TWI485560B - 資料分析系統、快取裝置、與資料處理方法 - Google Patents

資料分析系統、快取裝置、與資料處理方法 Download PDF

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Description

資料分析系統、快取裝置、與資料處理方法
本發明係關於一種資料分析系統，特別是一種利用快取裝置的快取條件而可對巨量資料(big data)進行分析的系統。
隨著資訊裝置的普及，現今資料來源愈來愈多，除了傳統的人工輸入和系統計算產生的資料以外，因應近年來網際網路、雲端運算、行動運算和物聯網的迅速發展，無所不在的行動設備、RFID、無線感測器每分每秒都在產生資料。
對應上述的巨量資料，首先需要大型儲存單元提供足夠的儲存空間。快取裝置(caching device)，特別是固態(solid state)儲存裝置，一般係儲存大型儲存單元(例如硬碟)中的資料複本，以加速系統的資料存取。關於現有快取裝置的更多細節，可參考例如Fusion-io,Inc.的Caching Acceleration產品或是LSI Corporation的NytroTM Application Acceleration產品，或者可參考美國專利公開號2011/0066808中的說明。
面對巨量資料，會希望能夠在很短的時間內，透過一些方法和工具能夠，從中選出有意義的資訊，以供進一步分析。舉例來說，若能快速地決定出一關鍵路段(而不是對所有的路段)，而對其交通流量資料加以分析而據此調撥車道，將對於整個高速公路上交通的通暢可產生即時的幫助。
對此，相對於直接對儲存裝置中的所有資料進行分析，本發明一方面係著眼於快取裝置係可即時監控客戶端對儲存裝置的資料存取模式(data access pattern)，藉此可根據各式各樣資料分析的目的或需求而採用不同的快取條件，從儲存裝置中快取出適當或關鍵的資料複本，並輸出至外部作為資料分析的樣本。
舉例來說，若將熱資料(Hot Data)作為快取條件，則快取裝置可將熱資料取出傳送給分析伺服器進行後續分析。熱資料可例如在固定時間內被大量存取的影音、個人、或公司資料資訊或股票資訊。在分析伺服器分析後，可根據這些熱資料的特徵值來產生作業策略(policy)，例如可將特別受歡迎的影音資料放到較靠近客戶端的服務器以增加效率跟服務品質。
根據本發明一實施例，一種資料分析系統，包含：●一分析伺服器；●至少一儲存單元；●一客戶端，係獨立於該分析伺服器；以及●一快取裝置，係獨立於該分析伺服器，該快取裝置更包含：■一快取記憶體；■一資料傳輸介面；以及■一控制器，分別連結該分析伺服器、該客戶端、與該儲存單元，其中該控制器獲取該客戶端對於該儲存單元的資料存取模式(data access pattern)，並根 據一快取條件對該儲存單元進行快取操作，以取得快取資料並儲存於該快取記憶體，再透過該資料傳輸介面將該快取資料傳送給該分析伺服器，藉此，該分析伺服器對該快取資料進行分析以產生一分析結果。
在其他實施例中，亦提出用於上述資料分析系統的快取裝置以及用於上述快取裝置的資料處理方法。
本說明書中所提及的特色、優點、或類似表達方式並不表示，可以本發明實現的所有特色及優點應在本發明之任何單一的具體實施例內。而是應明白，有關特色及優點的表達方式是指結合具體實施例所述的特定特色、優點、或特性係包含在本發明的至少一具體實施例內。因此，本說明書中對於特色及優點、及類似表達方式的論述與相同具體實施例有關，但亦非必要。
參考以下說明及隨附申請專利範圍或利用如下文所提之本發明的實施方式，即可更加明瞭本發明的這些特色及優點。
本說明書中「一實施例」或類似表達方式的引用是指結合該具體實施例所述的特定特色、結構、或特性係包括在本發明的至少一具體實施例中。因此，在本說明書中，「在一具體實施例中」及類似表達方式之用語的出現未必指相同的具體實施例。
熟此技藝者當知，本發明可實施為電腦系統、方法或作為電腦程式產品之電腦可讀媒體。因此，本發明可以實施為各種形式，例如完全的硬體實施例、完全的軟體實施例(包含韌體、常駐軟體、微程式碼等)，或者亦可實施為軟體與硬體的實施形式，在以下會被稱為「電路」、「模組」或「系統」。此外，本發明亦可以任何有形的媒體形式實施為電腦程式產品，其具有電腦可使用程式碼儲存於其上。
一個或更多個電腦可使用或可讀取媒體的組合都可以利用。舉例來說，電腦可使用或可讀取媒體可以是(但並不限於)電子的、磁的、光學的、電磁的、紅外線的或半導體的系統、裝置、設備或傳播媒體。更具體的電腦可讀取媒體實施例可以包括下列所示(非限定的例示)：由一個或多個連接線所組成的電氣連接、可攜式的電腦磁片、硬碟機、隨機存取記憶體(RAM)、唯讀記憶體(ROM)、可抹除程式化唯讀記憶體(EPROM或快閃記憶體)、光纖、可攜式光碟片(CD-ROM)、光學儲存裝置、傳輸媒體(例如網際網路(Internet)或內部網路(intranet)之基礎連接)、或磁儲存裝置。需注意的是，電腦可使用或可讀取媒體更可以為紙張或任何可用於將程式列印於其上而使得該程式可以再度被電子化之適當媒體，例如藉由光學掃描該紙張或其他媒體，然後再編譯、解譯或其他合適的必要處理方式，然後可再度被儲存於電腦記憶體中。在本文中，電腦可使用或可讀取媒體可以是任何用於保持、儲存、傳送、傳播或傳輸程式碼的媒體，以供與其相連接的指令執行系統、裝置或設備來處理。電腦可使用媒體可包括其中儲 存有電腦可使用程式碼的傳播資料訊號，不論是以基頻(baseband)或是部分載波的型態。電腦可使用程式碼之傳輸可以使用任何適體的媒體，包括(但並不限於)無線、有線、光纖纜線、射頻(RF)等。
用於執行本發明操作的電腦程式碼可以使用一種或多種程式語言的組合來撰寫，包括物件導向程式語言(例如Java、Smalltalk、C++或其他類似者)以及傳統程序程式語言(例如C程式語言或其他類似的程式語言)。
於以下本發明的相關敘述會參照依據本發明具體實施例之系統、裝置、方法及電腦程式產品之流程圖及/或方塊圖來進行說明。當可理解每一個流程圖及/或方塊圖中的每一個方塊，以及流程圖及/或方塊圖中方塊的任何組合，可以使用電腦程式指令來實施。這些電腦程式指令可供通用型電腦或特殊電腦的處理器或其他可程式化資料處理裝置所組成的機器來執行，而指令經由電腦或其他可程式化資料處理裝置處理以便實施流程圖及/或方塊圖中所說明之功能或操作。
這些電腦程式指令亦可被儲存在電腦可讀取媒體上，以便指示電腦或其他可程式化資料處理裝置來進行特定的功能，而這些儲存在電腦可讀取媒體上的指令構成一製成品，其內包括之指令可實施流程圖及/或方塊圖中所說明之功能或操作。
電腦程式指令亦可被載入到電腦上或其他可程式化資料處理裝置，以便於電腦或其他可程式化裝置上進行一系統操作步驟，而於該電腦或其他可程式化裝置上執行該指令時產生電腦實施程序以達成流程圖及/或方塊圖中所說明之功能或操作。
其次，請參照圖1至圖3，在圖式中顯示依據本發明各種實施例的裝置、方法及電腦程式產品可實施的架構、功能及操作之流程圖及方塊圖。因此，流程圖或方塊圖中的每個方塊可表示一模組、區段、或部分的程式碼，其包含一個或多個可執行指令，以實施指定的邏輯功能。另當注意者，某些其他的實施例中，方塊所述的功能可以不依圖中所示之順序進行。舉例來說，兩個圖示相連接的方塊事實上亦可以同時執行，或依所牽涉到的功能在某些情況下亦可以依圖示相反的順序執行。此外亦需注意者，每個方塊圖及/或流程圖的方塊，以及方塊圖及/或流程圖中方塊之組合，可藉由基於特殊目的硬體的系統來實施，或者藉由特殊目的硬體與電腦指令的組合，來執行特定的功能或操作。
<資料分析系統>
圖1顯示一實施例中資料分析系統10的方塊圖。資料分析系統10包含分析伺服器100、客戶端102、儲存單元104、以及快取裝置106。另外需說明的是，本發明資料分析系統中所包含分析伺服器、儲存單元、客戶端、以及快取裝置的數量並不欲被圖1加以限制。
分析伺服器100可為伺服器，例如IBM公司的System X、Blade Center或eServer伺服器，其上具有可執行資料分析應用(Analytic applications)的程式，例如Microsoft Corporation的SQL Server產品。
客戶端102，係獨立於分析伺服器100之外，可為個人電腦或是行動裝置，或是另一伺服器，本發明對此並不欲加以限制。
儲存單元104可實施為「網路儲存設備(NAS)」、「存儲區域網路(SAN)」或是「伺服器附加儲存設備(DAS)」，供客戶端102進行資料存取，但儲存單元104可直接連結客戶端102而作為客戶端102的本地端裝置，本發明對此並不欲加以限制。
快取裝置106，亦獨立於分析伺服器100之外，更多的細節將配合圖2說明於後。
分析伺服器100、客戶端102、儲存單元104、以及快取裝置106之間可視需要而透過本地匯流排、區域網路、網際網路、或是其他資料傳輸管道(channel)連結以進行資料通訊。在一較佳實施例中，快取裝置106係直接透過本地匯流排(未圖示)連結與儲存單元104。另外說明的是，為了提供較佳的穩定性與安全性，分析伺服器100係獨立於客戶端102、儲存單元104、以及快取裝置106之外。
<快取裝置>
圖2顯示一實施例中快取裝置106的方塊圖，其更包含快取 記憶體200、控制器202、資料傳輸介面204、以及。較佳地，記憶體200係一固態記憶體(例如Flash記憶體)，其具有較儲存單元104更快的資料讀寫速度，但此並非本發明之必要，記憶體200亦可為硬碟或是其他儲存裝置，且記憶體200與控制器202之間可視需要而透過本地匯流排、區域網路、網際網路、或是其他資料傳輸管道(channel)連結以進行資料通訊。
控制器202一方面可用於進行習知的快取操作，並儲存快取資料(也就是儲存單元104中某些資料的複本)於快取記憶體200。藉此客戶端102(如圖1所示)可從快取記憶體200直接讀寫資料，而不必從較慢的儲存單元104讀寫資料。關於此部份，應為熟此技藝者所習知，或可參考美國專利公開號2011/0066808中的說明，在此不予贅述。至於控制器202與現有技術不同之處，將透過以下的圖3的流程圖進行說明。
<快取條件>
●步驟300：控制器202係監控客戶端102對於儲存單元104在給定時期中的資料存取，進而計算出資料存取模式，例如存取頻率等。關於資料存取模式可參考美國專利公開號2011/0066808中或是下列文獻：D.Jaday,C.Srinilta,A.Choudhary,P.B.Berra,"Design and Evaluation of Data Access Strategies in a High Performance Multimediaon-Demand Server",Proc.of IEEE Multimedia ,1995.或是S.Byna,Xian-He Sun,W.Gropp,and R.Thakur.2004.Predicting memory-access cost based on data-access patterns.InProceedings of the 2004 IEEE International Conference on Cluster Computing (CLUSTER '04).IEEE Computer Society,Washington,DC,USA,327-336.中的說明，在此不予贅述。在本文中，資料存取模式係作為客戶端102對於儲存單元104在給定時期中的資料存取紀錄，因此資料存取模式中與本發明無關的部分亦可省略。
●步驟302：在此步驟中，控制器202係根據一快取條件對儲存單元104進行快取操作以取得快取資料(也就是儲存單元104中特定資料的複本)並儲存於快取記憶體200。
在一實施例中，快取條件關於一給定存取頻率，因此可設定將客戶端102對於儲存單元104中在一給定時期中存取頻率達到一給定值以上的資料(也就是所謂熱資料(Hot Data))，作為快取資料；但也可以相反地，將存取頻率未達到給定值以上的資料(也就是所謂冷資料(Cold Data))，作為快取資料；相似地，快取條件亦可以為存取頻率的一給定範圍。
在另一實施例中，快取條件關於一給定存取次序，例如是將客戶端102對於儲存單元104最近1000筆或是最先500筆所存取的資料作為快取資料。相似地，快取條件亦可以為存取次序的一給定範圍。
在另一實施例中，快取條件關於一給定存取時期，例如是將客戶端102對於儲存單元104在特定時間點之前或是之後所存取的資料作為快取資料。相似地，快取條件亦可以為存取時期的一給定範圍。
在另一實施例中，快取條件關於一給定資料位址，例如是將客戶端102對於儲存單元104在給定資料位址上所存取的資料作為快取資料。相似地，快取條件亦可以為資料位址的一給定範圍。
在另一實施例中，快取條件關於一給定資料大小，例如是將客戶端102對於儲存單元104所存取而大於或小於給定資料大小的資料作為快取資料。相似地，快取條件亦可以為存取時期的一給定範圍。
在另一實施例中，快取條件關於一給定字串，例如是將客戶端102對於儲存單元104所存取而其中含有給定字串的資料作為快取資料。相似地，快取條件亦可包含多個字串的任意組合。
在另一實施例中，快取條件係關於資料存取模式中所包含至少一參數之一給定值，換言之，只要在步驟300中控制器202中所得到資料存取模式中所可獲得的參數，而對此參數可設定任何一給定值以作為快取條件，舉例來說，如果資料存取模式中可包含資料的檔案名稱(file name)，而一給定的檔案名稱亦可作為快取條件。
另外需說明的是，步驟302不一定要在步驟300後才進行，步驟300與302亦可同步進行，只要步驟302中快取資料的取得應該會在步驟300之後。
●步驟304：控制器202透過資料傳輸介面204將儲存於快取記憶體200的快取資料傳送給分析伺服器100。若快取裝置106係設置在主機板(未圖示)上，則資料傳輸介面204可為PCI-e介面或是InfiniBand介面。
●步驟306：分析伺服器100對快取資料進行分析以產生一分析結果。對於此步驟，可參考Microsoft Corporation的SQL Server產品。舉例來說，Microsoft Corporation的SQL Server產品即可用於進行資料探勘(data mining)，對此可參考Microsoft Corporation所發佈的白皮書“Predictive Analysis with SQL Server 2008”，但應知本發明並不欲侷限對快取資料所進行的分析方式。
●步驟308：選擇性地，分析伺服器100對控制器202發出指令以變更快取條件，而回到步驟300，或若不需要更新資料存取模式，亦可直接回到步驟302，接著再進行步驟304-306。
在不脫離本發明精神或必要特性的情況下，可以其他特定形式來體現本發明。應將所述具體實施例各方面僅視為解說性而非限制性。因此，本發明的範疇如隨附申請專利範圍所示而非如前述說明所示。所有落在申請專利範圍之等效意義及範圍內的變更應視為落在申請專利範圍的範疇內。
10‧‧‧資料分析系統
100‧‧‧分析伺服器
102‧‧‧客戶端
104‧‧‧儲存單元
106‧‧‧快取裝置
200‧‧‧快取記憶體
202‧‧‧控制器
204‧‧‧資料傳輸介面
為了立即瞭解本發明的優點，請參考如附圖所示的特定 具體實施例，詳細說明上文簡短敘述的本發明。在瞭解這些圖示僅描繪本發明的典型具體實施例並因此不將其視為限制本發明範疇的情況下，參考附圖以額外的明確性及細節來說明本發明，圖式中：圖1一種依據本發明具體實施例的資料分析系統；圖2一種依據本發明具體實施例的快取裝置；圖3一種依據本發明具體實施例的方法流程圖。
10‧‧‧資料分析系統
100‧‧‧分析伺服器
102‧‧‧客戶端
104‧‧‧儲存單元
106‧‧‧快取裝置

Claims (12)

  1. 一種資料分析系統，包含：一分析伺服器；至少一儲存單元；一客戶端，係獨立於該分析伺服器；一快取裝置，係獨立於該分析伺服器，該快取裝置更包含：一快取記憶體；一資料傳輸介面；一控制器，分別連結該分析伺服器、該客戶端、與該儲存單元，其中該控制器獲取該客戶端對於該儲存單元的資料存取模式(data access pattern)，並根據一快取條件對該儲存單元進行快取操作，以取得快取資料並儲存於該快取記憶體，再透過該資料傳輸介面將該快取資料傳送給該分析伺服器，藉此，該分析伺服器對該快取資料進行分析以產生一分析結果。
  2. 如請求項1之資料分析系統，其中該快取條件由該分析伺服器所指定或變更。
  3. 如請求項2之資料分析系統，其中該快取條件係關於一給定存取頻率。
  4. 如請求項2之資料分析系統，其中該快取條件係關於一給定存取次序。
  5. 如請求項2之資料分析系統，其中該快取條件係關於一給定 存取時期(period)。
  6. 如請求項2之資料分析系統，其中該快取條件係關於一給定資料位址(address)。
  7. 如請求項2之資料分析系統，其中該快取條件係關於一給定資料大小(size)。
  8. 如請求項2之資料分析系統，其中該快取條件係關於一給定字串(string)。
  9. 如請求項2之資料分析系統，其中該快取條件係關於該資料存取模式中所包含至少一參數之一給定值。
  10. 一種快取裝置，該快取裝置包含：一快取記憶體；一資料傳輸介面；以及一控制器，連結該快取記憶體與該資料傳輸介面；其中，該快取裝置獲取一客戶端對於一儲存單元的資料存取模式，並根據一快取條件對該儲存單元進行快取操作，以取得快取資料並儲存於該快取記憶體，再透過該資料傳輸介面將該快取資料傳送給一分析伺服器。
  11. 一種資料處理方法，用於如請求項10的快取裝置，該方法包含：(a)該快取裝置獲取一客戶端對於一儲存單元的資料存取模 式；(b)該快取裝置根據一快取條件對該儲存單元進行快取操作，以取得快取資料並儲存於該快取記憶體；(c)該快取裝置透過該資料傳輸介面將該快取資料傳送給一分析伺服器；藉此，該分析伺服器對該快取資料進行分析以產生一分析結果。
  12. 如請求項11的方法，其中在該分析伺服器根據該分析結果而要求該客戶端變更該快取條件後，該方法更包含：該客戶端以變更的快取條件重複步驟(b)以及步驟(c)。
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