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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。
1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。
2NoSQL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1 SQL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。
3NoSQL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。
4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。
5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。
6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。
本文摘编自《解决方案架构师修炼之道》，经出版方授权发布。(ISBN：9787111694441)转载请保留文章出处。
