CN101887465A - 一种关系数据库系统纯xml引擎的评测方法 - Google Patents
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Abstract
一种关系数据库系统纯XML引擎的评测方法，涵盖关系数据库系统纯XML引擎的功能评测和性能评测。该方法根据关系数据库上纯XML引擎的特点，设计了一套完整的测试场景，模拟了一个文献管理系统，设计并生成了XML文档集作为测试数据集，并按照W3C标准设计了包括查询事务集和更新事务集的测试事务集并以SQL/XML语言实现，运行单独的查询和更新语句作为功能测试，运行并发负载多个查询和更新事务作为性能测试，可对数据库系统的存储能力、索引能力、承受能力等做出全面评估，并定义了一套评测指标集。本发明方法经在DB2等数据库上的实验证明是具有普遍意义的，具有系统性和完备性，可用于数据库测试领域。
Description
【技术领域】
本发明属于数据库测试领域，具体涉及一种关系数据库系统纯XML引擎数据库的评测方法。
【背景技术】
可扩展标记语言XML(extensible Markup Language)已成为Web上表示和交换数据的标准格式。如何有效管理大规模XML文档，已经成为当前数据库领域中一个亟待解决的研究课题。纯XML数据库，如Software AG Tamino、Apache Xindice、Wolfgang Meier eXist等，以XML数据模型为中心，具有为XML量身定做的存储方案和查询引擎，以一种自然的方式管理XML数据。然而纯XML数据库系统面临的最大问题是，必须重新实现关系数据库领域已经研究和实践了三十余年的众多成熟理论和技术，如存储管理，事务管理，锁管理，备份与恢复管理等。如此大规模的重复开发工作会浪费巨大的人力和物力。并且为了能使XML数据库具有更加广阔的应用，应该和关系型数据库进行整合，使之同时支持已有的关系型数据和新增的XML数据的管理。
因而，主流数据库供应商如IBM、Oracle和Microsoft都在研发如何将XML引擎技术集成到关系数据库管理系统中，使其既体现XML数据模型又重用已有系统模块，目前都已经在最新产品中以不同的方式加入了对XML的支持，并支持XPath/XQuery语言与SQL/XML：2003标准。随着关系数据库上XML引擎的开发和XML需求的增加，拥有独立的评测方法来测试这些集成在关系数据库系统中的XML功能也是一个必然的趋势。
所谓基准测试，就是指通过一定的测试方法和手段对特定的对象进行测试，从而提供其性能参数，来作为对其进行分析和比较的基准。传统关系数据库上的评测基准很多，尤以TPC系列(TPC-C、TPC-W、TPC-H/R)的使用最为广泛。但它们从底层数据基础到上层的测试事务集全部基于关系型数据，很难被定制成XML数据库上可行的方案。而针对纯XML数据库的基准也已被许多研究机构提出，而它们各有侧重考察的方面，如XMark、XOO7、XBench更侧重于通过大规模的查询语句覆盖尽量多的查询功能，以检测数据库功能方面的全面性，并没有提出具体的性能指标。XMach-1、TPoX着眼于性能测试，但并没有得到大规模应用的检测，覆盖面不够完善。至今仍未有一种测试基准是针对关系数据库上XML引擎提出的。
【发明内容】
本发明目的是提供一种关系数据库系统纯XML引擎的评测方法，以正确评价关系数据库上XML引擎的效率。
为实现本发明目的需要着重从以下几方面考虑：
1、存储管理层：XML数据是半结构化的数据，要做到无损的存储XML数据，就要完整的存储其内容信息和结构信息到关系表中。
2、索引结构的实现：在关系数据库中普遍实现的经典索引结构的基础上，要求建立各种适当的结构索引，使得利用这些索引可以快速地定位到满足指定结构关系的节点。
3、查询优化：将XML数据置于DBMS的环境中，充分发挥XML结构摘要索引的作用，使XML引擎在执行器层面上无缝地集成到关系数据库系统中，构造最优化查询。
4、扩展基本SQL语法，提供XML数据管理语言：要求在关系查询引擎的SQL解析器中实现SQL：2003标准规定的SQL/XML扩展，且要实现在SQL语法中XPath/XQuery的内嵌式查询。
5、更新操作与联机事务处理：在传统关系数据库中，由事务管理器和锁管理器组成的并发控制模块与数据库底层存储进行通信，从而保证了多个事务同时更新数据时的逻辑正确性。要求将概念模型根本不同的XML数据更新有机地融入到关系数据事务处理的体系中。
本发明在综合考虑以上几点的基础上，提出了一种关系数据库系统纯XML引擎的评测方法，该方法包括以下步骤：
第1、定义文献管理系统作为测试场景，并定义了逻辑功能；
第2、根据测试场景设计并生成XML文档集合作为测试数据集并填充入待测数据库；
第3、针对第2步生成的测试数据集定义待测事务集，包括查询事务集和更新事务集；
第4、在待测数据库上单独运行第3步定义的事务作为功能测试，验证待测事务能否顺利完成并统计功能性指标，并可以通过加索引的方式比较索引前后的待测事务响应来测试索引的效率；
第5、设计、执行并度量三种XML工作负载：更新负载，查询负载，混合负载，这些工作负载是对第3步中的待测事务集选择性的组合构成，每种负载工作在不同的并发强度和不同的数据量下，测试待测数据库系统的承受能力，统计性能性指标。
本发明的具体评测流程如下：
1、定义文献管理系统，即测试场景设计
本发明第1步首先定义了一个完整的文献管理系统作为测试场景，定义的数据信息包括：用户信息、用户账户、交费历史、文献信息和文献内容，定义的操作包括：用户管理、信息查看、文献管理、用户注册、用户交费、文献检索，这样生成的XML数据集涵盖以数据为中心的文档和以文字为中心的文档，能够体现XML文档的特征。测试场景与具体数据的关系如图1所示。
2、数据结构设计
本发明第2步所述的测试数据集根据测试场景设计而来，将实体包含在5张XML表中，其中User、Category、Order、Databases四张表是虚拟数据，其Schema结构包含了权利要求2在测试场景中定义的所有数据信息，由XML生成工具生成；而Literature表是实际数据，存放所有实际的XML文档。数据结构如图2所示。根据以上结构产生的XML文档兼具有以数据为中心和以文档为中心两种类型的文档的特点。如对Order实体，其属性分布比较规整，体现了以数据为中心的文档的特点，而以文档为中心的文档的特点主要通过Literature实体体现。因此，这样的XML文档集合是典型的、能体现出XML文档特点的。
3、测试事务集
本发明第3步针对测试数据集，定义了一个测试事务集，包括14条查询事务和5条更新事务，这些事务的制定是根据XML Query(XQuery)Requirements、XQuery UpdateFacility 1.0 Requirements标准而来。具体的事务如下：
1)查询事务：
Q1：根据id查看某用户(id)的详细信息，包括及订阅的数据库、分类——集合
Q2：查看订阅某分类(农业)的所有用户——引用
Q3：将某一用户(id)订阅的数据库以列举方式显示，以固定分隔符分隔——string函数
Q4：判断是否存在文献数量大于32655062的数据库，是的话返回真——some(存在量词)
Q5：判断是否所有数据库的文献书目都大于32655062，是则返回真——every(全称量词)
Q6：列表显示所有某一级的文献类及直接子类——层次结构
Q7：列出所有文献的第一作者——序列
Q8：列表查看order信息，统计某日(2005-7-22)，显示当日order数量、当日总额、最大额度、最小额度、平均额度
Q9：嵌套查询，查询所有余额为2981的用户发出的新订单
Q10：列表显示未进行任何订阅的用户-EMPTY关键字
Q11：根据名称查看一个数据库的详细信息
Q12：传入用户id及日期返回订单，实现放入自定义函数内部
Q13：统计各年龄段的用户数量
Q14：在所有文档中检索包含一个特定关键词(customer)的文档并返回
2)更新事务：
U1：用户充值或消费，根据用户id修改其账户余额
U2：处理订单，将某订单中的<new_order>标记删除
U3：向某分类中新增子分类
U4：用户订阅成功，用order中的databases和category替换user中的对应元素
U5：用户订阅某数据库中某分类，订单信息通过参数传入
而W3C的Requirements与本发明所设计的事务功能对应关系如下：
表1查询事务到Requirements的映射
表2更新事务到Requirements的映射
所有这些事务以内嵌XQuery的SQL语言或者SQL/XML标准编写，单独运行并得到功能性指标。
4、并发负载
本发明第5步设计了三种并发负载：更新(只写)、查询(只读)、混合(读-写)负载，每个并发用户连接到数据库并提交一个事务，每个事务被分配一个权重，这个权重决定这个事务在工作负载中的百分比；其中，
更新负载由两部分构成：首先插入海量XML文档至Literature表作为原始数据，其中原始数据量的大小要根据待测数据库所运行的硬件环境配置，然后分阶段调用5个更新事务，从而在检验锁的基础上，检验更新性能是可伸缩的；
只读负载由14条查询事务组成，它们的权重相同，使用递增的并发用户数以不同的并发度执行；
混合负载由查询事务和更新事务共同组成，其中70％的读操作，30％的写操作，写操作包括：6％的更新操作，12％的文档删除操作，12％的插入操作。
根据这样的负载运行系统并统计性能性指标。
5、指标体系
本发明第4步和第5步中的指标所定义的指标体系涵盖关系数据库系统纯XML引擎的存储、索引、查询、更新各方面性能，考察数据库系统对不同数据量和事务的时空开销和并发能力，具体包括：在存储能力上考察装入原始数据的时间开销和空间开销，其中原始数据量的大小要根据待测数据库所运行的硬件环境配置；在索引能力上考察建立索引的时间开销和空间开销，以及在更新过程中索引维护的时间开销；在查询能力上考察有无辅助索引的响应时间和有无XML Schema的响应时间；在更新能力上考察有无索引的响应时间；在并发控制上考察事务回滚率、事务等待时间和事务平均响应时间；以上的指标都在不同的数据量和用户并发度下进行评测，对待测数据库系统进行增量式验证。
以上所述指标体系具体如下表所示：
本发明的优点和积极效果：
本发明提出了一种完整的关系数据库系统纯XML引擎评测方法，该方法以W3C标准为基准，设计了测试场景、测试数据集、测试查询集和测试指标集，涵盖评测中的功能测试和性能测试两大方向。本发明的方法是在对关系数据库系统上的纯XML引擎的特征进行研究的基础上制定的，使用SQL/XML标准编写的事务也更有针对性，适用于关系数据库系统纯XML引擎的评测。
【附图说明】
图1为测试场景示意图。
图2为数据结构示意图。
图3为关系数据库系统纯XML引擎评测工作流程图。
【具体实施方式】
实施例1
图3给出了本发明的工作流程，现结合具体的应用实例来对本发明进行详细描述。
本实例中所用到的XML文献来自：DBLP数据库；UWXMLRepository；NiagaraXMLrepository；中文Web信息检索论坛(CWIRF)；万方RSS；中文网站RSS。
首先使用自定义的XML Schema创建XML文档集合，XML文档集分布在5张XML表中，表的数据结构如图2所示，其中：
User表示登陆文献检索系统的用户，其属性包括firstname(名)、lastname(姓)、birthday(生日)、balance(账户余额)、role(职位)、databases(订阅的数据库)等。
Databases描述文献检索系统中不同的数据库，其属性包括name(名称)、year_from(开始日期)、year_to(终止日期)、literature_count(库中文献总数)等。
Category描述XML文献的分类情况。它具有多层结构，每一层大的分类下面可能包含多个小的分类，每层的每个分类都有自己的name(名称)属性。在最深层的Category下面包含实际XML文献，对Literature表作引用。
Literature表中是实际的XML文献。其属性包括title(文献题目)、authors(作者列表)、keywords(关键字)、content(文献内容)、database_id(所属数据库)等。
Order表表示了用户下的订单，其属性包括user_id(订阅用户)、databases(订阅数据库)、categorys(订阅的分类)、amount(订单金额)、datetime(订阅时间)、new_order(是否新订单)等。
这里User、Databases、Category和Order四张表表现了在图1中的用户信息、文献信息和订单信息，属于以数据为中心的XML范畴，使用Toxgene等XML生成工具生成，每一个文档约在几百K到10m之间不等；而Literature表现了图1中的文献内容，属于以文字为中心的XML范畴，使用真实XML数据。
将生成的数据以一定规模的原始数据量填充入待测数据库中，此例中以DB2作为待测数据库，选择用大约1GB的原始XML数据填充数据库，其中包括：
◆6万个User
◆30万个Orders
◆20个Databases
◆2000个Category
记录填充这些数据的时间和空间使用情况，为建立好的数据库做备份。
在步骤4中，单独运行设计好的事务集，测试关系数据库系统纯XML引擎的基本功能，将14条查询和5条更新事务用嵌入SQL的XQuery语句来实现，这些事务表现了图1中的用户管理、文献管理、文献检索、订单管理等功能，以这样的数据集和事务集构成的系统运行起来统计指标集。以U3举例说明：
update c_categorys
set cateinfo＝xmlquery(′copy$newinfo:＝$CATEINFO
modify do insert<category><name>新分类</name><literatures></literatures></category>
into$newinfo/category/categorys
return$newinfo′)
where xmlexists(′$CATEINFO/category[@id＝1]′)；
其中@id＝1的数字在实际运行中将被参数化为给定范围中的某一数值，提交给数据库，得到返回结果并记录每条事务的运行时间，可多次测试取平均值。
在此基础上，添加辅助索引，记录创建索引的时空消耗，再次单独运行事务集，对比添加索引前后查询事务的效率和更新事务的维护效率。以Q2举例，在添加辅助索引之前它的单独运行平均时间为2.364s，而添加之后的运行平均时间为1.422s，索引效率为166％。之后将数据库恢复到初始状态。
在步骤5中，设计并度量三种XML工作负载：更新负载(只写)，查询负载(只读)，混合负载(读写)，这些工作负载都具有很高的并发性。在此实例中，工作负载由Loadrunner工具执行，这个测试工具产生一个到多个并发线程。每个线程模拟一个用户，该用户连接到数据库并提交一个事务。每个事务被分配一个权重，这个权重决定这个事务在工作负载中的百分比。在运行时，事务中的参数标志替换为具体的值，这些值是从可配置的随机值分布和输入列表中提取的。当一个事务运行完毕退出，会马上建立一个新的用户，确保并发用户数目不变。
对于插入工作负载，首先使50个并发用户插入所有Literature。然后，分阶段调用5个更新语句，从而在检验锁的基础上，检验更新性能是可伸缩的。在每个阶段使用50～150个并发用户，测试直至插入所有Literature为止，记录事务的回滚率为28％、事务平均等待时间1.276s和事务平均响应时间是2.823s。
对于只读工作负载，在插入负载填充数据库之后，对数据库执行只读的工作负载。这个工作负载由14个XML查询组成，使用25、50、75、100、125和150个并发用户以不同的并发度执行。测试的时间长度是这6种测试各运行一个小时，观察系统吞吐量的峰值约为600，而事务的平均响应时间为4.951s。
对于混合工作负载，与只读工作负载相似，混合工作负载选择在U5(插入)的同时，使用U2(删除)U4(更改)和14个查询语句，并使用25、50、75、100、125和150个并发用户产生不同的并发度。测试的时间长度是每个测试各运行一个小时。统计的性能指标综合了插入工作负载和只读工作负载的指标。
这里混合工作负载的权重比率是：
70％的读操作：查询；30％的写操作：6％的更新操作，12％的文档删除操作，12％的插入操作。
按照上述步骤做实验，并统计结果指标，记录事务的回滚率为35％，系统吞吐量的峰值约为410，而事务的平均响应时间为3.319s。
而此次评测中最好的吞吐量出现在75个用户的并发状态下，此时CPU的利用率接近100％，只读吞吐量达到591，混合吞吐量达到408。再增加并发用户数，已不能再使系统得到更好的吞吐量，因为系统已经接近极限了。而混合负载的吞吐量比只读和只写的情况下都小了很多，这是由于读写事务的并发执行会造成死锁和回滚，正如预期的一样。
Claims (6)
1.一种关系数据库系统纯XML引擎的评测方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
第1、定义文献管理系统作为测试场景，并定义了逻辑功能；
第2、根据测试场景设计并生成XML文档集合作为测试数据集并填充入待测数据库；
第3、针对第2步生成的测试数据集定义待测事务集，包括查询事务集和更新事务集；
第4、在待测数据库上单独运行第3步定义的事务作为功能测试，验证待测事务能否顺利完成并统计功能性指标，并可以通过加索引的方式比较索引前后的待测事务响应来测试索引的效率；
第5、设计、执行并度量三种XML工作负载：更新负载，查询负载，混合负载，这些工作负载是对第3步中的待测事务集选择性的组合构成，每种负载工作在不同的并发强度和不同的数据量下，测试待测数据库系统的承受能力，统计性能性指标。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于第1步所述的定义文献管理系统作为测试场景中，定义的数据信息包括：用户信息、用户账户、交费历史、文献信息和文献内容，定义的操作包括：用户管理、信息查看、文献管理、用户注册、用户交费、文献检索，这样生成的XML数据集涵盖以数据为中心的文档和以文字为中心的文档，能够体现XML文档的特征。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于第2步所述的测试数据集包含5张XML数据表：其中User、Category、Order、Databases四张表是虚拟数据，其Schema结构包含了权利要求2在测试场景中定义的所有数据信息，由XML生成工具生成；而Literature表是实际数据，存放所有实际的XML文档。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于第3步所述的测试事务集，定义了14条查询事务和5条更新事务，这些事务的制定是根据XML Query(XQuery)Requirements、XQuery Update Facility 1.0 Requirements标准而来，其中：
1)查询事务：
Q1：根据id查看某用户(id)的详细信息，包括及订阅的数据库、分类——集合
Q2：查看订阅某分类(农业)的所有用户——引用
Q3：将某一用户(id)订阅的数据库以列举方式显示，以固定分隔符分隔——string函数
Q4：判断是否存在文献数量大于32655062的数据库，是的话返回真——some(存在量词)
Q5：判断是否所有数据库的文献书目都大于32655062，是则返回真——every(全称量词)
Q6：列表显示所有某一级的文献类及直接子类——层次结构
Q7：列出所有文献的第一作者——序列
Q8：列表查看order信息，统计某日(2005-7-22)，显示当日order数量、当日总额、最大额度、最小额度、平均额度
Q9：嵌套查询，查询所有余额为2981的用户发出的新订单
Q10：列表显示未进行任何订阅的用户-EMPTY关键字
Q11：根据名称查看一个数据库的详细信息
Q12：传入用户id及日期返回订单，实现放入自定义函数内部
Q13：统计各年龄段的用户数量
Q14：在所有文档中检索包含一个特定关键词(customer)的文档并返回
2)更新事务：
U1：用户充值或消费，根据用户id修改其账户余额
U2：处理订单，将某订单中的<new_order>标记删除
U3：向某分类中新增子分类
U4：用户订阅成功，用order中的databases和category替换user中的对应元素
U5：用户订阅某数据库中某分类，订单信息通过参数传入
所有这些事务以内嵌XQuery的SQL语言或者SQL/XML标准编写，单独运行并得到功能性指标集。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于第5步所述的工作负载中，每个并发用户连接到数据库并提交一个事务，每个事务被分配一个权重，这个权重决定这个事务在工作负载中的百分比；其中，
更新负载由两部分构成：首先插入海量XML文档至Literature表作为原始数据，然后分阶段调用权利要求4所述的5个更新事务，从而在检验锁的基础上，检验更新性能是可伸缩的；
只读负载由权利要求4所述的14条查询事务组成，它们的权重相同；
混合负载由查询事务和更新事务共同组成，其中70％的读操作，30％的写操作，写操作包括：6％的更新操作，12％的文档删除操作，12％的插入操作，
根据这样的负载运行系统并统计性能性指标集。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述的指标集，考察待测数据库对不同数据量和事务的时空开销和并发能力，具体包括：在存储能力上考察装入原始数据的时间开销和空间开销，其中原始数据量的大小要根据待测数据库所运行的硬件环境配置；在索引能力上考察建立索引的时间开销和空间开销，以及在更新过程中索引维护的时间开销；在查询能力上考察有无辅助索引的响应时间和有无XML Schema的响应时间；在更新能力上考察有无索引的响应时间；在并发控制上考察事务回滚率、事务等待时间和事务平均响应时间；以上的指标都在不同的数据量和用户并发度下进行评测，对待测数据库进行增量式验证。
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