淺談大數(shù)據(jù)關(guān)鍵技術(shù)

引 言

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)和智能手機(jī)的普及，數(shù)據(jù)量呈爆炸式增長(zhǎng)，大數(shù)據(jù)時(shí)代已經(jīng)到來，如何存儲(chǔ)管理和分析這些大數(shù)據(jù)是目前研究的熱點(diǎn)。

1 大數(shù)據(jù)概述

大數(shù)據(jù)的常見特點(diǎn)包括大規(guī)模（Volume）、 高速性（Velocity）和多樣性（Variety）[1]。大規(guī)模說明大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)非常多，數(shù)據(jù)量在 ZB 級(jí)別 ；高速性說明大數(shù)據(jù)要求數(shù)據(jù)處理與分析具有“實(shí)時(shí)性”；多樣性說明大數(shù)據(jù)不僅有傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，還有更多普遍采用文件系統(tǒng)存儲(chǔ) [2] 的半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。一般來說，大數(shù)據(jù)的處理流程分為 ： 數(shù)據(jù)抽取與集成、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)據(jù)解釋 [3]。

2 大數(shù)據(jù)關(guān)鍵技術(shù)

大數(shù)據(jù)有很多技術(shù)，本文僅介紹容錯(cuò)技術(shù)和可視化分析這兩個(gè)重要的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 容錯(cuò)技術(shù)

目前分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)一般采用容錯(cuò)技術(shù)來提高系統(tǒng)的可靠性，當(dāng)某些數(shù)據(jù)失效時(shí)利用容錯(cuò)技術(shù)來訪問冗余數(shù)據(jù)。容錯(cuò)技術(shù)主要是利用數(shù)據(jù)冗余來實(shí)現(xiàn)，目前有兩種方法 ：復(fù)制（Replication）和糾刪碼（Erasure Code）[4]。

2.1.1 基于復(fù)制的容錯(cuò)技術(shù)

基于復(fù)制的容錯(cuò)技術(shù)的原理是將所有數(shù)據(jù)對(duì)象復(fù)制成多個(gè)數(shù)據(jù)副本，同時(shí)將這些數(shù)據(jù)副本分布在不同的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)， 當(dāng)某個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象失效時(shí)，可利用其他數(shù)據(jù)副本來讓存儲(chǔ)系統(tǒng)正確運(yùn)行。

目前有許多系統(tǒng)是采用基于復(fù)制的容錯(cuò)技術(shù)，如 Google公司的 GFS 和 HDFS，Amazon 公司的 Dynamo，它們分別采用基于元數(shù)據(jù)服務(wù)器（Meta-Data Server，MDS）的組織結(jié)構(gòu)和基于 P2P 的組織結(jié)構(gòu)。

基于元數(shù)據(jù)服務(wù)器的組織結(jié)構(gòu)是利用元數(shù)據(jù)服務(wù)器來進(jìn)行集中式管理，管理 MDS存儲(chǔ)數(shù)據(jù)及其副本相關(guān)信息。副本的信息主要有位置信息和副本與數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如讀取數(shù)據(jù)，需要訪問 MDS來獲取數(shù)據(jù)對(duì)象的位置信息 ；基于P2P的組織結(jié)構(gòu)是利用 P2P的方式組織管理存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，存儲(chǔ)或訪問數(shù)據(jù)時(shí)，利用分布式哈希表（DistributedHashTable， DHT）來確定存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)。

如何創(chuàng)建數(shù)據(jù)的副本和創(chuàng)建多少個(gè)副本是復(fù)制策略需要考慮的問題，目前復(fù)制策略有兩種 ：靜態(tài)和動(dòng)態(tài)。靜態(tài)復(fù)制策略是系統(tǒng)運(yùn)行前指定數(shù)目的副本，如 GFS和 HDFS兩個(gè)系統(tǒng)中由配置參數(shù)確定副本的數(shù)目，優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是缺乏靈活 ；動(dòng)態(tài)復(fù)制策略根據(jù)系統(tǒng)環(huán)境動(dòng)態(tài)地創(chuàng)建副本，優(yōu)點(diǎn)是靈活，缺點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)難。

創(chuàng)建的數(shù)據(jù)副本如何存放是放置策略需要考慮的問題， 目前放置策略有兩種 ：順序和隨機(jī)。順序放置策略是將所有副本按順序存放到存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，而隨機(jī)放置策略是將所有副本隨機(jī)存放到存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)。

2.1.2 基于糾刪碼的容錯(cuò)技術(shù)

基于糾刪碼的容錯(cuò)技術(shù)的原理是將需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)對(duì)象D平均分成 k 個(gè)數(shù)據(jù)塊（D1，D2，…，Dk），同時(shí)給這些數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼，編碼為（X1，X2，…，Xn），當(dāng)讀取數(shù)據(jù)時(shí)，可以通過編碼塊（X1，X2，…，Xn）解碼為原始數(shù)據(jù)對(duì)象 D。目前，糾刪碼的容錯(cuò)技術(shù)有 Reed-Solomon 碼和奇偶校驗(yàn)碼（Parity-Check Code）等方法。

降低糾刪碼修復(fù)成本的方法有兩種 ：基于度數(shù)限制和基于網(wǎng)絡(luò)編碼?；诙葦?shù)限制方法是限制糾刪碼數(shù)據(jù)塊和冗余塊的度數(shù)，如 WEAVER 碼 ；基于網(wǎng)絡(luò)編碼是將編碼和路由進(jìn)行融合，如再生碼（Regenerating Code）。

2.2 可視化分析

一幅圖勝過千言萬語，故用可視化的圖形來分析大數(shù)據(jù)， 這樣會(huì)讓用戶直觀地發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)背后隱藏的信息，一般可視化分析技術(shù)有多維數(shù)據(jù)可視化、文本可視化、網(wǎng)絡(luò)可視化和時(shí)空數(shù)據(jù)可視化等 [5]。

2.2.1 多維數(shù)據(jù)可視化

若數(shù)據(jù)變量具有多個(gè)維度屬性，則稱為多維數(shù)據(jù)。目前多維數(shù)據(jù)可視化技術(shù)有 5 類 ：基于幾何、面向像素、基于圖標(biāo)、基于層次和基于圖形等。

基于幾何的可視化技術(shù)原理是利用幾何的方法來實(shí)現(xiàn)高維數(shù)據(jù)映射到二維空間。其方法有 ：平行坐標(biāo)系、放射坐標(biāo)系、散點(diǎn)圖矩陣和 Andrews 曲線法等。平行坐標(biāo)系是利用二維空間中 n 條平行坐標(biāo)軸來表示 n 個(gè)維度，將維度和坐標(biāo)軸建立一一對(duì)應(yīng)關(guān)系 ；放射坐標(biāo)系屬于圓形平行坐標(biāo)系，它利用 n 條半徑表示 n 個(gè)維度 ；散點(diǎn)圖矩陣是將各維變量?jī)蓛山M合成一個(gè)點(diǎn)，從矩陣中得到隱藏的信息 ；Andrews 曲線法是利用周期函數(shù)將多維數(shù)據(jù)映射到二維坐標(biāo)系中的曲線上。

面向像素的可視化技術(shù)原理是，將多維數(shù)據(jù)劃分為多個(gè)子窗口，每一個(gè)子窗口代表數(shù)據(jù)的某一維，并用像素的顏色來區(qū)分維度。其有兩種方法 ：基于查詢和獨(dú)立于查詢?；诓樵兊姆椒ㄊ抢脭?shù)據(jù)項(xiàng)和查詢值兩者關(guān)聯(lián)度的高低來進(jìn)行排列 ；獨(dú)立于查詢的方法是將數(shù)據(jù)項(xiàng)的值簡(jiǎn)單排列，排列的方式為從左到右或從上到下。

基于圖標(biāo)的可視化技術(shù)原理是利用具有可視特征的圖標(biāo)來表示多個(gè)維度。其方法有 ：Chernoff 面法和星繪法。Chernoff 面法利用人臉的大小、器官的特征來表示多維信息 ； 星繪法是從一點(diǎn)向外輻射多條線段，每條線段代表一個(gè)維度。

基于層次的可視化技術(shù)原理是，將多維空間劃分為多個(gè)子空間，并以層次結(jié)構(gòu)的方式來展示這些子空間，其方法有維堆和嵌套坐標(biāo)系等。

基于圖形的可視化技術(shù)原理是用整個(gè)圖形來表達(dá)多個(gè)維度和它們之間的相互關(guān)系，其方法有多線圖和 Survey Plot 等。

2.2.2 文本可視化

非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)最主要的是文本信息，文本可視化可以直觀地展示大數(shù)據(jù)文本信息中所蘊(yùn)含的關(guān)鍵信息。文本可視化的研究主要有兩類 ：基于文本內(nèi)容和基于文本關(guān)系。

基于文本內(nèi)容的可視化主要有標(biāo)簽云（Tag Cloud）、Tile Bars 等技術(shù)。標(biāo)簽云將關(guān)鍵詞根據(jù)詞頻或字母順序來排序， 以字體大小、字體顏色來對(duì)關(guān)鍵詞進(jìn)行可視化，一般用在網(wǎng)絡(luò)媒體中來識(shí)別主題熱度 ；Tile Bars 應(yīng)用于查詢?nèi)蝿?wù)，它利用矩形條的灰度來展示查詢?cè)~在文獻(xiàn)中的分布情況。

基于文本關(guān)系的可視化主要有 Word Tree 和 FP-Tree 等技術(shù)。Word Tree 是與后綴樹相結(jié)合，以樹狀結(jié)構(gòu)展示關(guān)鍵詞的上下文關(guān)系 ；FP-Tree 顯示文獻(xiàn)的共引關(guān)系，能展現(xiàn)文獻(xiàn)聚類中的信息。

2.2.3 網(wǎng)絡(luò)可視化

網(wǎng)絡(luò)可視化是用圖形來展示網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，從而可以發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)，其技術(shù)有兩類 ：基于節(jié)點(diǎn)和邊與基于空間填充?；诠?jié)點(diǎn)和邊的可視化技術(shù)是最經(jīng)典的技術(shù)，它有圓錐樹（Cone Tree）和放射圖（Radial Graph）等方法 ；基于空間填充的技術(shù)有矩形填充和嵌套圓填充等方法。

2.2.4 時(shí)空數(shù)據(jù)可視化

時(shí)空數(shù)據(jù)具有地理位置與時(shí)間標(biāo)簽，時(shí)空數(shù)據(jù)可視化技術(shù)有流式地圖（Flow Map）和時(shí)空立方體（Space-time Cube）等。流式地圖展示了對(duì)象隨時(shí)間與空間的變化所發(fā)生的行為變化，它融合了時(shí)間信息和地圖信息 ；時(shí)空立方體利用三維來展現(xiàn)事件、時(shí)間和空間，它突破了二維平面的局限性。

3 結(jié)語

本文所述的容錯(cuò)技術(shù)和可視化分析技術(shù)是大數(shù)據(jù)的兩個(gè)重要技術(shù)，它們是現(xiàn)在研究的熱點(diǎn)，目前工業(yè)界和學(xué)界都在進(jìn)行深入的研究。若干年后，希望會(huì)有更好更完美的解決方案。