《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種MySQL到HBase的遷移策略的研究與實(shí)現(xiàn)
2016年微型機(jī)與應(yīng)用第13期
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。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。
Abstract:
Key words :

  宋春紅1,王佳斌2,鄭力新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。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時代,網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展,個人與企業(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),對數(shù)據(jù)存儲提出了更大的挑戰(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問題,但網(wǎng)絡(luò)中仍無法動態(tài)地創(chuàng)建集群;其次,關(guān)系型數(shù)據(jù)庫無法有效存儲Web2.0時代的半結(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)時代對海量數(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;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[3],被各大互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)爭相應(yīng)用。

  HBase的廣泛應(yīng)用,使得存儲在傳統(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)一個自動化或半自動化的數(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,對數(shù)據(jù)庫查詢的高效性。

2數(shù)據(jù)庫的存儲原理分析

  2.1關(guān)系型數(shù)據(jù)庫存儲原理

  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。表中的一行即一個記錄代表了一個實(shí)體,一個或多個這樣的表以及表之間的關(guān)系組成了一個關(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。

001.jpg

  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的存儲原理

  非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫HBase是對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。

  

002.jpg

  由圖2可以看出HBase的表是一個稀疏矩陣。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在存儲上基于列而非行,因此對同列中的數(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:

  (1)表。HBase用表來組織數(shù)據(jù),表名為字符串。

  (2)行鍵。HBase表中,數(shù)據(jù)按行存儲。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。

  (3)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)會把列族存儲在HBase自己的數(shù)據(jù)庫中,所以列族要在建表時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。

 ?。?)單元。行鍵、列族和列限定符一起確定了一個單元。存儲在單元里的數(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[]。

  (6)時間版本。HBase中用版本來存儲單元值在不同時間的值,默認(rèn)存儲3個版本。時間版本用時間戳來標(biāo)識。

  在物理上,HBase的數(shù)據(jù)存儲在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HRegion,HRegion按大小分割,每張表開始只有一個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,HRegion會被等分成兩個新的HRegion。HRegion是HBase中分布式存儲和負(fù)載均衡的最小單元,但卻不是存儲的最小單元。HRegion由一個或者多個Store組成,每個Store保存了表中的一個列族。每個Store又由一個Memstore和0至多個StoreFile(HFile)組成,StoreFile用來存儲數(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部分。

  3.1提取源數(shù)據(jù)庫中的表模式

  通過對傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中存儲結(jié)構(gòu)的分析可知,INFORMATION_SCHEMA數(shù)據(jù)庫存儲了MySQL中所有數(shù)據(jù)表的元數(shù)據(jù),因此可以通過對這些元數(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)描述了某個表屬于哪個SCHEMA以及表類型、表名稱、每個表的記錄數(shù)以及創(chuàng)建時間等信息。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)表的訪問而延長響應(yīng)時間。

  3.2表模式的轉(zhuǎn)換

  通過對HBase數(shù)據(jù)庫存儲結(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,對數(shù)據(jù)的表模式做以下轉(zhuǎn)換[10]:

  (1)基本表的轉(zhuǎn)換

  對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,同時存在Country表與CountryLanguage表之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。HBase中的物理存儲結(jié)構(gòu)決定了HBase表的不同列族存儲在不同的Store文件中,又因?yàn)樵磾?shù)據(jù)中對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表的一個列族進(jìn)行存儲即可。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City表和CountryLanguage表進(jìn)行分割,作為Country表的一個列族添加在Country表中。

 ?。?)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City表和Detail表也進(jìn)行深一級的內(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)行中的一個列族,然后再對City表進(jìn)行分割,作為Country表的一個列族進(jìn)行遷移。

 ?。?)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表Describe是另外三個表Country、City和CountryLanguage的子表的情況,針對這類關(guān)系的轉(zhuǎn)換可以通過對Describe表進(jìn)行分割,并分別添加到三個表對應(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。

  

003.jpg

  (1)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)動程序,然后用語句“Connection conn = DriverManager.getConnection(url, user, password)”創(chuàng)建一個新的連接,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。

  (4)數(shù)據(jù)遷移

  在數(shù)據(jù)遷移模塊中要分別連接兩個數(shù)據(jù)庫。首先,連接MySQL數(shù)據(jù)庫,創(chuàng)建一個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)對象,完成數(shù)據(jù)遷移。

5測試與結(jié)論

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

005.jpg

  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CityDetail系統(tǒng)進(jìn)行遷移,并使用不同大小的數(shù)據(jù)集對兩種工具的遷移過程和結(jié)果進(jìn)行了對比。

  首先,在遷移過程的繁簡方面,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)自動完成,比較而言,自動化程度較高。

  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。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。

004.jpg

  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移工具通過對表模式的轉(zhuǎn)換,將屬于同一條記錄的信息存儲在了一個HRegion中,同一表中的數(shù)據(jù)存儲在了同一個Store文件中,查詢時,減少了多次尋址的過程,從而降低了系統(tǒng)響應(yīng)時間。

6結(jié)論

  本文通過對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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