DE3788563T2

DE3788563T2 - Verfahren und Einrichtung um eine Datenbankadresse zu bestimmen.

Info

Publication number: DE3788563T2
Application number: DE87309117T
Authority: DE
Inventors: Brian Richard Churm; Michael Evans Diesel
Original assignee: American Telephone and Telegraph Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1986-10-24
Filing date: 1987-10-15
Publication date: 1994-05-11
Anticipated expiration: 2007-10-16
Also published as: DE3788563D1; KR880005522A; EP0268373B1; EP0268373A2; US4922417A; EP0268373A3; JPS63113727A; CA1287183C

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und Einrichtungen zum Bestimmen einer Datenbankadresse.
Daten sind in einer Datenbank gewöhnlich in einer Beziehung oder Tabelle aufbewahrt, wobei Zeilen in der Tabelle Tupel genannt werden und Reihen Attribute mit eindeutigen Namen sind. Ein benanntes Attribut in einem spezifischen Tupel wird mit Datenwort bezeichnet. Ein Schlüssel ist eine Teilmenge von Attributen, deren Werte zur eindeutigen Kennzeichnung eines Tupels benutzt werden.
Ein Verfahren zum Speichern und Abrufen von Tupeln umfaßt die sequenzielle Anordnung der Tupel auf Grundlage ihrer Schlüssel, beispielsweise in alphabetischer oder numerischer Reihenfolge. Das beste Verfahren zum Suchens nach einem Tupel in einer sortierten Tabelle erfordert jedoch mindestens durchschnittlich log&sub2; M Proben, wobei M die Tabellengröße darstellt. Beispielsweise sind durchschnittlich mindestens 10 Proben erforderlich, um ein Tupel in einer Tabelle mit 1024 Einträgen zu finden. Mit einer Streuspeichertabelle genannten Tabelle können viel bessere Ergebnisse erzielt werden.
Der Grundgedanke hinter Streuspeicherung ist, daß zur Lokalisierung des gespeicherten Tupels der mit dem gewünschten Tupel verbundene Schlüssel benutzt wird. Am Schlüssel wird eine Umwandlung durchgeführt, um die Datenbankadresse, an der das Tupel gespeichert ist, zu erzeugen. Solche Umwandlungen werden "Hash-Funktionen" bzw. Streufunktionen genannt, und die mit der Streuspeicherung verbundenen Datenspeicherungs- und -abrufprozeduren sind als "Hashing" bzw. Datenstreuung bekannt. Eine gute Streufunktion ist eine, die die berechneten Adressen gleichförmig über die verfügbaren Adressen ausbreitet. Sollte eine berechnete Adresse bereits mit einem anderen Tupel belegt sein, da zufälligerweise zwei Schlüssel in dieselbe Adresse umgewandelt worden sind, so wird ein Verfahren zur Schlüsselkollisionsauflösung dazu benutzt, zu bestimmen, wo das zweite Tupel aufbewahrt ist. Beispielsweise wird bei einem bekannten lineare Probenahme genannten Verfahren das zweite Tupel an der nächsten verfügbaren Adresse eingespeichert.
Zur Umwandlung von Schlüsseln mit Zeichenketten ist eine Anzahl von Streufunktionen entwickelt worden. Solche Funktionen sind beispielsweise bei der Streuung von Symboltabellen für Computerprogrammkompilierer nützlich und bilden typisch verschiedene numerische oder logische Bitverknüpfungen, die die Zeichen der Kette darstellen, um eine positive Ganzzahl zu bestimmen. Die Datenadresse wird dann als Funktion der positiven Ganzzahl abgeleitet. Beispielsweise kann die Datenbankadresse durch Teilen der positiven Ganzzahl durch eine Konstante und Annahme des Rests erhalten werden. Bei bekannten Streufunktionen ergeben Muster in den Daten jedoch statt einer gleichförmigen Verteilung häufig eine bedeutende Datenanhäufung. Wenn die Daten in Seiten auf einer Platte gespeichert sind, kann die Anhäufung ergeben, daß viele Tupel auf anderen Überlaufseiten gespeichert sind, als den durch die berechneten Adressen definierten. Dies führt zu einem langsamen Datenzugriff, da der Abruf bestimmter Tupel häufig mehr als eine Plattenzugriffsoperation benötigen wird. Datenzugriffszeiten können durch Vergrößerung des verfügbaren Gesamtspeicherraums verbessert werden, so daß die Daten lockerer gepackt sind, aber dies nur mit bedeutendem Aufwand.
Angesichts des obigen besteht ein anerkanntes Problem im Stande der Technik in der Anhäufung von Daten, die eintritt, wenn Zeichenketten durch die Durchführung von Bearbeitungen und Verknüpfungen der einzelnen Zeichen gestreut werden.
Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren nach Anspruch 1 vorgesehen.
Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Einrichtung nach Anspruch 7 vorgesehen.
In einer beispielhaften Datenstreuanordnung werden die Zeichen einer Zeichenkette vorteilhaft durch aus einer vorbestimmten Zahlentabelle ausgewählte Zahlen an eindeutig durch die Zeichen definierten Tabellenstellen ersetzt. Eine sich dieses Verfahrens bedienende Datenstreuanordnung ermöglicht die Ableitung gleichförmig verteilter Datenbankadressen, selbst wenn die Daten hoch strukturiert sind, womit Daten relativ dicht in der Datenbank gepackt sein können und dennoch ein schneller Datenzugriff erreicht werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Datenwort ein Tupelschlüssel, und die Dateneinheiten sind Zeichen, die jeweils durch ein nach dem wohlbekannten ASCII-Kode kodiertes Acht-Bit-Byte dargestellt werden. Jedes Zeichen wird durch die an der durch die ASCII- Darstellung dieses Zeichens definierten Tabellenstelle gespeicherte Zahl ersetzt. Bezeichnenderweise sind die Zahlen in der vordefinierten Zahlentabelle unabhängig von den Zeichen des Schlüssels, d. h. sie können nicht durch vorbestimmte Bearbeitungen von diesen abgeleitet werden. Die Zahlen in der vorbestimmten Tabelle sind statistisch zufallsmäßig.
Die ausgewählten Zahlen werden durch Initialisieren eines Registers, Umordnen der Bit im Register, Erzeugen einer Verknüpfung einer der ausgewählten Zahlen mit Bit im Register, Speichern der Verknüpfung im Register und nachfolgendem Wiederholen der Umordnungs-, Erzeugungs-und Speicherschritte für jede der ausgewählten Zahlen verknüpft. Die Datenbankadresse wird durch Teilen des im Registers gebildeten Ergebnisses durch eine positive Ganzzahl und Annahme des Restes abgeleitet. In der bevorzugten Ausführungsform umfaßt der Bitumordnungsschritt eine Ringschiebeoperation der Registerbit, und die erzeugten Verknüpfungen sind Exklusiv-ODER- Verknüpfungen.

Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm eines Computersystems, in dem ein beispielhaftes erfindungsgemäßes Datenstreuverfahren realisiert ist;
Fig. 2 zeigt ein Übersichts-Flußdiagramm eines im Computersystem der Fig. 1 benutzten Datenbankadreßerzeugungsprogramms;
Fig. 3 ist eine detaillierteres Flußdiagramm eines Teils des im Computersystem der Fig. 1 benutzten Datenbanksdreßerzeugungsprogramms; und
Fig. 4 ist ein Blockdiagramm einer Datenbanksdreßerzeugungseinrichtung, in der das beispielhafte Datenstreuverfahren realisiert ist.

Detaillierte Beschreibung

Eine die Erfindung verkörpernde beispielhafte Streuanordnung wird für Datenspeicherung und Abruf einer Beziehung auf einer Platte 105 (Fig. 1) benutzt. Die Platte 105 ist als Teil des Computersystems 100 enthalten, das als Anlagen-Zentralsteuerung in einer Fernsprechvermittlungsanlage funktioniert. Der Schlüssel für die Beziehung ist ein Berechtigungskode mit einer Zeichenkette von 15 ASCII-Zeichen. Jedes Tupel der Beziehung enthält auch Informationen, die eine von einer Menge möglicher Wählberechtigungen definieren. Wenn ein Teilnehmer seinen oder ihren zugewiesenen Berechtigungskode von einem (nicht gezeigten) Sprechstellengerät aus eingibt, wird von einem Prozessor 101 des Computersystems 100 ein in einem Programmblock 103 eines Speichers 102 gespeichertes Programm ausgeführt, um die Datenbankadresse zu bestimmen, wo das vom eingegebenen Berechtigungskode gekennzeichnete Tupel auf der Platte 105 gespeichert ist. Wie hier beschrieben, umfaßt die Programmausführung die Auswahl von Zufallszahlen aus einer in einem Tabellenblock 104 gespeicherten Tabelle von Zufallszahlen. Wenn das gekennzeichnete Tupel in der auf der Platte 105 gespeicherten Beziehung vorhanden ist, wird das Tupel vom Prozessor 101 gelesen, um beispielsweise zu bestimmen, ob der Teilnehmer von diesem Sprechstellengerät aus ein Telefongespräch einleiten kann.
In Fig. 2 wird ein Übersichts-Flußdiagramm des im Programmblock 103 gespeicherten Datenbanksdreßerzeugungsprogramms dargestellt. Das Programm benutzt eine Tabelle von 31-Bit-Zufallszahlen, die in abgekürzter Form in der Tabelle 1 gezeigt ist. Die vollständige Tabelle ist im Anhang A enthalten.

TABELLE VON ZUFALLSZAHLEN

Stelle Zahl
0 Ox32bf5692
1 Ox66950646
. .
. .
. .
255 Ox604ae8a3 TABELLE I
An jeder von 256 Tabellenstellen in der Tabelle ist eine 31-Bit-Zufallszahl gespeichert. Die 31-Bit- Zufallszahlen sind in der Tabelle 1 und dem Anhang A in Hexadezimalform dargestellt. Die Programmausführung beginnt bei Block 200, wobei die Zeichenkette von N Zeichen gespeichert wird, wobei N eine positive Ganzzahl größer als 1 ist. Im vorliegenden Beispiel beträgt N 15. Im Block 210 werden 15 Zufallszahlen aus der Tabelle von Zufallszahlen ausgewählt, eine von jeder von einem Zeichen der Kette definierten Stelle. Im Block 220 werden die 15 Zufallszahlen verknüpft, um ein Ergebnis zu bilden. Im Block 230 wird dann die Datenbankadresse für die Zeichenkette als deterministische Funktion des Ergebnisses abgeleitet.
In Fig. 3 wird ein detaillierteres Flußdiagramm eines Teils des Datenbanksdreßerzeugungsprogramms gezeigt. Der in Fig. 3 dargestellte Programmteil ersetzt die Blöcke 200, 210 und 220 der Fig. 2. Die Ausführung beginnt bei Block 301, wo ein oder mehrere Schlüssel eingegeben werden. Es sei anfangs angenommen, daß ein einziger Schlüssel mit 15 ASCII-Zeichen eingegeben wird, wobei jedes Zeichen durch ein Acht-Bit-Byte dargestellt wird. Die Ausführung schreitet zu Block 302 fort, wo ein veränderliches l-foldbit auf Null initialisiert wird. Die Ausführung schreitet dann zum Entscheidungsblock 303 fort, wo je nachdem, ob der Schlüssel ein Zeichenfeld oder ein Einzelzeichen ist, ein Sprung ausgeführt wird. Entsprechend der Annahme eines Zeichenfeldes von 15 Zeichen oder Byte schreitet die Ausführung vom Entscheidungsblock 303 zum Block 304, wo ein veränderliches Register auf Null initialisiert wird, und dann zum Block 305 fort, wo die Anzahl von Byte im Schlüssel berechnet wird. Das veränderliche Register umfaßt 32 Bit einschließlich eines anfänglichen Vorzeichenbits. Durch die Abfolge der Blöcke 306, 307, 308, 309 und 310 wird eine Ringschiebeoperation nach links der 31 am weitesten rechts liegenden Bit des veränderlichen Registers um sieben Bit bewirkt (da das veränderliche Register auf Null initialisiert wurde, hat die Ringschiebeoperation nach links bei der ersten Ausführung der Blöcke 306 bis einschließlich 310 keine Wirkung). Danach wird im Block 311 eine Exklusiv-ODER-Verknüpfung des veränderlichen Registers mit der Zufallszahl an der durch das erste Zeichen oder Byte des Schlüssels definierten Stelle der Zufallszahlentabelle gebildet. Im Block 312 wird eine Bestimmung durchgeführt, ob noch weitere Byte des Schlüssels zu verarbeiten sind. Da an diesem Punkt nur ein Byte verarbeitet worden ist, schreitet die Ausführung zum Block 313 fort, wo auf das zweite Byte des Schlüssels zugegriffen wird, und die Abfolge der Blöcke 306 bis einschließlich 311 wird wiederholt. Es wird wiederum eine Ringschiebeoperation nach links um sieben Bit an den 31 am weitesten rechts liegenden Bit des veränderlichen Registers durchgeführt. Im Block 311 wird eine Exklusiv- ODER-Verknüpfung des veränderlichen Registers mit der Zufallszahl an der vom zweiten Byte des Schlüssels definierten Stelle der Zufallszahlentabelle gebildet. Der Vorgang wiederholt sich für jedes der 15 Byte des Schlüssels. Nach Verarbeitung des letzten Bytes schreitet die Ausführung vom 312 zum Block 314 fort, wo der Inhalt des veränderlichen Registers zum veränderlichen l-foldbit hinzugefügt wird. Die Ausführung schreitet zum Entscheidungsblock 315 fort, wo bestimmt wird, ob noch weitere Schlüssel zu verarbeiten sind. Entsprechend dem vorliegenden Beispiel eines Einzelschlüssels schreitet die Ausführung zum Block 316 fort, wo das Vorzeichenbit des veränderlichen 1-fachen Bit maskiert wird. Im Block 317 wird dann das veränderliche l-foldbit in eine von einem durch Zeiger veränderliches addrfoldbit definierte Speicheradresse übertragen. Abschließend wird das veränderliche addrfoldbit im Block 318 als der Zeiger zur Stelle, wo das Ergebnis gespeichert ist, zurückgeführt.
Das Programm der Fig. 3 enthält auch Vorkehrungen zur Bearbeitung von mehrfachen Schlüsseln und Schlüsseln mit einem Einzelzeichen oder -byte. Im Falle von Einzelbyteschlüsseln schreitet die Ausführung vom Entscheidungsblock 303 zum Block 319 fort, wo der Schlüssel einfach in das veränderliche l-foldbit hineinaddiert wird. Mehrfachschlüssel werden durch Sprung vom Entscheidungsblock 315 zum Block 320 verarbeitet, wo der nächste Schlüssel erhalten wird, und nachfolgender Wiederholung des oben beschriebenen Vorgangs ab Block 303.
Es ist wichtig, darauf hinzuweisen daß daselbe Ergebnis erzielt wird, egal ob alle 15 Zufallszahlen zuerst ausgewählt und danach verknüpft werden wie im Flußdiagramm der Fig. 2 oder jede Zufallszahl nacheinander ausgewählt und dann mit dem Inhalt des veränderlichen Registers wie im Flußdiagramm der Fig. 3 verknüpft wird.
Wie oben besprochen, wird das durch das Programm der Fig. 3 erhaltene Ergebnis dann zur Ableitung der Datenbankadresse benutzt, sowohl zur anfänglichen Speicherung des Tupels einschließlich der Zeichenkette auf der Platte 105 als auch zum nachfolgenden Abrufen des Tupels. Im vorliegenden Beispiel wird die Beziehung auf der Platte 105 auf M1 Seiten gespeichert, die jeweils Raum für M2 Tupel pro Seite umfassen, wobei M1 und M2 technische Größen sind. Wenn das Ergebnis der Ausführung des Programms der Fig. 3 für eine bestimmte Zeichenkette mit R bezeichnet wird, wird das die Zeichenkette enthaltende Tupel auf Seite R mod M1 an Stelle R mod M2 gespeichert, wobei R mod M1 der Rest der Teilung von R durch M1 und R mod M2 der Rest der Teilung von R durch M2 ist. Wenn die abgeleitete Datenbankadresse zur Speicherung eines weiteren Tupels benutzt wird, erfolgt eine lineare Probenahme der anderen Adresse auf dieser Seite, und die nächste verfügbare Adresse auf der Seite wird benutzt (gegebenenfalls mit Rückkehr zum Seitenanfang). Sollte die abgeleitete Datenbankadresse eine Seite definieren, die vollständig mit anderen Tupeln belegt ist, wird das nächste Tupel auf einer Überlaufseite gespeichert.
Die oben beschriebene beispielhafte Datenstreuanordnung ist zur Speicherung von 100 074 Tupeln auf der Platte 105 mit einer Packungsdichte von 73% benutzt worden, wobei nur ein Tupel im Überlauf gespeichert wurde. Bei Verringerung der Packungsdichte auf 69% wurden keine Tupel im Überlauf gespeichert.
Die Fig. 4 ist ein Blockdiagramm eines Datenbanksdreßgenerators 400, mit dem das oben beschriebene Datenstreuverfahren zur Erzeugung einer Datenbankadresse aus einem N-Byte-Schlüssel realisiert wird, wobei N eine positive Ganzzahl größer als eins ist. Im vorliegenden Beispiel beträgt N 15. Der Generator 400 enthält ein Register 401, in dem der 15-Byte-Schlüssel gespeichert wird, und weiterhin einen Speicher 402, der zur Speicherung der Tabelle von 31-Bit-Zufallszahlen von Anhang A benutzt wird. Das Register 401 überträgt das erste Byte des Schlüssels zu einem ADDRESS- Eingangsanschluß des Speichers 402. Eine Lesesteuereinheit 407 führt als erstes eine 7-Bit- Ringschiebeoperation nach links am Inhalt eines 31-Bit- Ringschieberegisters 405 durch, indem sie sieben Taktimpulse zu diesem überträgt. Danach führt die Lesesteuereinheit 407 das Auslesen einer 31-Bit- Zufallszahl aus dem Speicher 402 an der vom Byte aus dem Register 401 definierten adressierten Stelle durch. Die Zufallszahl wird in einem 31-Bit-Register 403 gespeichert. Eine Exklusiv-ODER-Einheit 404 führt dann eine Exklusiv-ODER-Verknüpfung des Inhalts des Registers 403 und Schieberegisters 405 durch und überschreibt das Ergebnis zurück in das Schieberegister 405. Der Vorgang wiederholt sich für jedes der 15 Byte des Schlüssels. Von einer Teilereinheit 408 wird dann die Datenbankadresse als Funktion des im Schieberegister 405 gebildeten Ergebnisses abgeleitet. In der vorliegenden Ausführungsform wird vom Teiler 408 die Seite der Platte 105 (Fig. 1) nach R mod M1 und der Stelle auf dieser Seite nach R mod M2 erzeugt, wobei R das im Schieberegister 405 gebildete Ergebnis, M1 die für die Speicherung verfügbare Gesamtzeitenzahl und M2 die Anzahl von Tupeln ist, die pro Seite gespeichert werden können.

ANHANG A

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Claims

1. Verfahren zur Bestimmung einer Datenbankadresse für ein Datenwort, das ein Schlüssel ist, wobei das besagte Datenwort N Dateneinheiten umfaßt, wobei N eine positive Ganzzahl größer als Eins ist, mit folgenden Schritten:

Auswählen einer Zahl aus einer vordefinierten Zahlentabelle für jede der besagten N Dateneinheiten an einer von dieser Dateneinheit bestimmten Stelle in der besagten Tabelle,

Verknüpfen der besagten ausgewählten N Zahlen zum Bilden eines Ergebnisses, und

Ableiten der besagten Datenbankadresse als vorbestimmte Funktion des besagten Ergebnisses, jede der besagten ausgewählten Zahlen eine Mehrzahl von Bit umfaßt, und der besagte Verknüpfungsschritt A) das Initialisieren eines Registers zum Speichern einer Mehrzahl von Bit, B) Umordnen der Bit im besagten Register, C) Erzeugen einer Verknüpfung einer der besagten ausgewählten Zahlen mit Bit im besagten Register, D) Speichern der besagten Verknüpfung im besagten Register, und E) Wiederholen der Schritte B), C), und D) für andere der besagten ausgewählten Zahlen zum Bilden des besagten Ergebnisses im besagten Register umfaßt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, in dem die Zahlen der besagten vordefinierten Zahlentabelle jeweils unabhängig von den besagten N Dateneinheiten sind.

3. Verfahren nach Anspruch 2, in dem die Zahlen der besagten vordefinierten Zahlentabelle Zufallszahlen sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der besagte Umordnungsschritt die Durchführung einer Ringschiebeoperation an Bit im besagten Register umfaßt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, in dem die besagte Verknüpfung eine Exklusiv-ODER-Verknüpfung umfaßt.

6. Verfahren nach Anspruch 3, in dem der besagte Ableitschritt das Ableiten der besagten Datenbankadresse vom besagten Ergebnis als Rest einer Teilung des besagten Ergebnisses durch eine positive Ganzzahl größer als eins umfaßt.

7. Einrichtung (400) zum Bestimmen einer Datenbankadresse für ein Datenwort, das ein Schlüssel ist, wobei das besagte Datenwort N Dateneinheiten umfaßt, wobei N eine positive Ganzzahl größer als eins ist, mit Mitteln (402) zum Speichern einer vordefinierten Zahlentabelle, Mitteln (401, 407) zum Auswählen von N Zahlen aus dem besagten Speichermittel an von jeder der besagten N Dateneinheiten bestimmten Stellen des besagten Speichermittels, Mitteln (404, 405) zum Verknüpfen von N aus dem besagten Speichermittel ausgewählten Zahlen zum Bilden eines Ergebnisses, und Mitteln (408) zum Ableiten der besagten Datenbankadresse als vorbestimmte Funktion des besagten Ergebnisses,

wobei die Zahlen der besagten vordefinierten Zahlentabelle Zufallszahlen sind, die jeweils eine Mehrzahl von Bit umfassen, und daß das besagte Verknüpfungsmittel Registermittel (405) zum Speichern einer Mehrzahl von Bit und auf jede durch das besagte Auswählmittel ausgewählte Zahl reagierende Mittel (404) zum Erzeugen einer Verknüpfung der besagten jeweiligen ausgewählten Nummer mit Bit im besagten Registermittel und Überschreiben der erzeugten Verknüpfung in das besagte Registermittel umfaßt, wobei das besagte Ergebnis im besagten Registermittel gebildet wird, nachdem N Zahlen vom besagten Auswählmittel ausgewählt worden sind und N erzeugte Verknüpfungen in das besagte Registermittel überschrieben worden sind.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, mit Mitteln (406, 405) zum Umordnen von Bit im besagten Registermittel.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, in der das besagte Umordnungsmittel Mittel (405) zum Durchführen einer Ringschiebeoperation an Bit im besagten Registermittel umfaßt.