database systems - achievements and opportunities - silberschatz

7/28/2019 Database Systems - Achievements and Opportunities - Silberschatz

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Av i S i l be r scha t zM ichae l S t oneb r ake rJe f f U l lm anEd i t o r s

I~ 0 October 1991/Vol.34, No.10/GOMMUNIGATION$ F THE AOM


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h e h i s t o r y o f d a t a b a s e s y s t e m r e s ea r c h is o n e o f e x c e p t i o n a lp r o d u c t i v i t y a n d s t a rt li n g e c o n o m i c i m p a c t . B a r e l y 2 0 y ea r so l d a s a b a s i c s c i e n c e r e s e a r c h f i e l d , d a t a b a s e r e s e a r c h h a s

f u e l e d a n i n f o r m a t i o n s e rv i ce s i n d u s t r y e s t i m a t e d a t $1 0 b i l li o n p e r y e a ri n t h e U . S . a l o n e . A c h i e v e m e n t s i n d a t a b a s e r e s e a rc h u n d e r p i n f u n d a -m e n t a l a d v a n c e s i n c o m m u n i c a t i o n s s y s te m s , t ra n s p o r t a ti o n a n dl o g i s t i c s , f i n a n c i a l m a n a g e m e n t , k n o w l e d g e - b a s e d s y s t e m s , a c c e s s i b i l i t yt o s c i e n t if ic li te r a t u r e , a n d a h o s t o f o t h e r c i v i li a n a n d d e f e n s e a p p l ic a -t io n s . T h e y a l so s e r v e a s t h e f o u n d a t i o n f o r c o n s i d e r a b l e p r o g r e s s i nb a s ic s c ie n c e i n v a ri o u s fie ld s r a n g i n g f r o m c o m p u t i n g t o b i o l o g y . - . . . - - . -

A s i m p r e s s i v e a s t h e a c c o m p l i s h -m e n t s o f b a si c d a t a b a s e r e s e a r c hh a v e b e e n , t h e r e i s a g r o w i n ga w a r e n e s s a n d c o n c e r n t h a t o n l yt h e s u r f a c e h a s b e e n s c r a t c h e d i nd e v e l o p i n g a n u n d e r s t a n d i n g o ft h e d a t a b a s e p r i n c i p l e s a n d t e c h -n i q u e s r e q u i r e d t o s u p p o r t t h e a d -v a n c e d i n f o r m a t i o n m a n a g e m e n ta p p l i c a t i o n s t h a t a r e e x p e c t e d t or e v o l u t i o n i z e i n d u s t r i a l i z e d e c o n o -m i e s e a r l y i n t h e n e x t c e n t u r y .R a p i d a d v a n c e s i n a r e a s s u c h a sm a n u f a c t u r i n g s c i e n c e , s c i e n t i f i cv i s u a l i z a t i o n , r o b o t i c s , o p t i c a l s t o r -a g e , a n d h i g h - s p e e d c o m m u n i c a -t i o n s a l r e a d y t h r e a t e n t o o v e r -w h e l m t h e e x i s t i n g s u b s t r a t e o fd a t a b a s e t h e o r y a n d p r a c ti c e .I n F e b r u a r y 1 9 9 0 , t h e N a t i o n a lS c i e n c e F o u n d a t i o n c o n v e n e d aw o r k s h o p i n P a l o A l t o , C a l i f o r n i af o r t h e p u r p o s e o f i d e n t i f y i n g th et e c h n o l o g y p u l l fac to r s tha t wi l l se rvea s f o r c i n g f u n c t i o n s f o r a d v a n c e dd a t a b a s e t e c h n o l o g y a n d t h e c o r r e -s p o n d i n g b a s ic r e s e a r c h n e e d e d t oe n a b l e t h a t t e c h n o l o g y . T h e p a r t i c i-p a n t s i n c l u d e d r e p r e s e n t a t i v e sf r o m t h e a c a d e m i c a n d i n d u s t r i a ls i de s o f th e d a t a b a s e r e s e a r c h c o m -m u n i t y . 1 T h e p r i m a r y c o n c l u s i o n so f t h e w o r k s h o p p a r t i c i p a n t s c a n b eI T h e w o r k s h o p w a s a t t e n d e d b y M i c h a e l B r o -d i e , P e t e r Bu n e m a n , M i k e C a r e y , A s h o kC h a n d r a , H e c t o r G a r c i a -M o l i n a , J i m G r a y ,R o n F a g i n , D a v e L o m e t , D a v e M a i e r , M a r i eAnn Niemat , Avi S i lbe r scha tz , Michae lS t o n e b r a k e r , I r v T r a i g e r , J e f f U l l m a n , G i oW i e d e r h o l d , C a r l o Z a n i o l o , a n d M a r i aZ e m a n k o v a .

s u m m a r i z e d a s f o l l o w s :1 . A su b s t a n ti a l n u m b e r o f t h e a d -

v a n c e d t e c h n o l o g i e s t h a t w i l lu n d e r p i n i n d u s t r i a l i z e d e c o n o -m i e s i n t h e e a r l y 2 1 s t c e n t u r yd e p e n d o n r a d ic a l ly n e w d a t a -b a s e t e c h n o l o g i e s t h a t a r e c u r -r e n t l y n o t w e l l u n d e r s t o o d , a n dt h a t r e q u i r e i n t e n s i v e a n d s u s -t a i n e d b a s i c r e s e a r c h .

2 . N e x t - g e n e r a t i o n d a t a b a s e a p p l i -ca t ions wi l l have l i t t l e in com-m o n w i t h t o d a y ' s b u s i n e ss d a t ap r o c e s s i n g d a t a b a s e s . T h e y w i l li n v o l v e m u c h m o r e d a t a , r e q u i r en e w c a p a b i l i t i e s i n c l u d i n g t y p ee x t e n s i o n s , m u l t i m e d i a s u p p o r t ,c o m p l e x o b j e c t s , r u l e p r o c e s s -i n g , a n d a r c h i v a l s t o r a g e , a n dw i ll n e c e s s i t a t e r e t h i n k i n g t h ea l g o r i t h m s f o r a l m o s t a l l D B M So p e r a t i o n s .

3 . T h e c o o p e r a t i o n a m o n g d i f f e r -e n t o r g a n i z a t i o n s o n c o m m o ns c ie n ti fi c , e n g i n e e r i n g , a n d c o m -m e r c i a l p r o b l e m s w i l l r e q u i r el a r g e - s c a l e , h e t e r o g e n e o u s , d i s -t r i b u t e d d a t a b a s e s . V e r y d i f f i c u l tp r o b l e m s l i e a h e a d i n t h e a r e a so f i n c o n s i s t e n t d a t a b a s e s , s e c u -r i t y , a n d m a s s i v e s c a l e - u p o f d i s -t r i b u t e d D B M S t e c h n o l o g y .T h i s a r t i c l e p r o v i d e s f u r t h e r i n -

f o r m a t i o n a b o u t t h e s e t o p i c s , a sw e ll a s a b r i e f d e s c r i p t i o n o f s o m eo f t h e i m p o r t a n t a c h i e v em e n t s o ft h e d a t a b a s e r e s e a r c h c o m m u n i t y .Background and ScopeT h e d a t a b a s e r e s e a r c h c o m m u n i t y

h a s b e e n i n e x i s t e n c e s i n c e t h e l a t e1 9 6 0 s . S t a r t i n g w i t h m o d e s t r e p r e -s e n t a t i o n , m o s t l y i n i n d u s t r i a l r e -s e a r c h l a b o r a t o r ie s , i t h a s e x p a n d e dd r a m a t i c a l l y o v e r t h e l a s t t w o d e c -a d e s t o i n c l u d e s u b s t a n t i a l e f f o r t s a tm a j o r u n iv e r s it i e s, g o v e r n m e n t l a b -o r a t o r i e s a n d r e s e a r c h c o n s o r t i a .I n i t i a l l y , d a t a b a s e r e s e a r c h c e n -t e r e d o n t h e m a n a g e m e n t o f d a ta i nb u s i n e s s a p p l i c a t i o n s s u c h a s a u t o -m a t e d b a n k i n g , r e c o r d k e e p i n g ,a n d r e s e r v a t i o n s y s t e m s . T h e s ea p p l i c a t i o n s h a v e f o u r r e q u i r e -m e n t s t h a t c h a r a c t e r i z e d a t a b a s es y s t e m s : E f f i c i e n c y i n t h e a c c e s s t o a n d

m o d i f i c a t i o n o f v e r y l a r g ea m o u n t s o f d a ta ;

R e s i l i e n c e , o r t h e a b i l i ty o f t h ed a t a t o s u r v i v e h a r d w a r e c r a s h e sa n d s o f t w a r e e r r o r s , w i t h o u t s u s -t a i n i n g l o s s o r b e c o m i n g i n c o n -s i s ten t ; A c c e s s c o n t r o l , i n c l u d i n g s i m u l t a -n e o u s a c c es s o f d a t a b y m u l t i p leu s e r s i n a c o n s i s t e n t m a n n e r a n da s s u r i n g o n l y a u t h o r i z e d a c c es s toi n f o r m a t i o n ; a n d

P e r s i s t e n c e , t h e m a i n t e n a n c e o fd a t a o v e r l o n g p e r i o d s o f ti m e ,i n d e p e n d e n t o f a ny p r o g r a m st h a t a c c e s s t h e d a t a .

D a t a b a s e s y s t e m s r e s e a r c h h a s c e n -t e r e d a r o u n d m e t h o d s f o r d e s ig n -i n g s y s t e m s w i t h t h e s e c h a r a c t e r i s -t i c s , a n d a r o u n d t h e l a n g u a g e s a n dc o n c e p t u a l t o o ls t h a t h e l p u s e r s t oa c c es s , m a n i p u l a t e , a n d d e s i g nd a t a b a s e s .

C O M M U N I C A T I O N S O F T H E ACM /October 1991/Vo1.34,No.10 111


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D a t a b a s e m a n a g e m e n t s y s t e m s( D B M S s ) a r e n o w u s e d i n a l m o s te v e r y c o m p u t i n g e n v i r o n m e n t t oo r g a n i z e , , c r e a t e a n d m a i n t a i n i m -p o r t a n t c o l l e c ti o n s o f i n f o r m a t i o n .T h e t e c h n o l o g y th a t m a k e s t h e ses y s t e m s p o s s i b l e i s t h e d i r e c t r e s u l to f a s u c c e ss f u l p r o g r a m o f d a t a b a s er e s e a r c h . T h i s a r t i c l e w i l l h i g h l i g h ts o m e i m p o r t a n t a c h i e v e m e n t s o ft h e d a t a b a s e r e s e a r c h c o m m u n i t yo v e r t h e p a s t t w o d e c a d e s , i n c l u d -i n g t h e s c o p e a n d s i g n i f i c a n c e o ft h e t e c h n o l o g i c a l t r a n s f e r o f d a ta -b a s e r e s e a r c h r e s u l t s t o i n d u s t r y .W e f o c u s o n t h e m a j o r a c c o m p l i s h -m e n t s o f r e l a t i o n a l d a t a b a s e s ,t r a n s a c t i o n m a n a g e m e n t , a n d d i s -t r i b u t e d d a t a b a s e s .

T o d a y , w e s t a n d a t t h e t h r e s h o l do f a p p l y i n g d a t a b a s e t e c h n o l o g y i na v a ri e t y o f n e w a n d i m p o r t a n t d i -r e c t i o n s , i n c l u d i n g s c i e n t i f i c d a t a -b a s e s , d e s i g n d a t a b a s e s , a n d u n i -v e r s al a c c e ss t o i n f o r m a t i o n . L a t e ri n t h i s a r t i c l e w e p i n p o i n t t w o k e ya r e a s i n w h i c h r e s e a r c h w i ll m a k e as i g n i f i c a n t i m p a c t i n t h e n e x t f e wy e a r s : n e x t - g e n e r a t i o n d a t a b a s ea p p l i c a t i o n s a n d h e t e r o g e n e o u s ,d i s t r i b u t e d d a t a b a s e s .A c c o m p l l l s h m e n t s O f t h e L a s tT W O D e c a d e sF r o m a m o n g t h e v a r io u s d i re c t io n st h a t t h e d a t a b a s e r e s e a r c h c o m m u -n i t y h a s e x p l o r e d , t h e f o l l o w i n gt h r e e h a v e p e r h a p s h a d t h e m o s ti m p a c t : r e l a t i o n a l d a t a b a s e s y s t e m s ,t r a n s a c t i o n m a n a g e m e n t , a n d d i s -t r i b u t e d d a t a b a s e s y s t e m s .

E a c h h a s f u n d a m e n t a l l y a f f e c t e du s e r s o f d a t a b a s e s y s te m s , o f f e r i n ge i t h e r r a d i c a l s i m p l i f i c a t i o n s i nd e a l i n g w i t h d a t a , o r g r e a t e n -h a n c e m e n t o f t h e i r c a pa b i li t y tom a n a g e i n f o r m a t i o n .Relational DatabasesI n 1 9 7 0 t h e r e w e r e t w o p o p u l a ra p p r o a c h e s u s e d t o c o n s t r u c t d a t a -b a s e m a n a g e m e n t s y s t e m s . T h ef i rs t a p p r o a c h , e x e m p l i f i e d b yI B M ' s In f o r m a t i o n M a n a g e m e n tS y s t e m ( I M S ) , h a s a d a t a m o d e l( m a t h e m a t i c a l a b s t r a c t i o n o f d a t aa n d o p e r a t i o n s o n d a t a ) t h a t r e -

q u i r e s a l l d a t a r e c o r d s t o b e a s s e m -b l e d i n t o a c o l l e c t i o n o f t r e es . C o n -s e q u e n t l y , s o m e r e c o r d s a r e rootr e c o r d s a n d a ll o t h e r s h a v e u n i q u ep a r e n t r e c o r d s . T h e q u e r y l a n -g u a g e p e r m i t t e d a n a p p l i c a t i o np r o g r a m m e r t o n a v i g a t e f r o m r o o tr e c o r d s t o t h e r e c o r d s o f i n te r e st ,a c c e s s i n g o n e r e c o r d a t a t i m e .

T h e s e c o n d a p p r o a c h w a s t y p i -f i ed b y th e s t a n d a r d s o f t h e C o n f e r -e n c e o n D a t a S y s t e m s L a n g u a g e s( C O D A S Y L ) . T h e y s u g g e s t e d t h a tt h e c o l le c t io n o f D B M S r e c o r d s b ea r r a n g e d i n t o a d i r e c t e d g r a p h .A g a i n , a n a v i g a t i o n a l q u e r y l a n -g u a g e w a s d e f i n e d , b y w h i c h a na p p l i c a t i o n p r o g r a m c o u l d m o v ef r o m a s p e c i f i c e n t r y p o i n t r e c o r dt o d e s i r e d i n f o r m a t i o n .Bo t h t h e t r e e - b a s e d ( c a l l e d h i e r -a r c h i c a l ) a n d g r a p h - b a s e d ( n e t -w o r k ) a p p r o a c h e s t o d a t a m a n a g e -m e n t h a v e s e v e r a l f u n d a m e n t a ld i s a d v a n t a g e s . C o n s i d e r t h e f o l l ow -i n g e x a m p l e s :1 . T o a n s w e r a s p e c i f i c d a t a b a s er e q u e s t , a n a p p l i c a t i o n p r o -

g r a m m e r , s k i l l e d i n p e r f o r m i n gd i s k - o r i e n t e d o p t i m i z a t i o n , m u s tw r it e a c o m p l e x p r o g r a m t o n av -i g a t e t h r o u g h t h e d a t a b a s e . F o re x a m p l e , t h e c o m p a n y p r e s i d e n tc a n n o t , a t s h o r t n o t i c e , r e c e i v e ar e s p o n s e t o t h e q u e r y " H o wm a n y e m p l o y e e s i n t h e W i d g e td e p a r t m e n t w i ll r e t i re i n t h en e x t t h r e e y e a r s ? " u n l e s s a p r o -g r a m e x is ts t o c o u n t d e p a r t m e n -ta l r e t i r ees .2 . W h e n t h e s t r u c t u r e o f t h e d a t a -b a s e c h a n g e s , a s i t w i l l w h e n e v e rn e w k i n d s o f i n f o r m a t i o n a r ea d d e d , a p p l i c a t i o n p r o g r a m su s u a l l y n e e d t o b e r e w r i t t e n .

A s a r e s u l t , t h e d a t a b a s e s y s t e m s o f1 9 7 0 w e r e c o s t l y to u s e b e c a u s e o ft h e l o w - l e v e l i n t e r f a c e b e t w e e n t h ea p p l i c a t i o n p r o g r a m a n d t h eD B M S , a n d b e c a u s e t h e d y n a m i cn a t u r e o f u se r d a t a m a n d a t e s c o n -t i n u e d p r o g r a m m a i n t e n a n c e .

T h e r e l a t i o n a l d a t a m o d e l , p i o -n e e r e d b y E . F. C o d d i n a se r ie s o fp a p e r s i n 1 9 7 0 - 7 2 , o f f e r e d a f u n -d a m e n t a l l y d i f f e r e n t a p p r o a c h t o

d a t a s t o r a g e . C o d d s u g g e s t e d t h a tc o n c e p t u a l l y a l l d a t a b e r e p r e -s e n t e d b y s i m p l e t a b u l a r d a t a s t r u c -t u r e s ( r e l a t i o n s ) , a n d t h a t u s e r s a c -c e s s d a t a t h r o u g h a h i g h - l e v e l ,n o n p r o c e d u r a l ( o r de c l a ra t i ve )q u e r y l a n g u a g e . I n s t e a d o f w r i t i n ga n a l g o r i t h m t o o b t a i n d e s i r e d r e c -o r d s o n e a t a t i m e , t h e a p p l i c a t i o np r o g r a m m e r i s o n l y r e q u i r e d t os p e c i f y a p r e d i c a t e t h a t i d e n t i f i e st h e d e s i r e d r e c o r d s o r c o m b i n a t i o no f re c o r d s . A q u e r y o p t i m i z e r i n th eD B M S t r a n s la t e s t h e p r e d i c a t es p e c i f i c a t i o n i n t o a n a l g o r i t h m t op e r f o r m d a t a b a s e a c c e s s t o s o l v et h e q u e r y . T h e s e n o n p r o c e d u r a ll a n g u a g e s a r e d r a m a t i c a l l y e a s i e r t ou s e t h a n t h e n a v i g a t i o n l a n g u a g e so f IM S a n d C O D A S Y L ; t h e y l e adt o h i g h e r p r o g r a m m e r p r o d u c t iv i t ya n d f a c i l i t a t e d i r e c t d a t a b a s e a c c e s sb y e n d u s e r s.D u r i n g t h e 1 9 7 0 s t h e d a t a b a s er e s e a r c h c o m m u n i t y e x te n s i v e lyi n v e s t i g a t e d t h e r e l a t i o n a l D B M Sc o n c e p t . T h e y : I n v e n t e d h i g h - le v e l r e l a t io n a l

q u e r y l a n g u a g e s t o ea s e t h e u s eo f t h e D B M S b y b o th e n d u s e rsa n d a p p l i c a t i o n p r o g r a m m e r s .T h e t h e o r y o f h i g h e r- l ev e l q u e r yl a n g u a g e s h a s b e e n d e v e l o p e d t op r o v i d e a f i r m b a s i s f o r u n d e r -s t a n d i n g a n d e v a l u a t i n g t h e e x -p r e s s iv e p o w e r o f d a t a b a s e l a n -g u a g e c o n s t r u c t s . D e v e l o p e d t h e t h e o r y a n d a l g o -r i t h m s n e c e s s a r y t o optimize q u e -r i e s - t h a t i s, t o t r a n s l a te q u e r i e si n t h e h i g h - l e v e l r e l a t i o n a l q u e r yl a n g u a g e s i n t o p l a n s t h a t a r e a se f f i c i e n t a s w h a t a s k i l l e d p r o -g r a m m e r w o u l d h a v e w r i t t e nu s i n g o n e o f t h e e a r l ie r D B M S sf o r a c c e s s i n g t h e d a t a . T h i s t e c h -n o l o g y p r o b a b l y re p r e s e n t s t h em o s t s u c c e s s f u l e x p e r i m e n t i no p t i m i z a t i o n o f v e r y h i g h - l e v e ll a n g u a g e s a m o n g a l l v a r i e t i e s o fc o m p u t e r s y s t e m s . F o r m u l a t e d a t h e o r y o f n o rm al i z a-t ion t o h e l p w i t h d a t a b a s e d e s i g nb y e l im i n a t in g r e d u n d a n c y a n dc e r t a i n l o g i c al a n o m a l i e s f r o mt h e d a t a .

112 October 1991/Vo1.34,NO.10/COMMUNIGATIONSOFTHEAC M


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P H I H H ) t ) Y ) I t I I I , i Constructed algorithms to allo-

cate tuples of relations to pa ges(blocks of records) in files on sec-ondary storage, to minimize theaverage cost of accessing thosetuples.

Constructed buffer managemen talgorithms to exploit knowledgeof access patterns for movingpages back and forth betweendisk and a main memory bufferpool.

Constructed indexing techniquesto provide fast associative accessto random single records and/orsets of recor ds specified by valuesor value ranges for one or moreattributes.

Impl emen ted prototype rela-tional DBMSs that formed thenucleus for many of the presentcommercial relational DBMSs.

As a result of this research in the1970s, nume rou s commercial prod-ucts based on the relational conceptappeared in the 1980s. Not onlywere the ideas identified by the re-search community picked up andused by the vendors, but also, sev-eral of the commercial develop-ments were led by implementors ofthe earlier research prototypes.Today, commercial relational data-base systems are available on virtu-ally any hardware platform frompersonal computer to mainframe,and are standard software on allnew computers in the 1990s.

There is a moral to be learnedfrom the success of relational data-base systems. When the relationaldata model was first proposed, itwas regarded as an elegant theoret-ical construct but implementableonly as a toy. It was only with con-siderable research, much of it fo-cused on basic principles of rela-tional databases, that large-scaleimplementations were made possi-ble. The next generation of data-bases calls for continued researchinto the foundations of databasesystems, in the expectation thatother such useful "toys" willemerge.

Transact ion ManagementDuring the last two decades, data-base researchers have also pio-neered the transaction concept. Atransaction is a sequence of opera-tions that must appear "atomic"when executed. For example, whena bank customer moves $100 fromaccount A to account B, the data-base system must ensure that eitherboth of the op erat ions--Debit Aand Credit B--happen or that nei-ther happens (and the customer isinformed). If only the first occurs,then the customer has lost $100,and an inconsis tent database stateresults.

To guarantee that a transactiontransforms the database from oneconsistent state to anot her requiresthat:1. The concu rren t execution of

transactions must be such thateach transaction appears to exe-cute in isolation. Concurrency con-trol is the technique used to pro-vide this assurance.

2. System failures, either of hard-ware or software, must not resultin inconsi stent database states. Atransaction must execute in itsentirety or not at all. Recovery isthe technique used to providethis assurance.Concurrent transactions in the

system must be synchronized cor-rectly in order to guarantee thatconsistency is preserved. For in-stance, while we are moving $100from A to B, a simultaneous move-ment of $300 from account B toaccount C should result in a netdeduction of $200 from B. Theview of correct syn chroni zation oftransactions is that they must beserializable; that is, the effect on thedatabase of any num ber of transac-tions executing in parallel must bethe same as if they were executedone after another, in some order.

During the 1970s and early1980s the DBMS research commu-nity worked extensively on thetransaction model. First, the theoryof serializability was worked outin detail, and precise defi nitions of

the correctness of schedulers(algorithms for deciding whentransactions could execute) wereproduced. Second, numerous con-currency control algorithms wereinvented that ensure serializability.These included algorithms basedon Locking data items to prohibit

conflicting accesses. Especiallyimportant is a technique calledtwo-phase lock ing, which guaran-tees serializability by re quir ing atransa ction to obtai n all the locksit will ever need before releasingany locks.

Tim est amp ing accesses so thesystem could prevent violationsof serializability.

Keepi ng multiple versions O dataobjects available.The various algorithms were sub-jected to rigorous experimentalstudies and theoretical analysis todetermine the conditions underwhich each was preferred.

Recovery is the other essentialcomponent of transaction manage-ment. We must guarantee that allthe effects of a transaction are in-stalled in the database, or that noneof them are, and this guaranteemust be kept even when a systemcrash loses the contents of mainmemory. During the late 1970s andearly 1980s, two major approachesto this service were investigated,namely:Wri te-ahead logging. A summary ofthe effects of a trans action is storedin a sequential file, called a log, be-fore the c hanges are installe d in thedatabase itself. The log is on disk ortape where it can survive systemcrashes and power failures. When atransaction completes, the loggedchanges are then posted to thedatabase. If a transaction fails tocomplete, the log is used to restorethe prior database state.Shadowf i l e t echniques . New copies ofentire data items, usually diskpages, are created to reflect the ef-fects of a transaction and are writ-

C O M M U N I C A T I O N S O F T H E ACM/October 1991/Vol,34, No.10 113


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t e n t o t h e d i s k i n e n t i r e l y n e w l o c a -t i o n s. A s i n g l e a t o m i c a c t i o n r e m a p st h e d a t a p a g e s , s o a s t o s u b s t i t u t et h e n e w v e r s i o n s f o r t h e o l d w h e nt h e t r a n s a c t i o n c o m p l e t e s . I f at r a n s a c t i o n f a i l s , t h e n e w v e r s i o n sa r e d i s c a r d e d .R e c o v e r y t e c h n i q u e s h a v e b e e n e x -t e n d e d t o c o p e w i t h t h e f a i lu r e o ft h e s t a b l e m e d i u m a s w e l l . Ab a c k u p c o p y o f th e d a t a i s s t o r e d o na n e n t i r e l y s e p a r a t e d e v i c e . T h e n ,w i t h l o g g i n g , t h e l o g c a n b e u s e d t or o ll f o r w a r d t h e b a c k u p c o p y t o th ec u r r e n t s t a t e .Dist r ibuted D atabasesA t h i r d a r e a i n w h i c h t h e D B M Sr e s e a r c h c o m m u n i t y p l a y e d a v i t a lr o l e i s d i s t r i b u t e d d a t a b a s e s . I n t h el a t e 1 9 7 0 s t h e r e w a s a r e a l i z a t i o nt h a t o r g a n i z a t i o n s a r e f u n d a m e n -t a ll y d e c e n t r a l i z e d a n d r e q u i r ed a t a b a s e s a t m u l t i p l e s i t e s . F o r e x -a m p l e , i n f o r m a t i o n a b o u t t h e C a l i -f o r n i a c u s to m e r s o f a c o m p a n ym i g h t b e s t o r e d o n a m a c h i n e i nLo s A n g e l Le s , w h i l e d a t a a b o u t t h eN e w E n g l a n d c u s t o m e r s c o u l d e xi sto n a m a c h i n e i n B o s t o n . S u c h d a t ad i s t r i b u ti o n m o v e s t h e d a t a c l o s e rt o t h e p e o p l e w h o a r e r e s p o n s i b l ef o r i t a n d r e d u c e s r e m o t e c o m m u -n i c a t i o n c o s t s .

F u r t h e r m o r e , t h e d e c e n tr a l iz e ds y s t e m i s m o r e l i k e ly t o b e a v a i l a b l ew h e n c r a s h e s o c c u r . I f a s in g l e, c e n -t r a l s i t e g o e s d o w n , a l l d a t a i s u n -a v a i l ab l e . H o w e v e r , i f o n e o f s e v -e r a l r e g i o n a l s i t e s g o e s d o w n , o n l yp a r t o f t h e t o t a l d a t a b a s e i s i n a c c e s -s ib le . M o r e o v e r , i f t h e c o m p a n yc h o o s e s t o p a y t h e c o s t o f m u l t i p l ec o p i e s o f i m p o r t a n t d a t a , t h e n as i n g l e s i t e f a i l u r e n e e d n o t c a u s eda ta inaccess ib i l i ty .

I n a m u l t id a t a b as e e n v i r o n m e n tw e s t r i v e t o p r o v i d e l o c a t i o n t r a n s -par enc y . " ][ 'ha t i s, a l l da ta sho u lda p p e a r t o t h e u s e r a s i f t h e y a r e l o -c a t e d a t h ii s o r h e r p a r t i c u l a r s i te .M o r e o v e r , t h e u s e r s h o u l d b e a b l et o e x e c u t e n o r m a l t r a n s a c t i o n sa g a i n s t s u c h d a t a . P r o v i d i n g l o c a -t i o n t r a n s p a r e n c y r e q u i r e d t h eD B M S r e s e a r c h c o m m u n i t y t o i n -

v e s t i g a t e n e w a l g o r i t h m s f o r d i s -t r i b u t e d q u e r y o p t i m i z a t i o n , c o n -c u r r e n c y c o n t r o l , c r a s h r e c o v e r y ,a n d s u p p o r t o f m u l t i p le c o p i e s o fd a t a o b j e c t s f o r h i g h e r p e r f o r -m a n c e a n d a v a i l a b i l i t y .I n t h e e a r l y 1 9 8 0 s t h e r e s e a r c hc o m m u n i t y r o s e t o t h i s c h a l l e n g e .D i s t r i b u t e d c o n c u r r e n c y c o n t r o la l g o r i t h m s w e r e d e s i g n e d , i m p l e -m e n t e d a n d t e s t e d . A g a i n , s i m u l a -t i o n s t u d i e s a n d a n a l y s i s c o m p a r e dt h e c a n d i d a t e s t o s e e w h i c h a l g o -r i th m s w e r e d o m i n a n t . T h e f u n d a -m e n t a l n o t i o n o f a t w o - p h a s e c o m -m i t t o e n s u r e t h e p o s s i b i l i ty o f c r a s hr e c o v e r y i n a d i s t ri b u t e d d a t a b a s ew a s d i s c o v e r e d . A l g o r i t h m s w e r ed e s i g n e d t o r e c o v e r f r o m p r o c e s s o ra n d c o m m u n i c a t i o n f a i l u r e s , a n dd a t a p a t c h s c h e m e s w e r e p u t f o r -w a r d t o r e j o in d i s t r i b u t e d d a t a b a s e st h a t h a d b e e n f o r c e d t o o p e r a t ei n d e p e n d e n t l y a f t e r a n e t w o r k f a i l -u r e . T e c h n o l o g y f o r o p t i m i z i n g d i s-t r i b u t e d q u e r i e s w a s d e v e l o p e d ,a l o n g w i t h n e w a l g o r i t h m s t o p e r -f o r m t h e b a si c o p e r a t i o n s o n d a t a i na d is t r i b u t e d e n v i r o n m e n t . F i n al l y,v a r i o u s a l g o r i t h m s f o r t h e u p d a t eo f m u l t i p l e c o p i e s o f a d a t a i t e mw e r e i n v e n te d . T h e s e e n s u r e t h a ta l l c o p i e s o f e a c h i t e m a r e c o n s i s -t e n t .A l l t h e m a j o r D B M S v e n d o r s a r ep r e s e n t l y c o m m e r c i a l i z i n g d i s t r i b -u t e d D B M S t e c h n o lo g y . A g a i n w es e e t h e s a m e p a t t e r n d i s c u s s e d e a r -l i e r f o r r e l a t i o n a l d a t a b a s e s a n dt r a n s a c ti o n s , n a m e l y a g g r e s s i v e r e -s e a r ch s u p p o r t b y g o v e r n m e n t a n di n d u s t r y , f o l l o w e d b y r a p i d t e c h -n o l o g y t r a n s f e r f r o m r e s e a r c h l a b st o c o m m e r c i a l p r o d u c t s .T h e N e x t C h a l l en g e sS o m e m i g h t a r g u e t h a t d a t a b a s es y s t e m s a r e a m a t u r e t e c h n o l o g ya n d i t i s t h e r e f o r e t i m e t o r e f o c u sr e s e a r c h o n t o o t h e r t o p i c s . C e r -t a i n l y r e l a t i o n a l D B M S s , b o t h c e n -t r a l i z e d a n d d i s t r i b u t e d , a r e w e l ls t u d i e d , a n d c o m m e r c i a l i z a t i o n i sw e l l a l o n g . O b j e c t m a n a g e m e n ti d e as , f o l l o w i n g th e p h i l o s o p h y o fo b j e c t- o r ie n t e d p r o g r a m m i n g , h a v eb e e n e x t e n s i v e l y i n v e s t i g a t e d o v e r

t h e l a s t f e w y e a r s a n d s h o u l d a l l o wm o r e g e n e r a l k i n d s o f d a t a e le -m e n t s t o b e p l a c e d i n d a t a b a s e st h a n t h e n u m b e r s a n d c h a r a c t e rs t r in g s s u p p o r t e d i n t r a d i ti o n a l s y s -t e m s . T h e r e l en t le s s p a c e o f a d -v a n c es i n h a r d w a r e t e c h n o l o g ym a k e s C P U s , m e m o r y a n d d i s ksd r a s t i c a l l y c h e a p e r e a c h y e a r . C u r -r e n t d a t a b a s e s w i l l t h e r e f o r e b e -c o m e p r o g r e s s i v e l y c h e a p e r t o d e -p l o y a s t h e 1 9 9 0 s u n f o l d . P e r h a p st h e D B M S a r e a s h o u l d b e d e c l a r e ds o l ve d , a n d e n e r g y a n d r e s e a r c he f f o r t s a l l o c a t e d e l s e w h e r e .

W e a r g u e s t r o n g l y h e r e t h a t s u c ha t u r n o f e v e n t s w o u l d b e a s e r i o u sm i s t a k e . R a t h e r , w e c l a i m t h a t s o l u -t i o n s t o t h e i m p o r t a n t d a t a b a s ep r o b l e m s o f t h e y e a r 2 0 0 0 a n d b e -y o n d a r e n o t k n o w n . M o r e o v e r ,h a r d w a r e a d v a n c e s o f t h e n e x t d e -c a d e w i ll n o t m a k e b r u t e f o r c e s o l u-t i o n s e c o n o m i c a l , b e c a u s e t h e s c a l eo f t h e p r o s p e c t i v e a p p l i c a t io n s iss i m p l y t o o g r e a t .

I n t h i s s e c t i o n w e h i g h l i g h t t w ok e y a r e a s i n w h i c h w e f e e l i m p o r -t a n t r e s e a r c h c o n t r i b u t i o n s a r e r e -q u i r e d i n o r d e r t o m a k e f u t u r eD B M S a p p l i c a t i o n s v i a b l e : N e x t -g e n e r a t i o n d a t a b a s e a p p l i c a t i o n sa n d h e t e r o g e n e o u s , d i s t r i b u t e dd a t a b a s e s .I n a d d i t i o n t o b e i n g i m p o r t a n ti n t e l l e c t u a l c h a l l e n g e s i n t h e i r o w nr i g h t , t h e i r s o l u ti o n s o f f e r p r o d u c t sa n d t e c h n o l o g y o f g r e a t s o ci a l a n de c o n o m i c i m p o r t a n c e , i n c l u d in gi m p r o v e d d e l i v e r y o f m e d i c a l c a r e ,a d v a n c e d d e s i g n a n d m a n u f a c t u r -i n g s y s t em s , e n h a n c e d t o o ls f o r s c i-e n t i s t s , g r e a t e r p e r c a p i t a p r o d u c -t iv i ty t h r o u g h i n c r e a s e d p e r s o n a la c c es s t o i n f o r m a t i o n , a n d n e w m i l -i t a r y a p p l i c a t i o n s .The Research Agenda fo rNext -Generat ion DBMSApplicat ionsT o m o t i v a t e t h e d i s c u s s i o n o f r e-s e a r c h p r o b l e m s t h a t f o l l o w s , i n t h i ss e c t io n w e p r e s e n t s e v e ra l e x a m p l e so f t h e k i n d s o f d a t a b a s e a p p l i c a -t i o n s t h a t w e e x p e c t w i l l b e b u i l td u r i n g t h e n e x t d e c a d e .1 . F o r m a n y y e a r s , N A S A s c i en t is ts

114 O c t o b e r 1 9 9 1 / V o ] . 3 4 , N o . ]O/COMMUNIC, TIONS OF THE A C M


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) H I H H ) L ) Y ) I t I I Ih a v e b e e n c o l l e c t in g v a s ta m o u n t s o f in f o r m a t i o n f r o ms p a c e . T h e y e s t i m a t e t h a t t h e yr e q u i r e s t o r a g e f o r 1 01 6 b y t e s o fd a t a ( a b o u t 1 0 ,0 0 0 o p t i c a l d i s kj u k e b o x e s ) j u s t t o m a i n t a i n a f ewy e a r s ' w o r t h o f s a t e l li t e i m a g ed a t a t h e y w i l l c o l l e c t i n t h e1 9 9 0 s . M o r e o v e r , t h e y a r e v e r yr e l u c t a n t t o t h r o w a n y t h i n ga w a y , l e s t i t b e e x a c t l y t h e d a t as e t n e e d e d b y a f u t u r e s c i e n t is tt o t e s t s o m e h y p o t h e s i s . I t i s u n -c l e a r h o w t h i s d a t a b a s e c a n b es t o r e d a n d s e a r c h e d f o r r e l e v a n ti m a g e s u s i n g c u r r e n t o r s o o n - t o -b e a v a i l a b le t e c h n o l o g y .

2 . D a t a b a s e s s e r v e a s t h e b a c k b o n eo f c o m p u t e r - a i d e d d e s i g n s ys -t e m s . F o r e x a m p l e , c i v il e n g i -n e e r s e n v i s i o n a f a c i l i t i e s - e n g i -n e e r i n g d e s i g n s y s t e m t h a tm a n a g e s a ll i n f o r m a t i o n a b o u t ap r o j e c t , s u c h a s a s k y s c r a p e r .T h i s d a t a b a s e m u s t m a i n t a i na n d i n t e g r a t e i n f o r m a t i o n a b o u tt h e p r o j e c t f r o m t h e v i e w p o i n t so f h u n d r e d s o f s u b c o nt r a c to r s .F o r e x a m p l e , w h e n a n e l e c tr i -c i a n p u t s a h o l e i n a b e a m t o l e t aw i r e t h r o u g h , t h e l o a d - b e a r i n gs o u n d n e s s o f t h e s t r u c t u r e c o u l db e c o m p r o m i s e d . T h e d e s i g ns y s t e m s h o u l d , i d e a l l y , r e c a l c u -l a t e t h e s t r e s s e s , o r a t t h e l e a s t ,w a r n t h e c o g n i z a n t e n g i n e e rt h a t a p r o b l e m m a y e x i s t .

3 . T h e N a t i o n a l I n s t i t u t e s o fH e a l t h ( N I H ) a n d t h e U . S . D e -p a r t m e n t o f E n e r g y ( D O E ) h a v ee m b a r k e d o n a j o i n t n a t i o n a l i n i -t i a ti v e t o c o n s t r u c t t h e D N A s e -q u e n c e c o r r e s p o n d i n g t o t h eh u m a n g e n o m e . T h e g e n e se -q u e n c e i s s e v e r a l b i l l i o n e le -m e n t s l o n g , a n d i t s m a n y s u b s e -q u e n c e s d e f i n e c o m p l e x a n dv a r i a b l e o b j ec t s . T h e m a t c h i n go f i n d i v i d u a l s ' m e d i c a l p r o b l e m st o d i f f e r e n c e s in g e n e t i c m a k e u pi s a s t a g g e r i n g p r o b l e m a n d w i llr e q u i r e n e w t e c h n o l o g i e s o f d a t ar e p r e s e n t a t i o n a n d s e a rc h .

4 . S e v e r a l l a r g e d e p a r t m e n t s t o r e sa l r e a d y r e c o r d e v e r y p r o d u c t -c o d e - s c a n n i n g a c t i o n o f e v e r yc a s h i e r i n e v e r y s t o r e i n t h e i r

5 .

c h a i n . B u y e r s r u n a d - h o c q u e -r i e s o n t h i s h i s t o r i c a l d a t a b a s e i na n a t t e m p t t o d i sc o v e r b u y i n gp a t t e r n s a n d m a k e s t o c ki n g d e -c i s i o n s. T h i s a p p l i c a t i o n t a x e st h e c a p a c i t y o f a v a i l a b l e d i s k s y s -t e m s . M o r e o v e r , a s t h e c o s t o fd i s k s p a c e d e c l i n e s , t h e r e t a i lc h a i n w i l l k e e p a l a r g e r a n dl a r g e r h i s t o r y t o t r a c k b u y i n gh a b i t s m o r e a c c u r a t e l y . T h i sp r o c e s s o f " m i n i n g " d a t a f o rh i d d e n p a t t e r n s i s n o t l i m i t e d toc o m m e r c i a l a p p l i c a t i o n s . W ef o r e s e e s i m i l a r a p p l i c a t io n s ,o f t e n w i t h e v e n l a r g e r d a t a b a s e s ,i n s c i e n c e , m e d i c i n e , i n t e l l i g e n c eg a t h e r i n g , a n d m a n y o t h e ra r e a s .M o s t i n s u r a n c e f i r m s h a v e a s u b-s t a n t i a l o n - l i n e d a t a b a s e t h a tr e c o r d s t h e p o l i c y c o v e r a g e o ft h e f i r m ' s c u s t o m e r s . T h e s ed a t a b a s e s w i l l s o o n b e e n h a n c e dw i t h multimedia d a t a s u c h a s p h o -t o g r a p h s o f p r o p e r t y d a m a g e d ,d i g it i z ed i m a g e s o f h a n d w r i t t e nc l a i m f o r m s , a u d i o t r a n s c r i p t s o fa p p r a i s e r s ' e v a l u a t i o n s , i m a g e so f s p e c i a l l y i n s u r e d o b j e ct s , a n ds o o n . S i n c e i m a g e d a t a i s e x -c e e d i n g l y l a r g e , s u c h d a t a b a s e sw i ll b e c o m e e n o r m o u s . M o r e -o v e r , f u t u r e s y s t e m s m a y w e l ls t o r e v i d e o w a l k - t h r o u g h s o fh o u s e s i n c o n j u n c t i o n w i t h ah o m e o w n e r s p o li cy , f u r t h e r e n -l a r g i n g t h e s i z e o f t h i s c l a s s o fd a t a b a s e s . A g a i n , a p p l i c a t i o n s o ft h is t y p e a r e n o t l i m i t e d t o c o m -m e r c i a l e n t e r p r i s e s .T h e s e a p p l i c a t i o n s n o t o n l y i n -

t r o d u c e p r o b l e m s o f s i z e , t h e y a l s oi n t r o d u c e p r o b l e m s w i t h re s p e c t toa l l c o n v e n t i o n a l a s p e c t s o f D B M St e c h n o l o g y ( e . g . , t h e y p o s e f u n d a -m e n t a l l y n e w r e q u i r e m e n t s f o ra c c e s s p a t t e r n s , t r a n s a c t i o n s , c o n -c u r r e n c y c o n t r o l , a n d d a t a r e p r e -s e n t a t io n ) . T h e s e a p p l i c a t i o n s h a v ei n c o m m o n t h e p r o p e r t y t h a t t h e yw i l l p u s h t h e l i m i t s o f a v a i l a b l et e c h n o l o g y f o r t h e f o r e s e e a b l e f u -t u r e . A s c o m p u t i n g r e s o u r c e s b e -c o m e c h e a p e r , t h e s e p r o b l e m s a r ea l l l i k el y t o e x p a n d a t t h e s a m e o r a t

a f a s t e r r a t e . H e n c e , t h e y c a n n o t b eo v e r c o m e s i m p l y by w a i t i ng f o r t h et e c h n o l o g y t o b r i n g c o m p u t i n gc o s ts d o w n t o a n a c c e p t a b l e l ev e l .W e n o w t u r n t o t h e r e s e a r c hp r o b l e m s t h a t m u s t b e s o l v e d t om a k e s u c h n e x t - g e n e r a t i o n a p p l i ca -t i o n s w o r k . N e x t - g e n e r a t i o n a p p l i -c a t i o n s r e q u i r e n e w s e r v i c e s i n s e v -e r a l d i f f e r e n t a r e a s i n o r d e r t os u c c e e d .N e w K i n ds o f D a t aM a n y n e x t - g e n e r a t i o n a p p l i c a t i o n se n t a i l s t o r i n g l a r g e a n d i n t e r n a l l yc o m p l e x o b j e ct s . T h e i n s u r a n c ee x a m p l e , ( 5 ) r e q u i r e s s t o r a g e o fi m a g e s . S c i e n t if i c a n d d e s i g n d a t a -b a s e s o f t e n d e a l w i t h v e r y l a r g e a r -r a y s o r s e q u e n c e s o f d a t a e l e m e n t s .A d a t a b a s e f o r s o f t w a r e e n g i n e e r -i n g m i g h t s t o r e p r o g r a m s t a t e -m e n t s , a n d a c h e m i c a l d a t a b a s em i g h t s t o r e p r o t e i n s t r u c t u r e s . W en e e d s o l u t i o n s t o t w o c l a s se s o fp r o b l e m s : d a t a a c c e ss a n d d a t a t y p em a n a g e m e n t .

C u r r e n t d a t a b a s es a r e o p t i m i z e df o r d e l i v e r i n g s m a l l r e c o r d s t o a na p p l i c a ti o n p r o g r a m . W h e n f ie l d si n a r e c o r d b e c o m e v e r y l a r g e , t h i sp a r a d i g m b r e a k s d o w n . T h e D B M Ss h o u l d r e a d a l a r g e o b j e c t o n l y o n c ea n d p l a c e i t d i r e c t l y a t i ts f i n a l d e s t i -n a t i o n . P r o t o c o l s m u s t b e d e s i g n e dto chunk l a r g e o b j e c ts i n t o m a n a g e -a b l e s i z e p i e c e s f o r t h e a p p l i c a t i o nt o p r o c e s s . A n e w g e n e r a t i o n o fq u e r y l a n g u a g e s w i l l b e r e q u i r e d t os u p p o r t q u e r y i n g o f a r r a y a n d s e -q u e n c e d a t a a s w il l m e c h a n i s m s f o re a s il y m a n i p u l a t i n g d i s k a n d a r -c h i v e r e p r e s e n t a t i o n s o f s u c h o b -j e c t s . I n a d d i t i o n , e x t e n d e d s t o r a g es t r u c t u r e s a n d i n d e x i n g te c h n i q u e sw i ll b e n e e d e d t o s u p p o r t e f f i c i e n tp r o c e s s i n g o f s u c h d a t a .

A s e c o n d c l a s s o f p r o b l e m s c o n -c e r n s t y p e m a n a g e m e n t . T h e r em u s t b e a w a y f o r th e p r o g r a m m e rt o c o n s t r u c t t h e t y p e s a p p r o p r i a t ef o r h is o r h e r a p p l i c a t i o n . T h e n e e df o r m o r e f l e x ib l e t y p e s y s t e m s h a sb e e n o n e o f t h e m a j o r f o r c e s i n t h ed e v e l o p m e n t o f o b j e c t - o r i e n te dd a t a b a s e s . O n e o f t h e d r a w b a c k s o ft h e s y s t e m s d e v e l o p e d s o f a r i s t h a t

C O M M U N I C A T I O N S O F THEA C M / O c t o b e r 1 9 9 1 / V o l. 3 4 , N o. 1 0 ! ~


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M a n y o f t h e n e w a p p l i c a t i o n s w i l li n v o l v e p r i m i t i v e c o n c e p t s n o t

f o u n d i n m o s t c u r r e n t a p p l i c a t i o n s .t y p e - c h e c k i n g i s l a r g e l y d y n a m i c ,w h i c h l a y: s o p e n t h e p o s s i b il i t y t h a tp r o g r a m m i n g e r r o r s t e n d to sh o wu p a t r u n t i m e , n o t d u r i n g c o m p i l a -t i o n . I n o r d e r t o p r o v i d e t h e d a t a -b a s e a p p l i c a t i o n d e s i g n e r w i t h t h es a m e s a f e t y n e t s t h a t a r e p r o v i d e db y m o d e r n h i gh - le v e l p r o g r a m -m i n g l a n g u a g e s , w e m u s t d e t e r -m i n e h o w w e c a n c o m b i n e s t a t i ct y p e d i s c i p l i n e s w i t h p e r s i s t e n t d a t aa n d e v o l u t i o n o f t h e d a t a b a s e s t r u c -t u r e o v e r t i m e .Rule ProcessingN e x t - g e n e r a t i o n a p p l i c a t i o n s w i l lf r e q u e n t l y i n v o l v e a l a r g e n u m b e ro f r u l es , w h i c h t a k e declarative ( " i f Ai s t r u e , t h e n B i s t r u e " ) , a n d impera -tive ( " i f A i s t r u e , t h e n d o C " ) f o r m s .F o r e x a m p l e , a d e s i g n d a t a b a s es h o u l d n o t i f y t h e p r o p e r d e s i g n e r i fa m o d i f i c a t i o n b y a s e c o n d d e s i g n e rm a y h a v e a f f e c t e d t h e s u b s y s t e mt h a t i s t h e r e s p o n s i b i l i t y o f t h e f i r s td e s i g n e r . S u c h r u l e s m a y i n c l u d ee l a b o r a t e c o n s t r a i n t s t h a t t h e d e -s i g n e r w a n t s e n f o r c e d , t r i g g e r e da c t i o n s t h a t r e q u i r e p r o c e s s i n gw h e n s p e c i f i c e v e n t s t a k e p l a c e , a n dc o m p l e x d e d u c t i o n s t h a t s h o u l d b em a d e a u t o m a t i c a l l y w i t h i n t h e s y s -t e m . I t i s , c o m m o n t o c a l l s u c h s y s -t e m s k n o w l e d g e - b a s e s y s t e m s , a l -t h o u g h w e p r e f e r t o v i ew t h e m a s an a t u r a l , a l t h o u g h d i f f i c u l t , e x t e n -s i on o f D B M S t e c h n o lo g y .R u l e s h a v e r e c e i v e d c o n s i d e r a b l ea t t e n t i o n a s t h e m e c h a n i s m f o r t r ig -g e r i n g , d a t a m i n i n g ( as d i sc u s s e d i nt h e d e p a r t m e n t s t o r e e x a m p l e ) ,a n d o t h e r f o r m s o f r e a so n i n g a b o u td a t a . D e c l a r a t i v e r u l e s a r e a d v a n t a -g e o u s b e c a u s e t h e y p r o v i d e a l o g i -c a l d e c l a r a t i o n o f w h a t t h e u s e rw a n t s r a t h e r t h a n a d e t a i l e d s p e c i f i -c a t i o n o f h o w t h e r e s u l t s a r e t o b eo b t a i n e d . S i m i l a r ly , i m p e r a t i v e

r u l e s a l l o w f o r a d e c l a r a t i v e s p e c i f i -c a t i o n o f t h e c o n d i t io n s u n d e rw h i c h a c e r t a i n a c t i o n i s t o b e t a k e n .T h e v a l u e o f d e c l a r a ti v e n e s i n r e l a -t i o n a l q u e r y l a n g u a g e s l i k e S Q L( th e m o s t c o m m o n s u c h l a n g u a g e )h a s b e e n a m p l y d e m o n s t r a t e d , a n da n e x t e n s i o n o f t h e i d e a to t h e n e x tg e n e r a t i o n o f q u e r y l a n g u a g e s isd e s i r a b l e .

T r a d i t i o n a l l y , r u l e p r o c e s s i n gh a s b e e n p e r f o r m e d b y se p a r a tes u b s y s t e m s , u s u a l l y c a l l e d e x p e r ts y s t e m s h el l s. H o w e v e r , a p p l i c a -t i o n s s u c h a s t h e n o t i f ic a t i o n e x a m -p l e c a n n o t b e d o n e e f f i c i e n t l y b y as e p a r a t e s u b s y s t e m , a n d s u c h r u l ep r o c e s s i n g m u s t b e p e r f o r m e d d i -r e c t l y b y t h e D B M S . R e s e a r c h i sn e e d e d o n h o w t o s p e ci f y t h e r u l e sa n d o n h o w t o p r o c e s s a l a r g e r u l eb a s e e f fi c i en t ly . A l t h o u g h c o n s i d e r -a b l e e f f o r t h a s b e e n d i r e c t e d a tthese top ics by the a r t i f i c ia l in te l l i -g e n c e ( A I ) c o m m u n i t y , t h e f o c u sh a s b e e n o n a p p r o a c h e s t h a t a s -s u m e a l l r e l e v a n t d a t a s t r u c t u r e sa r e i n m a i n m e m o r y , s u c h as R E T En e t w o r k s . N e x t - g e n e r a t i o n a p p l i c a -t i o n s a r e f a r t o o b i g t o b e a m e n a b l et o s u c h t e c h n i q u e s .

W e a l s o n e e d t o o l s t h a t w i ll a l lo wu s t o v a l i d a t e a n d d e b u g v e r y l a r g ec o l l e c t i o n s o f r u l e s . I n a l a r g e s y s -t e m , t h e a d d i t i o n o f a s in g l e r u l ec a n e a s i l y i n t r o d u c e a n i n c o n s i s -t e n c y i n t h e k n o w l e d g e b a s e o rc a u s e ch a o t i c a n d u n e x p e c t e d e f -f e c t s a n d c a n e v e n e n d u p r e p e a t -e d l y f i r i n g i t s e l f . W e n e e d t e c h -n i q u e s t o d e c o m p o s e s e ts o f r u le si n t o m a n a g e a b l e c o m p o n e n t s a n dp r e v e n t ( o r c o n t r o l i n a u s e f u l w a y )s u c h i n c o n s i s t e n c i e s a n d r e p e a t e dr u l e f i r i n g .N e w C o n c e p t s i n D a ta M o d e l sM a n y o f t h e n e w a p p l i c a t i o n s w il l

i n v o l v e p r i m i t i v e c o n c e p t s n o tf o u n d i n m o s t c u r r e n t a p p l i c a t i o n s ,a n d t h e r e i s a n e e d t o b u i l d t h e mc l e a n ly i n t o s p e c i a li z e d o r e x t e n d e dq u e r y l a n g u a g e s . I s s u e s r a n g e f r o me f f i c ie n c y o f i m p l e m e n t a t i o n t o t h ef u n d a m e n t a l t h e o r y u n d e r l y i n gi m p o r t a n t p r im i t i ve s . F o r e x a m p l e ,w e n e e d t o c o n s i d e r :Spa t ia l Da ta . M a n y s c i e n t i f i c d a t a -b a s e s h a v e t w o - o r t h r e e - d i m e n -s i o n a l p o i n t s , li n e s , a n d p o l y g o n s a sd a t a e l e m e n t s . A t y p i c a l s e a r c h i s t of i n d t h e 1 0 c l o s e s t n e i g h b o r s t os o m e g i v e n d a t a e l e m e n t . S o l v i n gs u c h q u e r i e s w i l l r e q u i r e s o p h i s t i -c a t e d , n e w m u l t i d i m e n s i o n a l a c c e s sm e t h o d s . T h e r e h a s b e en s u b s ta n -t i a l r e s e a r c h i n t h i s a r e a , b u t m o s th a s b e e n o r i e n t e d t o w a r d m a i nm e m o r y d a t a s tr u c t u r e s , s u c h a sq u a d t r e e s a n d s e g m e n t t r e e s . T h ed i s k - o r i e n t e d s t r u c t u r e s , i n c l u d i n gK - D - B t r e e s a n d R - t r e es , d o n o tp e r f o r m p a r t i c u l a r l y w e l l w h e ng i v e n r e a l - w o r l d d a t a .Time. I n m a n y e x p l o r a t o r y a p p li c a-t i o n s , o n e m i g h t w i s h t o r e t r i e v ea n d e x p l o r e t h e d a t a b a s e s t a t e as o fs o m e p o i n t i n t h e p a s t o r t o r e t r i e v et h e t i m e h i s t o r y o f a p a r t i c u l a r d a t av a l u e . E n g i n e e r s , s h o p k e e p e r s , a n dp h y s i c i s t s a l l r e q u i r e d i f f e r e n t n o -t i o n s o f ti m e . N o s u p p o r t f o r a na l g e b r a o v e r t i m e e x i st s i n a n y c u r -r e n t c o m m e r c i a l D B M S , a l t h o u g hr e s e a r c h p r o t o t y p e s a n d s p e c i a l -p u r p o s e s y s t e m s h a v e b e e n b u i l t .H o w e v e r , t h e r e i s n o t e v e n a na g r e e m e n t a c r o s s s y s t e m s o n w h a t a" t i m e i n t e r v a l " i s ; f o r e x a m p l e , i s i td i sc r e te o r c o n t i n u o u s , o p e n - e n d e do r c l o s e d ?Uncertainty. T h e r e a r e a p p l i c a t i o n s ,s u c h a s i d e n t i f i ca t i o n o f f e a t u r e s

1 1 ~ October 1991/Vo1.34, No.10 /CO M M UNICATIO NS O F THE ACM


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) H I H I } H ) L ) ) ' ) I t I I I JN e x t - g e n e r a t i o n a p p l i c a t i o n s o f t e na i m t o f a c i l i t a t e c o l l a b o r a t i v e a n d

i n t e r a c t i v e a c c e s s t o a d a t a b a s e .f r o m s a t e ll i te p h o t o g r a p h s , f o rw h i c h w e n e e d t o a t t a c h a l i k e l i -h o o d t h a t d a t a r e p r e s e n t s a c e r t a i np h e n o m e n o n . R e a s o ni n g u n d e ru n c e r t a i n t y , e s p e c i a l l y w h e n a c o n -c l u s i o n m u s t b e d e r i v e d f r o m s e v -e r a l i n t e r r e l a t e d p a r t i a l o r a l t e r n a -t i v e r e s u l t s , is a p r o b l e m t h a t t h e A Ic o m m u n i t y h a s a d d r e s s e d f o r m a n yy e a r s , w i t h o n l y m o d e s t s u c c e s s .F u r t h e r r e s e a r c h i s e s s e n t ia l , as w em u s t l e a r n n o t o n l y t o c o p e w i t hd a t a o f l i m i t e d r e l i a b i l it y , b u t t o d os o e f f i ci e n t l y , w i t h m a s s i v e a m o u n t so f d a t a .Sca l ing UpI t w i l l b e n e c e s s a r y t o scale a l lD B M S a l g o r i th m s t o o p e r a t e e f f e c -t i v e l y o n d a t a b a s e s o f t h e s i ze c o n -t e m p l a t e d b y n e x t - g e n e r a t i o n a p -p l i c a ti o n s , o f t e n s e v e r a l o r d e r s o fm a g n i t u d e b i g g e r t h a n t h e l a r g e s td a t a b a s e s f o u n d t o d a y . D a t a b a s e sl a r g e r t h a n a t e r a b y t e ( 1 0 TM b y t e s )w i l l n o t b e u n u s u a l . T h e c u r r e n ta r c h i t e c t u r e o f D B M S s w i l l n o ts c a le to s u c h m a g n i t u d e s . F o r e x -a m p l e , c u r r e n t D B M S s b u i l d a n ewi n d e x o n a r e l a t i o n b y l o c k i n g i t,b u i l d i n g t h e i n d e x a n d t h e n r e l e a s -i n g t h e l o c k . B u i l d i n g a n i n d e x f o ra 1 - t e r a b y t e t a b l e m a y r e q u i r e s e v -e r a l d a y s o f c o m p u t i n g . H e n c e , i t i si m p e r a t i v e t h a t a l g o r i t h m s b e d e -s i g n e d t o c o n s t r u c t i n d e x e s i n c r e -m e n t a l l y w i t h o u t m a k i n g t h e t a b l eb e i n g i n d e x e d i n a c c e s s i b l e .

S i m i l a r ly , m a k i n g a d u m p o nt a p e o f a 1 - t e r a b y t e d a t a b a s e w i l lt a k e d a y s , a n d o b v i o u s l y m u s t b ed o n e i n c r e m e n t a l l y , w i t h o u t t a k i n gt h e d a t a b a s e o f f li n e . I n t h e e v e n tt h a t a d a t a b a s e i s c o r r u p t e d b e c a u s eo f a h e a d c r a s h o n a d i s k o r f o rs o m e o t h e r r e a s o n , t h e t r a d i t i o n a la l g o r i t h m i s t o r e s t o r e t h e m o s t r e -c e n t d u m p f r o m t a p e a n d t h e n to

r o l l t h e d a t a b a s e f o r w a r d t o t h ep r e s e n t t i m e u s i n g t h e d a t a b a s e l o g.H o w e v e r , r e a d i n g a 1 - t e r a b y ted u m p w i ll t a k e d a y s , l e a d i n g t ou n a c c e p t a b l y l o n g r e c o v e r y t i m e s .H e n c e , a n e w a p p r o a c h t o b a c k u pa n d r e c o v e r y i n v e r y l a r g e d a t a -b a s e s m u s t b e f o u n d .ParallelismA d - h o c q u e r i e s o v e r t h e l a r g e d a ta -b a s es c o n t e m p l a t e d b y n e x t - g e n e r -a t i o n a p p l i c a t i o n d e s i g n e r s w i l l t a k ea l o n g t i m e t o p r o c e s s . A s c a n o f a1 - t e r a b y t e t a b l e m a y t a k e d a y s , a n di t i s c l e a r l y u n r e a s o n a b l e f o r a u s e rt o h a v e t o s u b m i t a q u e r y o n M o n -d a y m o r n i n g a n d t h e n g o h o m eu n t il T h u r s d a y w h e n h i s an s w e rw i ll a p p e a r .

F i r s t, i m a g i n e a 1 - t e r a b y t e d a t a -b a s e s t o r e d o n a c o l l e ct i o n o f d is k s ,w i t h a l a r g e n u m b e r o f C P U s a v a i l -a b l e . T h e g o a l i s t o p r o c e s s a u s e r ' sq u e r y w i t h n e a r l y l i near s peedup .T h a t i s, t h e q u e r y i s p r o c e s s e d i nt i m e i n v e r s e l y p r o p o r t i o n a l t o t h en u m b e r o f p r o c e s s or s a n d d i s k s al -l o c a t e d . T o o b t a i n l i n e a r s p e e d u p ,t h e D B M S a r c h i t e c t u r e m u s t a v o i db o t t l e n e c k s , a n d t h e s t o r a g e s y s t e mm u s t e n s u r e t h a t r e l e v a n t d a t a iss p r e a d o v e r a l l d i s k d r i ve s . M o r e -o v e r , p a r a l l e l i z in g a u s e r c o m m a n dw i l l a l l o w i t t o b e e x e c u t e d f a s t e r ,b u t i t w i l l a l s o u s e a l a r g e r f r a c t i o no f t h e a v a i l a b l e c o m p u t i n g r e -s o u r c e s , th e r e b y p e n a l i z i n g t h e r e -s p o n s e t i m e o f o t h e r c o n c u r r e n tu s e r s , a n d p o s s i b l y c a u s i n g t h e s y s -t e m t o t h r a s h , a s m a n y q u e r i e sc o m p e t e f o r l i m i t e d r e s o u r c e s . R e -s e a r c h o n m u l t i u s e r a s p e c t s o f p a r -a l l e l i s m s u c h a s t h i s o n e i s i n i t s in -f a n c y .O n t h e o t h e r h a n d , i f t h e t a b l e i nq u e s t i o n i s r e s i d e n t o n a n a r c h i v e , ad i f f e r e n t f o r m o f p a r a ll e l is m m a y

b e r e q u i r e d . I f t h e r e a r e n o i n d e x e st o s p e e d t h e s e a r c h , a s e q u e n t i a ls c a n m a y b e n e c e s s a r y , i n w h i c hc a s e t h e D B M S s h o u l d e v a l u a t e a sm a n y q u e r i e s a s p o s s i b l e in p a r a l l e l ,w h i l e p e r f o r m i n g a s i n g l e s c a n o ft h e d a t a .I n g e n e r a l , i t r e m a i n s a c h a l l e n g et o d e v e l o p a r e a l is t i c t h e o r y f o r d a t am o v e m e n t t h r o u g h o u t t h e m e m o r yh i e r a r c h y o f p a r a l le l c o m p u t e r s .T h e c h a l l e n g e s p o s e d b y n e x t -g e n e r a t i o n d a t a b a s e s y s t e m s w il lf o r c e c o m p u t e r s c i en t i st s t o c o n -f r o n t t h e s e i s s u e s .Tert ian /Storage and Long-Duration TransactionsFor the foreseeable future, ultral a r g e d a t a b a s e s w i l l r e q u i r e b o t hs e c o n d a r y ( d i s k ) s t o r a g e a n d t h ei n t e g r a ti o n o f a n archive o r t e r t i a r ys t o r e i n to t h e D B M S . A l l c u r r e n tc o m m e r c i a l D B M S s r e q u i r e d a t a t ob e e i t h e r d is k o r m a i n - m e m o r y r e s -i d e n t . F u t u r e s y s t em s w i l l h a v e t od e a l w i t h t h e m o r e c o m p l e x i s s u e o fo p t i m i z i n g q u e r i e s w h e n a p o r t i o no f t h e d a t a t o b e a c c e s s e d i s i n a na r c h i v e . C u r r e n t a r c h i v e d e v ic e sh a v e a v e r y l o n g l a t e n c y p e r i o d .H e n c e , q u e r y o p t i m i z e r s m u s tc h o o s e s t r a t e g i e s t h a t a v o i d f r e -q u e n t m o v e m e n t o f d a t a b e tw e e ns t o r a g e m e d i a . M o r e o v e r , t h eD B M S m u s t a l s o o p ti m i z e t h ep l a c e m e n t o f d a t a r e c o r d s o n t h ea r c h i v e t o m i n i m i z e s u b s e q u e n t r e *t r i e v a l t i m e s . F i n a l l y , i n s u c h a s y s -t e m , d i s k s t o r a g e c a n b e u s e d a s ar e a d o r w r i t e c a c h e f o r a r c h i v e o b -j e c t s . N e w a l g o r i t h m s w i l l b en e e d e d t o m a n a g e i n t e l li g e n t l y t h eb u f f e r i n g i n a t h r e e - l e v e l s y s t em .

T h e n e x t - g e n e r a t i o n a p p li c a -t i o n s o f t e n a i m t o f a c i l i t a t e c o l l a b o -r a t i v e a n d i n t e r a c t i v e a c c e s s t o ad a t a b a s e . T h e t r a d i t i o n a l tr a n s a c -

C O M M U N I C A T I O N S O F T H E ACM/October 1991/Vol.34, NO,10 117


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t i o n m o d e l d i s c u s s e d e a r l i e r a s -s u m e s t h a t t r a n s a c ti o n s a r e s h o r t - -p e r h a p s a f r a c t i o n o f a s e c o n d .H o w e v e r , a d e s i g n e r m a y l o c k a f il ef o r a d a y , d u r i n g w h i c h i t i s r e d e -s i g n e d . W e n e e d e n t i r e l y n e w a p -p r o a c h e s t o m a i n t a i n i n g t h e i n t e g -r i t y o f d a t a , s h a r i n g d a t a , a n dr e c o v e r i n g d a ta , w h e n t r a n s a c t i o n sc a n t a k e h o u r s o r d a y s .V e r s i o n s a n d c o n f i g u r a t i o n sS o m e n e x t - g e n e r a t i o n a p p l i c a t i o n sn e e d versions o f o b j e c t s t o r e p r e s e n ta l t e r n a t i v e o r s u c c e s s i v e s t a t e s o f as i n g l e c o n c e p t u a l e n t i t y . F o r i n -s t a n c e , i n a f a c i li t i e s e n g i n e e r i n gd a t a b a s e, n u m e r o u s r e v is i o ns o f t h ee l e c t r ic p l a n s w i l l o c c u r d u r i n g t h ed e s i g n , c o n s t r u c t i o n a n d m a i n t e -n a n c e o f t h e b u i l d i n g , a n d i t m a y b en e c e s s a r y t o k e e p a l l t h e r e v i s i o n sf o r a c c o u n t i n g o r l e g a l r e a s o n s .F u r t h e r m o r e , i t i s n e c e s s a r y t om a i n t a i n c o n s i s t e n t c o n f i g u r a t i o n s ,c o n s i s t i n g o f v e r s i o n s o f r e l a t e do b j e c t s , s u c h a s t h e e l e c t r i c a l p l a n ,t h e h e a t i n g p l a n , g e n e r a l a n d d e -t a i l e d a r c h i t e c t u r a l d r a w i n g s .

W h i l e t h e r e h a s b e e n m u c h d i s-c u s s i o n a n d m a n y p r o p o s a l s f o rp r o p e r v e r s i o n a n d c o n f i g u r a t i o nm o d e l s i n d i f f e r e n t d o m a i n s , l i t t l eh a s b e e n i m p l e m e n t e d . M u c h r e -m a i n s t o b e d o n e i n t h e c r e a t i o n o fs p a c e - e f f i c i e n t a l g o r i t h m s f o r v e r -s i on m a n a g e m e n t a n d t e c h n iq u e sf o r e n s u r i n g t h e c o n s i s t e n c y o f c o n -f i g u r a t i o n s .Heterogeneous , D i s t r i b u tedDatabasesT h e r e i s n o w e f f e c t i v e l y o n e w o r l d -w i d e t e l e p h o n e s y s t em a n d o n ew o r l d w i d e c o m p u t e r n e t w o r k . V i s-i o n a r i e s i n t h e f i e l d o f c o m p u t e rn e t w o r k s s p e a k o f a s i ng l e w o r l d -w i d e f i l e s y s t e m . L i k e w i s e , w es h o u l d n o w b e g i n t o c o n t e m p l a t et h e e x i s t e n c e o f a s i n g l e , w o r l d w i d ed a t a b a s e s y s t e m f r o m w h i c h u s e r sc a n o b t a i n i n f o r m a t i o n o n a n y t o p i cc o v e r e d b y d a t a m a d e a v a i l a bl e b yp u r v e y o r s , a n d o n w h i c h b u s i n e s sc a n b e t r a n s a c t e d i n a u n i f o r m w a y .W h i l e s u c h a n a c c o m p l i s h m e n t i s ag e n e r a t i o n a w a y , w e c a n a n d m u s t

b e g i n n o w t o d e v e l o p t h e u n d e r l y -i n g t e c h n o l o g y i n c o l l a b o r a t i o n w i t ho t h e r n a t i o n s .

I n d e e d , t h e r e a r e a n u m b e r o fa p p l i c a ti o n s th a t a r e n o w b e c o m i n gf e a s i b le a n d t h a t w i l l h e l p d r i v e t h et e c h n o l o g y n e e d e d f o r w o r l d w i d ei n t e r c o n n e c t io n o f i n f o r m a t i o n : C o l l a b o r a t i v e e f f o r t s a r e u n d e r -

w a y i n m a n y p h y s i c a l s c i e n ce d i s -c i p l i n e s , e n t a i l i n g m u l t i p r o j e c td a t a b a s e s . T h e p r o j e c t h a s a d a t a -b a s e c o m p o s e d o f p o r t i o n s a s -s e m b l e d b y e a c h r e s e a r c h e r , a n da col laborat ive d a t a b a s e r e s u l t s .T h e h u m a n g e n o m e p r o j e ct iso n e e x a m p l e o f th i s p h e n o m e -n o n .

A t y p i c a l d e f e n s e c o n t r a c t o r h a s ac o l l e c t io n o f s u b c o n t r a c t o r s a s -s i s ti n g w i th p o r t i o n s o f t h e c o n -t r a c t o r p r o j e c t . T h e c o n t r a c t o rw a n t s t o h a v e a s i n g l e p r o j e c td a t a b a s e t h a t s p a n s t h e p o r t i o n so f th e p r o j e c t d a t a b a s e a d m i n i s -t e r e d b y t h e c o n t r a c t o r a n d e a c hs u b c o n t r a c t o r ,

A n a u t o m o b i l e c o m p a n y w i s h est o a l l o w s u p p l i e r s a c c e s s t o n e wc a r d e s ig n s u n d e r c o n s i d e r at i o n .I n t h i s w a y , s u p p l i e r s c a n g i v ee a r l y f e e d b a c k o n t h e c o s t o fc o m p o n e n t s . S u c h f e e d b a c k w i lla l lo w t h e m o s t c o s t - e ff e c t i ve c a rt o be d e s i g n e d a n d m a n u f a c -t u r e d . H o w e v e r , t h i s g o a l re -q u i r e s a d a t a b a s e t h a t s p a n s m u l -t i p l e o r g a n i z a t i o n s , t h a t i s , a ni n t e rco m p an y d a t a b a s e .T h e s e e x a m p l e s a l l c o n c e r n t h e

n e c e s s it y o f l o g i ca l l y i n t e g r a t i n gd a t a b a s es f r o m m u l t i p l e o r g a n iz a -t i o n s , o f t e n a c r o s s c o m p a n y b o u n d -a r i e s, i n to w h a t a p p e a r s t o b e a si n -g l e d a t a b a s e . T h e d a t a b a s e si n v o l v e d a r e h e t e r o g e n e o u s , i n t h es e n s e th a t t h e y d o n o t n o r m a l l ys h a r e a c o m p l e t e s e t o f c o m m o na s s u m p t i o n s a b o u t t h e i n f o r m a t i o nw i t h w h i c h t h e y d e a l , a n d t h e y a r ed i s t r i b u t e d , m e a n i n g t h a t i n d i v i d -u a l d a t a b a s e s a r e u n d e r l o c al c o n -t r o l a n d a r e c o n n e c t e d b y r e l a t i v e lyl o w - b a n d w i d t h l i nk s . T h e p r o b l e mo f m a k i n g h e t e r o g e n e o u s , d i s tr i b -u t e d d a t a b a s e s b e h a v e a s i f t h e y

f o r m e d p a r t o f a s in g l e d a t a b a s e i so f t e n c a l l e d i n t e r o p e r a b i l i t y . W en o w u s e t w o v e r y s im p l e e x a m p l e st o i ll u s t r a t e t h e p r o b l e m s t h a t a r i s ei n t h i s e n v i r o n m e n t :

F i r s t , c o n s i d e r a s c i e n ce p r o g r a mm a n a g e r , w h o w i s h e s t o f i n d t h et o ta l n u m b e r o f c o m p u t e r s c i e n ceP h . D . s t u d e n t s i n t h e U . S . T h e r ea r e o v e r 1 0 0 i n s t i t u ti o n s t h a t g r a n ta P h . D . d e g r e e i n c o m p u t e r s c i e n c e.W e b e l i e v e t h a t a l l h a v e a n o n - l i n es t u d e n t d a t a b a s e t h a t a l lo w s q u e r i e st o b e a s k e d o f i ts c o n t e n ts . M o r e -o v er , t h e N S F p r o g r a m m a n a g e rc a n , i n t h e o r y , d i s c o v e r h o w t o a c -c e s s a l l o f t h e s e d a t a b a s e s a n d t h e na s k t h e c o r r e c t l o c a l q u e r y a t e a c hs i t e .

U n f o r t u n a t e l y , t h e s u m o f t her e s p o n s e s t o t h e s e 1 0 0 + l o c a l q u e -r i e s w i ll n o t n e c e s s a r i l y b e t h e a n -s w e r t o h i s o v e r a l l q u e r y . S o m e i n -s t i t u t i o n s r e c o r d o n l y f u l l - t i m es t u d e n t s ; o t h e r s r e c o r d f u l l- a n dp a r t - t i m e st u d e n ts . F u r t h e r m o r e ,s o m e d i s t i n g u i s h P h .D . f r o m M a s -t e r s c a n d i d a t e s , a n d s o m e d o n o t .S o m e m a y e r r o n e o u s l y o m i t c e r t ai nc l a ss e s o f s t u d e n t s , s u c h a s f o r e i g ns t u d e n t s . S o m e m a y m i s t a k e n l y i n-c l u d e s t u d e n t s , s u c h a s e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g c a n d i d a t e s i n a n E E C Sd e p a r t m e n t . T h e b a si c p r o b l e m ist h a t th e s e 1 0 0 + d a t a b a s e s a r e se-mant ical ly inconsistent .

A s e c o n d p r o b l e m i s e q u a l l y il -l u s t r a t i v e . C o n s i d e r t h e p o s s i b i l i t yo f a n e l e c t r o n i c v e r s i o n o f a t r a v e la s s i s t a n t , s u c h a s t h e M i c h e l i nG u i d e . M o s t p e o p l e t r a v e l i n g o nv a c a t i o n c o n s u l t t w o o r m o r e s u c ht r a v e l g u i d e s , w h i c h l i s t p r i c e s a n dq u a l i t y r a t i n g s f o r r e s t a u r a n t s a n dh o t e l s. O b v i o u s l y , o n e m i g h t w a n tt o a s k t h e p r i c e o f a r o o m a t a s p e -c i f ic h o t e l , a n d e a c h g u i d e i s li k e l yt o g i ve a d i f f e r e n t a n s w e r . O n em i g h t q u o t e l a s t y e a r ' s p r i c e , w h i lea n o t h e r m i g h t i n d i c a t e t h e p r i c ew i t h t a x , a n d a t h i r d m i g h t q u o t et h e p r i c e i n c l u d i n g m e a l s . T o a n -s w e r t h e u s e r ' s q u e r y , i t i s n e c e s s a r yt o t r e a t e a c h v a l u e o b t a i n e d a s ev i-den ce , a n d t h e n t o p r o v i d e f u s i o n o ft h i s e v i d e n c e t o f o r m a b e s t a n s w e rt o t h e u s e r ' s q u e r y .

118 October 1991/Vo1.34,N O . 1 0 /C O M M U N I C A T I O N S O F T H E A C M


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; H I H P H ) t ) ) ' ) I t I I I 'T o p r o p e r l y s u p p o r t h e t e r o g e -

n e o u s , d i s t r i b u t e d d a t a b a s e s , t h e r ei s a d i f f i c u l t r e s e a r c h a g e n d a t h a tm u s t b e a c c o m p l i s h ed .BrowsingL e t u s s u p p o s e t h a t t h e p r o b l e m s o fa c ce s s h a v e b e e n s o l v e d in a n y o n eo f t h e s c e n a ri o s m e n t i o n e d e a r l i e r .T h e u s e r h a s a u n i f o r m q u e r y l a n-g u a g e t h a t c a n b e a p p l i e d t o a n yo n e o f t h e i n d i v i d u a l d a t a b a s e s o rt o s o m e m e r g e d v i e w o f t h e c o ll e c -t i o n o f d a t a b a s e s . I f a n i n c o n s is -t e n c y i s d e t e c t e d , o r i f m i s s in g i n -f o r m a t i o n a p p e a r s t o i n v a li d a te aq u e r y , w e c a n n o t s i m p l y g iv e u p .T h e r e m u s t b e s o m e s y s t e m f o re x p l a i n i n g to t h e u s e r h o w t h e d a t aa r r i v e d i n t h a t s t a t e a n d , i n p a r t i c u -l a r , f r o m w h a t d a t a b a s e s i t w a s d e -r i v e d . W i t h t h i s i n f o r m a t i o n , i t m a yb e p o s s i b l e to f i l t e r o u t t h e o f f e n d -i n g d a t a e l e m e n t s a n d s t il l a r r i v e a ta m e a n i n g f u l q u e r y . W i t h o u t i t, i t i sh i g h l y u n l i k e l y t h a t a n y a u t o m a t i ca g e n t c o u l d d o a t r u s t w o r t h y jo b .T h u s , w e n e e d t o s u p p o r t b r o w s -i n g , t h e a b i l i t y t o i n t e r r o g a t e t h es t r u c t u re o f t h e d a t a b a s e a n d , w h e nm u l t i p l e d a t a b a s e s a r e c o m b i n e d ,i n t e r r o g a t e t h e n a t u r e o f th e p r o -c e s s t h a t m e r g e s d a t a .Incompleteness and InconsistencyT h e P h . D . s t u d e n t a n d t r a v e l ad v i -s o r e x a m p l e s i n d i c a t e t h e p r o b l e m sw i t h s e m a n t i c i n c o n s i s t e n cy a n dw i t h d a t a f u s i o n . I n t h e P h . D . s t u -d e n t e x a m p l e t h e r e a re 1 0 0 + d i s-p a r a t e d a t a b a s e s , e a c h c o n t a i n i n gs t u d e n t i n f o r m a t i o n . S i n c e t h e i n d i -v i d u a l p a r t i c i p a n t d a t a b a s e s w e r en e v e r d e s i g n e d w i t h t h e o b j e c t iv e o fi n t e r o p e r a t i n g w i t h o t h e r d a t a -b a s e s , t h e r e i s n o s i n g l e g l o b a ls chema t o w h i c h a l l i n d i v i d u a l d a t a -b a s e s c o n f o r m . R a t h e r , t h e r e a r ei n d i v i d u a l d i f f e r e n c e s t h a t m u s t b ea d d r e s s e d . T h e s e i n c l u d e d i ff e r -e n c e s i n u n it s . F o r e x a m p l e , o n ed a t a b a s e m i g h t g i v e s t a r t i n g s a la r i e sf o r g r a d u a t e s i n d o l l a rs p e r m o n t hw h i l e a n o t h e r r e c o r d s a n n u a l s a la -r i e s . I n t h i s c a s e , i t i s p o s s i b l e t oa p p l y a c o n v e r s i o n t o o b t a i n c o m -p o s i t e c o n s i st e n t a n s w e r s . M o r e s e -

r i o u s ly , t h e d e f i n i t i o n o f a p a r t - t i m es t u d e n t m a y b e d i f f e r e n t i n t h e d i f -f e r e n t d a t a b a s e s . T h i s d i f f e r e n c ew i ll re s u l t i n c o m p o s i t e a n s w e r s t h a ta r e s e m a n t i c a l l y i n c o n s is t e n t .W o r s e s t i ll i s t h e c a s e i n w h i c h t h el o c al d a t a b a s e o m i t s i n f o r m a t i o n ,s u c h a s d a t a o n f o r e i g n s t u d e n t s ,a n d i s t h e r e f o r e s i m p l y w r o n g .

F u t u r e i n t e r o p e r a b il i t y o f d a t a -b a s e s w il l r e q u i r e d r a m a t i c p r o g r e s st o b e m a d e o n t h e s e s e m a n t i c is -s u e s . W e m u s t e x t e n d s u b s t a n t i a l l yt h e d a t a m o d e l t h a t i s u s e d b y aD B M S t o i n c l u d e m u c h m o r e s e -m a n t i c i n f o r m a t i o n a b o u t t h em e a n i n g o f t h e d a t a i n e ac h d a t a -b a s e . R e s e a r c h o n e x t e n d e d d a t am o d e l s i s r e q u i r e d t o d i s c o v e r t h ef o r m t h a t th i s i n f o r m a t i o n s h o u l dt a k e .MediatorsA s t h e p r o b l e m s o f f u s i o n a n d s e -m a n t i c i n c o n s i s t en c y a r e s o s e v e r e,t h e r e i s n e e d f o r a c la s s o f i n f o r m a -t i o n s o u r c e s t h a t s t a n d b e t w e e n t h eu s e r a n d t h e h e t e r o g e n e o u s d a t a -b a s e s. F o r e x a m p l e , i f t h e r e w e r es u f fi c ie n t d e m a n d , i t w o u l d m a k es e n s e t o c r e a t e a " C S P h . D . m e d i a -t o r " t h a t c o u l d b e q u e r i e d a s if i tw e r e a c o n s i s t e n t , u n i f i e d d a t a b a s ec o n t a i n i n g t h e i n f o r m a t i o n t h a t a c -t u a l l y si t s i n t h e 1 0 0 + l o c a l d a t a -b a se s o f t h e C S d e p a r t m e n t s . At r a v e l a d v i s e r t h a t p r o v i d e d t h e i n -f o r m a t i o n o b t a i n e d b y f u s i n g t h ev a r i o u s d a t a b a s e s o f t r a v e l g u i d e s ,h o t e l s, c a r - r e n t a l c o m p a n i e s , a n d s oo n , c o u l d b e c o m m e r c i a l l y v i a b le .P e r h a p s m o s t v a l u a b l e o f a ll w o u l db e a m e d i a t o r t h a t p r o v i d e d t h e i n -f o r m a t i o n a v a i l a b l e i n t h e w o r l d ' sl i b r a r ie s , o r a t l e a s t t h a t p o r t i o n o ft h e l i b r a r i e s t h a t a r e s t o r e d e l e c -t r o n i c a l l y .

M e d i a t o r s m u s t b e a c c e s si b l e b yp e o p l e w h o h a v e n o t h a d a c h a n c et o s t u d y t h e d e t a i l s o f th e i r q u e r yl a n g u a g e a n d d a t a m o d e l ? T h u s ,s o m e a g r e e m e n t r e g a r d i n g l a n -g u a g e a n d m o d e l s t a n d a r d s i s e s -s e n t ia l , a n d w e n e e d t o d o e x t e n s i v ee x p e r i m e n t s b e f o r e s t a n d a r d i z a t io nc a n b e a d d r e s s e d . S e l f - d e s c r i p t i o no f d a t a is a n o t h e r i m p o r t a n t r e -

s e a rc h p r o b l e m t h a t m u s t b e a d -d r e s s e d i f a c c es s to u n f a m i l i a r d a t ai s t o b e c o m e a r e a l i t y .Name Serv icesT h e N S F p r o g r a m m a n a g e r m u s tb e a b l e t o c o n s u l t a n a t i o n a l n a m es e r v ic e t o d i s c o v e r t h e l o c a t i o n a n dn a m e o f t h e d a t a ba s e s o r m e d i a t o r so f i n t e r e s t . S i m i l a r l y , a s c i e n t i s tw o r k i n g i n a n i n t e r d i s c i p l i n a r yp r o b l e m d o m a i n m u s t b e a bl e t od i s c o v e r t h e e x i s t e n c e o f r e l e v a n td a t a s e t s c o l l e c t e d i n o t h e r d i s c i -p l in e s . T h e m e c h a n i s m b y w h i chi t e m s e n t e r a n d l e a v e s uc h n a m es e r v e r s a n d t h e o r g a n i z a t i o n o fs u c h s y s t e m s is a n o p e n i s s u e .SecurlWS e c u r i t y is a m a j o r p r o b l e m ( f a il i n g )i n c u r r e n t D B M S s . H e t e r o g e n e i t ya n d d i s t r ib u t i o n m a k e t h is o p e np r o b l e m e v e n m o r e d i f f i c u lt . A c o r -p o r a t i o n m a y w a n t t o m a k e p a r t s o fi t s d a t a b a s e a c c e s s i b l e t o c e r t a i np a r t i e s , a s d i d t h e a u t o m o b i l e c o m -p a n y m e n t i o n e d e a r l i e r, w h i c h o f -f e r e d p r e l i m i n a r y d es i g n i n f o r m a -t i o n t o p o t e n t i a l s u p p l i e r s .H o w e v e r , t h e a u t o m o b i l e c o m p a n yc e r t a i n l y d o e s n o t w a n t t h e s a m ed e s i g n s a c c e s s e d b y i t s c o m p e t i t o r s ,a n d i t d o e s n o t w a n t a n y o u t s i d e ra c c e s s i n g i t s s a l a r y d a t a .A u t h e n t i c a t i o n i s t h e r e l i a b l ei d e n t i f i c a t i o n o f s u b j e c t s m a k i n g .d a t a b a s e a c c e s s . A h e t e r o g e n e o u s ,d i s t r i b u t e d d a t a b a s e s y s t e m w i l ln e e d t o c o p e w i t h a w o r l d o f m u l t i -p l e a u t h e n t i c a t o r s o f v a r i a b l e t r u s t -w o r t h i n e s s . D a t a b a s e s y s t e m s m u s tb e r e s i s t a n t t o c o m p r o m i s e b y r e -m o t e s y st e m s m a s q u e r a d i n g a s a u -t h o r i z e d u s e r s. W e f o r e s e e a n e e df o r m a n d a t o r y s e c u ri t y a n d r e -s e a r c h i n t o t h e a n a l y s i s o f c o v e r tc h a n n e l s , i n o r d e r t h a t d i s t r i b u t e d ,h e t e r o g e n e o u s d a t a b a s e s y st e m s d on o t i n c r e a s e u s e r u n c e r t a i n t y a b o u tt h e s e c u r i t y a n d i n t e g r i t y o f o n e ' sd a t a .

A w i d e l y d i s t r i b u t e d s y s t e m m a yh a v e t h o u s a n d s o r m i l l io n s o f u s e r s.M o r e o v e r , a g i v e n u s e r m a y b ei d e n t i f i e d d i f f e r e n t l y o n d i f f e r e n ts y s te m s . F u r t h e r , a c c es s p e r m i s s i o n

C O M M U N I C A T I O N S O F T H E A C M / O c t o b e r 1 9 9 1 / V o l .3 4 , N o . 10 119


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m i g h t b e b a s e d o n r o l e ( e . g . , c u r -r e n t c o m p a n y T r e a s u r e r ) o r a c ce sss i te . F ina l ly , s i t e s can a c t a s in te rm e-d i a t e a g e n ts f o r u s e r s, a n d d a t a m a yp a s s t h r o u g h a n d b e m a n i p u l a t e db y t h e s e i n t e r v e n i n g s i t e s . W h e t h e ra n a c c e s s i s p e r m i t t e d m a y w e l l b ei n f l u e n c e d b y w h o i s a c t i n g o n au s e r ' s b e h a l f . C u r r e n t a u t h o r i z a -t i o n s y s t e m s w i l l s u r e l y r e q u i r e s u b -s t a n t i a l e x t e n s i o n s t o d e a l w i t ht h e s e p r o b l e m s .site Scale-upT h e s e c u r i t y i s s u e is j u s t o n e e l e -m e n t o f sc a l e -u p , w h i c h m u s t b ea d d r e s s e d i n a l a r g e d i s t r i b u t e dD B M S . C u r r e n t d i st r ib u t e d D B M Sa l g o r i t h m s f o r q u e r y p r o c e s s in g ,c o n c u r r e n c y c o n t r o l, a n d s u p p o r to f m u lt ip l~ e c o p i e s w e r e d e s i g n e d t of u n c t i o n ,w i t h a f e w s i t e s , a n d t h e ym u s t a l l b e r e t h o u g h t f o r 1 , 0 0 0 o r1 0 ,0 0 0 si te s. F o r e x a m p l e , s o m eq u e r y - p r o c e s s i n g a l g o r i t h m s e x p e c tt o f i n d t h e l o c a t io n o f a n o b j e c t b ys e a r c h i n g a l l s i t e s f o r i t . T h i s a p -p r o a c h i s c l e a r l y i m p o s s i b l e i n al a r g e n e t w o r k . O t h e r a l g o r i t h m se x p e c t a l l s i t e s i n t h e n e t w o r k t o b eo p e r a t i o n a l , a n d c l e a r l y i n a 1 0 ,0 0 0s i te ne twork , severa l s i t e s wi l l bed o w n a t a n y g i v e n t i m e . F i n a l l y ,c e r t a i n q u e r y - p r o c e s s i n g a l g o r i t h m se x p e c t t o o p t i m i z e a j o i n b y c o n s i d -e r i n g a l l p o s s i b l e s i t e s a n d c h o o s i n gt h e o n e w i t h t h e c h e a p e s t o v e r a l lc o st . W i t h a v e r y l ar g e n u m b e r o fs i t e s , a q u e r y o p t i m i z e r t h a t l o o p sover a l l s i t e s in th i s f a sh ion i s l ike lyt o s p e n d m o r e t i m e t r y i n g t o o p t i -m i z e t h e c l u e r y t h a n i t w o u l d h a v es p e n t i n s i m p l y e x e c u t i n g t h e q u e r yi n a n a i v e a n d e x p e n s i v e w a y .

P o w e r f u l d e s k t o p c o m p u t e r s ,c h e a p a n d f r e q u e n t l y u n d e r u t i -l i z e d , m u . s t b e f a c t o r e d i n t o t h eq u e r y o p t i m i z a t i o n s p a c e , a s u s i n gt h e m w i l l f r e q u e n t l y b e t h e m o s tr e s p o n s i v e a n d l e a s t e x p e n s i v e w a yt o e x e c u t e a q u e r y . E n s u r i n g g o o du s e r r e s p o n s e t i m e b e c o m e s i n -c r e a s i n g l y d i f f i c u l t a s t h e n u m b e ro f s it e s a n d t h e d i s t a n c e s b e t w e e nt h e m i n c r ea s e . L o c a l c a c h i n g , a n de v e n l o ca l r ep l i c a ti o n , o f r e m o t ed a t a a t t h e d e s k t o p w i l l b e c o m e i n -

c r e a s in g l y i m p o r t a n t . E f f i c ie n tc a c h e m a i n t e n a n c e i s a n o p e n p r o b -l e m .Transaction ManagementT r a n s a c t io n m a n a g e m e n t i n a h et -e r o g e n e o u s , d i s t r i b u t e d d a t a b a s es y s t e m i s a d i f f i c u l t is s u e . T h e m a i np r o b l e m is th a t e a c h o f t h e l o c a ld a t a ba s e m a n a g e m e n t s y s t em s m a yb e u s i n g a d i f f e r e n t t y p e o f a c o n -c u r r e n c y c o n t r o l s c h e m e . I n t e g r a t -i n g t h e s e i s a c h a l l e n g i n g p r o b l e m ,m a d e w o r s e i f w e w i s h t o p r e s e r v et h e l o ca l a u t o n o m y o f e a c h o f t h el o c a l d a t a b a s e s a n d a l l o w l o c a l a n dg l o b a l t r a n s a c t i o n s t o e x e c u t e i npara l l e l .

O n e s i m p l e s o l u t i o n i s t o r e s t r i c tg l o b a l t r a n s a c t i o n s t o r e t r i e v e - o n l ya c c e ss . H o w e v e r , t h e i s s u e o f r e li a -b l e t r a n s a c t i o n m a n a g e m e n t i n t h eg e n e r a l c a s e , w h e r e g l o b a l a n d l o c a lt r a n s a c t i o n s a r e a l l o w e d t o b o t hr e a d a n d w r i t e d a t a , i s s t i l l o p e n .Co n c lu s io nD a t a b a s e m a n a g e m e n t s y s t e m s a r en o w u s e d i n a l m o s t e v e r y c o m p u t -i n g e n v i r o n m e n t t o o r g a n i z e , c r e a t ea n d m a i n t a i n i m p o r t a n t c o l l e c t i o n so f i n f o r m a t i o n . T h e t e c h n o l o g yt h a t m a k e s t h e s e s y s t e m s p o s s i b l e i st h e d i r e c t r e s u l t o f a s u c c e s s f u l p r o -g r a m o f d a ta b a s e r e s e a r c h . W e h a v eh i g h l i g h t e d s o m e i m p o r t a n ta c h i e v e m e n t s o f th e d a t a b a s e r e -s e a r ch c o m m u n i t y o v e r t h e p a s t t w od e c a d e s , f o c u s i n g o n t h e m a j o r a c -c o m p l i s h m e n t s o f r e la t i o n a l d a t a -b a s e s , t r a n s a c t i o n m a n a g e m e n t ,a n d d i s t r i b u t e d d a t a b a s e s .

W e h a v e a r g u e d t h a t n e x t -g e n e r -a t i o n d a t a b a s e a p p l i c a t i o n s w i ll l it t ler e s e m b l e c u r r e n t b u s i n e s s d a t a p r o -c e s s i n g d a t a b a s e s . T h e y w i l l h a v em u c h l a r g e r d a t a s e t s , r e q u i r e n e wc a p a b i l i t i e s s u c h a s t y p e e x t e n s i o n s ,m u l t i m e d i a s u p p o r t , c o m p l e x o b -j e c t s , r u l e p r o c e s s i n g , a n d a r c h i v a ls t o r a g e , a n d t h e y w i l l e n t a i l r e -t h i n k i n g a l g o r i t h m s f o r a l m o s t a l lD B M S o p e r a t i o n s . I n a d d i t i o n , th ec o o p e r a t i o n b e t w e e n d i f f e r e n t o r -g a n i z a t i o n s o n c o m m o n p r o b l e m sw i ll re q u i r e h e t e r o g e n e o u s , d i s tr i b -u t e d d a t a b a s e s . S u c h d a t a b a s e s

b r i n g v e r y d i f f i c u lt p r o b l e m s i n t h ea r e a s o f q u e r y i n g s e m a n t i ca l l y in -c o n s i s t e n t d a t a b a s e s , s e c u r i t y , a n ds c a l e -u p o f d i s t r i b u t e d D B M S t e c h -n o l o g y t o l a r g e n u m b e r s o f s it es .T h u s , d a t a b a s e s y s t e m s r e s e a r c ho f f e r s A h o s t o f n e w i n t e l l e c t u a l c h a l -

l e n g e s f o r c o m p u t e r s c ie n ti s ts ,a n d R e s u l t i n g t e c h n o l o g y t h a t w i lle n a b le a b r o a d s p e c t r u m o f n e wa p p l i c a t i o n s i n b u s i n e s s , s c i e n c e ,m e d i c i n e , d e f e n s e , a n d o t h e ra r e a s .

T o d a t e , t h e d a t a b a s e i n d u s t r y h a ss h o w n r e m a r k a b l e s u c c e s s i n t r a n s -f o r m i n g s c i e n t i f i c i d e a s i n t o m a j o rp r o d u c t s , a n d i t i s c r u c i a l t h a t a d -v a n c e d r e s e a r c h b e e n c o u r a g e d a st h e d a t a b a s e c o m m u n i t y t a c k l e s t h ec h a l l e n g e s a h e a d .

A c k n o w l e d g m e n t sA n y o p i n i o n s , f i n d i n g s , c o n c l u -s i o n s , o r r e c o m m e n d a t i o n s e x -p r e s s e d i n t h i s r e p o r t a r e t h o s e o ft h e p a n e l a n d d o n o t n e c e s s a r i l yr e f l e c t t h e v i e w s o f t h e N a t i o n a l S c i-e n c e F o u n d a t i o n . A v i S i l b e rs h a t za n d J e f f U l l m a n i n i t ia t e d t h e w o r k -s h o p a n d c o o r d i n a t e d a n d e d i t e dt h e r e p o r t . M i k e S t o n e b r a k e r p r o -v i d e d t h e i n i t i a l d r a f t a n d m u c h o ft h e c o n t e n t f o r t h e f i n a l r e p o r t .H e w l e t t - P a c k a r d L a b o r a t o r i e sh o s t e d t h e w o r k s h o p . P o s t w o r k -s h o p c o n t r i b u t o r s t o th i s r e p o r t i n -c l u d e P h i l B e r n s t e i n , W o n K i m ,H a n k K o r t h , a n d A n d r e v a n T il -b o r g . [ ]Permission to copy without fee all or part ofthis material is granted provided that thecopies are not made or distribute d for directcommercial advantage, the ACM copyrightnotice and the title of the publication and itsdate appear, and notice is given that copyingis by permission of the Association forCompu ting Machinery. To copy otherwise, orto republish, requires a fee and/or specificpermission.The workshop was supported by NSF GrantIRI-89-19556.

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