数据仓库之理论概述

「爱情、让人受尽委屈。」 2022-10-13 15:56 22阅读 0赞

### 目录 ###

*   *  （1）什么是数据仓库
     *  （2）数据仓库的特点
     *  （3）数据仓库发展历程
     *  （4）使用数据仓库有哪些优势？
     *  （5）数据库、数据仓库、数据湖的区别
     *  （6）数仓分层
     *   *  （6.1）为什么要分层
         *  （6.2）数仓分层思想
         *   *  （6.2.1）ODS 数据准备层
             *  （6.2.2）DW 数据仓库层
             *  （6.2.3）APP 数据应用层
             *  （6.2.4）DIM 维表层
         *  （6.3）数仓分层总结
     *  （7）元数据介绍
     *   *  （7.1）元数据的定义
         *  （7.2）元数据的存储方式
         *  （7.3）元数据的作用

## （1）什么是数据仓库 ##

数据仓库，英文名称为DataWarehouse，可简写为DW或DWH。数据仓库，是为企业所有级别的决策制定过程，提供所有类型数据支持的战略集合。它出于分析性报告和决策支持目的而创建。为需要业务智能的企业，提供指导业务流程改进、监视时间、成本、质量以及控制。

## （2）数据仓库的特点 ##

**1.数据仓库的数据是面向主题的**  
与传统数据库面向应用进行数据组织的特点相对应，**数据仓库**中的数据是面向主题进行组织的。什么是主题呢？首先，主题是一个抽象的概念，是较高层次上企业信息系统中的数据综合、归类并进行分析利用的抽象。在逻辑意义上，它是对应企业中某一宏观分析领域所涉及的分析对象。面向主题的数据组织方式，就是在较高层次上对分析对象的数据的一个完整、一致的描述，能完整、统一地刻划各个分析对象所涉及的企业的各项数据，以及数据之间的联系。所谓较高层次是相对面向应用的数据组织方式而言的，是指按照主题进行数据组织的方式具有更高的数据抽象级别。

**2. 数据仓库的数据是集成的**  
数据仓库的数据是从原有的分散的数据库数据抽取来的。操作型数据与DSS分析型数据之间差别甚大。第一，数据仓库的每一个主题所对应的源数据在原有的各分散数据库中有许多重复和不一致的地方，且来源于不同的联机系统的数据都和不同的应用逻辑捆绑在一起；第二，数据仓库中的综合数据不能从原有的数据库系统直接得到。因此在数据进入数据仓库之前，必然要经过统一与综合，这一步是数据仓库建设中最关键、最复杂的一步，所要完成的工作有：  
（1）要统一源数据中所有矛盾之处，如字段的同名异义、异名同义、单位不统一、字长不一致，等等。  
（2）进行数据综合和计算。数据仓库中的数据综合工作可以在从原有数据库抽取数据时生成，但许多是在数据仓库内部生成的，即进入数据仓库以后进行综合生成的。

**3. 数据仓库的数据是不可更新的**  
数据仓库的数据主要供企业决策分析之用，所涉及的数据操作主要是数据查询，一般情况下并不进行修改操作。数据仓库的数据反映的是一段相当长的时间内历史数据的内容，是不同时点的数据库快照的集合，以及基于这些快照进行统计、综合和重组的导出数据，而不是联机处理的数据。数据库中进行联机处理的数据经过集成输入到数据仓库中，一旦数据仓库存放的数据已经超过数据仓库的数据存储期限，这些数据将从当前的数据仓库中删去。因为数据仓库只进行数据查询操作，所以数据仓库管理系统相比数据库管理系统而言要简单得多。数据库管理系统中许多技术难点，如完整性保护、并发控制等等，在数据仓库的管理中几乎可以省去。但是由于数据仓库的查询数据量往往很大，所以就对数据查询提出了更高的要求，它要求采用各种复杂的索引技术；同时由于数据仓库面向的是商业企业的高层管理者，他们会对数据查询的界面友好性和数据表示提出更高的要求。

**4. 数据仓库的数据是随时间不断变化的**  
数据仓库中的数据不可更新是针对应用来说的，也就是说，数据仓库的用户进行分析处理时是不进行数据更新操作的。但并不是说，在从数据集成输入数据仓库开始到最终被删除的整个数据生存周期中，所有的数据仓库数据都是永远不变的。  
数据仓库的数据是随时间的变化而不断变化的，这是数据仓库数据的第四个特征。这一特征表现在以下3方面：  
（1）数据仓库随时间变化不断增加新的数据内容。数据仓库系统必须不断捕捉OLTP数据库中变化的数据，追加到数据仓库中去，也就是要不断地生成OLTP数据库的快照，经统一集成后增加到数据仓库中去；但对于确实不再变化的数据库快照，如果捕捉到新的变化数据，则只生成一个新的数据库快照增加进去，而不会对原有的数据库快照进行修改。  
（2）数据仓库随时间变化不断删去旧的数据内容。数据仓库的数据也有存储期限，一旦超过了这一期限，过期数据就要被删除。只是数据仓库内的数据时限要远远长于操作型环境中的数据时限。在操作型环境中一般只保存有60 ~ 90天的数据，而在数据仓库中则需要保存较长时限的数据（如5~10年），以适应DSS进行趋势分析的要求。  
（3）数据仓库中包含有大量的综合数据，这些综合数据中很多跟时间有关，如数据经常按照时间段进行综合，或隔一定的时间片进行抽样等等。这些数据要随着时间的变化不断地进行重新综合。因此，数据仓库的数据特征都包含时间项，以标明数据的历史时期。

## （3）数据仓库发展历程 ##

数据仓库的发展大致经历了这样的三个过程：

## （4）使用数据仓库有哪些优势？ ##

数据仓库的优势包括：

*  知情地做出决定
 *  整合多个来源的数据
 *  历史数据分析
 *  数据质量高、一致且准确
 *  将分析处理从事务数据库中分离出来，从而提高两个系统的性能

## （5）数据库、数据仓库、数据湖的区别 ##

**数据仓库与数据湖的对比**  
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**数据仓库与数据库的对比**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTM2NjQ5OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

数据库与数据仓库的区别实际讲的是**OLTP与OLAP**的区别。

**操作型处理**，叫联机事务处理OLTP（On-Line Transaction Processing，），也可以称面向交易的处理系统，它是针对具体业务在数据库联机的日常操作，通常对少数记录进行查询、修改。用户较为关心操作的响应时间、数据的安全性、完整性和并发支持的用户数等问题。传统的数据库系统作为数据管理的主要手段，主要用于操作型处理。

**分析型处理**，叫联机分析处理OLAP（On-Line Analytical Processing）一般针对某些主题的历史数据进行分析，支持管理决策。

## （6）数仓分层 ##

### （6.1）为什么要分层 ###

分层的主要原因是在管理数据的时候，能对数据有一个更加清晰的掌控，详细来讲，主要有下面几个原因：

**清晰数据结构：**  
每一个数据分层都有它的作用域，这样我们在使用表的时候能更方便地定位和理解。

**数据血缘追踪：**  
简单来说，我们最终给业务呈现的是一个能直接使用业务表，但是它的来源有很多，如果有一张来源表出问题了，我们希望能够快速准确地定位到问题，并清楚它的危害范围。

**减少重复开发：**  
规范数据分层，开发一些通用的中间层数据，能够减少极大的重复计算。

**把复杂问题简单化：**  
将一个复杂的任务分解成多个步骤来完成，每一层只处理单一的步骤，比较简单和容易理解。而且便于维护数据的准确性，当数据出现问题之后，可以不用修复所有的数据，只需要从有问题的步骤开始修复。

**屏蔽原始数据的异常:**  
屏蔽业务的影响，不必改一次业务就需要重新接入数据

### （6.2）数仓分层思想 ###

数据分层每个企业根据自己的业务需求可以分成不同的层次，但是最基础的分层思想，理论上数据分为三个层，**数据运营层、数据仓库层和数据服务层**。基于这个基础分层之上添加新的层次，来满足不同的业务需求。

**数据运营层（ODS）**  
Operate data store，操作数据存储，是最接近数据源中数据的一层，数据源中的数据，经过抽取 洗净 传输，也就说传说中的ETL之后，装入本层。本层的数据，总体上大多是按照源头业务系统的分类方式而分类的。

例如：MySQL里面的一张表可以通过sqoop之间抽取到ODS层

ODS层数据的来源方式：

*  业务库
    
     *  经常会使用sqoop来抽取，比如我们每天定时抽取一次。在实时方面，可以考虑用canal监听mysql的binlog，实时接入即可。
 *  埋点日志
    
     *  线上系统会打入各种日志，这些日志一般以文件的形式保存，我们可以选择用flume定时抽取，也可以用用spark streaming或者Flink来实时接入，当然，kafka也会是一个关键的角色。
 *  消息队列
    
     *  来自ActiveMQ Kafka的数据等

**数据仓库层（DW）：**  
Data warehouse，数据仓库层。在这里，从ODS层中获得的数据按照主题建立各种数据模型。例如以研究人的旅游消费为主题的数据集中，便可以结合航空公司的登机出行信息，以及银联系统的刷卡记录，进行结合分析，产生数据集。在这里，我们需要了解四个概念：维（dimension） 事实（Fact） 指标（Index）和粒度（ Granularity）。

**应用层（ADS\\APP）：**  
该层主要是提供数据产品和数据分析使用的数据，一般会存放在ES MySQL等系统中供线上系统使用，也可能会存在Hive或者Druid中供数据分析和数据挖掘使用。  
例如：我们经常说的报表数据，或者说那种大宽表，一般就放在这里。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTM2NjQ5OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

#### （6.2.1）ODS 数据准备层 ####

功能

*  ODS层是数据仓库准备区，为DWD层提供基础原始数据，可减少对业务系统的影响

建模方式及原则：

*  从业务系统增量抽取 保留时间由业务需求决定 可分表进行周期存储 数据不做清洗转换与业务系统数据模型保持一致 按主题逻辑划分

#### （6.2.2）DW 数据仓库层 ####

数据仓库层(DW)，是数据仓库的主体.在这里，从 ODS 层中获得的数据按照主题建立各种数据模型。这一层和维度建模会有比较深的联系。

细分：

1.  数据明细层：DWD（Data Warehouse Detail）
2.  数据中间层：DWM/DWB（Data WareHouse Middle）
3.  数据服务层：DWS（Data WareHouse Servce）

**（1） DWD 数据明细层**

*  概念：是数据仓库的细节数据层，是对STAGE层数据进行沉淀，减少了抽取的复杂性，同时ODS/DWD的信息模型组织主要遵循企业业务事务处理的形式，将各个专业数据进行集中，明细层跟stage层的粒度一致，属于分析的公共资源
 *  数据生成方式：部分数据直接来自kafka，部分数据为接口层数据与历史数据合成。
 *  这个stage层不是很清晰

功能：

*  为DW层提供来源明细数据，提供业务系统细节数据的长期沉淀，为未来分析类需求的扩展提供历史数据支撑

建模方式及原则：

*  数据模型与ODS层一致，不做清洗转换处理 为支持数据重跑可额外增加数据业务日期字段 可按年月日进行分表 用增量ODS层数据和前一天DWD相关表进行merge处理

**（2） DW(M/B) 数据汇总层**

*  概念：轻度汇总层数据仓库中DWD层和DM层之间的一个过渡层次，是对DWD层的生产数据进行轻度综合和汇总统计(可以把复杂的清洗，处理包含，如根据PV日志生成的会话数据)。轻度综合层与DWD的主要区别在于二者的应用领域不同，DWD的数据来源于生产型系统，并未满意一些不可预见的需求而进行沉淀;轻度综合层则面向分析型应用进行细粒度的统计和沉淀
 *  数据生成方式：由明细层按照一定的业务需求生成轻度汇总表。明细层需要复杂清洗的数据和需要MR处理的数据也经过处理后接入到轻度汇总层。
 *  日志存储方式：内表，parquet文件格式。
 *  日志删除方式：长久存储。
 *  表schema：一般按天创建分区，没有时间概念的按具体业务选择分区字段。
 *  库与表命名。库名：dwb,表名：初步考虑格式为：dwb日期业务表名,待定。
 *  旧数据更新方式：直接覆盖

**（3） DWS 数据服务层（DM数据集市层）**

*  概念：又称数据集市或宽表。按照业务划分，如流量、订单、用户等，生成字段比较多的宽表，用于提供后续的业务查询，OLAP分析，数据分发等。
 *  数据生成方式：由轻度汇总层和明细层数据计算生成。
 *  日志存储方式：使用impala内表，parquet文件格式。
 *  日志删除方式：长久存储。
 *  表schema：一般按天创建分区，没有时间概念的按具体业务选择分区字段。
 *  库与表命名。库名：dm,表名：初步考虑格式为：dm日期业务表名,待定。
 *  旧数据更新方式：直接覆盖

#### （6.2.3）APP 数据应用层 ####

*  概念：应用层是根据业务需要，由前面三层数据统计而出的结果，可以直接提供查询展现，或导入至Mysql中使用。
 *  数据生成方式：由明细层、轻度汇总层，数据集市层生成，一般要求数据主要来源于集市层。
 *  日志存储方式：使用impala内表，parquet文件格式。
 *  日志删除方式：长久存储。
 *  表schema：一般按天创建分区，没有时间概念的按具体业务选择分区字段。
 *  库与表命名。库名：暂定apl，另外根据业务不同，不限定一定要一个库。(其实就叫app\_)就好了
 *  旧数据更新方式：直接覆盖。

功能：

*  ADS层面向用户应用和分析需求，包括前端报表 分析图表 KPI 仪表盘 OLAP 专题等分析，面向最终结果用户；
 *  适合作OLAP 报表模型，如ROLAP,MOLAP；
 *  根据DW层经过聚合汇总统计后的粗粒度事实表

建模方式及原则：

*  保持数据量小；
 *  维度建模，星形模型；
 *  各位维度代理键+度量；
 *  增加数据业务日期字段，支持数据重跑；
 *  不分表存储

#### （6.2.4）DIM 维表层 ####

维表层主要包含两部分数据：

*  高基数维度数据：一般是用户资料表、商品资料表类似的资料表。数据量可能是千万级或者上亿级别。
 *  低基数维度数据：一般是配置表，比如枚举值对应的中文含义，或者日期维表。数据量可能是个位数或者几千几万。

### （6.3）数仓分层总结 ###

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这里解释一下DWS、DWD、DIM和TMP的作用。

DWS：轻度汇总层，从ODS层中对用户的行为做一个初步的汇总，抽象出来一些通用的维度：时间、ip、id，并根据这些维度做一些统计值，比如用户每个时间段在不同登录ip购买的商品数等。这里做一层轻度的汇总会让计算更加的高效，在此基础上如果计算仅7天、30天、90天的行为的话会快很多。我们希望80%的业务都能通过我们的DWS层计算，而不是ODS。

DWD：这一层主要解决一些数据质量问题和数据的完整度问题。比如用户的资料信息来自于很多不同表，而且经常出现延迟丢数据等问题，为了方便各个使用方更好的使用数据，我们可以在这一层做一个屏蔽。  
DIM：这一层比较单纯，举个例子就明白，比如国家代码和国家名、地理位置、中文名、国旗图片等信息就存在DIM层中。

TMP：每一层的计算都会有很多临时表，专设一个DWTMP层来存储我们数据仓库的临时表。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTM2NjQ5OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]  
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参考博客：  
[https://blog.csdn.net/pmdream/article/details/113601956][https_blog.csdn.net_pmdream_article_details_113601956]

## （7）元数据介绍 ##

### （7.1）元数据的定义 ###

数据仓库的元数据是关于数据仓库中数据的数据。它的作用类似于数据库管理系统的数据字典，保存了逻辑数据结构、文件、地址和索引等信息。广义上讲，在数据仓库中，元数据描述了数据仓库内数据的结构和建立方法的数据。

元数据是数据仓库管理系统的重要组成部分，元数据管理器是企业级数据仓库中的关键组件，贯穿数据仓库构建的整个过程，直接影响着数据仓库的构建、使用和维护。

（1）构建数据仓库的主要步骤之一是ETL。这时元数据将发挥重要的作用，它定义了源数据系统到数据仓库的映射、数据转换的规则、数据仓库的逻辑结构、数据更新的规则、数据导入历史记录以及装载周期等相关内容。数据抽取和转换的专家以及数据仓库管理员正是通过元数据高效地构建数据仓库。

（2）用户在使用数据仓库时，通过元数据访问数据，明确数据项的含义以及定制报表。

（3）数据仓库的规模及其复杂性离不开正确的元数据管理，包括增加或移除外部数据源，改变数据清洗方法，控制出错的查询以及安排备份等。

元数据可分为技术元数据和业务元数据。技术元数据为开发和管理数据仓库的IT人员使用，它描述了与数据仓库开发、管理和维护相关的数据，包括数据源信息、数据转换描述、数据仓库模型、数据清洗与更新规则、数据映射和访问权限等。而业务元数据为管理层和业务分析人员服务，从业务角度描述数据，包括商务术语、数据仓库中有什么数据、数据的位置和数据的可用性等，帮助业务人员更好地理解数据仓库中哪些数据是可用的以及如何使用。

由上可见，元数据不仅定义了数据仓库中数据的模式、来源、抽取和转换规则等，而且是整个数据仓库系统运行的基础，元数据把数据仓库系统中各个松散的组件联系起来，组成了一个有机的整体，如图所示

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTM2NjQ5OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]

### （7.2）元数据的存储方式 ###

元数据有两种常见存储方式：一种是以数据集为基础，每一个数据集有对应的元数据文件，每一个元数据文件包含对应数据集的元数据内容；另一种存储方式是以数据库为基础，即元数据库。其中元数据文件由若干项组成，每一项表示元数据的一个要素，每条记录为数据集的元数据内容。上述存储方式各有优缺点，第一种存储方式的优点是调用数据时相应的元数据也作为一个独立的文件被传输，相对数据库有较强的独立性，在对元数据进行检索时可以利用数据库的功能实现，也可以把元数据文件调到其他数据库系统中操作；不足是如果每一数据集都对应一个元数据文档，在规模巨大的数据库中则会有大量的元数据文件，管理不方便。第二种存储方式下，元数据库中只有一个元数据文件，管理比较方便，添加或删除数据集，只要在该文件中添加或删除相应的记录项即可。在获取某数据集的元数据时，因为实际得到的只是关系表格数据的一条记录，所以要求用户系统可以接受这种特定形式的数据。因此推荐使用元数据库的方式。

元数据库用于存储元数据，因此元数据库最好选用主流的关系数据库管理系统。元数据库还包含用于操作和查询元数据的机制。建立元数据库的主要好处是提供统一的数据结构和业务规则，易于把企业内部的多个数据集市有机地集成起来。目前，一些企业倾向建立多个数据集市，而不是一个集中的数据仓库，这时可以考虑在建立数据仓库（或数据集市）之前，先建立一个用于描述数据、服务应用集成的元数据库，做好数据仓库实施的初期支持工作，对后续开发和维护有很大的帮助。元数据库保证了数据仓库数据的一致性和准确性，为企业进行数据质量管理提供基础。

### （7.3）元数据的作用 ###

在数据仓库中，元数据的主要作用如下。

（1）描述哪些数据在数据仓库中，帮助决策分析者对数据仓库的内容定位。

（2）定义数据进入数据仓库的方式，作为数据汇总、映射和清洗的指南。

（3）记录业务事件发生而随之进行的数据抽取工作时间安排。

（4）记录并检测系统数据一致性的要求和执行情况。

（5）评估数据质量

参考博客：  
[https://www.cnblogs.com/frankdeng/p/9462754.html][https_www.cnblogs.com_frankdeng_p_9462754.html]

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