XML - Schema

Inhalt:

1. XML-Allgemein

1.1. Wann und warum wurden XML - Schema eingeführt ?
1.2. Grenzen/Nachteile der DTDs
1.3. Neuerungen in XML Schema

2. Beispiele/Anwendung

2.1. Struktur eines XML-Elementes
2.2. Definition eines Elementtyps: complexType
2.3. Deklaration von Elementen: element
2.4. Deklaration von Attributen: attribute
2.5. Einfache Datentypen: simpleType
2.6. Schlüsselbeziehungen: key, keyref
2.7. Typdefinition ausgehend von bestehenden Typen: extension
2.8. Kommentare in XML Schema: annotation

3. XML-Allgemein

4. Beispielschema und -instanz

1. XML-Allgemein

1.1. Wann und warum wurden XML - Schema eingeführt ?

• XML-Schema wurden am 2. Mai vom W3C als Recommendation freigegeben, nach 2 Jahren Entwicklungsdauer
• durch Hinzufügung von Datentypen, erhöht XML Schema die Stärke von XML und deren Nutzbarkeit für:

  -E-Commerce Systemen,

  -Datenbankautoren

  -Jeden, der eine große Menge an Daten für das Web nutzen und manipulieren will

• verbesserte Integration von XML Namespaces , Elemente und Attribute in einem Namensraum einfacher zu definieren, Validierung von Dokumenten mit mehreren Namensräumen einfacher
• DTDs hatten sich 1998 als Format zur Beschreibung konkreter XML-Sprachen etabliert,
• starke Verbreitung von DTDs offenbarte auch Grenzen und Nachteile,
• dokumentenzentrierte Sichtweise der DTDs unter Vernachlässigung von Datentypen erweist sich als Problem,
• Programmiersprachen von heute sollen an die Datenmodellierung angenähert werden, dies ist schwierig mit DTDs,
• momentan ist eine Verbreitung inhomogener Anwendungen (z.B. Konzepte aus CORBA, COM, DCE) zu beobachten,
• Ruf nach der Möglichkeit, Daten in einem einheitlichem, flexiblen und leicht modifiziertem Format zu transportieren, das sich leicht auswerten / parsen lässt,
• Ziel: überwindung des entstehenden Bruches zwischen applikationsinterner Datenhaltung und abgeleiteter XML-Sprache,
• XML Schema ist Obermenge von DTD-Sprache.
• es gibt zwar Werkzeuge zur automatischen Generation von UML oder Javaklassen in XML-Sprachen, so z.B. (XML Mediadata Interchange Format) XMI,
• Problem: bestimmte semantischer Bedingungen lassen DTDs nicht zu, wie die detaillierte Festlegung von Wertebereichen nicht möglich ist,
• auch in XML-Schema gibt es Regeln, mit denen ein XML-Dokument auf seine Gültigkeit überprüft werden kann.
• jedes XML-Schema ist auch XML-Dokument, es lässt sich auch wieder durch ein Schema oder DTD beschreiben,

1.2 Grenzen/Nachteile der DTDs

• DTDs haben eine nicht XML-konforme Syntax EBNF, die das Erlernen einer neuen Sprache notwendig macht kurzzeitig höherer Aufwand und Kosten
  
• Unterstützung von Namensräumen / Namespaces schwierig
  
• eingegrenzter Typvorrat, außer einiger Stringtypen und expliziter Aufzählungen
  
• keine Möglichkeit zur Beschreibung weiterer Datenformate (Datums-, Währungs- oder spezieller Zahlenformate),
  
• man kann sich ebenfalls keine eigenen Datentypen definieren,
  
• Problem beim Austausch zweier Webapplikationen denn die Datenbank muss weiterhin die Gültigkeit der empfangenen Daten prüfen,
  
• Flexibilität, der großer Vorteil von XML geht dadurch verloren,
  
• DTDs nur rudimentär erweiterbar, im wesentlichen sind sie auf einfache Stringersetzung (über Parameter Entities) beschränkt, von außen nachvollziehbare und systematische Modularisierung somit kaum möglich

1.3. Neuerungen in XML Schema

• XML Schema ist XML, es gibt eine DTD zur Beschreibung von XML-Schema als auch selbstbeschreibendes XML-Schema, man unterscheidet wieder wohlgeformte (well formed) bzw. gültige (valid) Dokumente,
• zusätzlich zum normalen Gültigkeitstest kommt nun überprüfung von Reihenfolge- und Struktureigenschaften / Einhaltung der Wertebereiche und auf gültige Datentypen,
• großer Vorrat an vordefinierten Datentypen,
• Wertebereich kann explizit angegeben werden, damit können weitere komplexere Elementtypen erstellt werden,
• durch einmalige Definition von Daten- und Elementtypen bei häufiger Verwendung ist das Schema leichter lesbar und übersichtlicher, auch leichter zur parsieren/validieren
• XML-Schema erlauben explizites Gruppieren von Attributen (HTML: width + height), man kann sich Attributgruppen einmalig definieren (bei DTDs nur über Entities möglich), kann nun explizit angegeben werden,
• Erweiterung von bereits vorhandenen Datentypen durch Vererbung ist nun möglich, man kann gleichartige Elementfamilien deklarieren,
• Unterstützung von Namensräumen, dadurch lassen sich Dokumentinstanzen erstellen, die auf Elemente in verschiedenen XML-Schemabeschreibungen zugreifen. Elemente mit selben Namen aber unterschiedlicher Struktur können in einer Dokumentinstanz erscheinen

2. Beispiele/Anwendung

2.1. Struktur eines XML-Elementes

• Jedes XML Dokument sowie XML Schema besteht aus einer Folge von Tags mit folgendem Aufbau:
  
  <AussenTag>
     <Inhaltstag/>
  </AussenTag>
• Ein Beispiel für ein einfaches Stadtelement:
  
  <Stadt>Oranienburg</Stadt>
  
  <xs:element name="Stadt" type="xs:string"/>
  
  
• leere tags werden durch ein "/" abgeschlossen. Dabei können Elemente beliebig tief geschachtelt werden.

2.2. Definition eines Elementtyps: complexType

• XML-Schema liefert einen grossen Teil von Elementtypen mit. Daüberhinaus kann Man sich mit dem Schema complexType eigene Elementtypen definieren, welche weitere Unterelemente beinhalten können Bsp.: Die Darstellung einer Adresse in einem XML Dokument:

  <RechnungAn Land="Deutschland">
     <Name>Werner Hansen</Name>
     <Strasse>An der Kogge 12</Strasse>
     <Stadt>Lüttenklein</Stadt>
     <Bundesland>Schleswig-Holstein</Bundesland>
     <Postleitzahl>21098</Postleitzahl>
  </RechnungAn>
  
  

• Der dazugehörige Ausschnitt aus einer XML Schema Beschreibung sieht folgendermaßen aus: <xs:element name="RechnungAn" type="deutscheAddresse"/>
  
  <xs:complexType name="deutscheAddresse">
     <xs:sequence>
        <xs:element name="Name" type="xs:string"/>
        <xs:element name="Strasse" type="xs:string"/>
        <xs:element name="Stadt" type="xs:string"/>
        <xs:element name="Bundesland" type="xs:string"/>
        <xs:element name="Postleitzahl" type="xs:decimal"/>
     </xs:sequence>
  <xs:attribute name="Land" type="xs:NMTOKEN"/>
  </xs:complexType>
  
  
• In der ersten Zeile wird das Element "RechnungAn" deklariert, als Elementtyp ist der im folgenden definierte Typ "deutscheAddresse" angegeben. Die complexType Definition enthält in diesem Fall fünf weitere Element Definitionen und eine Attributbeschreibung. Die Reihenfolge der Elemente ist festgelegt (sequence). Die inneren Elemente sind vom Datentyp xs:string bzw. xs:decimal, dabei handelt es sich um in XML Schema vordefinierte einfache Datentypen (built-in datatypes). Alternativ zum sequence-tag sind die tags all (alle Subelemente müssen vorkommen, Reihenfolge egal) sowie choice (genau eines der Subelement muss verwendet werden) oder any. Analog zu DTDs Darüberhinaus besteht die Möglichkeit, Elemente durch ein umschließendes group -tag zu Gruppen zusammenzufassen. Ein einmal definierter Elementtyp kann innerhalb eines Schemas beliebig oft zur Deklaration eines Elementes verwendet werden, wobei die Definition im Dokument unterhalb der Deklarationen stehen muß. Auch eine Anonyme Typ Definiton ist möglich, dann kann der Datentyp nur einmal verwendet werden, gleich Beispiel...

2.3 Deklaration von Elementen: element

• Zur Deklaration eines Elements in XML Schema reicht, wie im obigen Beispiel gesehen, die Angabe des Namens und eines Typs als Attribute des element Elements: Durch die Attribute minOccurs und maxOccurs kann zusätzlich angegeben werden, wie oft das Element mindestens bzw. maximal hintereinander im XML Dokument erscheinen darf. Der Defaultwert ist jeweils 1. Wird das Attribut type weggelassen, folgt die Typdefinition als complexType oder simpleType unmittelbar innerhalb des element-tags. Das folgende Beispiel beschreibt das gleiche Adressformat wie oben, jedoch ohne die Möglichkeit der Wiederverwendung eines Elementtyps (Anonyme Typ Definition):

  
  <xs:element name="RechnungAn">
     <xs:complexType>
        <xs:sequence>
           <xs:element name="Name" type="xs:string"/>
           <xs:element name="Strasse" type="xs:string"/>
           <xs:element name="Stadt" type="xs:string"/>
           <xs:element name="Bundesland" type="xs:string"/>
           <xs:element name="Postleitzahl" type="xs:decimal"/>
        </xs:sequence>
        <xs:attribute name="Land" type="xs:NMTOKEN">
     </xs:complexType>
  </xs:element>
  

2.4. Deklaration von Attributen: attribute

• Attributdeklarationen erscheinen innerhalb einer Elementbeschreibung am Schluss. Beispielauftrag bei dem Attribute ausgelesen werden:

  
  <Kaufauftrag KaufDatum="1999-10-20">
     <RechnungAn Land="Deutschland">
        <Name>Mathilde Hüppenberger</Name>
        <Strasse>Am Dorfteich 33</Strasse>
        <Stadt>Eckarnförde</Stadt>
        <Bundesland>Mecklenburg-Vorpommern</Bundesland>
        <Postleitzahl>25678</Postleitzahl>
     </RechnungAn>
  </Kaufauftrag>
  
  

• Der entsprechende Ausschnitt aus einem zugehörigen XML Schema:

  
  <xs:complexType name="Kaufauftrag">
     <xs:element name="RechnungAn" type="deutscheAddresse"/>
     <xs:attribute name="KaufDatum" type="xs:date"/>
  </xs:complexType>
  
  

• Durch Angabe weiterer Attribute innerhalb des attribute-Element lassen sich weitere Eigenschaften des Attributs festlegen (Optionalität, Defaultwerte, fixe Werte, etc).

2.5. Einfache Datentypen: simpleType

• XML Schema stellt von sich aus eine große Menge von einfachen Datentypen zur Verfügung, von denen der Anwender weitere Datentypen ableiten kann.

  Angabe eines Wertebereichs:

  <xs:element name="Anzahl">
     <xs:simpleType>
        <xs:restriction base="xs:positiveInteger">
           <xs:maxExclusive value="333"/>
           <xs:minInclusive value="111"/>
        </xs:restriction>
     </xs:simpleType>
  </xs:element>
  
  

• Der Wertebereich eines Basistyps (hier xs:positiveInteger) wird nach oben hin auf 333 begrenzt und auf 111 nach unten. Dabei darf die 333 nicht mehr vorkommen (maxExclusive value).

  Definition eines String-Musters durch reguläre Ausdrücke:

  
  <xs:simpleType name="DatumBRD">
     <xs:restriction base="xs:string">
        <xs:pattern value="\d{2}-\d{2}-\d{4}"/>
     </xs:restriction>
  </xs:simpleType>
  
  

• Der Basistyp wird durch einen regulären Ausdrück eingeschränkt. Die Syntax der regulären Ausdrücke entspricht der von Perl

  Explizites Angeben aller möglichen Werte:

  
  <xs:simpleType name="NeueBundesländer">
     <xs:restriction base="xs:string">
        <xs:enumeration value="Berlin"/>
        <xs:enumeration value="Mecklenburg-Vorpommern"/>
        <xs:enumeration value="Brandenburg"/>
        <xs:enumeration value="Thüringen"/>
        <xs:enumeration value="Sachsen"/>
        <xs:enumeration value="Sachsen-Anhalt"/>
     </xs:restriction>
  </xs:simpleType>
  
  

• Listentypen:
  Zunächst wird ein Listentyp aus den Elementen des vorigen Beispiels definert. Das Trennzeichen der einzelnen Listenelementen ist das Leerzeichen.

  
  <xs:simpleType name="Bundesländerliste">
     <xs:list itemType="NeueBundesländer"/>
  </xs:simpleType>
  
  

• Ein Listentyp kann im folgenden (2) genauer definiert werden, etwa wie im Beispiel durch Festlegung der Anzahl der Elemente.

  <xs:simpleType name="ZweiBundesländer">
     <xs:restriction base="Bundesländerliste">
        <xs:length value="4"/>
     </xs:restriction>
  </xs:simpleType>
  
  

• Neben den genannten existieren in XML Schema weitere Möglichkeiten zur Ableitung eigener Datentypen, so lassen sich etwa mittels des union-Elementes unterschiedliche Datentypen zu einem neuen Datentypen aneinanderfügen, abstract. (Fahrzeug / Flugzeug Auto... abhängig vom Dokument wird ausgelesen und je nachdem werden bestimmte Typen aktiviert.)

2.6. Schlüsselbeziehungen: key, keyref

• Der Wert eines keyref-Elements muss übereinstimmen mit einem Wert (Schlüssel) an anderer Stelle im Dokument, welcher durch das key-Element beschrieben wird. Ist dies nicht der Fall, weist der parser einen Fehler aus. Der Schlüssel kann, im Gegensatz zum ID-Element der DTD's, auch aus mehreren Element- und/oder Attributwerten bestehen. Die Beschreibung des Schlüssels erfolgt durch XPath-Ausdrücke innerhalb der selector- bzw. field- tags.

  Beispiel:

  <xs:element name="Person" minOccurs="5" maxOccurs="50">
     <xs:complexType>
        <xs:sequence>
           <xs:element name="Vorname" type="xs:string"/>
           <xs:element name="Nachname" type="xs:string"/>
           </xs:sequence>
        <xs:attribute name="Kennung" type="xs:integer"/>
     </xs:complexType>
  </xs:element>
  
  
  <xs:key name="Schlüssel">
     <xs:selector xpath = "Person" />
     <xs:field xpath = "@Kennung" />
  </xs:key>
  
  
  <xs:element name="Chef">
     <xs:keyref refer="Schlüssel"/>
  </xs:element>
  
  

• Das key-Element definiert den Schlüssel, in diesem Fall das Attribut "PersonID" des Elements "Person". Besteht der Schlüssel aus mehreren Elementen und Attributen, wird dies durch ein Folge von field-tags ausgedrückt. Im Beispiel muss der Inhalt des Elements "Projektleiter" dem Attributwert eines Elements "Person" entsprechen. Naheliegende Einsatzmöglichkeit von Schlüsselbeziehungen in XML Dokumenten ist die Abbildung von relationalen Datenbankstrukturen (Primärschlüssel etc.). Die Fähigkeit, logische Beziehungsregeln zwischen den Elementen eines Dokumentes zu beschreiben, ist eine Eigenschaft von XML Schema, die über die Ausdrucksmächtigkeit beispielsweise von kontextfreien Grammatiken hinausgeht.
  
  
• Ein passendes Dokument dazu
  
  <Person PersonlD="1">
     <Vorname>Max</Vorname>
     <Nachname>Mosley</Nachname>
  </Person>
  
  
  gültig:
  
  <Chef>1</Chef>
  
  
  ungültig:
  
  <Chef>55</Chef>
  
  

2.7. Typdefinition ausgehend von bestehenden Typen: extension

• In XML Schema besteht die Möglichkeit, bestehende Elementtypedfinitionen zu erweitern und so neue Elementtypen zu schaffen (Vererbung). Im Beispiel wird der Typ "minAdr" erweitert um zwei weitere Elemente, es entsteht ein neuer Typ "grosseAdresse":
  
  <xs:element name="kleineAdresse" type="minAdr"/>
  
  <xs:complexType name="minAdr">
     <xs:sequence>
        <xs:element name="name" type="xs:string"/>
        <xs:element name="Strasse" type="xs:string"/>
        <xs:element name="Stadt" type="xs:string"/>
     </xs:sequence>
  </xs:complexType>
  
  
  
• In der XML document instance muss anschließend festgelegt werden, welcher Typ verwendet werden soll. Das Schlüsselwort type hierfür entstammt dem XML Schema instance Namensraum:
  
  <xs:complexType name="grosseAdresse">
     <xs:complexContent>
        <xs:extension base="minAdr">
           <xs:sequence>
              <xs:element name="Bundesland" type="xs:string"/>
              <xs:element name="Postleitzahl" type="xs:positiveInteger"/>
           </xs:sequence>
        </xs:extension>
     </xs:complexContent>
  </xs:complexType>
  
  
• Beispiel der neuen, längeren Adresse, die nun gelesen werden kann:
  
  <erweiterteAdresse xsi:type="grosse_Adresse">    <Name>Andy Kloehr</Name>
     <Strasse>Am Fischgraben</Strasse>
     <Stadt>Seehausen</Stadt>
     <Bundesland>Thüringen</Bundesland>
     <Postleitzahl>05819</Postleitzahl>
  </erweiterteAdresse>
  
  
• Durch das Attribut "final" innerhalb einer Typdefinition, kann explizit festgelegt werden, ob von diesem Typ weitere Typen abgeleitet werden dürfen.

2.8. Kommentare in XML Schema: annotation

• Kommentare innerhalb eines XML Schema Dokuments stehen innerhalb des annotation-Elements. Das annotation-Element hat zwei Kindelemente: documentation für menschliche Leser und appinfo zur übermittlung von Informationen an die Applikation, die das XML Dokument verarbeiten soll.
  
  <xs:annotation>
     <xs:documentation>
        Purchase order schema for Example.com.
        Copyright 2000 Example.com. All rights reserved.
     </xs:documentation>
     <xs:appinfo>
        123
  </xs:appinfo>
  </xs:annotation>
  

3. Ausblick

Die wichtigsten Vorteile der XML Schema Sprache gegenüber den DTDs sind die stark verbesserten Möglichkeiten zur internen Strukturierung und Modularisierung von Schema Dokumenten sowie die höhere Ausdrucksmächtigkeit, insbesondere bei der Beschreibung von semantischen Gültigkeitsbedingungenen und Wertebereichen. Mittelfristig wird XML Schema parallel zum DTD-Mechanismus existieren und ergänzend eingesetzt werden, langfristig ist mit breiter Marktakzeptanz und damit Ablösung der DTDs zu rechnen.

4. Beispielschema und -instanz

• Beispiel - XML Schemadokument:
  
  
  <schema targetNamespace="http://www.example.com/Report"
         xmlns="http://www.w3.org/2001/XMLSchema"
         xmlns:r="http://www.example.com/Report"
         xmlns:xipo="http://www.example.com/IPO"
         elementFormDefault="qualified">
  
      <!-- for SKU -->
      <import namespace="http://www.example.com/IPO"/>
  
  
      <xs:annotation>
         <xs:documentation>
            Purchase order schema for Example.com.
            Copyright 2000 Example.com. All rights reserved.
         </xs:documentation>
      </xs:annotation>
  
      <xs:element name="purchaseOrder" type="PurchaseOrderType"/>
  
      <xs:element name="comment" type="xs:string"/>
  
      <xs:complexType name="PurchaseOrderType">
         <xs:sequence>
            <xs:element name="shipTo" type="USAddress"/>
            <xs:element name="billTo" type="USAddress"/>
            <xs:element ref="comment" minOccurs="0"/>
            <xs:element name="items" type="Items"/>
         </xs:sequence>
         <xs:attribute name="orderDate" type="xs:date"/>
      </xs:complexType>
  
      <xs:complexType name="USAddress">
         <xs:sequence>
            <xs:element name="name" type="xs:string"/>
            <xs:element name="street" type="xs:string"/>
            <xs:element name="city" type="xs:string"/>
            <xs:element name="state" type="xs:string"/>
            <xs:element name="zip" type="xs:decimal"/>
         </xs:sequence>
         <xs:attribute name="country" type="xs:NMTOKEN" use="fixed" value="US"/>
      </xs:complexType>
  
      <xs:complexType name="Items">
         <xs:sequence>
            <xs:element name="item" minOccurs="0" maxOccurs="unbounded">
               <xs:complexType>
                  <xs:sequence>
                     <xs:element name="productName" type="xs:string"/>
                     <xs:element name="quantity">
                        <xs:simpleType>
                           <xs:restriction base="xs:positiveInteger">
                              <xs:maxExclusive value="100"/>
                           </xs:restriction>
                        </xs:simpleType>
                     </xs:element>
                     <xs:element name="USPrice" type="xs:decimal"/>
                     <xs:element ref="comment" minOccurs="0"/>
                     <xs:element name="shipDate" type="xs:date" minOccurs="0"/>
                  </xs:sequence>
                  <xs:attribute name="partNum" type="SKU"/>
               </xs:complexType>
            </xs:element>
         </xs:sequence>
      </xs:complexType>
  
      <xs:simpleType name="SKU">
         <xs:restriction base="xs:string">
            <xs:pattern value="\d{3}-[A-Z]{2}"/>
         </xs:restriction>
      </xs:simpleType>
  
  </schema>
  
  
  
• Beispiel - XML Schemainstanz zu dem obigen Schema:
  
  <?xml version="1.0"?>
  <ipo:purchaseOrder     xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
      xmlns:ipo="http://www.example.com/IPO"
      orderDate="1999-12-01">
  
      <shipTo country="US">
         <name>Alice Smith</name>
         <street>123 Maple Street</street>
         <city>Mill Valley</city>
         <state>CA</state>
         <zip>90952</zip>
      </shipTo>
  
      <billTo country="US">
         <name>Robert Smith</name>
         <street>8 Oak Avenue</street>
         <city>Old Town</city>
         <state>PA</state>
         <zip>95819</zip>
      </billTo>
  
      <comment>Hurry, my lawn is going wild!</comment>
  
      <items>
  
         <item partNum="872-AA">
            <productName>Lawnmower</productName>
            <quantity>1</quantity>
            <USPrice>148.95</USPrice>
            <comment>Confirm this is electric</comment>
         </item>
  
         <item partNum="926-AA">
            <productName>Baby Monitor</productName>
            <quantity>1</quantity>
            <USPrice>39.98</USPrice>
            <shipDate>1999-05-21</shipDate>
         </item>
  
      </items>
  </ipo:purchaseOrder>