详解数据存储的六种可选技术

热数据需要在内存中存储和处理，因此适合用缓存或内存数据库（如Redis 或SAP Hana）。

AWS提供了ElastiCache服务，可生成托管的Redis或Memcached环境。

NoSQL数据库是面向高速但小规模记录（例如，用户会话信息或物联网数据）的理想选择。

NoSQL数据库对于内容管理也很有用，可以存储数据目录。

01结构化数据存储
结构化数据存储已经存在了几十年，是人们最熟悉的数据存储技术。

大多数事务型数据库（如Oracle、MySQL、SQL Server和PostgreSQL）都是行式数据库，因为要处理来自软件应用程序的频繁数据写入。

企业经常将事务型数据库同时用于报表，在这种情况下，需要频繁读取数据，但数据写入频率要低得多。

随着数据读取的需求越来越强，有更多的创新进入了结构化数据存储的查询领域，比如列式文件格式的创新，它有助于提高数据读取性能，满足分析需求。

基于行的格式将数据以行的形式存储在文件中。

基于行的写入方式是将数据写入磁盘的最快方式，但它不一定能最快地读取，因为你必须跳过很多不相关的数据。

基于列的格式将所有的列值一起存储在文件中。

这样会带来更好的压缩效果，因为相同的数据类型现在被归为一组。

通常，它还能提供更好的读取性能，因为你可以跳过不需要
的列。

我们来看结构化数据存储的常见选择。

例如，你需要从订单表中查询某个月的销售总数，但该表有50列。

在基于行的架构中，查询时会扫描整个表的50个列，但在列式架构中，查询时只会扫描订单销售列，因而提高了数据查询性能。

我们再来详细介绍关系型数据库，重点介绍事务数据和数据仓库处理数据分析的需求。

（1）关系型数据库
RDBMS比较适合在线事务处理（OLTP）应用。

流行的关系型数据库有Oracle、MSSQL、MariaDB、PostgreSQL等。

其中一些传统数据库已经存在了几十年。

许多应用，包括电子商务、银行业务和酒店预订，都是由关系型数据库支持的。

关系型数据库非常擅长处理表之间需要复杂联合查询的事务数据。

从事务数据的需求来看，关系型数据库应该坚持原子性、一致性、隔离性、持久性原则，具体如下：
▪原子性：事务将从头到尾完全执行，一旦出现错误，整个事务将会回滚。

▪一致性：一旦事务完成，所有的数据都要提交到数据库中。

▪隔离性：要求多个事务能在隔离的情况下同时运行，互不干扰。

▪持久性：在任何中断（如网络或电源故障）的情况下，事务应该能够恢复到最后已知的状态。

通常情况下，关系型数据库的数据会被转存到数据仓库中，用于报表和聚合。

（2）数据仓库
数据仓库更适合在线分析处理（OLAP）应用。

数据仓库提供了对海量结构化数据的快速聚合功能。

虽然这些技术（如Amazon Redshift、Netezza 和Teradata）旨在快速执行复杂的聚合查询，但它们并没有针对大量并发写入进行过优化。

所以，数据需要分批加载，使得仓库无法在热数据上提供实时洞察。

现代数据仓库使用列式存储来提升查询性能，例如Amazon Redshift、
Snowflake和Google Big Query。

得益于列式存储，这些数据仓库提供了非常快的查询速度，提高了I/O效率。

除此之外，Amazon Redshift等数据仓
库系统还通过在多个节点上并行查询以及大规模并行处理（MPP）来提高查询性能。

数据仓库是中央存储库，可以存储来自一个或多个数据库的累积数据。

它们存储当前和历史数据，用于创建业务数据的分析报告。

虽然，数据仓库集中存储来自多个系统的数据，但它们不能被视为数据湖。

数据仓库只能处理结构化的关系型数据，而数据湖则可以同时处理结构化的关系型数据和非结构化的数据，如JSON、日志和CSV数据。

Amazon Redshift等数据仓库解决方案可以处理PB级的数据，并提供解耦的计算和存储功能，以节省成本。

除了列式存储外，Redshift还使用数据编码、数据分布和区域映射来提高查询性能。

比较传统的基于行的数据仓库解决方案包括Netezza、Teradata和Greenplum。

02NoSQL数据库
NoSQL数据库（如Dynamo DB、Cassandra和Mongo DB）可以解决在关系型数据库中经常遇到的伸缩和性能挑战。

顾名思义，NoSQL表示非关系型数据库。

NoSQL数据库储存的数据没有明确结构机制连接不同表中的数据（没有连接、外键，也不具备范式）。

NoSQL运用了多种数据模型，包括列式、键值、搜索、文档和图模型。

NoSQL数据库提供可伸缩的性能、具有高可用性和韧性。

NoSQL通常没有严格的数据库模式，每条记录都可以有任意数量的列（属性），这意味着某一行可以有4列，而同一个表中的另一行可以有10列。

分区键用于检索包含相关属性的值或文档。

NoSQL数据库是高度分布式的，可以复制。

NoSQL数据库非常耐用，高可用的同时不会出现性能问题。

SQL数据库已经存在了几十年，大多数人可能已经非常熟悉关系型数据库。

我们来看SQL数据库和NoSQL数据库之间的一些重大区别（见表1）。

表1SQL数据库和NoSQL数据库的区别
根据数据特点，市面上有各种类别的NoSQL数据存储来解决特定的问题。

我们来看NoSQL数据库的类型。

03NoSQL数据库类型
NoSQL数据库的主要类型如下：
▪列式数据库：Apache Cassandra和Apache HBase是流行的列式数据库。

列式数据存储有助于在查询数据时扫描某一列，而不是扫描整行。

如果物品表有10列100万行，而你想查询库存中某一物品的数量，那么列式数据库只会将查询应用于物品数量列，不需要扫描整个表。

▪文档数据库：最流行的文档数据库有MongoDB、Couchbase、MarkLogic、Dynamo DB和Cassandra。

可以使用文档数据库来存储JSON 和XML格式的半结构化数据。

▪图数据库：流行的图数据库包括Amazon Neptune、JanusGraph、TinkerPop、Neo4j、OrientDB、GraphDB和Spark上的GraphX。

图数据库存储顶点和顶点之间的链接（称为边）。

图可以建立在关系型和非关系型数据库上。

▪内存式键值存储：最流行的内存式键值存储是Redis和Memcached。

它们将数据存储在内存中，用于数据读取频率高的场景。

应用程序的查询首先会转到内存数据库，如果数据在缓存中可用，则不会冲击主数据库。

内存数据库很适合存储用户会话信息，这些数据会导致复杂的查询和频繁的请求数据，如用户资料。

NoSQL有很多用例，但要建立数据搜索服务，需要对所有数据建立索引。

04搜索数据存储
Elasticsearch是大数据场景（如点击流和日志分析）最受欢迎的搜索引擎之一。

搜索引擎能很好地支持对具有任意数量的属性（包括字符串令牌）的温数据进行临时查询。

Elasticsearch非常流行。

一般的二进制或对象存储适用于非结构化、不可索引和其他没有专业工具能理解其格式的数据。

Amazon Elasticsearch Service管理Elasticsearch集群，并提供API访问。

它还提供了Kibana作为可视化工具，对Elasticsearch集群中的存储的索引数据进行搜索。

AWS管理集群的容量、伸缩和补丁，省去了运维开销。

日志搜索和分析是常见的大数据应用场景，Elasticsearch可以帮助你分析来自网站、服务器、物联网传感器的日志数据。

Elasticsearch被大量的行业应用使用，如银行、游戏、营销、应用监控、广告技术、欺诈检测、推荐和物联网等。

05非结构化数据存储
当你有非结构化数据存储的需求时，Hadoop似乎是一个完美的选择，因为它是可扩展、可伸缩的，而且非常灵活。

它可以运行在消费级设备上，拥有庞大的工具生态，而且运行起来似乎很划算。

Hadoop采用主节点和子节点模式，数据分布在多个子节点，由主节点协调作业，对数据进行查询运算。

Hadoop系统依托于大规模并行处理（MPP），这使得它可以快速地对各种类型的数据进行查询，无论是结构化数据还是非结构化数据。

在创建Hadoop集群时，从服务器上创建的每个子节点都会附带一个称为本地Hadoop分布式文件系统（HDFS）的磁盘存储块。

你可以使用常见的处理框架（如Hive、Ping和Spark）对存储数据进行查询。

但是，本地磁盘上的数据只在相关实例的生命期内持久化。

如果使用Hadoop的存储层（即HDFS）来存储数据，那么存储与计算将耦合在一起。

增加存储空间意味着必须增加更多的机器，这也会提高计算能力。

为了获得最大的灵活性和最佳成本效益，需要将计算和存储分开，并将两者独立伸缩。

总的来说，对象存储更适合数据湖，以经济高效的方式存储各种数据。

基于云计算的数据湖在对象存储的支持下，可以灵活地将计算和存储解耦。

06数据湖
数据湖是结构化和非结构化数据的集中存储库。

数据湖正在成为在集中存储中存储和分析大量数据的一种流行方式。

它按原样存储数据，使用开源文件格式来实现直接分析。

由于数据可以按当前格式原样存储，因此不需
要将数据转换为预定义的模式，从而提高了数据摄取的速度。

如图1所示，数据湖是企业中所有数据的单一真实来源。

图1数据湖的对象存储
数据湖的好处如下：
▪从各种来源摄取数据：数据湖可以让你在一个集中的位置存储和分析来自各种来源（如关系型、非关系型数据库以及流）的数据，以产生单一的真实来源。

它解答了一些问题，例如，为什么数据分布在多个地方？单一真实来源在哪里？
▪采集并高效存储数据：数据湖可以摄取任何类型的数据，包括半结构化和非结构化数据，不需要任何模式。

这就回答了如何从各种来源、各种格式的数据中快速摄取数据，并高效地进行大规模存储的问题。

▪随着产生的数据量不断扩展：数据湖允许你将存储层和计算层分开，对每个组件分别伸缩。

这就回答了如何随着产生的数据量进行伸缩的问题。

▪将分析方法应用于不同来源的数据：通过数据湖，你可以在读取时确定数据模式，并对从不同资源收集的数据创建集中的数据目录。

这使你能够随时、快速地对数据进行分析。

这回答了是否能将多种分析和处理框架应用于相同的数据的问题。

你需要为数据湖提供一个能无限伸缩的数据存储解决方案。

将处理和存储解耦会带来巨大的好处，包括能够使用各种工具处理和分析相同的数据。

虽然这可能需要一个额外的步骤将数据加载到对应工具中，但使用Amazon S3作为中央数据存储比传统存储方案有更多的好处。

数据湖还有其他好处。

它能让你的架构永不过时。

假设12个月后，可能会有你想要使用的新技术。

因为数据已经存在于数据湖，你可以以最小的开销将这种新技术插入工作流程中。

通过在大数据处理流水线中构建模块化系统，将AWS S3等通用对象存储作为主干，当特定模块不再适用或有更好的工具时，可以自如地替换。