基于Aurora系統(tǒng)的持續(xù)型查詢語言設(shè)計與實現(xiàn)

王洪亞，曹姣，金杰

東華大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620

基于Aurora系統(tǒng)的持續(xù)型查詢語言設(shè)計與實現(xiàn)

王洪亞，曹姣，金杰

東華大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620

隨著新型數(shù)據(jù)應(yīng)用的不斷出現(xiàn)，針對流形態(tài)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)流管理系統(tǒng)已經(jīng)成為數(shù)據(jù)管理領(lǐng)域研究的新熱點。針對目前通用數(shù)據(jù)流管理系統(tǒng)只支持基于操作符流圖的查詢表達(dá)方式這一不足，設(shè)計了一種新的持續(xù)型數(shù)據(jù)流查詢語言，并在通用數(shù)據(jù)流處理系統(tǒng)Aurora上進(jìn)行了實現(xiàn)。為驗證新語言的表達(dá)能力，該系統(tǒng)使用新語言定義了數(shù)據(jù)流基準(zhǔn)測試Linear Road Benchmark的查詢集，在Aurora系統(tǒng)上部署運行。測試結(jié)果表明針對Linear Road Benchmark的測試用例，新語言具有較完備的語義和良好的表達(dá)能力。

數(shù)據(jù)流；數(shù)據(jù)流管理系統(tǒng)；持續(xù)型查詢語言

1 引言

數(shù)據(jù)流指只能以事先規(guī)定好的順序被讀取一次或幾次的數(shù)據(jù)的一個序列[1-3]。與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)相比，數(shù)據(jù)流具有大量、快速、隨時間變化、數(shù)據(jù)量大小事先不確定等特點。這些特點使得需要對通用數(shù)據(jù)流管理系統(tǒng)進(jìn)行研究。近年來，國內(nèi)外在數(shù)據(jù)流管理領(lǐng)域開展了很多工作，并取得了不少研究成果。目前代表性的數(shù)據(jù)流管理原型系統(tǒng)有Aurora[4-5]、STREAM[6]、Telegraph[7]等，其中Aurora系統(tǒng)是由美國布蘭代斯大學(xué)、布朗大學(xué)和麻省理工學(xué)院合作開發(fā)的一個數(shù)據(jù)流管理原型系統(tǒng)。

雖然Aurora原型系統(tǒng)具有豐富的數(shù)據(jù)流操作符、可擴(kuò)展的軟件架構(gòu)和良好的數(shù)據(jù)流處理性能，但在Aurora中不支持聲明式（Declarative）的數(shù)據(jù)流查詢語言，所有用戶查詢需要通過圖形接口表示為操作符流圖。這對于大量熟悉SQL語句的數(shù)據(jù)庫開發(fā)人員來說很不方便，同時也不利于后續(xù)基于Aurora系統(tǒng)的研究與開發(fā)。為此，基于Aurora系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)了一種通用的持續(xù)型查詢語言Conger CQL，本文的主要工作包括：

（1）設(shè)計了一個具有精確語義和豐富表達(dá)能力的持續(xù)型查詢語言Conger CQL。

（2）在Aurora數(shù)據(jù)流原型系統(tǒng)上實現(xiàn)了Conger CQL，具體包括Conger CQL的BNF定義、CQL查詢解析和核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)生成以及Aurora操作符綁定等，最終根據(jù)用戶的查詢定義生成相應(yīng)的物理執(zhí)行計劃。

（3）為了驗證Conger CQL的表達(dá)能力，使用新語言定義了標(biāo)準(zhǔn)測試程序Linear Road Benchmark的查詢集。測試結(jié)果表明Conger CQL具有精確的語義和豐富的表達(dá)能力，可以表達(dá)復(fù)雜的持續(xù)型查詢。

2 Aurora數(shù)據(jù)流處理系統(tǒng)簡介

Aurora數(shù)據(jù)流管理系統(tǒng)是由美國布蘭代斯大學(xué)、布朗大學(xué)和麻省理工學(xué)院合作開發(fā)的一個數(shù)據(jù)流管理原型系統(tǒng)。Aurora采用了類似于工作流的查詢語言，其最重要的結(jié)構(gòu)是Box和Arrow，每一個Box代表一個操作符（Operator）；每一個有向的Arrow代表數(shù)據(jù)流從一個操作符傳遞到另外一個操作符。一個Aurora的查詢定義為由操作符組成的有向無環(huán)圖，如圖1所示。

圖1 Aurora系統(tǒng)模型圖

Aurora定義和實現(xiàn)了七種基本操作符，分別是選擇（Filter）、投影（Map）、合并（Union）、冒泡排序（BSort）、聚集（Aggregate）、連接（Join）和重采樣（Resample）。這些操作符和傳統(tǒng)的關(guān)系代數(shù)類似，但由于數(shù)據(jù)流具有潛在的無限性，對于連接這樣的阻塞型操作符，需要使用滑動窗口將數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為時變關(guān)系，然后再在滑動窗口上進(jìn)行連接操作。這是數(shù)據(jù)流處理與傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫查詢處理的重要區(qū)別之一。

Aurora系統(tǒng)支持三種類型的查詢，即持續(xù)查詢（Continuous Query）、視圖和Ad hoc查詢。持續(xù)查詢一旦由用戶注冊后就一直在系統(tǒng)中運行；視圖是調(diào)度器控制下物化的用戶定義查詢，通過視圖可以加快查詢的速度；Ad hoc查詢指一次性的針對數(shù)據(jù)流和歷史數(shù)據(jù)的用戶查詢。Aurora的系統(tǒng)模型如圖1所示。

Aurora系統(tǒng)只支持基于操作符流圖的查詢定義方式，雖然該方式具有比較直觀的特點，但用戶需要對底層操作符有足夠深入的理解才能構(gòu)造出所需要的操作符網(wǎng)絡(luò)，而這一過程對大量熟悉SQL語言的數(shù)據(jù)庫開發(fā)人員來說過于復(fù)雜。為此，本文設(shè)計了面向數(shù)據(jù)流處理的持續(xù)型查詢語言Conger CQL[8]，并在Aurora數(shù)據(jù)流管理系統(tǒng)上進(jìn)行了實現(xiàn)。需要強調(diào)的是Aurora的操作符圖和本文設(shè)計實現(xiàn)的持續(xù)型查詢語言各有自己的優(yōu)點，是互為補充的關(guān)系。

3 持續(xù)性查詢語言設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 Conger CQL設(shè)計

完整的Conger CQL語法[9-10]如下所示：

下面分別對語法中的主要組成部分進(jìn)行詳細(xì)描述。

（1）滑動窗口定義（window_specification）[11]

滑動窗口是數(shù)據(jù)流處理中為了避免阻塞型操作符（如連接操作）長時間等待到達(dá)流數(shù)據(jù)而無法及時輸出結(jié)果所采用的一種機(jī)制，在數(shù)據(jù)流處理系統(tǒng)中被廣泛使用，Conger CQL的滑動窗口語法定義如下：

其中關(guān)鍵字RANGE定義窗口的大??；SLIDE定義窗口的滑動距離；ON定義時間屬性；ROW定義該窗口是基于元組個數(shù)的。示例查詢2給出了一個窗口大小為10 min，滑動距離為1 min的窗口定義。

（2）SELECT子句

每個SELECT子句至少要有一個選擇列表（select_ expr）來指定要選擇的字段或表達(dá)式。在示例查詢1中，數(shù)據(jù)流stock_stream的所有字段都按原有的順序輸出，該子句對應(yīng)Aurora的投影操作符。

（3）FROM子句

每FROM子句包含至少一個數(shù)據(jù)流引用（stream_ references）。當(dāng)需要對多個流進(jìn)行連接操作時，使用stream1 JOIN stream2 ON stream1.attribute1=stream2. attribute2子句。選擇出的屬性還可用AS關(guān)鍵字指定別名。示例查詢2給出最近一段時間（10 min）某個股票的最大價格，查詢結(jié)果每分鐘更新一次。From子句中的數(shù)據(jù)流引用對應(yīng)Aurora操作符的輸入流。

示例查詢2：SELECTMAX（price）FROM stock_stream [RANGE 10 MINUTES SLIDE 1 MINUTE]

（4）WHERE子句

WHERE是Conger CQL中的可選子句，其中where_ condition指定對輸入數(shù)據(jù)流的選擇謂詞，該子句對應(yīng)Aurora的選擇操作符。示例查詢3表示從輸入流中篩選出價格大于10的股票交易數(shù)據(jù)。

示例查詢3：SELECT*FROM stock_stream WHERE price>10

（5）GROUP BY子句

GROUP BY子句也是Conger CQL中的可選子句，對應(yīng)Aurora的聚集操作符，用于對數(shù)據(jù)流進(jìn)行常見的統(tǒng)計操作。示例查詢4中，該查詢首先計算最近一段時間（10 min）每個股票的最大價格，然后選擇最大價格大于10的輸出出來。

示例查詢4：SELECT MAX（price）FROM mutil_stock_ stream[RANGE 10 MINUTES SLIDE 1 MINUTE]GROUP BY stock HAVING MAX（price）>10

表1給出了Conger CQL與數(shù)據(jù)流常用關(guān)系操作符的對應(yīng)關(guān)系，證明設(shè)計的語言在語義上是完備的。

表1 Conger CQL與關(guān)系操作符對應(yīng)關(guān)系

3.2Conger CQL實現(xiàn)

Aurora數(shù)據(jù)流管理系統(tǒng)提供了較完備的數(shù)據(jù)流處理功能，且在三個主流的數(shù)據(jù)流管理原型系統(tǒng)（Aurora，STREAM和TelegraphCQ）中具有最好的性能和可擴(kuò)展性，因此選擇在Aurora系統(tǒng)中實現(xiàn)對Conger CQL的支持。Aurora系統(tǒng)的核心代碼有十幾萬行，而添加Conger CQL語言接口需要對Aurora的核心代碼進(jìn)行修改和擴(kuò)充，因此具有較大的難度和工作量。目前具有Conger CQL擴(kuò)展的Aurora系統(tǒng)代碼已經(jīng)放置在https：//github. com/dhu/conger上供有興趣的讀者下載，為支持Conger CQL新添加的源代碼超過7 000行。

首先使用自動編譯器生成工具ANTLR3定義了Conger CQL的BNF描述。下面給出了Conger CQL的BNF描述的一個片段，受篇幅限制（完整的BNF描述有超過700行的語法定義），沒有列出完整的Conger CQL的BNF描述。

在上述BNF語法定義中，sfw_block是最頂層的語法規(guī)則，表示一個完整SELECT-FROM-WHERE查詢語句，它由一個select_clause子句、from_clause子句，加上可選的opt_group_by_clause子句、opt_having_clause子句、opt_where_clause子句組成。關(guān)鍵字“->^”指定了生成抽象語法樹的結(jié)構(gòu)。

完成BNF定義后，就可以對輸入的Conger CQL進(jìn)行詞法和語法解析，并生成抽象語法樹。對示例查詢5解析后，可以得到圖2所示的抽象語法樹。

示例查詢5：SELECT time，COUNT（car_id）AS volume FROM positionreport[RANGE 30 SECONDS SLIDE 3 SECONDS]

在編譯得到抽象語法樹后，需要遍歷抽象語法樹，將用戶的查詢參數(shù)寫入到自定義的核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。同樣限于篇幅沒有給出所定義的核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，有興趣的讀者可以在https：//github.com/dhu/conger上下載。

完成核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的初始化后，最后需要根據(jù)這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)容將Aurora的相關(guān)操作符組合成查詢網(wǎng)絡(luò)，完成物理執(zhí)行計劃的生成。在目前的版本，主要支持對應(yīng)一個和兩個Aurora操作符Conger CQL查詢，由多個操作符組成的查詢網(wǎng)絡(luò)可表達(dá)為多個查詢語句。首先介紹僅對應(yīng)一個操作符的查詢類別：

（1）SELECT*FROM stream_name WHERE id>1，該類查詢對應(yīng)Aurora的選擇操作符。

圖2 抽象語法樹

（2）SELECT id，name FROM stream_name，該類查詢對應(yīng)Aurora的投影操作符。

（3）SELECTCOUNT（id）FROMstream_name [RANGE 10 MINUTES SLIDE 1 MINUTE]，該類查詢對應(yīng)Aurora的聚集操作符。

（4）SELECT stream1.name，stream2.name FROM stream1[RANGE 10 MINUTES SLIDE 1 MINUTE] JOIN stream2[RANGE 10 MINUTES SLIDE 1 MINUTE] ON stream1.id=stream2.id，該類查詢對應(yīng)Aurora的連接操作符。

下面，將介紹對應(yīng)兩個Aurora操作符的復(fù)雜CQL?？紤]Aurora中最重要的四個操作符：選擇、投影、連接和聚集，這四個操作符一共有如下12種組合方式：

（1）選擇->投影，例子：SELECT a，b，c FROM s1 WHERE c>2。

（2）投影->選擇，可以用第一種情況代替，因為位置互換后兩者的語義是等價的。

（3）選擇->連接，例子：SELECT s1.a，s1.b，s2.c，s2.d FROM s1[10]JOIN s2[20]ON s1.a=s2.c WHERE s1. b>3 AND s2.d<4 AND s1.e=10。

（4）連接->選擇，與上一種情況語義是等價的。

（5）連接->投影，例子：SELECT s1.a/2，s1.b-3，s2.c，s2.d FROM s1[10]JOIN s2[20]ON s1.a=s2.c。此類查詢只需要在連接操作符輸出流后面增加一個投影操作符即可。

（6）投影->連接，沒有Conger CQL語句對應(yīng)這種組合。

（7）聚集->投影，例子：SELECT MAX（a）/2-c+，d FROM s1[10]GROUP BY c，d。

（8）投影->聚集，沒有Conger CQL語句對應(yīng)這種組合。

（9）連接->聚集，例子；SELECT MAX（s1.e）FROM s1[10]JOIN s2[20]ON s1.a=s2.c GROUP BY s1.b，s2.d。

（10）聚集->連接，沒有Conger CQL語句對應(yīng)這種組合。

（11）選擇->聚集，例子：SELECT MAX（a），MIN（b）FROM s1[10]GROUP BY c，d WHERE e>10。

（12）聚集->選擇，例子：SELECT MAX（a），MIN（b）FROM s1[10]GROUP BY c，d HAVING MAX（a）> 10 OR MIN（b）<3。

上述兩個操作符組合的技術(shù)關(guān)鍵在于需將第一個操作符的輸出流命名為一個中間流，然后將其作為第二個操作符的輸入流，并最終組合成查詢網(wǎng)絡(luò)[12]。這些都涉及到對Aurora系統(tǒng)核心代碼的修改和擴(kuò)充，具體代碼見https：//github.com/dhu/conger。

4 實驗評估

完成持續(xù)型查詢語言Conger CQL的設(shè)計和實現(xiàn)后，需要對其表達(dá)能力和語義正確性進(jìn)行測試。本文使用目前數(shù)據(jù)流處理事實上的標(biāo)準(zhǔn)測試程序Linear Road Benchmark對Conger CQL進(jìn)行了測試。

Linear Road Benchmark[13]模擬了一個高速公路的收費系統(tǒng)，在系統(tǒng)中假設(shè)一個城市由10條并行的高速公路組成，每條高速公路被分成100段，每段都有一個進(jìn)出口，汽車可以隨意根據(jù)當(dāng)前的路況選擇在某一段進(jìn)入或離開某一個高速公路。高速公路中的汽車每30 s向服務(wù)器發(fā)送一個位置信息。

下面以Linear Road Benchmark中的車輛計費模塊為例介紹Conger CQL測試結(jié)果。車輛計費模塊的功能是實時地統(tǒng)計每段道路的擁塞程度，并根據(jù)路況計算收費額度，同時對離開該段道路的車輛發(fā)送計費信息[3]。

車輛計費模塊的輸入數(shù)據(jù)流（positionreport）的字段包括時間（time）、車輛編號（car_id）、速度（speed）、高速公路編號（exp_way）、車道編號（lane）、行駛方向（dir）、路段編號（seg）、位置信息（x-pos）。輸出數(shù)據(jù)流的模式包括車輛編號、收費信息、公路編號、行駛方向以及該車輛所行駛的路段等字段。為完成車輛計費模塊的功能，使用Conger CQL定義了如下的七條查詢，這里請注意查詢七的輸出流是最終需要的，其他查詢的輸出數(shù)據(jù)流為中間流。

查詢?nèi)嬎闫骄囁傩∮?0 mile/h的路段，該查詢將查詢一和查詢二的輸出數(shù)據(jù)流segvol、segavgspee進(jìn)行連接操作。查詢?nèi)妮敵鰯?shù)據(jù)流為segmenttoll_filter，輸出流的模式為（way，dir，seg，volume，vol_time，avgspeed_ time，avg_speed）。

查詢四根據(jù)收費規(guī)則計算每一段平均車速小于40 mile/h的公路的當(dāng)前費率。費率計算公式為15×（volume-150）×（volume-150），其中volume為當(dāng)前該路段上的車流量。該查詢的輸入流為查詢?nèi)妮敵隽鱯egmenttoll_filter。輸出流為segmenttoll，其模式為（time，way，dir，seg，vol_time，avgspeed_time，toll）。

查詢五計算當(dāng)前公路上正在行駛的車輛數(shù)量，輸入數(shù)據(jù)流為positionreport，輸出數(shù)據(jù)流為curactivecars，其模式為（car_id，way，dir，seg，time，car_count）。

查詢六統(tǒng)計哪些車輛第一次進(jìn)入一個新路段。輸入數(shù)據(jù)流為curactivecars，輸出數(shù)據(jù)流為newcarentry，輸出流模式為（car_id，way，dir，seg，time，car_count）。

查詢七對那些正要離開前一段公路進(jìn)入新段公路的車輛進(jìn)行計費，該查詢有兩個輸入流，分別為查詢四和查詢六的輸出流segmenttoll和newcarentry。該查詢的輸出數(shù)據(jù)流為cartoll，其模式為（car_id.Toll，way，dir，seg），該輸出數(shù)據(jù)流也是最終要得到的數(shù)據(jù)流。

上述七個查詢組合在一起完成了車輛計費模塊功能。這些查詢經(jīng)過查詢解析模塊解析后可得到如圖3所示的物理執(zhí)行計劃。該執(zhí)行計劃包括了三個聚集操作符、兩個連接操作符、兩個選擇操作符和三個投影操作符。根據(jù)車輛計費模塊查詢定義可以看出，Conger CQL提供了良好的表達(dá)能力，可使用戶不用直接使用這些底層操作符構(gòu)建查詢網(wǎng)絡(luò)。

圖3 物理執(zhí)行計劃

將車輛計費模塊的七個查詢在Auraro系統(tǒng)上進(jìn)行了部署和運行。查詢的輸入數(shù)據(jù)流為MIT開發(fā)的交通微觀仿真軟件MITSIMLab生成的3 h的道路交通信息，這些數(shù)據(jù)由客戶端實時地發(fā)送給Aurora系統(tǒng)，圖4給出了編號為694的車輛所收到的部分輸出數(shù)據(jù)流?？梢钥闯鲈?94號車輛行駛過程中，每當(dāng)進(jìn)入一個新路段時都會收到系統(tǒng)發(fā)送的該路段的費率情況。

圖4 編號為694車輛的部分輸出數(shù)據(jù)流

還利用Linear Road Benchmark自帶的正確性校驗程序?qū)囕v計費模塊完整的輸出數(shù)據(jù)流進(jìn)行了正確性檢驗。實驗結(jié)果表明，查詢的輸出數(shù)據(jù)流在內(nèi)容上和時間順序上與標(biāo)準(zhǔn)輸出數(shù)據(jù)流一致。

通過Linear Road Benchmark測試表明針對這些測試用例，Conger CQL具有良好的表達(dá)能力和較好的完備性和正確性。此外，本文所設(shè)計的語言可根據(jù)新的持續(xù)性查詢語言的規(guī)范進(jìn)行擴(kuò)充和完善[14]。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一個語義完備且具有豐富表達(dá)能力數(shù)據(jù)流持續(xù)型查詢語言Conger CQL，并在Aurora數(shù)據(jù)流管理系統(tǒng)上對該語言進(jìn)行了實現(xiàn)。為驗證Conger CQL的正確性和有效性，使用Conger CQL對Linear Road Benchmark的查詢集進(jìn)行了定義并在Aurora部署運行。實驗結(jié)果表明Conger CQL能夠完整地表達(dá)Linear Road Benchmark的查詢集，為這些查詢集提供了正確的查詢語義。

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WANG Hongya,CAO Jiao,JIN Jie

College of Computer Science and Technology,Donghua University,Shanghai 201620,China

The research on data stream management systems has gained much attention recently because of the emergence of many real-time data processing applications.Aurora is a general-purpose fully functional data stream management system, which only supports queries in the form of operator network.To this end,this paper designs and implements a continuous query language called Conger CQL based on Aurora.In order to verify the expression ability of Conger CQL,it implements the Linear Road Benchmark using Conger CQL,which shows that Conger CQL is able to express complex continuous queries defined by the Linear Road Benchmark.

data stream;data stream management system;continuous query language

A

TP311

10.3778/j.issn.1002-8331.1211-0275

WANG Hongya,CAO Jiao,JIN Jie.Design and implementation of continuous query language based on Aurora system. Computer Engineering and Applications,2014,50（21）：133-138.

國家自然科學(xué)基金（No.60903160，No.61103046）。

王洪亞（1976—），男，博士，副教授，主要研究方向為數(shù)據(jù)庫理論與系統(tǒng)、實時計算和移動計算；曹姣（1989—），女，碩士研究生，主要研究方向為數(shù)據(jù)庫理論、查詢處理；金杰（1987—），男，碩士研究生，主要研究方向為數(shù)據(jù)流管理系統(tǒng)。E-mail：hy-wang@dhu.edu.cn

2012-11-23

2013-03-18

1002-8331（2014）21-0133-06

CNKI出版日期：2013-04-08，http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2127.TP.20130408.1650.024.html