摘 要： 如何實現(xiàn)數(shù)據倉庫的“動態(tài)”特性是部署“動態(tài)數(shù)據倉庫”系統(tǒng)的關鍵所在,，而關鍵的關鍵又在于如何實現(xiàn)動態(tài)數(shù)據倉庫中的實時數(shù)據獲取。以一個實際系統(tǒng)為例,，提出了一種適用的動態(tài)數(shù)據倉庫體系架構及實時數(shù)據捕獲與加載解決方案,。在實際系統(tǒng)中驗證了該方案的可行性。
關鍵詞： 動態(tài)數(shù)據倉庫,；體系架構,；變更數(shù)據捕獲；實時加載
動態(tài)數(shù)據倉庫在傳統(tǒng)數(shù)據倉庫的基礎上增加了對實時決策的支持,，為了滿足實時決策的要求,，就需要最新的實時數(shù)據，這就要求動態(tài)數(shù)據倉庫系統(tǒng)能夠及時準確地捕獲到有實時性要求的變更數(shù)據,，并實時地將變更數(shù)據加載到動態(tài)數(shù)據倉庫中,，盡量做到接近零延遲，滿足支持實時決策的要求,。
本文以某企業(yè)生產線質量控制決策分析系統(tǒng)的數(shù)據倉庫為基礎,，分析其實時決策的需求，提出適合于該特定應用的動態(tài)數(shù)據倉庫體系架構及實時數(shù)據捕獲與加載解決方案,。
1 動態(tài)數(shù)據倉庫的實時決策需求分析
動態(tài)數(shù)據倉庫不僅支持傳統(tǒng)的OLAP和數(shù)據挖掘等分析應用,，還支持實時監(jiān)測、戰(zhàn)術決策等實時性要求很高的分析,。這使得動態(tài)數(shù)據倉庫中的數(shù)據有不同的實時性要求,，根據不同的實時性需求，可以把動態(tài)數(shù)據倉庫中的數(shù)據分為普通數(shù)據,、有準實時更新要求的數(shù)據,、有實時更新要求的數(shù)據。動態(tài)數(shù)據倉庫中數(shù)據的加載方式也可以依此分為傳統(tǒng)ETL批量加載,、準實時的小批量加載,、實時加載。
本文以實際企業(yè)生產線質量控制決策分析系統(tǒng)的數(shù)據倉庫為例,。該數(shù)據倉庫有基板品質分析和電視機質量分析兩個主題,，主題所涉及的信息及充分代表主題的屬性組如表1所示。
針對此數(shù)據倉庫的兩個主題可以進行一些OLAP分析,，如：一段時間內某種板型的基板合格率（時間維度+板型維度）,。切塊分析,，鉆取分析按時間維度（月，季,，年）鉆取,。
一段時間內某種機型出現(xiàn)某種故障數(shù)目（時間+故障現(xiàn)象+機型）。切塊分析,，鉆取分析按時間維度（月,，季度，年）鉆取,。
一段時間內某種機型的電性能直通率（時間維度+機型維度）,。切塊分析，鉆取分析按時間維度（月,，季度,，年）鉆取。
這些OLAP分析的數(shù)據只需周期性地更新到數(shù)據倉庫中,，無須實時更新變更數(shù)據到數(shù)據倉庫,。
目前根據用戶要求，提出了一系列實時控制需求,，例如：監(jiān)測生產線上電視機故障機的數(shù)目,，每天的故障電視機超過N臺時要發(fā)出警報。此時數(shù)據倉庫中faultnum屬性的值需要實時更新,，源數(shù)據庫中提供faultnum屬性值的源字段faultcount中的變更數(shù)據就屬于需要實時更新到數(shù)據倉庫中的實時變更數(shù)據,。據此，本文將針對該實際應用提出實時數(shù)據捕獲與加載解決方案,。
2 數(shù)據倉庫的數(shù)據集成方式分析
數(shù)據倉庫的數(shù)據集成方式有以下幾種[1],。
（1）周期性的ETL方式
對于傳統(tǒng)的數(shù)據倉庫數(shù)據，都是采用ETL每隔一個周期將變化數(shù)據以文件導入的方式抽取,、轉換并加載到數(shù)據倉庫中,；對于有一定實時需求的數(shù)據，可以縮短ETL數(shù)據周期來達到準實時的效果,。
（2）直接點滴導入
將變更的數(shù)據實時地以數(shù)據流的形式直接導入數(shù)據倉庫或者數(shù)據倉庫動態(tài)層的事實表中,。這種數(shù)據集成方式可以達到實時加載變更數(shù)據的效果，缺點是當加載變更數(shù)據時數(shù)據倉庫不能響應查詢,。
（3）點滴翻轉導入
將變更的數(shù)據實時地以數(shù)據流的形式導入數(shù)據倉庫動態(tài)層事實表的一個副本中,，這個副本與事實表有相同的結構，之后周期地將副本里的數(shù)據拷貝到事實表中,，再清空表副本接收新的變更數(shù)據,。這種方式可以實時地加載變更數(shù)據同時始終保持對查詢的響應，缺點是當變更數(shù)據的數(shù)據量很大時拷貝副本表的時間空間代價均比較高。
（4）導入實時數(shù)據緩存
可以在傳統(tǒng)的數(shù)據倉庫之外設置一個單獨的實時數(shù)據緩存,，用來接收實時變更數(shù)據,，實時數(shù)據緩存可以用操作數(shù)據存儲（ODS）來實現(xiàn)，實時查詢可以直接基于ODS進行,。這樣既可以滿足實時加載數(shù)據的要求，在加載數(shù)據時還可以始終保持對即時查詢的響應,，還免去了拷貝副本的步驟,。
無論選用何種數(shù)據集成方式導入數(shù)據，都要滿足以下基本準則[2],。
（1）不影響源業(yè)務系統(tǒng)的事務處理,；
（2）數(shù)據倉庫始終滿足實時查詢的要求，不能有非響應期,；
（3）實時性要求高的變更數(shù)據應做到接近零延時的加載到數(shù)據倉庫中,。
按以上準則，由于第（2）點的要求,，直接點滴導入不適合作為實時加載變更數(shù)據的數(shù)據集成方式,，點滴翻轉導入相比導入實時數(shù)據緩存的方式，拷貝副本所用代價較大,，也不適合實時加載數(shù)據,。
綜上所述，針對數(shù)據倉庫中的不同實時性要求的數(shù)據可以采用不同的數(shù)據集成策略,。對于傳統(tǒng)的提供戰(zhàn)略分析的數(shù)據,，依舊采用ETL導入的方式加載新的數(shù)據，對于有一定實時性要求的分析數(shù)據,，可以采用縮短數(shù)據周期的小批量ETL的方式將變更數(shù)據加載到數(shù)據倉庫中（導入到數(shù)據倉庫動態(tài)層的事實表副本,，再拷貝到事實表中），對于有很高實時性要求的數(shù)據,，采用導入實時數(shù)據緩存的數(shù)據集成方式,。
3 動態(tài)數(shù)據倉庫體系架構
根據上面的分析，應該選擇導入實時數(shù)據緩存的方式來加載實時變更數(shù)據,，用小批量ETL加載來更新準實時要求的數(shù)據,。由此，本文選擇將數(shù)據倉庫分層,，同時在數(shù)據倉庫外部單獨設立實時數(shù)據緩存的動態(tài)數(shù)據倉庫架構,，如圖1所示。
對多個源數(shù)據系統(tǒng)產生的新的變更數(shù)據分類,，需要實時加載到數(shù)據倉庫中的變更數(shù)據采用某種變更數(shù)據捕獲策略CDC（Changed Data Capture）加載到以ODS實現(xiàn)的實時數(shù)據緩存中,；只需要近似實時加載到數(shù)據倉庫中的變更數(shù)據以小批量ETL的方式加載到數(shù)據倉庫動態(tài)層的事實表副本中；其他數(shù)據周期性地以ETL的過程進行更新?；诖藙討B(tài)數(shù)據倉庫的架構,，實時戰(zhàn)術查詢可以直接在ODS上進行；戰(zhàn)略決策的查詢分析直接在數(shù)據倉庫靜態(tài)層進行,；同時涉及歷史數(shù)據和實時數(shù)據的查詢可以借助于ODS的即時數(shù)據融合機制將ODS中的實時數(shù)據即時匯總更新到數(shù)據倉庫中的歷史數(shù)據中,，滿足該類查詢的請求。
4 動態(tài)數(shù)據倉庫的數(shù)據加載
4.1 變更數(shù)據捕獲
需要實時更新到動態(tài)數(shù)據倉庫中的數(shù)據首先必須被變更數(shù)據捕獲進程抓取,，實現(xiàn)變更數(shù)據實時捕獲的方式如下[3],。
（1）掃描新舊數(shù)據源計算差分。這種方式需要消耗大量內存空間,。
（2）利用觸發(fā)器,。這種方式會消耗原系統(tǒng)端的大量資源，影響原業(yè)務系統(tǒng)的事務處理性能,，違反前面提到的基本準則,。
（3）讀取、分析數(shù)據庫的事務日志,?？梢栽诓僮飨到y(tǒng)層面讀取事務日志，這樣就不會影響原系統(tǒng)的事務處理,，且只需讀取和分析反映了最近變更數(shù)據的事務日志,，效率比較高。
根據以上分析,，選擇采用讀取,、分析事務日志的方式實時捕獲變更數(shù)據。這種方式的CDC流程如圖2所示,。
數(shù)據庫中有數(shù)據更新時會先在事務日志中記載更新日志記錄,，日志監(jiān)測進程監(jiān)測日志的變化，有新的更新日志記錄時就實時地讀取日志,，將日志送至日志分析子模塊進行分析,，得到變更數(shù)據，在分析日志的過程中將變更數(shù)據分類為普通變更數(shù)據,、準實時變更數(shù)據和實時變更數(shù)據,，分別送至不同的數(shù)據傳輸通道。實時數(shù)據通過消息中間件的消息隊列實時發(fā)送到ODS實時分區(qū),，準實時數(shù)據暫存在一個臨時文件中,，以小批量加載的方式導入到數(shù)據倉庫動態(tài)層。普通變更數(shù)據暫不予傳輸[4],。
4.2 實時傳輸變更數(shù)據
需要實時加載到數(shù)據倉庫中的變更數(shù)據在被CDC模塊捕獲到之后,，還須將其實時傳輸?shù)綌?shù)據倉庫一端,，加載到ODS實時分區(qū)中。這里借助消息傳輸中間件的消息隊列傳輸變更數(shù)據[5],，如圖3所示,。
CDC模塊首先篩選出需要實時更新的變更數(shù)據，將其交給源業(yè)務系統(tǒng)端的消息隊列管理器處理,，消息隊列管理器將實時數(shù)據從源業(yè)務系統(tǒng)端的消息發(fā)送隊列發(fā)送到訂閱此變更數(shù)據的數(shù)據倉庫端的消息接收隊列,，數(shù)據倉庫端的消息隊列管理器再將接收到的實時數(shù)據加載到ODS實時分區(qū)中，完成實時數(shù)據的加載,。
以電視機質量主題中faultnum字段的實時數(shù)據更新為例,。在生產線的某一個信息采集點A，當出現(xiàn)一臺故障電視機時,，操作人員將數(shù)據庫中故障機數(shù)目faultcount的值加1,，數(shù)據在被寫入到數(shù)據庫中之前,，會首先在事務日志中添加反映該操作的更新日志記錄,。此時，CDC模塊的日志監(jiān)測進程會及時讀取反映實時變更數(shù)據的日志記錄,，送至日志分析流程,。分析完成后得到變更數(shù)據，并判斷出faultcount屬于數(shù)據倉庫訂閱的需要實時更新的數(shù)據,。于是將實時變更數(shù)據交給消息中間件處理,，消息中間件從原系統(tǒng)端的消息發(fā)送隊列將實時數(shù)據發(fā)送到數(shù)據倉庫端的消息接收隊列，數(shù)據倉庫端的消息中間件將實時數(shù)據取出,，用此新的值更新存儲在ODS實時分區(qū)中的faultnum字段的值,。
動態(tài)數(shù)據倉庫是建立在傳統(tǒng)數(shù)據倉庫基礎之上的，動態(tài)數(shù)據倉庫不僅支持傳統(tǒng)的OLAP分析和數(shù)據挖掘等決策支持應用,，還可以滿足實時的戰(zhàn)術決策,，因此動態(tài)數(shù)據倉庫中的部分數(shù)據需要實時更新。將實時變更數(shù)據捕獲并加載到動態(tài)數(shù)據倉庫中可以有多種方式,，設計實時數(shù)據加載方案時既要考慮可以實時地將變更數(shù)據加載到數(shù)據倉庫同時不影響原業(yè)務系統(tǒng)的事務處理,，也要考慮加載數(shù)據時不影響數(shù)據倉庫響應實時查詢的要求和原則。
本文基于某企業(yè)生產線質量控制決策分析系統(tǒng)提出了一種高效的加載實時數(shù)據的方法,。在該數(shù)據倉庫系統(tǒng)常規(guī)運作的情況下已驗證了此方法可以滿足實時捕獲并加載數(shù)據,，同時不影響源業(yè)務系統(tǒng)的事務處理。下一步工作將在生產線處于高峰生產狀態(tài),，多個采集點大量頻繁產生實時數(shù)據的情況下,，進一步證實此方法在高負載情況下的可用性與高效性，并進一步優(yōu)化捕獲變更數(shù)據的算法,。
參考文獻
[1] 肖裕洪.實時數(shù)據倉庫關鍵技術的研究與實現(xiàn)[D].廣州：華南理工大學,，2011.
[2] 徐富亮,，周祖德.變化數(shù)據捕獲技術研究[J].武漢理工大學學報，2009,，31（5）：740-743.
[3] 林子雨,，楊冬青，宋國杰,，等.實時主動數(shù)據倉庫中的變化數(shù)據捕捉研究綜述[J].計算機研究與發(fā)展,，2007，44（9）：447-451.
[4] Shi Jingang,， Bao Yubin,， Leng Fangling， et al. Study on Logbased change data capture and harding mechanism in realtime data warehouse[C]. Proceedings of 2008 International Conference on Computer Science and Eftuare Engineering,， Wuhan,，2008：478-481.
[5] 楊樂.數(shù)據倉庫中實時抽取機制的研究與實現(xiàn)[D].北京：北京郵電大學，2007.