[논문 리뷰] Foundations of Traversal Based Query Execution over Linked Data (Extended Version)

Olaf Hartig, Johann Christoph Freytag|arXiv (Cornell University)|2011. 08. 31.

Data Quality and Management참고 문헌 18인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 연결된 데이터 상의 트래버스 기반 쿼리 실행을 위한 이론적 기초를 수립하며, 실행 중에 데이터 소스를 동적으로 탐지하는 조건부 쿼리에 대한 형식적 의미론을 도입한다. 쿼리 계산 가능성은 결정 불가능하며, 종료 보장도 불가능하다는 것을 증명하여, 잠재적으로 무한한 데이터 웹 환경에서 이러한 시스템의 평가 및 최적화를 위한 형식적 기반을 제공한다.

ABSTRACT

Query execution over the Web of Linked Data has attracted much attention recently. A particularly interesting approach is link traversal based query execution which proposes to integrate the traversal of data links into the construction of query results. Hence -in contrast to traditional query execution paradigms- this approach does not assume a fixed set of relevant data sources beforehand; instead, it discovers data on the fly and, thus, enables applications to tap the full potential of the Web. While several authors study possibilities to implement the idea of link traversal based query execution and to optimize query execution in this context, no work exists that discusses the theoretical foundations of the approach in general. Our paper fills this gap. We introduce a well-defined semantics for queries that may be executed using the link traversal based approach. Based on this semantics we formally analyze properties of such queries. In particular, we study the computability of queries as well as the implications of querying a potentially infinite Web of Linked Data. Our results show that query computation in general is not guaranteed to terminate and that for any given query it is undecidable whether the execution terminates. Furthermore, we define an abstract execution model that captures the integration of link traversal into the query execution process. Based on this model we prove the soundness and completeness of link traversal based query execution and analyze an existing implementation approach..

연구 동기 및 목표

• 웹의 연결된 데이터 상에서 트래버스 기반 쿼리 실행에 대한 이론적 기초가 부족한 문제를 해결하기 위해.
• 링크 트래버스를 통해 동적으로 데이터 소스를 탐지하는 조건부 쿼리에 대한 형식적 의미론을 정의하기 위해.
• 무한하고 변화하는 데이터 공간의 맥락에서 계산 가능성과 종료성과 같은 기본 성질을 분석하기 위해.
• 트래버스 기반 쿼리 처리의 타당성과 완전성을 보장하는 추상 실행 모델을 수립하기 위해.
• 다양한 트래버스 기반 쿼리 실행 전략 간 비교 및 최적화를 안내하기 위한 형식적 기반을 제공하기 위해.

제안 방법

• 웹의 연결된 데이터를 식별자, 술어, 객체를 갖는 상호 연결된 데이터 소스의 그래프로 표현하는 형식적 데이터 모델을 제안한다.
• 웹 상에서 제한된 데이터 접근 능력을 반영하는 컴퓨팅 모델을 도입하여 실제 세계의 제약 조건을 반영한다.
• 쿼리 결과가 지정된 트래버스 규칙에 따라 도달 가능한 데이터로 변수를 매핑하는 결과로 정의된, 명확한 의미론을 갖는 쿼리 모델을 정의한다.
• 이론적 분석을 위해 데이터 삼중항, 할당값, 쿼리 결과를 계산 테이프 상에 튜링 기계 인코딩을 사용해 형식적으로 표현한다.
• 계산 가능성 이론의 개념을 적용하여 쿼리가 유한하게 계산 가능한지, 최종적으로 계산 가능한지, 또는 전혀 계산 불가능한지 분석한다.
• 링크 트래버스를 쿼리 처리에 통합하는 추상 실행 모델을 개발하여, 접근 방식의 타당성과 완전성을 증명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 웹의 연결된 데이터 상에서 동적 링크 트래버스를 통해 실행되는 조건부 쿼리에 대한 형식적 의미론은 무엇인가?
• RQ2 잠재적으로 무한한 웹의 연결된 데이터 상에서 실행될 경우, 어떤 조건에서 쿼리가 계산 가능해지는가?
• RQ3 트래버스 기반 쿼리 실행이 종료되는지 여부는 결정 가능한가?
• RQ4 정확성과 완전성을 보장하기 위해 링크 트래버스를 쿼리 실행에 어떻게 형식적으로 모델링할 수 있는가?
• RQ5 동적이고 분산된 데이터 환경에서 쿼리 실행의 이론적 한계는 무엇인가?

주요 결과

• 시스템이 무한한 수의 데이터 소스를 트래버스할 수 있기 때문에, 연결된 데이터 웹 상의 쿼리 실행은 종료 보장을 받지 못한다.
• 주어진 쿼리가 트래버스 기반 방법으로 실행될 때 유한 결과인지 무한 결과인지 여부는 결정 불가능하다.
• 논문은 제안된 모델에서 쿼리가 최종적으로 계산 가능하다는 것을 증명한다. 즉, 전체 계산이 끝나지 않더라도 결과를 점진적으로 생성할 수 있다.
• 추상 실행 모델은 타당성과 완전성을 보장한다. 즉, 모든 유효한 쿼리 결과가 정확히 생성되고, 잘못된 결과는 생성되지 않는다.
• 이론적 프레임워크는 구현의 형식적 검증과 다양한 트래버스 기반 쿼리 실행 전략 간 비교를 가능하게 한다.
• 기존의 관계형 데이터베이스 가정—예를 들어 고정된 데이터 소스 집합—은 동적이고 분산된 연결된 데이터 웹 환경에서는 타당하지 않다는 것을 규명한다.