfolgen. Hier zeigte sich der neu entwickelte, so genannte OneCutSplit mit Scaffold als klar überlegen gegenüber den bisher bekannten Splitalgorithmen aus der Literatur. Für das Einfügen von Dokumenten wurde weiterhin ein Bulkloading Mechanismus implementiert. Es konnte gezeigt werden, dass die Speicherstruktur für die hiermit erzeugten Dokumente deutlich besser war als bei der Benutzung von Splitalgorithmen. Dies macht sich erheblich in den Antwortzeiten von Anfragen bemerkbar. Zur Beschleunigung der Anfrageverarbeitung sind in nativen XML Datenbanksystemen Indexstrukturen unverzichtbar. Zu diesem Zweck wurde ein neuartiger Signaturindex entwickelt und in die XML Speicherungsstruktur unter Verwendung von Aggregaten integriert. Die Evaluierung des Indexes zeigte einen deutlichen Vorteil bei der Auswertung von XPath-Ausdrücken. Weiterhin konnten erstmals durch die Benutzung des Datenbank-Frameworks von XXL native Speicherungsverfahren für XML mit solchen verglichen werden, die auf relationalen Datenbanksystemen aufsetzen. Hierbei zeigte sich, dass nativer XML Speicher auch bei einfachen XPath-Anfragen gute Leistungswerte besitzt. Bei Navigations- und Änderungsoperationen ist der native XML Speicher den relationalen Verfahren deutlich überlegen. In der Anfrageverarbeitung auf XML Daten spielen allerdings nicht nur XPath und XQuery eine Rolle. Für die Bearbeitung von großen Mengen von XML Dokumenten sind Operatoren sinnvoll, welche eine Verarbeitung durch Abbildung von XML Dokumenten auf neue XML Dokumente realisieren. Dies ist analog zur relationalen Algebra, in der allerdings der Grunddatentyp Tupel Verwendung findet. Im Vergleich zum relationalen Modell werden für XML jedoch viele verschiedene Operatoren benötigt, die nicht auf wenige Grundoperationen zurückgeführt werden können. In dieser Arbeit werden einige neue Operatoren vorgestellt, die nicht nur für die Anfrageverarbeitung innerhalb von XML Datenbanksystemen, sondern auch für Anfragen im Internet geeignet sind. Durch das entwickelte Framework soll es Anwendern in Zukunft auf einfache Art und Weise möglich sein, Internetquellen in eigene Anfragen einzubauen

Vertrauenswürdige, adaptive Anfrageverarbeitung in dynamischen Sensornetzwerken zur Unterstützung assistiver Systeme

Assistenzsysteme in smarten Umgebungen sammeln durch den Einsatz verschiedenster Sensoren viele Daten, um die Intentionen und zukünftigen Aktivitäten der Nutzer zu berechnen. In den meisten Fällen werden dabei mehr Informationen gesammelt als für die Erfüllung der Aufgabe des Assistenzsystems notwendig sind. Das Ziel dieser Dissertation ist die Konzeption und Implementierung von datenschutzfördernden Algorithmen für die Weitergabe sensibler Sensor- und Kontextinformationen zu den Analysewerkzeugen der Assistenzsysteme. Die Datenschutzansprüche der Nutzer werden dazu in Integritätsbedingungen der Datenbanksysteme transformiert, welche die gesammelten Informationen speichern und auswerten. Ausgehend vom Informationsbedarf des Assistenzsystems und den Datenschutzbedürfnissen des Nutzers werden die gesammelten Daten so nahe wie möglich am Sensor durch Selektion, Reduktion, Kompression oder Aggregation durch die Datenschutzkomponente des Assistenzsystems verdichtet. Sofern nicht alle Informationen lokal verarbeitet werden können, werden Teile der Analyse an andere, an der Verarbeitung der Daten beteiligte Rechenknoten ausgelagert. Das Konzept wurde im Rahmen des PArADISE-Frameworks (Privacy-AwaRe Assistive Distributed Information System Environment) umgesetzt und u. a. in Zusammenarbeit mit dem DFG-Graduiertenkolleg 1424 (MuSAMA-Multimodal Smart Appliances for Mobile Application) anhand eines Beispielszenarios getestet

Konzeption und Realisierung eines Sicherheitskonzepts zur sicheren Datenstromverarbeitung in einer verteilten Ausfürhungsumgebung

Vorliegende Diplomarbeit entwickelt ein Sicherheitskonzept für NexusDS. Das Konzept definiert Sicherheitsmechanismen um den Zugriff und die Verarbeitung von sensiblen und geschützten Daten zu kontrollieren. Die Mechanismen beinhalten Funktionen um Daten zu Anonymisieren und zu Verschleiern. Die Entwicklung des Konzeptes beinhaltet die Abgrenzung von Sicherheit im Kontext von NexusDS, Erhebung von Anforderungen aus Anwendungsszenarien und NexusDS selbst, die Entwicklung entsprechend dienlicher Maßnahmen, deren Umsetzung in eine Sicherheitsarchitektur und eine prototypische Implementierung in NexusDS.This diploma thesis develops a security concept for NexusDS. The concept defines a set of mechanisms to limit the access on data with the purpose to control access on sensitive information. The mechanisms also include functions to mask and anonymize data. For the development of the concept, the thesis analyses the actual situation of the NexusDS and considers several scenarios of use. Based on this analyze, a security architecture for NexusDS was developed and integrated as a prototype implementation into NexusDS

Middleware zur Unterstützung architekturgetriebener Spielentwicklung: Optimierung des Entwicklungsaufwandes für browserbasierte MMOGs

Spielentwicklung ist ein umfangreiches Vorhaben und tangiert eine Vielzahl an Disziplinen. Dies provoziert die Frage nach Redundanzen, insbesondere im Bereich der Softwareentwicklung. Mit einem Fokus auf die Realisierung von browserbasierten Massively Multiplayer Online Games, werden im Rahmen dieser Arbeit architekturelle Charakteristiken zur Bereitstellung von typischen Kommunikationsinfrastrukturen identifiziert, welche sich in unterschiedlichen Ansätzen wiederfinden lassen. Mithilfe einer realisierten Middleware, zur Ableitung und generischen Bereitstellung einer Infrastruktur, kann der Aufwand zur Entwicklung einer Spielidee auf konzeptbezogene, technologieunabhängige Elemente reduziert werden. Unter Verwendung des COCOMO II-Kostenmodells werden sieben Spielkonzepte analysiert, Aussagen zur Aufwandsentwicklung dargelegt sowie die Möglichkeit zur Vermeidung des Aufwands in der realisierten Middleware demonstriert

Effiziente Laufzeitsysteme für Datenlager

Aktuelle DBMS sind für OLTP-Anwendungen optimiert. Die Anforderungen von OLAP- und OLTP-Anwendungen an das DBMS unterscheiden sich erheblich. Wir habe einige dieser Unterschiede identifiziert und ein Laufzeitsystem entwickelt, das diese Unterschiede ausnutzt, um die Leistung für OLAP-Anwendungen zu verbessern. Die entwickelten Techniken beinhalten (1) die Verwendung einer virtuellen Maschine zur Auswertung von Ausdrücken, (2) die effiziente Integration von Kompression und (3) spezifische algebraische Operatoren. Unsere Evaluierung hat ergeben, daß die Verwendung dieser Techniken signifikante (Faktor 2 oder mehr) Leistungssteigerungen ermöglicht

ISLE: Konzeption und Realisierung eines verteilten XML-basierten Informationssystems

Die rasante Entwicklung von XML (eXtensible Markup Language) als neue Web-Sprache eröffnet weitreichende Möglichkeiten zur flexiblen Realisierung von verteilten Informationssystemen. Diese Diplomarbeit beschreibt den grundlegenden Aufbau und die Erfahrungen, die bei der Entwicklung eines universitären Informationssystems auf der Basis von XML gesammelt wurden. Das Resource Description Framework (RDF) wurde dabei als konzeptuelle Grundlage zur Datenmodellierung eingesetzt. Zur Manipulation von XML-Dokumenten wurde eine CORBA-basierte Schnittstelle verwendet. Durch eine zur Zeit noch kaum in der Praxis eingesetzte Technologie-Kombination konnten viele Schwierigkeiten heutiger Informationssysteme mit vergleichsweise geringem Aufwand umgangen werden. Das Datenmodell wird durch eine XML-basierte Speicherungsorganisation realisiert. Die Daten werden transparent im WWW verteilt, der Zugriff darauf erfolgt mittels des HTTP-Protokolls. Dadurch daß die in XML semantisch ausgezeichneten Informationsobjekte maschinell verarbeitet werden können, lassen sich aus dieser verteilten Datenstruktur alle benötigten Informationen extrahieren und für eine detaillierte Recherche aufbereiten. Weiterhin verfügen die Daten über einen hohen Grad der Wiederverwendbarkeit und lassen sich beispielsweise zur automatischen Generierung von Dokumenten und zur Archivierung in einer digitalen Bibliothek einsetzen. Für die Präsentation der Informationen ist ein Java-Modul zuständig, das die Interpretation und Formatierung der XML-Daten direkt vom Client-Rechner aus, entsprechend den benutzerspezifischen Präferenzen, ermöglicht, die ebenfalls in Form einer XML-Datei im lokalen Dateisystem des Nutzers gespeichert werden können. Durch die Verlagerung der Datenmanipulierung auf den Client wird die Server-Last minimiert. Ein ebenfalls in Java realisierter Server für XML-Dokumente ermöglicht die Client-basierte Bearbeitung von Dokumenten über eine CORBA-Schnittstelle. Mehrere Benutzer mit unterschiedlichen Zugriffsrechten können somit gemeinsam XML-Dokumente durch ein Web-Browser-Interface editieren. Die Diplomarbeit geht darauf ein, welche Vorteile und Probleme die Verwendung von XML und der verteilten Architektur aufgeworfen hat, und stellt die grundlegenden Prinzipien und Techniken vor, die dabei eingesetzt wurden