Generic modeling and mapping languages for model management [Elektronische Ressource] / David Sebastian Kensche

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GENERIC MODELING AND MAPPING LANGUAGESFOR MODEL MANAGEMENTVon der Fakultat¨ fur¨ Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften derRWTH Aachen University zurErlangung des akademischen Grades eines Doktors derNaturwissenschaften genehmigte Dissertationvorgelegt vonDiplom-InformatikerDAVID SEBASTIAN KENSCHEaus Dusseldorf¨Berichter:Universitatsprofessor¨ Dr. rer. pol. Matthias JarkeProfessor Avigdor Gal, D.Sc.Tag der mundlichen¨ Prufung:¨ 2. November 2010Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfugbar¨ .c Copyright by David Sebastian Kensche 2011All Rights ReservediiAbstractDeutsch: Aufgaben bei der Verwaltung von Schemata und Schemaabbildungen wer-den ublicherweise¨ mit Hilfe von Speziallosungen¨ gelost.¨ So werden etwa Wrapper-Komponenten fur¨ Datenquellen entwickelt oder Sichten-Definitionen manuell ange-¨passt wenn sich Schemata verandern. Model Management hat das Ziel die Abstrak-tionsebene fur¨ metadatenintensive Aufgaben anzuheben indem eine Menge von Oper-atoren bereitgestellt werden, die solche Aufgaben ganz oder teilweise automatisieren.Die Probleme des Model Managements werden dadurch erschwert, dass meist he-terogene Modellierungssprachen innerhalb der selben Organisation verwendet werden,wie etwa das Relationale Datenmodel, XML Schema oder Ontologien.
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Publié le

01 janvier 2011

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56

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Deutsch

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6 Mo

GENERIC MODELING AND MAPPING LANGUAGES
FOR MODEL MANAGEMENT
Von der Fakultat¨ fur¨ Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften der
RWTH Aachen University zur
Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der
Naturwissenschaften genehmigte Dissertation
vorgelegt von
Diplom-Informatiker
DAVID SEBASTIAN KENSCHE
aus Dusseldorf¨
Berichter:
Universitatsprofessor¨ Dr. rer. pol. Matthias Jarke
Professor Avigdor Gal, D.Sc.
Tag der mundlichen¨ Prufung:¨ 2. November 2010
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfugbar¨ .c Copyright by David Sebastian Kensche 2011
All Rights Reserved
iiAbstract
Deutsch: Aufgaben bei der Verwaltung von Schemata und Schemaabbildungen wer-
den ublicherweise¨ mit Hilfe von Speziallosungen¨ gelost.¨ So werden etwa Wrapper-
Komponenten fur¨ Datenquellen entwickelt oder Sichten-Definitionen manuell ange-
¨passt wenn sich Schemata verandern. Model Management hat das Ziel die Abstrak-
tionsebene fur¨ metadatenintensive Aufgaben anzuheben indem eine Menge von Oper-
atoren bereitgestellt werden, die solche Aufgaben ganz oder teilweise automatisieren.
Die Probleme des Model Managements werden dadurch erschwert, dass meist he-
terogene Modellierungssprachen innerhalb der selben Organisation verwendet werden,
wie etwa das Relationale Datenmodel, XML Schema oder Ontologien. Daher zielt
Model Management auf die Entwicklung generischer Losungen¨ ab, fur¨ die die zu-
grundeliegenden nativen Metamodelle nicht von Bedeutung sind. Aktuelle Losungen¨
sind nicht generisch da sie auf bestimmte Kombinationen von Modellierungssprachen
beschrankt¨ sind. Eine generische Losung¨ von Problemen des Model Managements
erfordert generische Sprachen zur Modellierung und zur Spezifikation von Schemaab-
bildungen sowie Algorithmen, die mit solchen generischen Reprasentationen¨ arbeiten.
¨Diese Arbeit lost einige der Probleme des Model Managements. Ins-
besondere liefert die Arbeit folgende Beitrage:¨ 1. Ein generisches Metamodell, das
die detaillierte Reprasentation¨ von Schemata erlaubt, die aus verschiedenen nativen
Sprachen importiert werden konnen.¨ Dies ist zum Beispiel hilfreich fur¨ Algorithmen
des Schema Matchings, die Informationen uber¨ Schemata nutzen um eine Abbildung
zwischen ihnen zu berechnen. 2. Die Semantik unseres generischen Metamodells
dient als Grundlage fur¨ eine formale und generische Sprache zur Schemaabbildung,
die Datenaustausch und Anfrageumschreibung zwischen Schemata in verschiedenen
Modelleriungssprachen ermoglicht.¨ Im Gegensatz zu anderen Sprachen ist unsere Ab-
bildungssprache sowohl abgeschlossen unter Komposition als auch fahig¨ Daten be-
liebig umzustrukturieren. 3. Unsere Losungen¨ fur¨ Schema Matching, Abbildungskom-
position und andere Model Management Operationen wurden in ein ganzheitliches
generisches Model Management-System integriert. 4. Unsere Sprache zur Schemaa-
bildung wurde zudem verwendet um ein Werkzeug zur Objekt-Relationalen Abbildung
und ein foderiertes¨ Daten-Management System zu entwickeln, welches unabhangig¨
von den nativen Metamodellen ist, die von den Datenquellen genutzt werden.
iiiEnglish: Activities in management of schemas and schema mappings are usually
solved by special-purpose solutions such as coding wrapper components or manually
updating view definitions. The goal of model management is to raise the level of
abstraction for metadata-intensive activities by providing a set of high-level operators
that automate or semi-automate such tasks.
The problems of model management are aggravated by the fact that usually het-
erogeneous modeling languages, such as the relational data model, XML Schema, or
ontologies, are employed within the same organization. Therefore, model manage-
ment aims at genericness by devising operations that are agnostic about the underlying
native metamodels. Current solutions fail to be generic as they are restricted to certain
combinations of modeling languages. Therefore, a generic solution for model man-
agement problems requires generic languages for modeling and mapping specification
as well as algorithms operating on such generic representations.
This work solves some of the problems in generic model management. In particu-
lar, the work makes the following contributions: 1. A generic metamodel that allows
the detailed representation of schemas imported from various native languages. This is
required, for instance, by schema matching algorithms which use the knowledge about
schemas to produce a mapping between them. 2. The semantics of our generic meta-
model serves as the foundation for a formal and generic schema mapping language
which allows data exchange and query rewriting between schemas in different model-
ing languages. Unlike other languages, our mapping language at the same time sup-
ports powerful restructuring of data and is closed under composition. 3. Our solutions
for schema matching, mapping composition and other model management operations
have been integrated into a holistic generic model management prototype system. 4.
Our schema mapping language has been used to develop an object-relational mapping
tool and a federated data management system that is agnostic about the native meta-
models employed by its data sources.
ivAcknowledgments
Many people have supported me and this work in various ways during my time in the
Information Systems group at RWTH Aachen University. I want to express my deep
gratitude to all these people, some of which shall be mentioned explicitly.
First of all, I want to thank my principal advisor Prof. Matthias Jarke for precious
discussions on the contents of this work and earlier publications and for giving me the
opportunity to freely choose an interesting and challenging topic of research which
I enjoyed a lot. Moreover, I thank Prof. Avi Gal for his willingness to become my
second advisor for this thesis.
My special thanks go to Dr. Christoph Quix for his excellent support and our great
cooperation and for letting me be a part of his team. Moreover, I want to thank my
other friends and colleagues at the chair, particularly, Dr. Amine Chatti, Sandra Geisler,
Daniele Glockner¨ , Gabriele Hoeppermanns, Jessica Huster, Dr. Ralf Klamma, Xiang
Li, Tatiana Liberzon, Dr. Dominik Lubbers,¨ and Dr. Satish Srirama for inspiring, in-
teresting, and often funny academic and non-academic discussions as well as for our
fine team work in teaching activities.
Moreover, I thank my former students and assistants including Hurshid Kadirov,
Yong Li, Edwin Yaqub, Liang Huang, Xiuli Jiang, Julia Hoxha, Aleksandar Bojinovic,
Thomas Novotny, Thomas Siegbert, and many others for their support in realizing parts
of this work.
This research would not have been possible without the funding by the DFG Re-
search Cluster on Ultra High-Speed Mobile Information and Communication (UMIC)
at RWTH Aachen University. I thank my colleagues in this project for years of collab-
orative research.
Last but not least, I thank my fiance´ Zina and my family who gave me support to
work on this thesis.
Aachen, December 2010 David Kensche
vviContents
Abstract iii
Acknowledgments v
1 Introduction 1
1.1 Research Questions and Goals of this Dissertation . . . . . . . . . . . 4
1.2 Contributions and Outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2 Context 7
2.1 Terminology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.1 Schema Mappings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2 Metadata-Intensive Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.1 Information Integration with Materialization . . . . . . . . . 10
2.2.2 Virtual Data Inte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.3 Schema Evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3 Model Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.1 Model Management Operators . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.2 Generic Model Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3.3 Model Scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3.4 Management Prototypes . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3.5 Rondo: a First Model Management Prototype . . . . . . . . . 21
2.3.6 More Expressive Schema Mappings in Clio . . . . . . . . . . 22
2.3.7 Model Management 2.0: Generic and Expressive Mappings . 23
2.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3 A Generic Role-based Metamodel 27
3.1 The Challenge: A Generic Model Representation . . . . . . . . . . . 28
3.1.1 Our Solution: Role-Based Modeling . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2 Related Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2.1 Model Representations in Related Works . . . . . . . . . . . 31
3.2.2 Role-Based Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.3 The Generic Role-based Metamodel GeRoMe . . . . . . . . . . . . . 34
3.3.1 Description of the Role Model . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
vii3.3.2 Role-Based Analysis of Concrete Metamodels . . . . . . . . 35
3.3.3 Description of GeRoMe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.4 Representation Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

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