宋春紅1，王佳斌2，鄭力新1

　　（1. 華僑大學(xué) 工學(xué)院，福建 泉州 362021； 2. 華僑大學(xué) 工業(yè)智能化技術(shù)與系統(tǒng)福建省高校工程研究中心，福建 泉州 362000）

　　摘要：隨著Web2.0的到來，互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)快速增長(zhǎng)。大規(guī)模數(shù)據(jù)的采集和處理及應(yīng)用直接影響著用戶體驗(yàn)，決定著企業(yè)的發(fā)展。比較傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫和分布式非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫兩者處理大數(shù)據(jù)的性能，將本地?cái)?shù)據(jù)遷移到分布式數(shù)據(jù)庫勢(shì)在必行。文章分析了現(xiàn)有遷移工具的利弊，基于HBase數(shù)據(jù)庫提出了一種有效的數(shù)據(jù)遷移策略，并依據(jù)提出的策略實(shí)現(xiàn)了一種半自動(dòng)化遷移工具。以美國城市和方言系統(tǒng)CityDetail數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)為例，闡述了該遷移工具的工作原理并對(duì)遷移后的數(shù)據(jù)進(jìn)行多次查詢比較，證明了使用該工具進(jìn)行數(shù)據(jù)遷移的高效性。

　　關(guān)鍵詞：關(guān)系型數(shù)據(jù)庫；HBase；遷移工具

0引言

　　Web2.0時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展，個(gè)人與企業(yè)都在不斷地創(chuàng)造海量數(shù)據(jù)，在新的掘金大潮中，如何利用數(shù)據(jù)以及將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有價(jià)值信息的速度，越來越成為企業(yè)成功與否的決定性因素。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速分析，并做出指導(dǎo)，對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)提出了更大的挑戰(zhàn)。雖然傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫已經(jīng)發(fā)展了很多年，在企業(yè)應(yīng)用方面也形成了很大的使用規(guī)模，但是其在處理大數(shù)據(jù)應(yīng)用方面仍然存在不足［1］。首先，傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫無法完成大規(guī)模水平拓展，盡管網(wǎng)絡(luò)解決方案在一定程度上解決了這個(gè)問題，但網(wǎng)絡(luò)中仍無法動(dòng)態(tài)地創(chuàng)建集群；其次，關(guān)系型數(shù)據(jù)庫無法有效存儲(chǔ)Web2.0時(shí)代的半結(jié)構(gòu)及非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)；此外傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫也無法滿足大數(shù)據(jù)時(shí)代對(duì)海量數(shù)據(jù)高效查詢的需求。

　　非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的出現(xiàn)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫在處理大規(guī)模數(shù)據(jù)中的不足。非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫是對(duì)Cassandra、MongoDB和HBase等眾多支持非關(guān)系化以及弱關(guān)系化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)稱。非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中的表主要采用聚合的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，這就使得數(shù)據(jù)管理更為方便［2］；通過預(yù)分配空間機(jī)制輕松實(shí)現(xiàn)了海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；可通過連續(xù)添加服務(wù)節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展，不需要停機(jī)維護(hù)和數(shù)據(jù)遷移。此外，眾多的非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫有著強(qiáng)大的業(yè)務(wù)針對(duì)性，在應(yīng)用性能上較傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫有著顛覆性的提升。其中HBase憑借著與Hadoop的無縫集成和強(qiáng)大的高擴(kuò)展性以及擁有巨大的多元化社區(qū)的優(yōu)勢(shì)［3］，被各大互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)爭(zhēng)相應(yīng)用。

　　HBase的廣泛應(yīng)用，使得存儲(chǔ)在傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中的歷史數(shù)據(jù)向HBase的遷移成為當(dāng)下研究熱點(diǎn)。

1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

　　針對(duì)傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)向HBase遷移的研究，目前，業(yè)界只提出了一些數(shù)據(jù)遷移的方法，卻很少有比較權(quán)威的數(shù)據(jù)遷移工具，更沒有可以遷移原有表模式或者自動(dòng)化的遷移工具。

　　現(xiàn)有的遷移工具如Hadoop的官方工具Sqoop只支持單表的增量加載，無法完成數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中眾多表模式的遷移；HBase的Importtsv工具只支持TSV等指定文件的遷移；Put方法雖然簡(jiǎn)單直接但也只是完成數(shù)據(jù)的遷移且遷移效率不佳。此外國內(nèi)外的大型互聯(lián)網(wǎng)公司如微軟、華為等也都爭(zhēng)相開發(fā)自己的遷移工具，但多是基于自身的商業(yè)應(yīng)用［4］。

　　綜上所述，實(shí)現(xiàn)一個(gè)自動(dòng)化或半自動(dòng)化的數(shù)據(jù)遷移工具很有必要。這樣可以更大限度地利用業(yè)務(wù)存儲(chǔ)在原有關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中的歷史數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)之間關(guān)系等珍貴資源的浪費(fèi)，此外，也將避免人工再次錄入。本文針對(duì)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫MySQL和非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫HBase的存儲(chǔ)原理和表結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入研究，并以CityDetail系統(tǒng)為例闡述了傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫向HBase遷移的思想，并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了遷移工具。最終，驗(yàn)證了通過此方法進(jìn)行數(shù)據(jù)遷移后，對(duì)數(shù)據(jù)庫查詢的高效性。

2數(shù)據(jù)庫的存儲(chǔ)原理分析

　　2.1關(guān)系型數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)原理

　　關(guān)系型數(shù)據(jù)庫［5］是一種建立在關(guān)系模型基礎(chǔ)上的數(shù)據(jù)庫。關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中用一張二維表代表現(xiàn)實(shí)世界中的實(shí)體，用表中的字段代表實(shí)體的屬性，用外鍵等聯(lián)合操作代表實(shí)體之間的關(guān)系。表中的一行即一個(gè)記錄代表了一個(gè)實(shí)體，一個(gè)或多個(gè)這樣的表以及表之間的關(guān)系組成了一個(gè)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。

　　關(guān)系型數(shù)據(jù)庫MySQL中默認(rèn)安裝INFORMATION_SCHEMA數(shù)據(jù)庫。INFORMATION_SCHEMA數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)著MySQL中所有數(shù)據(jù)庫的表名、列名、記錄條數(shù)、主鍵、外鍵以及過程和方法等信息。這些存儲(chǔ)在INFORMATION_SCHEMA中的數(shù)據(jù)就叫做數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的元數(shù)據(jù)。如圖１所示。

　　元數(shù)據(jù)是用來描述數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)［6］，用來支持如數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)位置、歷史數(shù)據(jù)、資源查找等功能。元數(shù)據(jù)可以視為一種電子目錄，用來協(xié)助數(shù)據(jù)檢索。在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中利用DESCRIB等SQL語句進(jìn)行檢索時(shí)就是查詢的數(shù)據(jù)庫中的這些元數(shù)據(jù)。因此，在數(shù)據(jù)遷移的過程中，可以利用對(duì)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中元數(shù)據(jù)表的查詢快速獲取關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中各個(gè)表的模式和各表之間的關(guān)系，然后進(jìn)行遷移。

　　2.2HBase的存儲(chǔ)原理

　　非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫HBase是對(duì)Google的BigTable數(shù)據(jù)庫的開源實(shí)現(xiàn)。它經(jīng)常被描述為是一種稀疏的、分布式的、持久化的多為映射［7］。HBase中的邏輯視圖如圖2所示。

　　由圖2可以看出HBase的表是一個(gè)稀疏矩陣。HBase與傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫表所不同的是：它可以存儲(chǔ)半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，即HBase中的表在設(shè)計(jì)上沒有嚴(yán)格的限制［8］，數(shù)據(jù)記錄可能包含不一致的列、不確定大小等。此外，與關(guān)系型數(shù)據(jù)庫不同，HBase在存儲(chǔ)上基于列而非行，因此對(duì)同列中的數(shù)據(jù)具有較好的查詢性能。HBase表可以有數(shù)百萬列和數(shù)十億行，因此可以用來存儲(chǔ)大規(guī)模數(shù)據(jù)。HBase中實(shí)際上定義了如下的思維數(shù)據(jù)模型［7］，分別為：

　?。?）表。HBase用表來組織數(shù)據(jù)，表名為字符串。

　?。?）行鍵。HBase表中，數(shù)據(jù)按行存儲(chǔ)。行由行鍵唯一標(biāo)志，行鍵沒有數(shù)據(jù)類型，總是被視為字節(jié)數(shù)組。

　?。?）列族。表中的數(shù)據(jù)在行中被組織成列族，列族也影響到HBase數(shù)據(jù)的物理存放。系統(tǒng)會(huì)把列族存儲(chǔ)在HBase自己的數(shù)據(jù)庫中，所以列族要在建表時(shí)定義好并且不能輕易修改。此外，HBase中每行有相同的列族，相同列族下可以擁有不同的列限定符。

　?。?）列限定符。列族里的數(shù)據(jù)通過列限定符或列來定位。與列族不同，列限定符可以不必事前定義。列限定符也不必在不同行之間保持一致。列限定符沒有數(shù)據(jù)類型，總是視為字節(jié)數(shù)組。

　　（5）單元。行鍵、列族和列限定符一起確定了一個(gè)單元。存儲(chǔ)在單元里的數(shù)據(jù)稱為單元值。值沒有數(shù)據(jù)類型，視為字節(jié)數(shù)組byte［］。

　?。?）時(shí)間版本。HBase中用版本來存儲(chǔ)單元值在不同時(shí)間的值，默認(rèn)存儲(chǔ)3個(gè)版本。時(shí)間版本用時(shí)間戳來標(biāo)識(shí)。

　　在物理上，HBase的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在HDFS中，能夠很好地利用HDFS的分布式處理模式，并從Hadoop的MapReduce程序模型中獲益。HBase邏輯上的表在行的方向上分割成多個(gè)HRegion,HRegion按大小分割，每張表開始只有一個(gè)Region,隨著記錄數(shù)的不斷增加，Region不斷增大，當(dāng)增大到一定程度時(shí)，HRegion會(huì)被等分成兩個(gè)新的HRegion。HRegion是HBase中分布式存儲(chǔ)和負(fù)載均衡的最小單元，但卻不是存儲(chǔ)的最小單元。HRegion由一個(gè)或者多個(gè)Store組成，每個(gè)Store保存了表中的一個(gè)列族。每個(gè)Store又由一個(gè)Memstore和0至多個(gè)StoreFile(HFile)組成,StoreFile用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并以HFile的形式保存在HDFS上［9］。

3遷移工具的主要模塊

　　本遷移系統(tǒng)的主要組成模塊為如下幾個(gè)部分。

　　3.1提取源數(shù)據(jù)庫中的表模式

　　通過對(duì)傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的分析可知，INFORMATION_SCHEMA數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)了MySQL中所有數(shù)據(jù)表的元數(shù)據(jù)，因此可以通過對(duì)這些元數(shù)據(jù)的訪問，快速提取到要遷移的MySQL數(shù)據(jù)庫中所有源數(shù)據(jù)的表模式。

　　INFORMATION_SCHEMA數(shù)據(jù)庫中的SCHEMATA表提供了當(dāng)前MySQL實(shí)例中所有數(shù)據(jù)庫的信息，SQL查詢語言show datatables的結(jié)果就是出自此表。TABLES表提供了關(guān)于數(shù)據(jù)庫中的表信息，詳細(xì)描述了某個(gè)表屬于哪個(gè)SCHEMA以及表類型、表名稱、每個(gè)表的記錄數(shù)以及創(chuàng)建時(shí)間等信息。COLUMNS表提供了表中的列信息，詳細(xì)表述了某張表的所有列以及每個(gè)列的信息。STATISTICS表提供了表中所有的索引信息，此外還有描述表的用戶權(quán)限等的元數(shù)據(jù)。通過對(duì)這些表的聯(lián)合訪問，可以快速提取源數(shù)據(jù)庫模式，避免因?qū)?shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)表的訪問而延長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間。

　　3.2表模式的轉(zhuǎn)換

　　通過對(duì)HBase數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的研究可知，HBase數(shù)據(jù)庫中表的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫有所不同。HBase中的各表之間不存在關(guān)聯(lián)關(guān)系，也不存在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中的Join連接查詢等操作。要進(jìn)行表模式的遷移就必須將傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中存在相互聯(lián)系的數(shù)據(jù)遷移到HBase中的同一行中?？紤]到HBase數(shù)據(jù)庫的特殊表結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，為了使遷移后的數(shù)據(jù)盡量不影響業(yè)務(wù)功能，對(duì)數(shù)據(jù)的表模式做以下轉(zhuǎn)換［10］:

　?。?）基本表的轉(zhuǎn)換

　　對(duì)CityDetail系統(tǒng)中的所有表進(jìn)行基本轉(zhuǎn)換就是直接將源數(shù)據(jù)表遷移到HBase端。把源數(shù)據(jù)表的表名作為HBase表的表名，主鍵作為行鍵，表名和列名的組合作為HBase端表中的列限定符，版本設(shè)置為1。

　?。?）內(nèi)嵌轉(zhuǎn)換

　　在CityDetail系統(tǒng)中存在Country表與City表之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，同時(shí)存在Country表與CountryLanguage表之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。HBase中的物理存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)決定了HBase表的不同列族存儲(chǔ)在不同的Store文件中，又因?yàn)樵磾?shù)據(jù)中對(duì)不同表的連接查詢操作要遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于單表的操作，因此將City表和CountryLanguage表分別作為Country表的一個(gè)列族進(jìn)行存儲(chǔ)即可。所以，要實(shí)現(xiàn)這類表的遷移就要保留Country的表模式，然后對(duì)City表和CountryLanguage表進(jìn)行分割，作為Country表的一個(gè)列族添加在Country表中。

　　（3）遞歸轉(zhuǎn)換

　　在CityDetail系統(tǒng)中除存在Country表與City表之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系外，還存在著下一級(jí)如Detail表和City表之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。要完成這一類型表的遷移，就要在Country表和City表進(jìn)行內(nèi)嵌轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上，對(duì)City表和Detail表也進(jìn)行深一級(jí)的內(nèi)嵌變換。根據(jù)遞歸原理，先將Detail表進(jìn)行分割，作為City表相應(yīng)行中的一個(gè)列族，然后再對(duì)City表進(jìn)行分割，作為Country表的一個(gè)列族進(jìn)行遷移。

　　（4）分割轉(zhuǎn)換

　　根據(jù)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的關(guān)系范式［11］可知，表之間還可能存在同一個(gè)表Describe是另外三個(gè)表Country、City和CountryLanguage的子表的情況，針對(duì)這類關(guān)系的轉(zhuǎn)換可以通過對(duì)Describe表進(jìn)行分割，并分別添加到三個(gè)表對(duì)應(yīng)的列族下的方法來完成。

　　通過以上四種轉(zhuǎn)換方式的整合應(yīng)用，最終完成CityDetail系統(tǒng)的所有表模式的遷移。

4設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

　　本文設(shè)計(jì)的遷移系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

　?。?)連接關(guān)系型數(shù)據(jù)庫MySQL

　　首先在Java程序中使用Class.forName()語句加載MySQL的JDBC驅(qū)動(dòng)程序，然后用語句“Connection conn = DriverManager.getConnection(url, user, password)”創(chuàng)建一個(gè)新的連接,進(jìn)而訪問數(shù)據(jù)庫的元數(shù)據(jù)，獲取表模式。

　?。?)模式轉(zhuǎn)換

　　遍歷（1)中獲取的所有表模式，利用前文提到的四種轉(zhuǎn)換方式轉(zhuǎn)換得到遷移后的HBase中的表模式。

　?。?)連接HBase數(shù)據(jù)庫

　　通過語句“Configuration conf=HBaseConfigurAtion.create()”獲取HBase數(shù)據(jù)庫中的配置信息，然后用語句“table=new HTable(conf,tablename)”在HBase中創(chuàng)建新表，根據(jù)（2)中轉(zhuǎn)換得到的表模式,用語句“byte［］ family=Bytes.toBytes("n")”指定各列族的名稱。至此，遷移系統(tǒng)的表模式遷移完畢。

　?。?)數(shù)據(jù)遷移

　　在數(shù)據(jù)遷移模塊中要分別連接兩個(gè)數(shù)據(jù)庫。首先，連接MySQL數(shù)據(jù)庫，創(chuàng)建一個(gè)MySQL Object用于訪問MySQL中指定的數(shù)據(jù)庫，用SQL查詢語句循環(huán)遍歷數(shù)據(jù)，獲取數(shù)據(jù)庫中的記錄，然后連接創(chuàng)建的HBase數(shù)據(jù)表，生成HBase Object，用Put方法依次將SELECT查詢獲取的數(shù)據(jù)記錄插入到HBase的表中，最終關(guān)閉數(shù)據(jù)對(duì)象，完成數(shù)據(jù)遷移。

5測(cè)試與結(jié)論

　　實(shí)驗(yàn)測(cè)試在Hadoop集群上進(jìn)行，集群包括4臺(tái)主機(jī)，每臺(tái)主機(jī)都安裝了Hadoop、HBase和Zookeeper,集群信息如表1所示。

　　本試驗(yàn)分別用本文所提數(shù)據(jù)遷移工具與Apache為Hadoop配置的官方數(shù)據(jù)遷移工具Sqoop對(duì)CityDetail系統(tǒng)進(jìn)行遷移，并使用不同大小的數(shù)據(jù)集對(duì)兩種工具的遷移過程和結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

　　首先，在遷移過程的繁簡(jiǎn)方面，Sqoop工具是在終端上通過指定參數(shù)包括連接數(shù)據(jù)庫的語句、遷移前后的數(shù)據(jù)表名、屬性名等來完成數(shù)據(jù)的遷移。在參數(shù)指定上比較繁瑣，不容易操作。而本文遷移工具從獲取表模式到建立HBase數(shù)據(jù)表和遷移數(shù)據(jù)均由系統(tǒng)自動(dòng)完成，比較而言，自動(dòng)化程度較高。

　　其次，在查詢性能上，由于本文遷移工具完成了表模型的轉(zhuǎn)換和遷移，而Sqoop只是機(jī)械化地遷移了特定表中的數(shù)據(jù)，并沒有進(jìn)行表模式的遷移，兩者比較，前者遷移結(jié)果存在很大的優(yōu)勢(shì)。以典型的SQL查詢語句：“SELECT Name,Language where Country.CountryCode=Language.CountryCode” 為例，兩者的查詢結(jié)果如圖4。

　　從圖4可以看出，本文遷移工具較Sqoop在查詢性能上有了很大的改善。因?yàn)楸疚倪w移工具通過對(duì)表模式的轉(zhuǎn)換，將屬于同一條記錄的信息存儲(chǔ)在了一個(gè)HRegion中，同一表中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在了同一個(gè)Store文件中，查詢時(shí)，減少了多次尋址的過程，從而降低了系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間。

6結(jié)論

　　本文通過對(duì)CityDetail系統(tǒng)從MySQL數(shù)據(jù)庫到HBase數(shù)據(jù)庫的遷移案例分析，研究了MySQL數(shù)據(jù)庫和HBase數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的原理，提出通過訪問MySQL數(shù)據(jù)庫元數(shù)據(jù)快速提取表模式并轉(zhuǎn)換遷移的方法，解決了以往遷移工具不能遷移表模式的問題。在盡量保證數(shù)據(jù)完整性的前提下，提高了遷移速度、自動(dòng)化程度和遷移后數(shù)據(jù)的查詢性能。但是，由于HBase中存在唯一索引，在多條件查詢上的查詢性能肯定會(huì)較MySQL有較大的下降，因此關(guān)于索引的優(yōu)化還有待學(xué)習(xí)和研究。

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