建造适于业务分析的日志数据系统

现在“大数据”非常的火。我们看到有各种相关的技术文章和软件推出，但是，当我们面对真正日常的业务时，却往往觉得无法利用上“大数据”。初步想来，好像原因有两个：第一个原因是，我们的数据往往看起来不够“大”，导致我们似乎分析不出什么来。第二个原因是，大数据往往其作用在于“预测”，比如给用户推荐商品，就是通过预测用户的消费倾向；给用户推送广告，局势通过预测用户的浏览习惯。然而很多时候我们要的并不是预测，而是弄明白用户本身的情况。

对于业务中产生的数据，一般我们期望有几种用途：一是通过统计，用来做成分析报告，帮助人去思考解决业务问题；二是对一些筛选和统计后的数据，针对其变动进行自动监测，及时发现突发状况和问题；三是使用某些统计模型或者推算方法，去对一些情况进行预测。这三种数据的利用方法，可以说是层层递进的。我们现在最流行的“大数据”，是最顶级的需求，然而，我们实际的工作中，往往连最初级的数据系统都还未建立起来。所幸的是，现在“大数据”体系的实现手段，基本都已经开源化，我们完全可以利用这些知识和概念，去先构造我们最基础的数据系统，满足最基本的分析需求。

那么，我们就应该来看看，流行的数据系统的结构，以及其概念。这些基础设施一旦建立好了，就能成为一个具备日后扩展更多数据需求的基础。为了更好的理解这些概念，我们可以对比着来看。

首先说说最传统的数据系统的构成——数据库统计系统。这种做法，其实是很自然而原始的，就是把需要统计的日志信息，以数据库记录的形式，一条一条的存放在数据表中，在需要看统计结果的时候，就编写SQL去运算出结果来。但是这种做法有几个明显的缺点，第一是数据库里面会有大量的日志数据，很容易就突破存储的上限；第二是我们一般没有去预测SQL的内容，导致存放日志的表一般没有精心的去建立索引，这导致了统计查询运行往往会很慢；第三个问题是最致命的，就是由于对于统计需求没有规划，随着数据统计需求的增加，数据表结构会不断变得更加复杂，最后没有人能搞明白具体每个字段的含义，导致了无法编写正确的SQL。由于以上的缺点，人们开始反思这种做法，并且开始更仔细的对待数据统计需求。

这样，就诞生了第二种数据系统：日志与报表分离的数据系统。为了解决日志数据量大的问题，人们不再把原始日志插入数据表，而是以文件形式存放。为了解决统计速度缓慢的问题，人们会预先根据统计的需求，设定一些需要索引的日志字段，然后编写一些数据的汇总和筛选的程序，按这些预设的需求，把海量的日志记录，使用统计算法归并缩小，存入到预建索引的数据表中，一般我们会使用按小时或按天去归并，这样无论多少条记录，可能都会变成有限的几十条或几百条，数据量会减少几个数量级。

为了解决统计数据结构过于复杂的问题，人们不再修改日志的字段结构，而是根据具体不同的统计需求，建立不同的“报表”数据表，由经过归并的日志数据表来进行统计，结果记录于报表数据表中。这也大大加快了报表的重复展示。虽然这种做法能解决很多问题，但是最终还是有一些缺陷：当我们产生的日志数据量很大，而且产生日志的程序很多，二者这些程序都部署在不同的服务器上的时候，要搜集和归并大量的日志文件，是一件不容易的事情，因为单一的一台服务器往往承受不住多台服务器产生的日志数据，存储的磁盘很容易就爆满了；第二是这种系统的数据归并程序和报表统计程序，都是根据具体的业务需求来编写的，现实情况下，这些需求往往多变，这就让维护这套系统的程序员疲于奔命，要不停的修改这些程序。

根据上面总结的缺点，以及在Google的MapReduce思想启发下，现在很多海量数据统计系统，会设计成这样：首先，日志文件需要一个分布式的存储系统来集中存放，我们现在有很多这样的开源软件可供选择，比如kafka，或者BigTable；然后，我们需要以某种脚本语言，快速开发归并过滤程序。在这里的“归并”和“过滤”，实际上已经是某种意义上的统计，或者叫对某种特征数据的抽取。这个功能的脚本，如果仅仅以awk之类的模型去做，还是比较耗费开发人员工作量的，所以，还应该有以定义字段统计方法（最大、最小、平均、总数）和条件（等于、不等于、大于、小于、包含、不包含、并且、或者）的API，这样才能快速的开发这种统计和过滤的程序。

除了要能定义字段统计方法和过滤条件，还有一个重要的回调功能，就是能自动按某条件进行拆分统计任务。——这个就是MapReduce中的Map函数。但是一般的业务统计系统，Map函数是无需太复杂的，设置大部分都可以默认成按某个字段分段，比如可以按“时间”字段，每1000000条拆分一个任务、或者按“用户ID”字段取模来拆分。由于我们的业务系统往往并非Google的网页访问统计程序，也不是淘宝的商品推荐预测程序，而仅仅是需要利用多台服务器一起做统计，所以我们的“拆分”逻辑是可以比较简单来做的。在拆分工作完成后，我们可以部署多台统计服务器执行这些工作，这些服务器最后都会把结果数据插入到一个数据库中。

如果我们使用SQL数据库，我们就要自己做好分库分表的伪分布式存储工作，好处是后续的报表逻辑可以用简单的SQL来定义生成；如果我们不使用SQL数据库，我们则需要把报表生成的工作，放在拆分汇总的步骤完成：多台统计服务器的结果先回写到一个存储空间，然后汇总服务器根据报表需求，使用分拆的统计结果，计算出真正需要的报表结果，然后写入到某种报表存储中（比如文件）。这个步骤，实际上就是Reduce的过程。这个过程也是需要编写Reduce函数的。在一般的业务系统中，我建议使用SQL数据库，因为编写SQL和WEB的脚本是比较容易掌握的技能，用这种方案来取代编写Reduce函数，更容易适应变化快的需求。但如果汇总技术的数据量还是很大，并且统计需求比较稳定，那么使用编写Reduce函数的方法会比较容易提高统计系统的运行性能。

当我们把统计系统建立起来，我们就可以利用它做第二层的需求——实时监控。说到底，实时监控不过是设置了一个统计报表，然后增加对其某几个指标的阈值；由程序自动运行报表的生成，然后程序去判断这些指标有无超越既定阈值范围，决定是否发出报警。一般做实时监控，统计系统的后段Reduce就不会选择SQL数据库，原因是我们需要更快的把报表生成出来，SQL的运行受数据库的限制，难以分布式运算；如果我们使用Reduce函数，我们可以让不同的Reduce函数在不同的服务器上运行，提供针对不同数据项的监控报警。

最后大概说说预测系统的构建。一般来说最流行的是使用神经网络算法对数据进行运算，所以我们在经过MapReduce之后的数据，可能不适合直接用来运算。这样我们就需要更庞大稳定的分布式存储系统，用来存放更多的原始日志数据。但是，我们依然用其他的方式来提供预测的能力，比如使用一些人工设定的统计数据模型，比如用户画像对比，来做一些预测运算。举个例子，我们可以先设定一个用户的数据特征，比如性别、年龄、使用产品的时间段、消费水平，然后根据这些特征对购买某种类商品的行为进行统计，然后我们就能得到一个报表，这样我们就得到一个报表：各个性别、年龄段、使用实践、消费能力的人对某货品的购买量占全体的百分比。然后我们拿到一个用户，就把他的性别、年龄等特征数据放入这个报表中做对比，看是属于哪一段的，就能得到一个预测值。

在诸多底层设施中，分布式存储系统始终是最核心的部件，首先建设好这一块是毫无疑问的。至于预测本身，大量开发统计模型，现在也是比较符合一般业务系统的限制，所以在神经网络算法还没能很方便的运用前，先降低统计模型和数据对比的开发复杂度，也是很不错的选择。

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