基于ElasticSearch 的元數(shù)據(jù)搜索與共享平臺

姜 康，馮 鈞，唐志賢，王 超

(河海大學(xué)計算機(jī)與信息學(xué)院，江蘇 南京 211100)

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)和RS 技術(shù)在水利行業(yè)中的廣泛應(yīng)用，中央、流域以及各地水利單位積累了大量分布異構(gòu)獨(dú)立的水利業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)［1］，如何實現(xiàn)這些數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通、信息共享、業(yè)務(wù)協(xié)同，成為水利信息化深入發(fā)展的迫切要求。建立水利領(lǐng)域的數(shù)據(jù)資源搜索與共享平臺是整合信息資源，深度利用分散存儲數(shù)據(jù)的有效途徑。目前一些水利單位采用構(gòu)建水利資源目錄服務(wù)系統(tǒng)的方式來支持?jǐn)?shù)據(jù)共享與發(fā)現(xiàn)［2-4］，然而各單位的目錄服務(wù)系統(tǒng)仍然存在相互獨(dú)立、重復(fù)建設(shè)等問題，無法形成有效的數(shù)據(jù)共享。與此同時，隨著水利數(shù)據(jù)的迅速增加，集中式的目錄服務(wù)系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足海量、高并發(fā)的訪問請求。因此，建立水利數(shù)據(jù)的搜索與共享的云平臺，對海量、分散、異構(gòu)的水利數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，提供高效的查詢與共享方式，成為水利領(lǐng)域內(nèi)迫切需要解決的問題。

ElasticSearch［5］是一個支持分布式、多租戶［6］、Restful 設(shè)計的開源搜索工具。業(yè)界針對ElasticSearch處理海量業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)搜索與數(shù)據(jù)集成進(jìn)行了廣泛的研究與實踐。王占宏等人［7］利用ElasticSearch 對公安系統(tǒng)內(nèi)部的多套系統(tǒng)資源進(jìn)行整合，通過提供統(tǒng)一的查詢?nèi)肟?，提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)檢索的處理能力與查詢效率。Jara A.J.等人［8］使用ElasticSearch 構(gòu)建了一個彈性擴(kuò)展、易于部署、接口簡單的移動發(fā)現(xiàn)平臺，用戶可以利用該平臺注冊與存儲物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備生產(chǎn)的數(shù)據(jù)，并支持用戶發(fā)現(xiàn)可以訪問的資源。Singh A.等人［9］針對企業(yè)業(yè)務(wù)平臺在集成多個云服務(wù)后，無法無縫查詢與監(jiān)控各個云服務(wù)系統(tǒng)的日志問題展開了研究，利用ElaticSearch 的多租戶機(jī)制，建立了海量數(shù)據(jù)存儲與搜索云平臺，幫助用戶記錄、查詢與監(jiān)控云服務(wù)的日志。Konoenko O.等人［10］利用ElasticSearch 對傳統(tǒng)問題追蹤器進(jìn)行改造，把每個問題建立為一個文檔，把問題的相關(guān)內(nèi)容抽象為索引的字段，當(dāng)問題發(fā)生變化時同步創(chuàng)建索引文檔，幫助開發(fā)人員定制問題追蹤視圖，掌握所涉及到的關(guān)鍵問題，如bug 修改、代碼評審等。上述文獻(xiàn)提供了相關(guān)領(lǐng)域中ElasticSearch 對海量數(shù)據(jù)處理、檢索與共享的方法，但是在構(gòu)建水利元數(shù)據(jù)搜索與共享平臺時，還面臨著水利領(lǐng)域異構(gòu)數(shù)據(jù)的處理［11］、租戶的索引歸屬問題［12-13］、數(shù)據(jù)共享的方式［14-15］等問題。

本文在采用ElacticSearch 技術(shù)的基礎(chǔ)之上，針對構(gòu)建水利數(shù)據(jù)搜索與共享平臺的需求展開研究。由于對水利異構(gòu)數(shù)據(jù)建立索引困難，本文采用統(tǒng)一的元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行規(guī)范化描述，以建立映射規(guī)則的方式，構(gòu)建元數(shù)據(jù)與索引文件之間的轉(zhuǎn)換橋梁;Elatic-Search 支持的索引隔離機(jī)制，沒有對租戶操作進(jìn)行限制，會導(dǎo)致租戶誤操作等問題，因此本系統(tǒng)采用多租戶的訪問控制策略，讓搜索與共享平臺以租戶為單位進(jìn)行索引數(shù)據(jù)的劃分，保證了租戶數(shù)據(jù)的安全性與一致性;ElasticSearch 把對索引資源的操作抽象為對URI 形式的接口的訪問，但是缺少對接口的訪問控制與共享范圍的控制，因此本系統(tǒng)建立了用戶共享視圖表用于限制共享對象與數(shù)據(jù)共享的粒度。

1 技術(shù)概念

1.1 ElasticSearch

ElasticSearch 提供了一個支持高并發(fā)、高可用、易擴(kuò)展的分布式搜索解決方案，RESTful 風(fēng)格的設(shè)計，能夠提供易用的查詢與共享接口。它在解決大數(shù)據(jù)相關(guān)問題中的良好表現(xiàn)，使得它成為企業(yè)級大數(shù)據(jù)解決方案中的首選工具之一，下面是它的主要特性:

1)多租戶支持。在共用的數(shù)據(jù)中心內(nèi)，以單一架構(gòu)與服務(wù)提供多個用戶使用，并提供定制化的服務(wù)。ElasticSearch 支持多個索引間的數(shù)據(jù)隔離，從底層支持了多租戶技術(shù)。

2)分布式。當(dāng)多個節(jié)點(diǎn)存在同一網(wǎng)段下，設(shè)置相同的集群名稱，即可組成一個分布式集群。良好的橫向擴(kuò)展設(shè)計，在數(shù)據(jù)規(guī)模的增長的情況下，可以彈性地增加服務(wù)器資源。

3)高可用性。ElasticSearch 采用無中心化的集群設(shè)計方式，集群中的中央節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障后，Elastic-Search 會自動遴選出一個新的節(jié)點(diǎn)作為中央節(jié)點(diǎn)，并自動進(jìn)行數(shù)據(jù)分片的遷移，保證用戶數(shù)據(jù)的安全與訪問。

4)全文搜索。ElasticSearch 底層采用了Lucene實現(xiàn)，支持Lucene 所有的功能。

5)索引機(jī)制。ElaticSearch 創(chuàng)建的索引包含以下幾個概念:索引、索引類型、Mapping、數(shù)據(jù)類型。與關(guān)系型數(shù)據(jù)庫相比較，索引相當(dāng)于數(shù)據(jù)庫，索引類型相當(dāng)于數(shù)據(jù)表，Mapping 相當(dāng)于表結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)類型相當(dāng)于列。單個索引中可以存在多個索引類型，索引類型由基本數(shù)據(jù)類型構(gòu)成，同一索引類型可以由多個索引共享。ElasitcSearch 采用的索引機(jī)制為異構(gòu)數(shù)據(jù)的存儲提供了新的思路。

6)RESTful 風(fēng)格的API。REST 是以資源為中心，把Web 看作一系列具有不同具體表現(xiàn)形式的抽象資源的組成，利用URI 來標(biāo)識資源，并提供HTTP 協(xié)議形式的統(tǒng)一訪問接口。利用RESTful 架構(gòu)，Elastic-Search 可以實現(xiàn)資源的封裝，并利用Rest 接口提供共享與檢索服務(wù)。

1.2 RBAC 模型

基于角色的訪問控制(Role Based Access Control，RBAC)［16-17］模型支持最小特權(quán)與責(zé)任分離原則，提出角色的概念，將主體和客體分離，主體通過角色獲得權(quán)限來對客體進(jìn)行訪問，RBAC 模型讓訪問控制變得更加靈活，簡化了權(quán)限管理，明確了責(zé)任的分配。

2 系統(tǒng)模型設(shè)計

如圖1 所示，基于ElasticSearch 的元數(shù)據(jù)搜索與共享平臺主要包括元數(shù)據(jù)存儲模型、元數(shù)據(jù)信息抽取模型、創(chuàng)建索引模型、多租戶訪問控制模型、服務(wù)共享模型等。

圖1 系統(tǒng)模型

元數(shù)據(jù)存儲模型為搜索與共享平臺的數(shù)據(jù)源，提供元數(shù)據(jù)注冊與收割2 種獲取水利元數(shù)據(jù)的途徑，元數(shù)據(jù)注冊為水利業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供元數(shù)據(jù)注冊服務(wù)接口，水利業(yè)務(wù)系統(tǒng)通過調(diào)用注冊接口可以把生產(chǎn)的元數(shù)據(jù)存儲到平臺中，元數(shù)據(jù)收割是在獲得用戶數(shù)據(jù)庫訪問權(quán)限后，抽取數(shù)據(jù)庫中的元數(shù)據(jù)并存儲到平臺中;元數(shù)據(jù)信息抽取模型用于從平臺存儲的元數(shù)據(jù)中抽取可以標(biāo)識元數(shù)據(jù)的核心信息;索引構(gòu)建模型對抽取的元數(shù)據(jù)信息構(gòu)建分布式索引;多租戶訪問控制模型用于控制用戶對索引資源訪問，保證平臺中索引資源的一致性與安全性;檢索與共享模型提供了檢索與多粒度數(shù)據(jù)共享的方法。下文將針對元數(shù)據(jù)信息抽取、索引的構(gòu)建、多租戶的訪問控制策略、檢索與共享服務(wù)4 個方面進(jìn)行描述。

2.1 元數(shù)據(jù)信息抽取

各個水利業(yè)務(wù)系統(tǒng)中，存在大量的異構(gòu)元數(shù)據(jù)，主要表現(xiàn)為元數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)項命名規(guī)則的不統(tǒng)一。針對異構(gòu)元數(shù)據(jù)創(chuàng)建的索引，會導(dǎo)致搜索結(jié)果出現(xiàn)語義不一致的問題。因此需要對異構(gòu)的元數(shù)據(jù)建立映射規(guī)則，定義異構(gòu)元數(shù)據(jù)與索引之間的轉(zhuǎn)換方式。水利元數(shù)據(jù)擁有很多數(shù)據(jù)項，從搜索的角度無需對所有元數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)項建立索引，只需挑選出能夠區(qū)分出元數(shù)據(jù)的核心項，對其建立索引。水利數(shù)據(jù)包含遙感影像數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)、關(guān)系數(shù)據(jù)等多種形式，這些元數(shù)據(jù)共性的屬性如摘要、創(chuàng)建時間、文件名稱、聯(lián)系方式等，可以作為共用的字段寫入映射表。而元數(shù)據(jù)中一些可以標(biāo)識元數(shù)據(jù)的非共性的屬性，如遙感影像中的衛(wèi)星信息，則作為可選字段寫入映射表。通過對各種類型的元數(shù)據(jù)設(shè)置映射表，則屏蔽了異構(gòu)元數(shù)據(jù)之間的差異性，并可利用共性與特有屬性之間的差異性更好地定位元數(shù)據(jù)。

圖2 元數(shù)據(jù)與索引映射關(guān)系

圖2 反映了元數(shù)據(jù)與索引之間的映射關(guān)系。水利元數(shù)據(jù)通常采用XML 形式的文檔進(jìn)行存儲，元數(shù)據(jù)模板即XML Schema 文件，用于規(guī)范水利元數(shù)據(jù)的類型與格式，映射關(guān)系給出了元數(shù)據(jù)中指定信息的xpath 路徑，通過xpath 可以獲得對應(yīng)的元數(shù)據(jù)屬性數(shù)據(jù)。索引模板定義了索引結(jié)構(gòu)，用于設(shè)定對應(yīng)元數(shù)據(jù)信息在索引中的表現(xiàn)形式，包含數(shù)據(jù)類型、是否存儲、是否分詞等信息。通過上述映射關(guān)系，可以把異構(gòu)的元數(shù)據(jù)映射為ElasticSearch 可識別的數(shù)據(jù)格式。

2.2 構(gòu)建索引

由于ElasticSearch 支持分布式索引服務(wù)，對于使用者來說，只需要調(diào)整索引存儲節(jié)點(diǎn)的分配策略即可實現(xiàn)系統(tǒng)的分布式運(yùn)行要求，因而構(gòu)建索引的問題集中到了異構(gòu)元數(shù)據(jù)的處理上，由于基于XML 的水利元數(shù)據(jù)通常由XML Schema 進(jìn)行約束，因此索引類型中的數(shù)據(jù)類型可以從相應(yīng)的Schema 文件中獲得，Schema 在平臺中是唯一的，保證了索引類型與元數(shù)據(jù)類型的一一對應(yīng)。ElasticSearch 創(chuàng)建的索引在邏輯上是隔離的，不同用戶創(chuàng)建的索引文件互不干擾，為用戶之間的數(shù)據(jù)共享提供了支撐。ElasticSearch 是面向JSON 文檔進(jìn)行操作的，平臺通過把抽取的元數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換為JSON 格式的文檔，利用創(chuàng)建好的Mapping 對JSON 文檔進(jìn)行匹配來創(chuàng)建索引，創(chuàng)建索引的具體流程如圖3 所示。

圖3 構(gòu)建索引流程

2.3 多租戶的訪問控制策略

雖然創(chuàng)建的單個索引是邏輯隔離的，由于無法控制索引的訪問范圍，無法保證搜索與共享平臺用戶數(shù)據(jù)的安全性與完整性，針對上述問題，本文提出基于多租戶的訪問控制策略，該方法在RBAC 模型基礎(chǔ)上結(jié)合水利多租戶的特征，以水利單位作為整體進(jìn)行角色的劃分，形成租戶與租戶組多層角色賦予機(jī)制，有效地控制了不同單位之間數(shù)據(jù)的訪問控制。本節(jié)將圍繞基于多租戶的訪問控制策略中租戶組與租戶的劃分、角色賦予、權(quán)限賦予、操作4 個方面進(jìn)行闡述，各部分的授權(quán)關(guān)系如圖4 所示。

圖4 基于多租戶的訪問控制

租戶是使用搜索與共享平臺的用戶，租戶組是一個單位租戶的集合，租戶與租戶組分別對應(yīng)水利單位用戶與單位內(nèi)所有用戶，租戶按對索引操作的分工可以劃分為平臺管理員(SA)、資源擁有者(OA)、資源訪問(VA)3 種角色。其中平臺管理員角色對應(yīng)的租戶不屬于任何租戶組，平臺管理員負(fù)責(zé)租戶創(chuàng)建索引文件的維護(hù)、存儲節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的管控、集群的維護(hù)等;資源擁有者可以創(chuàng)建索引資源、管理租戶組中的索引資源、管理索引可見性范圍、管理租戶組成員等;資源訪問者擁有基本的索引資源訪問權(quán)限。多租戶模式下，租戶內(nèi)創(chuàng)建的組內(nèi)共有資源為租戶組所有，租戶創(chuàng)建的私有資源則只有租戶可見。因此針對索引資源設(shè)計了3 個層級的訪問可見性范圍，即全局可見、租戶可見、組內(nèi)可見，通過設(shè)置索引的可見性范圍，可以靈活控制用戶對索引資源的操作。

系統(tǒng)依據(jù)用戶訪問的要求對權(quán)限分類為索引可見性權(quán)限、索引操作權(quán)限、以及租戶組成員授權(quán)等。系統(tǒng)將權(quán)限分配給角色后，通過指派用戶的角色可以執(zhí)行對資源的操作。用戶作為訪問索引資源的主體，索引資源是被訪問的客體，只有擁有權(quán)限的主體才有訪問客體的權(quán)限，主體對客體的訪問請求給予相應(yīng)資源的操作權(quán)限。水利單位作為租戶只可以對權(quán)限范圍內(nèi)的索引進(jìn)行訪問操作，通過索引可見性范圍以及租戶、索引、索引類型3 層索引管理機(jī)制的設(shè)定，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享與訪問的細(xì)粒度控制。

2.4 檢索與共享服務(wù)

ElasticSearch 采用了RESTful 設(shè)計風(fēng)格，其創(chuàng)建的所有索引資源使用了統(tǒng)一資源標(biāo)識符(URI)進(jìn)行統(tǒng)一描述。ElasitcSearch 提供了GET、POST、PUT、DELETE 四種動作來操作索引資源，其中GET 方法用于查詢索引資源，POST 方法用于更新索引資源，PUT 方法用于向索引文件中增加記錄，DELETE 方法用于刪除索引資源。在多租戶訪問控制策略下，不同角色對應(yīng)的租戶對索引資源的操作范圍各不相同。

在對索引進(jìn)行搜索時首先需要確定搜索范圍，即當(dāng)前租戶可見的索引。租戶依據(jù)賦予的角色可以獲得當(dāng)前的可見性范圍:group 為租戶組可見范圍內(nèi)的索引，group_admin 為租戶可見范圍內(nèi)的索引，global為平臺全局可見索引。針對平臺中的3 種角色，平臺管理員SA、資源擁有者OA 與資源訪問者VA，對索引的訪問可見性范圍分別定義為:SA_index={all/* }，OA_index={group，group_admin，global}，VA_index={group_index，global_index}。表1 展示了租戶所屬的角色對應(yīng)的搜索范圍，表中的URI 地址為搜索的Rest 服務(wù)，通過搜索范圍的限制，可以保證多租戶環(huán)境下的數(shù)據(jù)隔離與安全。

表1 搜索范圍控制

針對水利單位的多種共享需求:共享某測站某天的水位數(shù)據(jù)，共享A 衛(wèi)星傳回的遙感影像數(shù)據(jù)，共享某地區(qū)水利政務(wù)數(shù)據(jù)。從技術(shù)角度分析以上共享需求，可以抽象為:數(shù)據(jù)類型與記錄級的共享、索引類型級的共享、索引級的共享。采用建立用戶共享視圖表的方式設(shè)置共享的對象、共享的范圍、共享的索引與索引類型，服務(wù)調(diào)用方通過訪問用戶共享視圖表生成的URI 地址的方式獲得共享數(shù)據(jù)。因此，租戶可以通過設(shè)置用戶共享視圖表中的信息的方式控制URI地址的形式，從而滿足水利數(shù)據(jù)的多種粒度共享需求，并提高了共享的靈活性。

3 搜索與共享平臺實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)實現(xiàn)

依據(jù)上述系統(tǒng)模型實現(xiàn)了基于ElasticSearch 的元數(shù)據(jù)搜索與共享平臺，平臺主要由元數(shù)據(jù)管理模塊、元數(shù)據(jù)抽取模塊、索引映射模塊、索引構(gòu)建模塊、索引存儲模塊、分布式集群、多租戶訪問控制模塊、用戶共享表、共享與檢索服務(wù)模塊構(gòu)成，各模塊之間的關(guān)系如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)模塊與關(guān)系圖

1)元數(shù)據(jù)管理模塊負(fù)責(zé)接收各個水利單位在平臺的中存儲元數(shù)據(jù)，按照單位、元數(shù)據(jù)所有者、元數(shù)據(jù)類型來管理數(shù)據(jù)庫中的元數(shù)據(jù)。

2)元數(shù)據(jù)抽取模塊，按照索引配置項從元數(shù)據(jù)庫中抽取出元數(shù)據(jù)指定xpath 對應(yīng)的信息。

3)索引映射模塊，使用映射表屏蔽不同元數(shù)據(jù)類型的差異性，利用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)規(guī)范定義數(shù)據(jù)。

4)索引構(gòu)建模塊，針對指定元數(shù)據(jù)創(chuàng)建相應(yīng)的索引Mapping，把映射后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為JSON 文檔，與Mapping 匹配后建立索引。

5)索引存儲模塊，把創(chuàng)建好的索引存儲到分布式集群中。

6)分布式集群模塊由3 個節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，節(jié)點(diǎn)中分別部署ElasticSearch server，設(shè)置server cluster 為相同網(wǎng)段，利用ElasticSearch 的廣播監(jiān)聽機(jī)制連接各個節(jié)點(diǎn)，組成分布式索引集群。

7)多租戶訪問控制模塊，控制用戶對索引資源的訪問請求，保證用戶數(shù)據(jù)的安全性與一致性。

8)用戶共享視圖表存儲了數(shù)據(jù)共享的信息，用戶可以填寫索引、索引類型以及數(shù)據(jù)的訪問者，當(dāng)訪問者需要訪問指定數(shù)據(jù)時，可以查8)詢共享表信息，從而獲得當(dāng)前可見的索引數(shù)據(jù)。

9)共享與檢索服務(wù)，利用RESTful 服務(wù)接口封裝了索引資源的操作，用戶利用URI 地址可以對索引資源進(jìn)行訪問。

3.2 運(yùn)行實例

水利元數(shù)據(jù)搜索與共享平臺實現(xiàn)了多個水利單位共用系統(tǒng)，為各個水利提供數(shù)據(jù)搜索服務(wù)，并支持各個水利單位之間多種粒度的數(shù)據(jù)共享。圖6 為平臺運(yùn)行實例，平臺中租戶可以擁有多個索引資源的操作權(quán)限，每個索引中可以存在多個索引類型?！癿wr”為平臺租戶，其屬于水利部租戶組，該用戶登陸平臺后，其搜索可見性范圍為水利部內(nèi)部可見索引。

圖6 針對租戶提供的個性化搜索界面

當(dāng)租戶需要共享指定類型的數(shù)據(jù)時，把共享需求填入用戶共享視圖表中，系統(tǒng)通過構(gòu)造URI 地址來實現(xiàn)指定粒度的數(shù)據(jù)共享。例如水利部租戶向用戶A 共享水利部的“ZY”衛(wèi)星傳回的遙感影像數(shù)據(jù)，該租戶需要在用戶共享視圖表中填入需要共享的索引、索引類型、共享對象，系統(tǒng)則構(gòu)造一個URI 地址:ip:9200/mwr_index/ZY_img，用戶A 則可以通過Rest 服務(wù)提供的GET 操作訪問該URI 地址，從而獲得指定索引類型的數(shù)據(jù)，滿足了水利數(shù)據(jù)共享時粒度控制的要求。

4 結(jié)束語

本文實現(xiàn)了基于ElasticSearch 的水利元數(shù)據(jù)搜索與共享平臺，通過租用搜索與共享平臺的軟件服務(wù)，中央、流域與地方各級水利單位無需重新開發(fā)一套搜索與共享服務(wù)系統(tǒng)，分布式的解決方案適應(yīng)了水利領(lǐng)域高并發(fā)、高伸縮性的查詢請求，多粒度的數(shù)據(jù)共享方式有力地支持了單位之間數(shù)據(jù)共享與發(fā)現(xiàn)。下一步將針對搜索與共享平臺的索引資源提供更多服務(wù)，例如對水利行業(yè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘與分析等，讓水利行業(yè)的數(shù)據(jù)發(fā)揮出更多的價值。

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