發(fā)布時間：2018-08-20 10:07

【摘要】：云計算技術(shù)的廣泛應用使數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出爆炸式增長的趨勢,對傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)�，F(xiàn)有的云存儲系統(tǒng)普遍采用分布式哈希表的形式存取數(shù)據(jù),這種基于key-value的模型在單維度查詢時可以獲得較高的訪問效率,但是對多維度查詢的支持不足。當用戶提交基于多個屬性列的多維查詢時,由于缺乏有效的二級索引系統(tǒng)的支持,需要運行MapReduce任務(wù)掃描整個數(shù)據(jù)集,從而使查詢效率降低。因此,近年來云存儲輔助索引成為學術(shù)界研究的熱點,相關(guān)成果陸續(xù)發(fā)表在數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域國際頂級會議和頂級期刊上。本文對云計算環(huán)境下的多維數(shù)據(jù)索引技術(shù)進行研究。論文工作分別從云存儲系統(tǒng)中的多維數(shù)據(jù)索引、基于主從結(jié)構(gòu)的雙層多維數(shù)據(jù)索引、以及純分布式環(huán)境下支持動態(tài)維度擴展的多維數(shù)據(jù)索引三個方面展開,主要內(nèi)容概述如下:1.針對現(xiàn)有云存儲系統(tǒng)主要支持單鍵值索引,缺乏有效的多維索引,導致多維度查詢效率較低的問題,本文提出了一種基于UB樹的新型多維云數(shù)據(jù)索引方案:CloudUB。該方案首先利用Z曲線進行多維空間的降維,然后沿Z曲線將多維空間劃分成Z區(qū)域,利用B+樹組織Z區(qū)域信息,建立改進的UB樹索引。CloudUB在執(zhí)行多維查詢時能夠基于Z區(qū)域濾除不可能包含查詢結(jié)果的數(shù)據(jù)空間,從而提高查詢效率。另外,本文設(shè)計了基于HBase的索引構(gòu)建和維護機制,并提出了相應的實時和離線索引構(gòu)建算法。該機制把基于Z曲線降維的B+樹葉節(jié)點保存在HBase中,將原始多維空間的查找問題轉(zhuǎn)化成現(xiàn)有云存儲系統(tǒng)能夠支持的key-value查詢問題,從而支持MapReduce技術(shù)對索引表的高并發(fā)訪問。最后,本文設(shè)計了CloudUB的多維查找算法并進行了效率分析。基于Hadoop2.2版本、1000萬級數(shù)據(jù)量的測試結(jié)果表明,CloudUB索引方案支持靈活、高效的實時索引構(gòu)建,多維查詢效率顯著提升。2.通過對云計算系統(tǒng)中數(shù)據(jù)管理方式的深入研究,本文提出了一種符合云計算系統(tǒng)主從管理方式的雙層多維數(shù)據(jù)索引:KD-R。該索引方案為云計算系統(tǒng)中的每一個數(shù)據(jù)服務(wù)器上的本地數(shù)據(jù)建立一個R樹索引,所有本地的R樹索引共同構(gòu)成雙層索引系統(tǒng)的下層索引,然后將每個R樹索引的部分節(jié)點信息發(fā)布到全局服務(wù)器層,由此構(gòu)建一個統(tǒng)一的KD樹索引。針對將哪些局部索引節(jié)點發(fā)布到全局索引的問題,本文設(shè)計了自適應的節(jié)點發(fā)布算法,以及選擇發(fā)布節(jié)點的代價模型,該代價模型可以估算局部索引節(jié)點的索引代價。索引系統(tǒng)根據(jù)代價模型對局部數(shù)據(jù)服務(wù)器上的索引節(jié)點進行周期性的檢測,然后利用自適應節(jié)點發(fā)布算法,調(diào)整發(fā)布的局部索引節(jié)點,達到動態(tài)優(yōu)化KD-R索引的目的。實驗結(jié)果表明,基于KD-R索引的多維查詢算法具有較高的內(nèi)存利用率和查詢效率,展示了良好的可用性。3.針對云計算系統(tǒng)中用戶的需求具有彈性,存在動態(tài)擴展查詢維度的現(xiàn)狀,本文提出了一種基于Chord覆蓋網(wǎng)絡(luò)和分區(qū)位圖的多維云數(shù)據(jù)索引:CB-index。該索引方案采用Chord覆蓋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建全局索引,克服了主從結(jié)構(gòu)帶來的全局服務(wù)器易形成瓶頸的問題,實現(xiàn)了純分布式的雙層索引架構(gòu);同時,本文設(shè)計了分區(qū)位圖編碼機制,通過分區(qū)位圖構(gòu)建本地數(shù)據(jù)服務(wù)器上的局部數(shù)據(jù)索引,實現(xiàn)了局部索引節(jié)點與Chord覆蓋網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合。根據(jù)分區(qū)位圖編碼前綴可擴展的特性,本文設(shè)計了動態(tài)的索引維度擴展算法,在維度動態(tài)擴展的同時避免了索引結(jié)構(gòu)的完全重構(gòu)。除此之外,本文還設(shè)計了自適應的索引節(jié)點調(diào)整算法、多維查詢算法和索引維護算法。實驗結(jié)果表明,CB-index索引具有較高的多維查詢效率,并支持靈活的索引維度擴展,能夠適應云計算環(huán)境下用戶的動態(tài)查詢需求。
[Abstract]:The widespread application of cloud computing technology makes the data explosively increasing, and brings new challenges to the traditional data management technology. The existing cloud storage systems generally use the form of distributed hash table to access data. This key-value-based model can obtain higher access efficiency in single-dimensional query, but it is more efficient than multi-dimensional query. When users submit multi-dimensional queries based on multiple attribute columns, due to the lack of effective secondary index system support, it is necessary to run the MapReduce task to scan the entire data set, thus reducing the query efficiency. Tables are presented at international top-level conferences and journals in the database field. This paper studies the multi-dimensional data indexing technology in the cloud computing environment. The main contents of this paper are summarized as follows: 1. To solve the problem that the existing cloud storage systems mainly support single-key index and lack effective multi-dimensional index, which leads to low efficiency of multi-dimensional query, this paper proposes a new multi-dimensional cloud data index scheme based on UB tree: CloudUB. Then, the dimension of the query is reduced, and the multi-dimensional space is divided into Z-region along Z-curve, and the Z-region information is organized by B+tree to establish an improved UB tree index. CloudUB can filter out the data space which can not contain the query results based on Z-region, so as to improve the query efficiency. In addition, the index construction and dimension based on HBase are designed. The mechanism saves B+leaf nodes based on Z-curve dimensionality reduction in HBase and transforms the original multi-dimensional search problem into a key-value query problem that can be supported by existing cloud storage systems, thus supporting high concurrent access to index tables by MapReduce technology. Based on Hadoop version 2.2, the test results of 10 million level data show that CloudUB index scheme supports flexible and efficient real-time index construction, and the efficiency of multi-dimensional query is significantly improved. 2. Through the in-depth study of data management in cloud computing system, this paper proposes a new method. KD-R, a two-tier multi-dimensional data index that conforms to the master-slave management of cloud computing system, establishes an R-tree index for local data on each data server in the cloud computing system. All local R-tree indexes together form the underlying index of the double-tier index system, and then part of the nodes of each R-tree index are sent to each other. To solve the problem of which local index nodes are published to the global index, this paper designs an adaptive node publishing algorithm and a cost model for selecting publishing nodes, which can estimate the index cost of local index nodes. The cost model periodically detects the index nodes on the local data server, and then adjusts the published local index nodes by using the adaptive node publishing algorithm to dynamically optimize the KD-R index. The experimental results show that the multi-dimensional query algorithm based on KD-R index has high memory utilization and query efficiency. 3. In view of the elasticity of users'needs and the fact that query dimensions are dynamically extended in cloud computing systems, this paper proposes a multi-dimensional cloud data index: CB-index based on Chord overlay network and zonal bitmap. At the same time, this paper designs a partitioned bitmap encoding mechanism, builds a local data index on the local data server through the partitioned bitmap, and realizes the combination of local index nodes and the Chord overlay network. In addition, an adaptive index node adjustment algorithm, a multi-dimensional query algorithm and an index maintenance algorithm are also designed. The experimental results show that CB-index index has high efficiency in multi-dimensional query and can avoid the complete reconstruction of index structure. It supports flexible index dimension expansion and is able to meet users' dynamic query requirements in cloud computing environment.
【學位授予單位】：電子科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP311.13

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本文編號：2193230