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基于嵌入式数据库的海量存储技术解析

2018年06月05日 11:00 次阅读

1嵌入式数据库

通常, 我们采用数据库来实现对数据的存储、检索等功能。像MySQL这类基于C/S结构的关系型数据库系统, 虽然代表着目前数据库应用的主流, 却并不能满足所有应用场合的需要。很多的应用,仅仅利用到了这些数据库产品的基本特性而已。有时我们需要的可能只是一个简单的基于磁盘文件的数据库系统,这样就不必安装庞大的数据库服务器, 以简化数据库应用程序的设计。在某些特殊应用场合,比如在嵌入式系统中,由于系统的硬件软件资源都有限,这些数据库产品就明显有一些臃肿,甚至是不可实现的。在这些情况下,嵌入式数据库的优势就特别明显了。

嵌入式数据库通常与操作系统和具体应用集成在一起, 无须独立运行的数据库引擎,由程序直接调用相应的API去实现对数据的存取操作。更直白地讲, 嵌入式数据库是一种具备了基本数据库特性的数据文件。嵌入式数据库与其它数据库产品的区别是,前者是程序驱动式,而后者是引擎响应式。嵌入式数据库的一个很重要的特点是它们的体积非常小,编译后的产品也不过几十KB, 在一些移动设备上极具竞争力。

从目前嵌入式应用的发展趋势来看,嵌入式数据库的实现必须充分体现系统的可定制性,即系统选择的技术路线要面向具体的行业应用,因而研究源码开放的嵌入式数据库具有特殊意义。

2 Berkeley DB

Berkeley DB是由sleepycat software开发的轻量级嵌入式数据库,它不仅适用于嵌入式系统,而且可以直接连接到应用程序内部,和应用程序运行在同一地址空间。传统的数据库一般作为独立服务器工作,而Berkeley DB是软件开发库,开发者将它嵌入到应用程序中,应用程序本身就是一个服务器,而只是利用嵌入式数据库开发来实现定制的数据库逻辑,避免了与应用服务器进程间通信的开销,因此Berkeley DB具有较高的运行效率,适用于资源受限的嵌入式系统。

一般而言,Berkeley DB数据库系统可以大致分为五个子系统,如图1所示。

基于嵌入式数据库的海量存储技术解析

图1 Berkeley DB 子系统图

1、 存取管理子系统(Access Methods)

该子系统为创建和访问数据库文件提供基本的支持。在没有事务管理的情况下,该子系统中的模块可单独使用,为应用程序提供快速高效的数据存取服务。

2、 内存池管理子系统(Memory Pool)

该子系统就是Berkeley DB所使用的通用共享内存缓冲区,该子系统可以被应用程序单独使用。

3、 事务子系统(TransacTIon)

该子系统为Berkekey DB提供事务管理功能,保证操作的原则性、一致性和孤立性。事务子系统适用于对需要事务保证的数据进行修改的场合。

4、 锁子系统(Locking)

该子系统提供进程之间以及进程内部的并发管理机制,为系统提供多用户读取和单用户修改同一对象的共享控制。该子系统可以被应用程序单独使用。

5、 日志子系统(Logging)

该子系统采用的是先写日志的策略,支持事务子系统进行数据恢复,保证数据一致性。

3 基于嵌入式数据库的海量存储技术在网络性能管理系统中的应用

3.1 嵌入式数据库Berkeley DB 处理海量数据存储

传统的网络管理软件在海量数据存储方面大部分采取大型关系型数据库,由于网络管理软件要与数据库服务器进行通信,这种方式造成了系统性能的极大下降,另外随着所管网络规模的增大,信息采集的急剧增加,缓慢而频繁的数据库读写操作来不及处理实时采集到的海量数据,导致数据丢失,网络管理失真,甚至会导致系统的瘫痪。也有少数网络管理软件采取使用一种日志文件以ASCII 文本形式来记录采集到的流量数据,通常该种日志文件具有常量大小的特征,能够支持长期的网络监测任务,如国内外最为流行的免费且开放源代码的流量监测软件MRTG 就是采用这种方式实现海量数据存储的。MRTG 定期对数据进行整合,根据记录数据的日期不同而以不同的粒度保存数据,随着时间的推移,相应数据的粒度逐渐变大,但这种方式存在两个缺点:(1)所存储的数据粒度受到限制,如不能从中得到一个月前的某天平均每半个小时的数据;(2)每次数据采集后,MRTG 都根据日志文件进行流量图生成,并以HTML 格式呈现,而在实际应用场合,一个端口的流量统计分析图形被用户调用查看的概率远远小于不被调用的概率,因此浪费了大量用于生成图形的系统开销,随着网络规模的扩大,MTRG 在性能上明显不能满足要求。本文提出了一种如图2所示的流量数据采集及存储方案。网络性能管理软件实时地接收路由器发送过来的Netflow/sFlow 包(当然这里也包括用SNMP 协议定时采集到的流量数据),将其结果存储到嵌入式数据库Berkeley DB 当中,供长期历史保存。与MRTG 不同的是:(1)它采用了嵌入式数据库Berkeley DB, Berkeley DB可以直接连接到应用程序内部,和应用程序运行在同一地址空间,因此它不需要与另外的数据库应用程序进行通信,提高了应用程序的速度,减少磁盘操作的时间,防止了数据因磁盘操作缓慢而导致的数据丢失现象。(2)它并非每次采集都生成图形,而是引入触发控制方式的“按需成图”,当客户需要查看某一段时间里的图形、或者是某一端口流量、或者是某一种服务的图形等时,只需对成图控制模块执行相应的操作,成图模块则向数据库里查找特定的数据生成相应的图形。

基于嵌入式数据库的海量存储技术解析

图2 流量数据采集及存储方案图

3.2 多进程、多数据库加锁机制在网络性能管理系统中处理海量数据的实现

网络管理的前提是信息采集,全面而实时地采集到所有的信息,然后对信息进行分类汇总,进而使网络管理软件实现:网络性能实时监测、系统性能实时监测、应用性能实时监测、SLA 服务质量管理、故障预警、DOS 攻击定位、病毒扫描、统计分析报告、网络容量趋势分析、系统管理与维护等功能。由于Berkeley DB 单个数据库的容量只能为256T,而网络管理信息庞大,为了扩充其存储容量,采取了多个数据库的方法。另外客户在使用网络性能管理系统软件的成图控制模块时,往往关注的是某一段时间里的图形如:某一段时间里某一端口流量图、某一段时间里某一种服务图等等,因此为了日后的成图,我们以时间(年、月、日)为单位建立若干个数据库。数据库名以某年某月某日某小时(24 小时制)命名,来存放该小时里采集到的信息。另外为了缓冲网络管理当中采集到的海量信息,我们采取了消息队列机制,父进程将采集到的信息先写入消息队列。然后子进程从消息队列中读出信息写入数据库(为了防止消息队列中信息过多单进程来不及读消息队列并写数据库而导致消息队列阻塞,整个系统效率低下。为此我们创建了多个子进程来读消息队列写数据库)。

采用上述方法以时间点(小时)为单位命名数据库,存放对应时间里的信息。但由于路由器偶尔会发生信息滞留现象(路由器滞留时间最大为30 分钟,例如:可能6 点30 以后收到的信息7 点才转发),如果按照上述存储方法将会存入7 点的数据库。导致存储信息失真,不是网络某一时刻的真实反映。为解决这一现象,每次打开两个数据库,即既打开当前点的数据库亦打开前一时间点的数据库。当收到数据包时,根据数据包中Netflow/sFlow流到达路由器的时间来判别写哪个数据库。

由于上述两个原因系统当中存在着多个子进程写多个数据库,如果不采取一定的措施很容易发生一序列的问题如:哪个进程负责创建数据库、那个进程负责关闭数据库、多个进程之间如何管理。为解决这些问题系统采取了基于多进程、多数据库的加锁机制和心跳机制。

多进程、多数据库的加锁机制实现流程如图3所示

基于嵌入式数据库的海量存储技术解析

图3 多进程、多数据库的加锁机制实现流程图

3.3 多个附加数据库查询机制的实现

由于Berkeley DB 不是关系型数据库,因此我们不能像对关系型数据库一样对其进行复合条件查询,而经常客户需要查看某一段时间里的图形如:某一段时间里某一端口流量图、某一段时间里某一种服务图等等,而这些图形的成图数据都是基于复合条件查询所得到的。为解决这个问题Berkeley DB 为我们提供了附加数据库(二级数据库),在附加数据库中我们可以设定任意的key(可以是关系数据库中多列属性的组合),因此我们可以根据附加数据库的key方便地在附加数据库中进行查询,得到所需要的数据然后在成图模块展示,为此我们引入了在对网络流量数据做统计时使用频率较高、方便成图模块查询的的5 个附加数据库分别是: SCRIP_SUBDB 、DSTIP_SUBDB 、SRCPORT_SUBDB 、DSTPORT_SUBDB 、STARTTIME_SUBDB。而且根据实际的情况我们还可以增加附加数据库的个数。另外为了提高数据库的查询效率和数据的插入速度,结合Berkeley DB 的四种访问方式,我们为主数据库采取Queue 访问方式以提高数据插入速度,并且以时间作为key。而对于附加数据库我们则BTree 访问方式以提高查询效率,而其key 则根据不同的关联函数产生,这里我们以附加数据库SCRIP_SUBDB 为例讨论主数据库与附加数据库之间的关系:

initenv(const conf_ST *conf)//初始化数据库环境

initalldb (const conf_ST *conf ,int type) //初始化所有数据库

{

⋯⋯

init_primary_db(conf,&last-db,LAST,type);//初始化前一时间点数据库

init_primary_db(conf,&(current-db),CURRENT,type); //初始化当前时间点数据库

⋯⋯

INIT_SEC_DB(srcip,SRCIP,type); //该函数实际上是定义为初始化附加数据库的一个宏

⋯⋯

}

int get_item_srcip(DB *sdbp,const DBT *pkey,const DBT *pdata,DBT *skey)

//附加数据库到主数据库设定key 的关联函数

int init_sub_db(const conf_ST *conf, DB**primary_db, DB **sub_db, int sub_db_type, int\TIme_db_type, int type)//初始化附加数据库

{

⋯⋯

ret =(*primary)-》associate(*primary_db,NULL,*sub_db,get_item_srcip,\

DB_CREATE); //调用Berkeley DB 系统函数将附加数据关联到主数据库并设定附加数据库中的key

⋯⋯

}

⋯⋯

4 小结:

本文作者创新点是在项目的开发和实践过程中,我们分别以不同数量级的记录写入关系型数据库Mysql 和嵌入试数据库BerkeleyDB,比较发现引入嵌入试数据库Berkeley DB 大大提高了系统的存储速度,使存取时间成倍减少。由此看来,嵌入式数据库Berkeley DB 在处理海量数据存储上比关系型数据库赢得了时间和速度上的优势,但网络管理性能系统中采集到的信息庞大,如何将Berkeley DB 数据库中存储的海量数据进行压缩仍然是值得探讨的问题。

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发表于 2018-05-18 15:10 159次阅读
嵌入式设计经验:ARM-WinCE平台时钟同步设...

一种嵌入式视觉系统中的传感器融合应用解析

传感器在我们的世界经历了快速的推广,事实上,传感器现在已经非常普遍,以至于我们每个人日常所使用的手机...

发表于 2018-05-18 15:06 225次阅读
一种嵌入式视觉系统中的传感器融合应用解析

嵌入式Linux的开机启动流程简单的介绍

这里ROM Code是上电后最先执行的动作,就相当一个启动引导的过程;U-Boot除了初始外设外,还...

发表于 2018-05-18 15:04 448次阅读
嵌入式Linux的开机启动流程简单的介绍

嵌入式与人工智能关系_嵌入式人工智能的发展趋势

所谓嵌入式人工智能,就是设备无须联网通过云端数据中心进行大规模计算去实现人工智能,而是在本地计算,在...

发表于 2018-05-18 11:29 388次阅读
嵌入式与人工智能关系_嵌入式人工智能的发展趋势

什么是嵌入式开发板_学嵌入式用什么开发板

本文首先介绍了嵌入式开发板的功能作用,其次阐述了学嵌入式用什么开发板,分别推荐了fs4412开发板、...

发表于 2018-05-18 11:14 326次阅读
什么是嵌入式开发板_学嵌入式用什么开发板

纵览FFmpeg硬件加速方案,涉及主流硬件和操作...

被称为“多媒体技术领域的瑞士军刀”,FFmpeg拥有广泛的应用基础。不过,当(实时)处理海量视频时,...

发表于 2018-05-18 09:03 1006次阅读
纵览FFmpeg硬件加速方案,涉及主流硬件和操作...

嵌入式行业发展状况_嵌入式行业人才需求_嵌入式系...

本文主要是对嵌入式系统就业前景分析,首先介绍了嵌入式行业发展状况及人才需求,其次阐述了嵌入式系统行业...

发表于 2018-05-17 17:27 1274次阅读
嵌入式行业发展状况_嵌入式行业人才需求_嵌入式系...

嵌入式主板外部原因造成的一些故障分析

温度都不适宜硬盘的保护,如果机箱温度达到30摄氏度,内部硬盘的温度会达到40度或更高。我们可以简单D...

发表于 2018-05-17 16:22 93次阅读
嵌入式主板外部原因造成的一些故障分析

倍福CX2020嵌入式控制器确保风电机组的高可用...

在经过两年的施工建设后,荷兰能源公司Eneco的Luchterduinen风电场正式投入运行。

发表于 2018-05-17 15:36 126次阅读
倍福CX2020嵌入式控制器确保风电机组的高可用...

工控机嵌入式操作系统Windows XPe概述

Windows XP Embedded是这种领先的桌面操作系统的组件化版本,它能够快速开发出最为可靠...

发表于 2018-05-17 15:18 277次阅读
工控机嵌入式操作系统Windows XPe概述

华北工控嵌入式主板在网络购物平台中的应用

随着互联网技术的飞速发展,网民指数呈爆炸性增长,网络购物也是大势所趋,网络购物改变着人们的生活。物联...

发表于 2018-05-17 15:13 267次阅读
华北工控嵌入式主板在网络购物平台中的应用

一文告诉你!如何选择合适的嵌入多操作系统

当我们在设计信息电器、数字医疗设备等嵌入式产品时,嵌入式操作系统的选择至关重要。一般而言,在选择嵌入...

发表于 2018-05-17 15:10 168次阅读
一文告诉你!如何选择合适的嵌入多操作系统

凌华科技发布加固级无风扇嵌入式电脑 支持独立三显

支持Window 7操作系统、I/O配置灵活丰富、优异的图像处理能力 全球领先的边缘计算解决方案提供...

发表于 2018-05-17 11:46 96次阅读
凌华科技发布加固级无风扇嵌入式电脑 支持独立三显

儒卓力CITE展核心领域:嵌入式_智能_电源_汽...

社交媒体在国内广受欢迎,儒卓力在深圳举行的2018年CITE博览会上使用这些交互渠道与众多参观者进行...

发表于 2018-05-17 06:50 218次阅读
儒卓力CITE展核心领域:嵌入式_智能_电源_汽...

一文看懂嵌入式与物联网有什么关系

虽然嵌入式系统已经有30多年的历史,但是原来一直隐藏在背后的,自从物联网上升为国家战略后,嵌入式系统...

发表于 2018-05-16 17:45 1182次阅读
一文看懂嵌入式与物联网有什么关系

威盛Edge AI人工智能开发套件_实时视频采集...

针对需要视频处理的人工智能应用进行优化,加快人工智能系统和设备的上市时间 2018年5月15日北京讯...

发表于 2018-05-16 11:50 429次阅读
威盛Edge AI人工智能开发套件_实时视频采集...

了解TrueSTUDIO9.0给STM32开发带...

现在ST正式发布整合后第一个Atollic TrueSTUDIO版本 9.0,正式为STM32用户提...

发表于 2018-05-16 09:24 1187次阅读
了解TrueSTUDIO9.0给STM32开发带...

M3352核心板及评估底板及产品设计框图

为了便于用户快速开发产品,ZLG致远电子研发设计了基于AWorks平台的,集MCU、DDR3、Nan...

发表于 2018-05-16 09:09 1269次阅读
M3352核心板及评估底板及产品设计框图

嵌入式bin文件和elf文件重点

执行raw binary很简单,只需要将程序加载到其起始地址,就可以执行; 执行ELF程序则需要一个...

发表于 2018-05-15 11:04 193次阅读
嵌入式bin文件和elf文件重点

SSD硬盘为什么成主要存储技术 主要是这6个原因

第一批基于闪存的固态(SSD)硬盘在12年前就已经出现,但直到现在,该技术才有望取代数据中心的机械(...

发表于 2018-05-15 09:14 816次阅读
SSD硬盘为什么成主要存储技术 主要是这6个原因

电子工程师要如何突破瓶颈?电子工程师是吃青春饭吗...

电子工程师是吃青春饭吗?因为这份工作经常加班熬夜很辛苦,然后一直看电脑,一直坐着,反正对身体不是很好...

发表于 2018-05-14 13:32 317次阅读
电子工程师要如何突破瓶颈?电子工程师是吃青春饭吗...

欢迎来到无线产品大杂烩:嵌入式开发人员的射频频段...

编者按:本系列文章包括两部分,第 1 部分讨论嵌入式系统设计人员可选择的各种无线连接,并提供了一些相...

发表于 2018-05-14 10:25 1024次阅读
欢迎来到无线产品大杂烩:嵌入式开发人员的射频频段...

如何在嵌入式平台上玩转Python

它的主处理器为ARM CORTEX-M4系列的STM32F405,最高工作频率168MHz,利用意法...

发表于 2018-05-14 08:59 559次阅读
如何在嵌入式平台上玩转Python

Docker五种存储驱动原理详解

Docker最开始采用AUFS作为文件系统,也得益于AUFS分层的概念,实现了多个Container...

发表于 2018-05-13 10:33 369次阅读
Docker五种存储驱动原理详解

基于SPEAr320的工厂自动化嵌入式开发方案详...

本文介绍了SPEAr320主要特性, 功能方框图, 系统典型架构图和EVALSPEAr320CPU ...

发表于 2018-05-12 08:31 707次阅读
基于SPEAr320的工厂自动化嵌入式开发方案详...

全新Arm IP保护物联网设备免疫日益普遍的物理...

Arm在去年的Arm TechCon大会上发布了《物联网安全宣言 》(Arm Security Ma...

发表于 2018-05-12 02:36 450次阅读
全新Arm IP保护物联网设备免疫日益普遍的物理...

天津飞腾展示四款处理器芯片 FT-1500系列和...

FT-1500A/4集成4个自主开发的ARMv8指令集兼容处理器内核FTC660,采用片上并行系统体...

发表于 2018-05-11 09:45 3293次阅读
天津飞腾展示四款处理器芯片 FT-1500系列和...

给嵌入式项目也来个分层试试

首先,嵌入式开发的核心就是芯片,它提供固定的片内资源共开发者使用。而且它具有一个很重要的特点就是,不...

发表于 2018-05-11 09:18 823次阅读
给嵌入式项目也来个分层试试

适用于TI处理器的可扩展Linux和TI RTO...

而一般的RTOS呢,就拿大家熟悉的ucos2来说,只是包含了调度、同步、互斥、时钟等代码。如果系统工...

发表于 2018-05-09 16:59 739次阅读
适用于TI处理器的可扩展Linux和TI RTO...

嵌入式电脑主控智能家居系统方案

随着网络信息化发展、人们生活水平的提高,小区建筑逐步进入 智能化进程 ,数字智慧和住宅热潮涌动。数字...

发表于 2018-05-09 10:45 233次阅读
嵌入式电脑主控智能家居系统方案

嵌入式结合GPRS网络的家居安防监控系统设计

本系统以m in i4020开发板为主平台,51单片机进行辅助控制; 电机模块、GPRS 模块、LC...

发表于 2018-05-08 11:31 750次阅读
嵌入式结合GPRS网络的家居安防监控系统设计

基于嵌入式心音信号身份识别原理分析及设计

心音身份识别是指一种利用人体心音信号进行身份识别的技术,心音是心脏及心血管系统机械运动状况的反映,包...

发表于 2018-05-08 11:18 1382次阅读
基于嵌入式心音信号身份识别原理分析及设计

针对LED的嵌入式集成ESD保护功能基板

一直以来,印刷电路板所扮演的角色都不仅仅是载体材料和元件分配层那么简单,而是越來越多的功能被直接嵌入...

发表于 2018-05-07 11:51 294次阅读
针对LED的嵌入式集成ESD保护功能基板

Arm在中国正迎来新的时代

Arm Limited 旗下瑞阁思,刚刚成立。这是一家主营贸易的公司,主营业务包括:电子设备、计算机...

发表于 2018-05-07 10:38 1124次阅读
Arm在中国正迎来新的时代

HBase2.0中引入Accordion算法的使...

未来的压缩可能会在basic压缩策略和eager压缩策略之间实现自动选择。例如,该算法可能会在一段时...

发表于 2018-05-07 10:35 472次阅读
HBase2.0中引入Accordion算法的使...

中国机器视觉未来发展趋势及特性

机器视觉软硬件产品正逐渐成为协作生产制造过程中不同阶段的核心系统,无论是用户还是硬件供应商都将机器视...

发表于 2018-05-04 16:22 1057次阅读
中国机器视觉未来发展趋势及特性