淺談海量數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究

何芳原

[摘要]隨著科學(xué)技術(shù)飛速的發(fā)展，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)都取得了極大的進(jìn)步，與此同時(shí)，計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的不斷發(fā)展和完善，在各個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生了大量的歷史數(shù)據(jù)，這些歷史數(shù)據(jù)可能已經(jīng)不被應(yīng)用系統(tǒng)引用，但它們卻有著非常大的查詢和分析價(jià)值。對(duì)海量的信息加以利用都離不開(kāi)底層對(duì)數(shù)據(jù)的操作。然而，數(shù)據(jù)不斷膨脹往往給應(yīng)用系統(tǒng)帶來(lái)一些難以忍受的后果，最典型的是系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中資源消耗需求量越來(lái)越大，運(yùn)行效率明顯降低，隨著時(shí)間的推移，達(dá)到難以忍受的程度。提出對(duì)于海量數(shù)據(jù)查詢效率問(wèn)題的一種解決方案，主要探討海量數(shù)據(jù)在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中的應(yīng)用。

[關(guān)鍵詞]海量數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)處理 關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)

中圖分類號(hào)：TP3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671－7597（2009）0420059－02

一、海量數(shù)據(jù)的產(chǎn)生及現(xiàn)狀

在這被稱之為信息爆炸的時(shí)代，信息過(guò)量幾乎成為人人需要面對(duì)的問(wèn)題。如何才能不被信息的汪洋大海所淹沒(méi)，從中及時(shí)發(fā)現(xiàn)有用的知識(shí)，提高信息利用率呢？要想使數(shù)據(jù)真正成為一個(gè)公司的資源，只有充分利用它為公司自身的業(yè)務(wù)決策和戰(zhàn)略發(fā)展服務(wù)才行，否則大量的數(shù)據(jù)可能成為包袱，甚至成為垃圾。在信息技術(shù)飛速發(fā)展，信息數(shù)據(jù)迅猛增長(zhǎng)的今天，企業(yè)快速有效的分析決策越來(lái)越依賴于其信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。因此，面對(duì)“數(shù)據(jù)爆炸但知識(shí)貧乏”的挑戰(zhàn)，數(shù)據(jù)挖掘和知識(shí)發(fā)現(xiàn)(DMKD)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并得以蓬勃發(fā)展，越來(lái)越顯示出其強(qiáng)大的生命力，數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)可以用它的超能力產(chǎn)生巨大的商業(yè)機(jī)會(huì)。

數(shù)據(jù)挖掘(Data Mining)就是從大量的、不完全的、有噪聲的、模糊的、隨機(jī)的數(shù)據(jù)中，提取隱含在其中的、人們事先不知道的、但又是潛在有用的信息和知識(shí)的過(guò)程，就是從存放在數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)或其他信息庫(kù)中的大量數(shù)據(jù)中挖掘有趣知識(shí)的過(guò)程。還有很多和這一術(shù)語(yǔ)相近似的術(shù)語(yǔ)，如從數(shù)據(jù)庫(kù)中發(fā)現(xiàn)知識(shí)(KDD)、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)融合(Data Fusion)以及決策支持等。人們把原始數(shù)據(jù)看作是形成知識(shí)的源泉，就像從礦石中采礦一樣。原始數(shù)據(jù)可以是結(jié)構(gòu)化的，如關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，也可以是半結(jié)構(gòu)化的，如文本、圖形、圖像數(shù)據(jù)，甚至是分布在網(wǎng)絡(luò)上的異構(gòu)型數(shù)據(jù)。發(fā)現(xiàn)知識(shí)的方法可以是數(shù)學(xué)的，也可以是非數(shù)學(xué)的；可以是演繹的，也可以是歸納的。發(fā)現(xiàn)了的知識(shí)可以被用于信息管理、查詢優(yōu)化、決策支持、過(guò)程控制等，還可以用于數(shù)據(jù)自身的維護(hù)。因此，數(shù)據(jù)挖掘是一門(mén)廣義的交叉學(xué)科，它匯聚了不同領(lǐng)域的研究者，尤其是數(shù)據(jù)庫(kù)、人工智能、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、可視化、并行計(jì)算等方面的學(xué)者和工程技術(shù)人員。

和數(shù)據(jù)挖掘同時(shí)出現(xiàn)或交互使用的是數(shù)據(jù)庫(kù)中的知識(shí)發(fā)現(xiàn)（KDD）。知識(shí)發(fā)現(xiàn)是人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物?！爸R(shí)發(fā)現(xiàn)”(Knowledge Discovery in Databases， KDD)一詞是1989年在美國(guó)底特律市召開(kāi)的第一屆KDD國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議上正式形成的。知識(shí)發(fā)現(xiàn)是指從數(shù)據(jù)庫(kù)大量的數(shù)據(jù)中通過(guò)分析提取出隱含的新穎的、有效的并能被人理解的規(guī)則或模式的高級(jí)處理過(guò)程。這里的規(guī)則或模式即我們所說(shuō)的知識(shí)。它給出數(shù)據(jù)的某些特性或數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，是對(duì)數(shù)據(jù)處理后獲取的更深層次的可利用決策支持的信息。數(shù)據(jù)挖掘只是數(shù)據(jù)庫(kù)中知識(shí)發(fā)現(xiàn)的一個(gè)步驟，但又是最重要的一步。一般在研究領(lǐng)域被稱作數(shù)據(jù)庫(kù)中知識(shí)發(fā)現(xiàn)的，在工程領(lǐng)域則稱之為數(shù)據(jù)挖掘。

二、海量數(shù)據(jù)查詢的問(wèn)題

只要是對(duì)海量的信息加以利用，不論是數(shù)據(jù)挖掘也好，知識(shí)發(fā)現(xiàn)也好，數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)也好，都離不開(kāi)底層對(duì)數(shù)據(jù)的操作。然而對(duì)于大多數(shù)的數(shù)據(jù)中心來(lái)講，數(shù)據(jù)膨脹的壓力是巨大的。數(shù)據(jù)不斷膨脹往往給應(yīng)用系統(tǒng)帶來(lái)一些難以忍受的后果，最典型的是系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中資源消耗需求量越來(lái)越大，運(yùn)行效率明顯降低，隨著時(shí)間的推移，達(dá)到難以忍受的程度。于是，針對(duì)于海量數(shù)據(jù)，人們提出了各種解決辦法。

三、海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與訪問(wèn)

產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)、訪問(wèn)海量數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)海量數(shù)據(jù)和保護(hù)海量數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)系統(tǒng)，因其在數(shù)據(jù)使用、管理、存儲(chǔ)、備份和復(fù)制等方面的先進(jìn)性，越來(lái)越為廣大企業(yè)所推崇和認(rèn)可。所以，許多企業(yè)在組建企業(yè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，都將根據(jù)自己網(wǎng)絡(luò)信息處理和運(yùn)用的特點(diǎn)，配有技術(shù)先進(jìn)、性能優(yōu)異、容量巨大、速度迅捷，且安全可靠和維護(hù)方便的網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)設(shè)備。目前，在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)存儲(chǔ)備份設(shè)備中，應(yīng)用最廣泛的，仍然是磁盤(pán)陣列、磁帶庫(kù)和光盤(pán)塔或光盤(pán)庫(kù)幾大類。其中，磁帶庫(kù)、磁盤(pán)陣列、光盤(pán)塔或光盤(pán)庫(kù)等存儲(chǔ)設(shè)備因其信息存儲(chǔ)特點(diǎn)的完全不同，應(yīng)用環(huán)境也有較大區(qū)別。其中，磁帶庫(kù)更多的是用于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的海量數(shù)據(jù)的定期備份，而磁盤(pán)陣列則主要用于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的海量數(shù)據(jù)的即時(shí)存取，光盤(pán)塔或光盤(pán)庫(kù)主要用于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的海量數(shù)據(jù)的訪問(wèn)。

利用先進(jìn)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理技術(shù)和大容量存儲(chǔ)管理技術(shù)，綜合考慮數(shù)據(jù)的查詢頻度的需求，將數(shù)據(jù)按照近期、中期、遠(yuǎn)期三個(gè)階段進(jìn)行分級(jí)存儲(chǔ)管理：將時(shí)間較近、訪問(wèn)頻繁的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在磁盤(pán)陣列中，提供高速的訪問(wèn)響應(yīng)；將時(shí)間較遠(yuǎn)、訪問(wèn)較少的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在低成本、大容量、易擴(kuò)展的光盤(pán)庫(kù)設(shè)備中，在保證合理響應(yīng)速度的前提下盡量降低系統(tǒng)成本。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，系統(tǒng)提供了對(duì)磁盤(pán)、光盤(pán)數(shù)據(jù)的一致性訪問(wèn)接口，對(duì)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)提供統(tǒng)一、透明的訪問(wèn)機(jī)制；系統(tǒng)同時(shí)提供了數(shù)據(jù)遷移的內(nèi)部管理機(jī)制，保證數(shù)據(jù)從磁盤(pán)遷移到光盤(pán)時(shí)對(duì)用戶的透明性。

對(duì)海量數(shù)據(jù)的訪問(wèn)，比較原始的做法是，由技術(shù)人員將已備至磁帶的數(shù)據(jù)倒回?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)要求查找記錄。此種查詢方式基本由手工完成，效率極低，同時(shí)造成巨大的人工浪費(fèi)。加上查詢范圍及時(shí)間跨度有限，無(wú)法充分利用歷史數(shù)據(jù)這一重要資源。因此許多用戶產(chǎn)生了這樣的希望：在生產(chǎn)系統(tǒng)之外建立一個(gè)獨(dú)立的歷史數(shù)據(jù)歸檔和查詢系統(tǒng)，將生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)自動(dòng)歸檔，將歷史數(shù)據(jù)從主機(jī)分離開(kāi)來(lái)，從而使主機(jī)在必要時(shí)可以將歷史數(shù)據(jù)剝離，輕裝前進(jìn)。同時(shí)保證歷史數(shù)據(jù)脫離主機(jī)后仍能使用，即脫離主機(jī)和數(shù)據(jù)庫(kù)后，仍可直接訪問(wèn)。這就意味著歸檔后的歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)該是可用的(accessible)，并且是可查詢的(query ready)。

四、海量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)處理技術(shù)

目前，關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用范圍最廣，占據(jù)了數(shù)據(jù)庫(kù)主流地位。關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)最初設(shè)計(jì)為基于主機(jī)/終端方式的大型機(jī)上的應(yīng)用，其應(yīng)用范圍較為有限，隨著客戶機(jī)/服務(wù)器方式的流行和應(yīng)用向客戶機(jī)方的分解，關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)又經(jīng)歷了客戶機(jī)/服務(wù)器時(shí)代，并獲得了極大的發(fā)展。隨著Internet應(yīng)用的普及，由于Internet上信息資源的復(fù)雜性和不規(guī)范性，關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)初期在開(kāi)發(fā)各種網(wǎng)上應(yīng)用時(shí)顯得力不從心，表現(xiàn)在無(wú)法管理各種網(wǎng)上的復(fù)雜的文檔型和多媒體型數(shù)據(jù)資源，后來(lái)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)于這些需求作出了一些適應(yīng)性調(diào)整，如增加數(shù)據(jù)庫(kù)的面向?qū)ο蟪煞忠栽黾犹幚矶喾N復(fù)雜數(shù)據(jù)類型的能力，增加各種中間件（主要包括CGI、ISAPI、ODBC、JDBC、ASP等技術(shù)）以擴(kuò)展基于Internet應(yīng)用能力，通過(guò)應(yīng)用服務(wù)器解釋執(zhí)行各種HTML中嵌入腳本來(lái)解決Internet應(yīng)用中數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)的顯示、維護(hù)、輸出以及到HTML的格式轉(zhuǎn)換等。此時(shí)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的基于Internet應(yīng)用的模式典型表現(xiàn)為一種三層或四層的多層結(jié)構(gòu)。在這種多層結(jié)構(gòu)體系下，關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)解決了數(shù)據(jù)庫(kù)的Internet應(yīng)用的方法問(wèn)題，使得基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)能夠開(kāi)發(fā)各種網(wǎng)上數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)的發(fā)布、檢索、維護(hù)、數(shù)據(jù)管理等一般性應(yīng)用。

首先，從關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)來(lái)分析查詢的內(nèi)部處理。

從組織結(jié)構(gòu)上來(lái)看，關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)都是由集合組成：數(shù)據(jù)庫(kù)是表的集合，表是元組的集合。一個(gè)表就是一個(gè)關(guān)系，對(duì)關(guān)系的操作有選擇、投影、連接。所以我們的查詢操作其實(shí)就是關(guān)系操作。

目前計(jì)算機(jī)能處理的數(shù)據(jù)信息大體可以分為兩類：一類是結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，如數(shù)字、符號(hào)等；另一類是非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，如圖像、聲音和網(wǎng)頁(yè)等。對(duì)于結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)技術(shù)發(fā)展到今天，關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)已經(jīng)成為處理結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的首選產(chǎn)品，而且關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)也是距今為止使用得最為廣泛的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)軟件。但是隨著網(wǎng)絡(luò)和軟件技術(shù)的飛速發(fā)展，Internet時(shí)代的數(shù)據(jù)越來(lái)越顯示出兩個(gè)最主要的特點(diǎn)，即非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)大量涌現(xiàn)和海量數(shù)據(jù)的產(chǎn)生。這對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和檢索技術(shù)提出了完全不同的新需求，集中表現(xiàn)在數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)本身的存儲(chǔ)和檢索技術(shù)上。特別是隨著非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，擅長(zhǎng)于處埋結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)始暴露出越來(lái)越多的局限，這些局限性也集中表現(xiàn)在對(duì)海量信息的存儲(chǔ)利檢索方面。在數(shù)據(jù)檢索方面，海量信息對(duì)查詢速度有較高的要求，查全率、查準(zhǔn)率是衡量檢索效率的標(biāo)準(zhǔn)。我們知道，關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的索引是基于B+樹(shù)的方法，這種方法對(duì)海量數(shù)據(jù)的檢索效率是非常低的，甚至幾乎不可行。而產(chǎn)生于70年代主要針對(duì)數(shù)值和字符處理的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)模型由于當(dāng)時(shí)應(yīng)用的局限，在設(shè)計(jì)時(shí)幾乎沒(méi)有考慮到多媒體、網(wǎng)頁(yè)等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)處理的問(wèn)題，沒(méi)有料到Internet會(huì)發(fā)展得如此迅速，沒(méi)有料到會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)急速膨脹的局面。所以，關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)在Internet時(shí)代的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和海量信息數(shù)據(jù)的處理方面存在著許多問(wèn)題，特別是關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)數(shù)據(jù)類型的處理只局限于數(shù)字、字符，對(duì)非結(jié)構(gòu)化信息的處理只是停留在簡(jiǎn)單的二進(jìn)制代碼文件的存儲(chǔ)，已經(jīng)不適應(yīng)用戶從原先數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單存儲(chǔ)上升為對(duì)數(shù)據(jù)的識(shí)別、檢索和深入加工的要求，基于Internet內(nèi)容的應(yīng)用尤其使關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)相形見(jiàn)絀，因此有人說(shuō)，數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)將進(jìn)入“后關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)代”，進(jìn)入基于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和內(nèi)容管理的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)代，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管現(xiàn)技術(shù)和檢索技術(shù)也會(huì)隨之發(fā)生相應(yīng)的變化，數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)與Web技術(shù)的結(jié)合成為研究的熱點(diǎn)。

關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)具有一個(gè)基本的規(guī)則，即保持事物的分離；它可以處理多個(gè)表；存在簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)關(guān)系，即：一對(duì)多、多對(duì)多的關(guān)系。鑒于其關(guān)系模型具有簡(jiǎn)單、堅(jiān)實(shí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)，一經(jīng)提出，立即引起學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛重視，從理論與實(shí)踐兩方面對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)產(chǎn)生了強(qiáng)烈的沖擊。在關(guān)系模型提出之前已經(jīng)存在的基于層次模型和網(wǎng)狀模型的數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)品很快走向衰敗以至消亡，一大批商品化關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)很快被開(kāi)發(fā)出來(lái)并迅速占領(lǐng)了市場(chǎng)，其交替速度之快，是軟件開(kāi)發(fā)歷史上罕見(jiàn)的。由于數(shù)據(jù)庫(kù)是計(jì)算機(jī)各種應(yīng)用的基礎(chǔ)，關(guān)系模型的提出不僅為數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)也成為促進(jìn)計(jì)算機(jī)普及應(yīng)用的極大推動(dòng)力。在考特提出關(guān)系模型以后，IBM投巨資開(kāi)展關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的研究，其“SystemR”項(xiàng)目的研究成果極大地推動(dòng)了關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的發(fā)展，在此基礎(chǔ)上推出的DB2和SQL等產(chǎn)品成為IBM的主流產(chǎn)品。System R本身雖作為原型并未問(wèn)世，但鑒于其影響，ACM把1988年的“軟件系統(tǒng)獎(jiǎng)”授予了System R開(kāi)發(fā)小組。這一年的軟件系統(tǒng)獎(jiǎng)還破例同時(shí)獎(jiǎng)勵(lì)兩個(gè)軟件，另一個(gè)得獎(jiǎng)軟件也是關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，即著名的INGRES。

隨著技術(shù)的進(jìn)步和市場(chǎng)需求的推動(dòng)，關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的功能越來(lái)越強(qiáng)，種類不斷增加，其應(yīng)用領(lǐng)域己多得難以統(tǒng)計(jì)，如聯(lián)機(jī)事務(wù)處理、聯(lián)機(jī)分析處理、決策支持系統(tǒng)、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)和數(shù)據(jù)集市等新概念。面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)性系統(tǒng)及通用數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)大多也是在關(guān)系系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行的擴(kuò)展。Internet時(shí)代的到來(lái)對(duì)傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)提出了新的挑戰(zhàn)。出于傳統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)主要是為企業(yè)內(nèi)部員工提供服務(wù)的，并且主要處理格式化的信息，而對(duì)Internet的特殊需求，傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)必須進(jìn)一步發(fā)展，以適應(yīng)Internet時(shí)代的要求，才能生存并發(fā)展下去。Internet時(shí)代的到來(lái)對(duì)傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)也提供了新的機(jī)遇。隨著 Internet的普及，信息技術(shù)將滲透到普通人生活的方方面面，從而進(jìn)一步推動(dòng)IT的發(fā)展。隨著信息的膨脹，必然會(huì)對(duì)信息的管理提出更高的要求，將來(lái)可能會(huì)出現(xiàn)另一種數(shù)據(jù)庫(kù)--對(duì)象數(shù)據(jù)庫(kù)，而關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)作為一種成熟的數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，仍然會(huì)在整個(gè)IT系統(tǒng)中占有非常重要的作用，并且仍會(huì)平穩(wěn)地發(fā)展。隨著各主流廠商的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)逐步轉(zhuǎn)向Internet，數(shù)據(jù)庫(kù)還將迎來(lái)一個(gè)新的發(fā)展高峰。

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