大数据技术原理与应用

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1 厦门大学云计算与大数据研究中心 2015 年版 大数据产业化应用型公开课 云计算 大数据 物联网技术及其产业化应用案例 博士 / 助理教授 厦门大学计算机科学系 厦门大学云计算与大数据研究中心 海峡云计算与大数据应用研究中心 ziyulin@xmu.edu.cn 主页 :

2 课堂奖品

3 提纲 1 大数据时代 2 大数据概念 3 大数据的影响 4 大数据的应用 5 大数据关键技术 6 大数据计算模式 7 大数据理念与实践 8 大数据与云计算 物联网的关系 9 产业化应用案例分享

4 1 大数据时代

5 1.1 第三次信息化浪潮 根据 IBM 前首席执行官郭士纳的观点,IT 领域每隔十五年就会迎来一次重大变革 表 1-1 三次信息化浪潮 信息化浪潮发生时间标志解决问题代表企业 第一次浪潮 1980 年前后个人计算机信息处理 第二次浪潮 1995 年前后互联网信息传输 Intel AMD IBM 苹果 微软 联想 戴尔 惠普等 雅虎 谷歌 阿里巴巴 百度 腾讯等 第三次浪潮 2010 年前后 物联网 云计算和大数据 信息爆炸 将涌现出一批新的市场标杆企业

6 1.2 信息科技为大数据时代提供技术支撑 1. 存储设备容量不断增加 图 1-1 存储价格随时间变化情况

7 1.2 信息科技为大数据时代提供技术支撑 2. CPU 处理能力大幅提升 图 1-3 CPU 晶体管数目随时间变化情况

8 1.2 信息科技为大数据时代提供技术支撑 3. 网络带宽不断增加 图 1-4 网络带宽随时间变化情况

9 1.3 数据产生方式的变革促成大数据时代的来临 图 1-5 数据产生方式的变革

10 2 大数据概念

11 2.1 数据量大 根据 IDC 作出的估测, 数据一直都在以每年 50% 的速度增长, 也就是说每两年就增长一倍 ( 大数据摩尔定律 ) 人类在最近两年产生的数据量相当于之前产生的全部数据量 预计到 2020 年, 全球将总共拥有 35ZB 的数据量, 相较于 2010 年, 数据量将增长近 30 倍

12 2.2 数据类型繁多 大数据是由结构化和非结构化数据组成的 10% 的结构化数据, 存储在数据库中 90% 的非结构化数据, 它们与人类信息密切相关 科学研究 基因组 LHC 加速器 地球与空间探测 企业应用 文档 文件 应用日志 交易记录 Web 1.0 数据 文本 图像 视频 Web 2.0 数据 查询日志 / 点击流 Twitter/ Blog / SNS Wiki

13 2.3 处理速度快 从数据的生成到消耗, 时间窗口非常小, 可用于生成决策的时间非常少 1 秒定律 : 这一点也是和传统的数据挖掘技术有着本质的不同

14 2.4 价值密度低 价值密度低, 商业价值高 以视频为例, 连续不间断监控过程中, 可能有用的数据仅仅有一两秒, 但是具有很高的商业价值 继续装 ing

15 3 大数据的影响 大数据对科学研究 思维方式和社会发展都具有重要而深远的影响 在科学研究方面, 大数据使得人类科学研究在经历了实验 理论 计算三种范式之后, 迎来了第四种范式 数据 在思维方式方面, 大数据具有 全样而非抽样 效率而非精确 相关而非因果 等三大显著特征, 完全颠覆了传统的思维方式 在社会发展方面, 大数据决策逐渐成为一种新的决策方式, 大数据应用有力促进了信息技术与各行业的深度融合, 大数据开发大大推动了新技术和新应用的不断涌现 在就业市场方面, 大数据的兴起使得数据科学家成为热门职业 在人才培养方面, 大数据的兴起, 将在很大程度上改变中国高校信息技术相关专业的现有教学和科研体制

16 4 大数据的应用 大数据无处不在, 包括金融 汽车 零售 餐饮 电信 能源 政务 医疗 体育 娱乐等在内的社会各行各业都已经融入了大数据的印迹

17 典型的大数据应用实例 Kevin Spacey 大数据分析 David Fincher 风靡全球的美剧 纸牌屋 英国同名小说 纸牌屋

18 典型的大数据应用实例 从谷歌流感趋势看大数据的应用价值 谷歌流感趋势, 通过跟踪搜索词相关数据来判断全美地区的流感情况

19 典型的大数据应用实例 路径一 : 人工智能 机器翻译 路径二 : 大数据 丌是让机器学习逻辑, 而是充分发挥机器本身强大的计算能力呾数据处理能力

20 5 大数据关键技术 大数据 分布式存储 GFS\HDFS BigTable\HBase NoSQL( 键值 列族 图形 文档数据库 ) NewSQL( 如 :SQL Azure) 分布式处理 MapReduce

21 5 大数据关键技术 Hadoop Hadoop 是 Apache 软件基金会旗下的一个开源分布式计算平台, 为用户提供了系统底层细节透明的分布式基础架构 Hadoop 是基于 Java 语言开发的, 具有很好的跨平台特性, 并且可以部署在廉价的计算机集群中 Hadoop 的核心是分布式文件系统 HDFS(Hadoop Distributed File System) 和 MapReduce Hadoop 被公认为行业大数据标准开源软件, 在分布式环境下提供了海量数据的处理能力 几乎所有主流厂商都围绕 Hadoop 提供开发工具 开源软件 商业化工具和技术服务, 如谷歌 雅虎 微软 思科 淘宝等, 都支持 Hadoop

22 5 大数据关键技术 Hadoop Hadoop 是一个能够对大量数据进行分布式处理的软件框架, 并且是以一种可靠 高效 可伸缩的方式进行处理的, 它具有以下几个方面的特性 : 高可靠性 高效性 高可扩展性 高容错性 成本低 运行在 Linux 平台上 支持多种编程语言

23 5 大数据关键技术 Hadoop 经过多年的发展,Hadoop 项目不断完善和成熟, 目前已经包含多个子项目 除了核心的 HDFS 和 MapReduce 以外,Hadoop 项目还包括 Common Avro Zookeeper HBase Hive Chukwa Pig 等子项目, 它们提供了互补性服务或在核心层上提供了更高层的服务 Pig Chukwa Hive HBase MapReduce HDFS ZooKeeper Common Avro 图 Hadoop 项目结构图

24 5 大数据关键技术 HDFS 总体而言,HDFS 要实现以下目标 : 兼容廉价的硬件设备 流数据读写 大数据集 简单的文件模型 强大的跨平台兼容性 HDFS 特殊的设计, 在实现上述优良特性的同时, 也使得自身具有一些应用局限性, 主要包括以下几个方面 : 不适合低延迟数据访问 无法高效存储大量小文件 不支持多用户写入及任意修改文件

25 5 大数据关键技术 HDFS HDFS 采用了主从 (Master/Slave) 结构模型, 一个 HDFS 集群包括一个名称节点 (NameNode) 和若干个数据节点 (DataNode)( 如图 3-4 所示 ) 名称节点作为中心服务器, 负责管理文件系统的命名空间及客户端对文件的访问 集群中的数据节点一般是一个节点运行一个数据节点进程, 负责处理文件系统客户端的读 / 写请求, 在名称节点的统一调度下进行数据块的创建 删除和复制等操作 每个数据节点的数据实际上是保存在本地 Linux 文件系统中的 客户端 (Client) 文件名或数据块号 数据块号 数据块位置 名称节点 (NameNode) 写数据 读数据 数据节点 (DataNode) 数据节点 (DataNode) 数据节点 (DataNode) 数据节点 (DataNode) 本地 Linux 文件系统 本地 Linux 文件系统 备份 本地 Linux 文件系统 本地 Linux 文件系统 机架 1 图 HDFS 体系结构 机架 n

26 5 大数据关键技术 MapReduce 摩尔定律, 大约每隔 18 个月性能翻一番 从 2005 年开始摩尔定律逐渐失效, 人们开始借助于分布式并行编程来提高程序性能 分布式程序运行在大规模计算机集群上, 集群中包括大量廉价服务器, 可以并行执行大规模数据处理任务, 从而获得海量的计算能力 谷歌公司最先提出了分布式并行编程模型 MapReduce,Hadoop MapReduce 是它的开源实现

27 5 大数据关键技术 MapReduce MapReduce 将复杂的 运行于大规模集群上的并行计算过程高度地抽象到了两个函数 :Map 和 Reduce 在 MapReduce 中, 一个存储在分布式文件系统中的大规模数据集, 会被切分成许多独立的小数据块, 这些小数据块可以被多个 Map 任务并行处理 MapReduce 框架会为每个 Map 任务输入一个数据子集,Map 任务生成的结果会继续作为 Reduce 任务的输入, 最终由 Reduce 任务输出最后结果, 并写入到分布式文件系统中 MapReduce 设计的一个理念就是 计算向数据靠拢, 而不是 数据向计算靠拢, 因为, 移动数据需要大量的网络传输开销 MapReduce 框架采用了 Master/Slave 架构, 包括一个 Master 和若干个 Slave Master 上运行 JobTracker,Slave 上运行 TaskTracker Hadoop 框架是用 Java 实现的, 但是,MapReduce 应用程序则不一定要用 Java 来写

28 5 大数据关键技术 MapReduce 输入 Map 任务 Reduce 任务输出 分片 0 map() 分片 1 map() reduce() 输出 0 分片 2 map() reduce() 输出 1 分片 3 map() reduce() 输出 2 分片 4 map() 图 MapReduce 工作流程

29 6 大数据计算模式 大数据计算模式解决问题代表产品 批处理计算 流计算 图计算 查询分析计算 表 1-3 大数据计算模式及其代表产品 针对大规模数据的批量处理 针对流数据的实时计算 针对大规模图结构数据的处理 大规模数据的存储管理和查询分析 MapReduce Spark 等 Storm S4 Flume Streams Puma DStream Super Mario 银河流数据处理平台等 Pregel GraphX Giraph PowerGraph Hama GoldenOrb 等 Dremel Hive Cassandra Impala 等

30 7 大数据理念与实践 大数据时代, 这是一个以数据为中心的世界 自然界 数据自然界

31 7 大数据理念与实践 在这个烟波浩渺的数据世界里你的身影在哪里?

32 7 大数据理念与实践 在这个数据的世界里, 没有个人大数据, 就没有你的存在谁拥有个人大数据, 谁就有可能成为这个 浩渺宇宙 中闪亮的星

33 7 大数据理念与实践 自然界 自然人 ( ) 数据自然界 数字教师 ( ) 数字化

34 7 大数据理念与实践 把个人工作相关信息全部数字化到 数据自然界 个人报告 项目课题 合作交流学生指导记录 ( 组会 活动 论文指导 ) 科研资料 ( 论文导读 研究与著 翻译资料 ) 教学资料 ( 教材 课件 习题 指南 博客 )

35 7 大数据理念与实践 数据是生产要素, 数据产生巨大价值, 开放, 共享, 促进数据自由流通, 就是促进社会生产力的发展 教师 服务 教师呾其他科研工作者 个人报告 项目课题 合作交流学生指导记录 ( 组会 活动 论文指导 ) 科研资料 ( 论文导读 研究与著 翻译资料 ) 教学资料 ( 教材 课件 习题 指南 博客 ) 服务 学生 高校学生呾 IT 公司员工 数字教师 大平台形成全面综合的教师个人大数据, 提供全方位对外服务 数字教师 大平台 互联网 个人主页微博 微信 实验室网站 微信公众号 互联网 数字教师 大平台影响力平台累计免费网络发布超过 100 万字研究资料, 累计网络浏览量超过 100 万次

36 7 大数据理念与实践 数字教师的优点 : 勤劳全面奉献永生强大 永远在线,24 小时服务 记录教师生涯所有工作历叱信息具有档案价值 开放共享, 无私奉献 永远存在, 生命永恒 能量数倍于自然界的本体 影响力数据 : 两个 100 万 2009 年至今, 数字教师大平台累计免费网络发布超过 100 万字研究资料累计网络访问量超过 100 万次

37 7 大数据理念与实践 数字教师终极目标 : 教师生涯丌断完善个人大数据建成中国最完备的教师个人数字档案在 65 岁 (75 岁?) 退休的时候入藏国家档案馆申请国家级数字文化遗产 ( 如果有这个 )

38 8 大数据与云计算 物联网的关系 云计算 大数据和物联网代表了 IT 领域最新的技术发展趋势, 三者相辅相成, 既有联系又有区别

39 8.1 云计算 1. 云计算概念 SaaS PaaS IaaS 从一个集中的系统部署软件, 使之在一台本地计算机上 ( 或从云中远程地 ) 运行的一个模型 由于是计量服务,SaaS 允许出租一个应用程序, 并计时收费 类似于 IaaS, 但是它包括操作系统和围绕特定应用的必需的服务 将基础设施 ( 计算资源和存储 ) 作为服务出租 Application Platform Infrastructure Visualization Server Storage Server Storage SaaS Software as a Service Google Apps, Microsoft Software+Services PaaS Platform as a Service IBM IT factory, Google App Engine, Force.com IaaS Infrastructure as a Service Amazon EC2, IBM Blue Cloud, Sun Grid dsaas data Storage as a Service Nirvanix SDN, Amazon S3, Cleversafe dsnet

40 8.1 云计算 2. 云计算关键技术 云计算关键技术包括 : 虚拟化 分布式存储 分布式计算 多租户等

41 8.1 云计算 3. 云计算数据中心 云计算数据中心是一整套复杂的设施, 包括刀片服务器 宽带网络连接 环境控制设备 监控设备以及各种安全装置等 数据中心是云计算的重要载体, 为云计算提供计算 存储 带宽等各种硬件资源, 为各种平台和应用提供运行支撑环境 全国各地推进数据中心建设

42 中国国际信息技术 ( 福建 ) 产业园

43 中国国际信息技术 ( 福建 ) 产业园

44 8.1 云计算 4. 云计算应用 政务云上可以部署公共安全管理 容灾备份 城市管理 应急管理 智能交通 社会保障等应用, 通过集约化建设 管理和运行, 可以实现信息资源整合和政务资源共享, 推动政务管理创新, 加快向服务型政府转型 教育云可以有效整合幼儿教育 中小学教育 高等教育以及继续教育等优质教育资源, 逐步实现教育信息共享 教育资源共享及教育资源深度挖掘等目标 中小企业云能够让企业以低廉的成本建立财务 供应链 客户关系等管理应用系统, 大大降低企业信息化门槛, 迅速提升企业信息化水平, 增强企业市场竞争力 医疗云可以推动医院与医院 医院与社区 医院与急救中心 医院与家庭之间的服务共享, 并形成一套全新的医疗健康服务系统, 从而有效地提高医疗保健的质量

45 8.2 物联网 1. 物联网概念 物联网是物物相连的互联网, 是互联网的延伸, 它利用局部网络或互联网等通信技术把传感器 控制器 机器 人员和物等通过新的方式联在一起, 形成人与物 物与物相联, 实现信息化和远程管理控制 应用层智能交通智能电网智慧农业智能工业智能家居智慧医疗 业务支撑平台 ( 中间件平台 ) 处理层 服务支撑平台 网络管理平台 信息处理平台 信息安全平台 网络层 电信网 互联网广电网电网专用网其他网 RFID 网络 传感器网络 感知层 RFID 标签和读写器 M2M 终端 导航定位 二维码标签 传感器 摄像头 图 1-9 物联网体系架构

46 8.2 物联网 2. 物联网关键技术 物联网中的关键技术包括识别和感知技术 ( 二维码 RFID 传感器等 ) 网络与通信技术 数据挖掘与融合技术等 图 1-10 矩阵式二维码 图 1-11 采用 RFID 芯片的公交卡 (a) 温湿度传感器 (b) 压力传感器 (c) 烟雾传感器 图 1-12 不同类型的传感器

47 8.2 物联网 3. 物联网应用 物联网已经广泛应用于智能交通 智慧医疗 智能家居 环保监测 智能安防 智能物流 智能电网 智慧农业 智能工业等领域, 对国民经济与社会发展起到了重要的推动作用

48 8.3 大数据与云计算 物联网的关系 云计算 大数据和物联网代表了 IT 领域最新的技术发展趋势, 三者既有区别又有联系 云计算为大数据提供了技术基础大数据为云计算提供用武之地 大数据 物联网是大数据的重要来源大数据技术为物联网数据分析提供支撑 云计算为物联网提供海量数据存储能力物联网为云计算技术提供了广阔的应用空间 云计算 物联网 图 1-9 大数据 云计算和物联网之间的关系

49 9 产业化应用案例分享 案例一 : 在物流行业的应用

50 物流行业应用案例 : 智能物流 智能物流集成商案例 : 阿里巴巴的中国智能物流骨干网 ( 地网 ) 菜鸟网络到底是什么? 中国智能物流骨干网, 又名 菜鸟 菜鸟网络计划在 5 到 8 年内, 打造一个全国性的超级物流网 这个网络能在 24 小时内将货物运抵国内仸何地区, 能支撑日均 300 亿元 ( 年度约 10 万亿元 ) 的巨量网络零售额 1000 亿元投资物流基础设施强强联手共建智能骨干网络物流信息系统向所有的制造商 网商 快递公司 第三方物流公司完全开放 阿里物流体系 天网 天猫牵头负责不各大物流 快递公司对接的数据平台 地网 即 菜鸟, 又称 中国 智能物流骨干网 (CSN)

51 中国智能物流骨干网 菜鸟网络 依托阿里巴巴集团旗下多个电商平台为核心的大数据平台 ( 天网 ), 即掌握的网络购物物流需求数据 电商货源数据 货流量及分布数据 以及消费者长期购买习惯数据, 优化仓储选址 干线物流基础设施建设 以及物流体系建设 关键举措一 : 智能化建立物流集散中心 ( 基础设施平台 ), 搭建骨干网框架 建立统一的仓储及调度体系, 整合呾集中管理原本各快递公司自建的物流体系 关键举措二 : 整合所有服务商信息系统, 实现骨干网内部信息统一 关键举措三 : 应用智能化技术, 补足物流行业仓储环节短板 采用自动分拣 自动传输 自动出库 自动补货等手段建立智能实体仓库, 在减少库存积压的基础上提升效率, 同时建立虚拟仓库, 实现信息不数据对接的信息化管理 关键举措四 : 构建开放数据应用平台, 向物流生态系统内各种群提供服务 构建向 电子商务企业 物流公司 仓储企业 第三方物流服务商以及供应链服务商 开放的数据应用平台

52 9 产业化应用案例分享 案例二 : 在医疗健康行业的应用

53 医疗健康行业应用 : 综合健康服务平台 建设目标 : 构建覆盖全生命周期 内涵丰富 结构合理的以人为本全面连续的综合健康服务体系, 利用大数据技术呾智能设备技术, 提供线上线下相结合的公众健康服务, 实现 未病先防 已病早治 既病防变 愈后防复, 满足社会公众多层次 多方位的健康服务需求, 提升人民群众的身心健康水平

54 医疗健康行业应用 : 综合健康服务平台大数据存储数据源层技术支撑层业务层交互层用户层个人用户网络医院独立体检机构社区卫生服务机构区域医疗信息平台新农合医保社保大数据处理基于大数据的健康评估技术基于大数据的个性化诊疗技术面向普遍人群的通用型健康服务面向特定人群的主题式健康服务面向决策 科研等机构的循证医学数据服务面向健康服务机构的信息服务医疗卫生机构与业健康服务机构决策机构科研机构健康服务相关机构个人用户疾控中心门户网站呼叫中心秱动终端平台接入 API 开放应用平台服务第三方检测机构大数据集成 存储安全隐私数据标准

55 产业化应用案例分享 案例三 : 在餐饮配送行业的应用

56 云配送 云配送 系统是一款基于云计算技术的在线软件系统, 以微信平台系统为技术支撑, 微信用户为目标消费群体, 服务于全国线下实体商家及线下网络商家的微信营销系统产品 1 订单形成 进度查询 2 3 在线支付 数据分析 4

57 云配送产品特点 产品特点 微信下单 手机 APP 下单 网站下单 商家打印机打印订单 订单统计分析 产品竞争优势 具有多种支付方式 抢单配送 银联 POS 机与打印机相结合 条形码配送 手机 APP 下单 网页下单 抢单配送 无线打印机融合订单打印功能的 POS 机 微信下单

58 云配送产品使用方法 通过关注商家店铺微信二维码, 在线下单后, 无线打印机立即打印出客户所需的服务

59 云配送系统目标市场 云配送系统的目标市场 商超 酒店房间预订 KTV 包厢 蔬菜水果商家 目标市场 花店 餐饮行业 医院挂号等需预约单位 批发市场

60 产业化应用案例分享 案例四 : 在菜篮子工程中的应用

61 物联网改变传统农业生产方式 智慧农业 智慧农业是农业生产的高级阶段, 是集新兴的互联网 移动互联网 云计算和物联网技术为一体, 依托部署在农业生产现场的各种传感节点 ( 环境温湿度 土壤水分 二氧化碳 图像等 ) 和无线通信网络实现农业生产环境的智能感知 智能预警 智能决策 智能分析 专家在线指导, 为农业生产提供精准化种植 可视化管理 智能化决策

62 物联网改变传统农业生产方式 智慧农业 2014 年, 调研福建南安绿莹生态农业基地

63 小结 简要介绍了云计算 大数据 物联网概念及其相互关系 呈现行业案例 : 智能物流 综合健康服务平台 分享了一点心得体会

64 主讲教师 主讲教师 : 单位 : 厦门大学计算机科学系 ziyulin@xmu.edu.cn 个人网页 : 数据库实验室网站 : 扫一扫访问个人主页, 男,1978 年出生, 博士 ( 毕业于北京大学 ), 现为厦门大学计算机科学系助理教授 ( 讲师 ), 曾任厦门大学信息科学与技术学院院长助理 晋江市发展和改革局副局长 中国高校首个 数字教师 提出者和建设者, 厦门大学数据库实验室负责人, 厦门大学云计算与大数据研究中心主要建设者和骨干成员,2013 年度厦门大学奖教金获得者 主要研究方向为数据库 数据仓库 数据挖掘 大数据 云计算和物联网, 编著出版中国高校第一本系统介绍大数据知识的专业教材 大数据技术原理与应用 并成为畅销书籍, 编著并免费网络发布 40 余万字中国高校第一本闪存数据库研究专著 闪存数据库概念与技术 ; 主讲厦门大学计算机系本科生课程 数据库系统原理 和研究生课程 分布式数据库 大数据技术基础 具有丰富的政府和企业信息化培训经验, 曾先后给中国移动通信集团公司 福州马尾区政府 福建省物联网科学研究院 石狮市物流协会 厦门市物流协会等多家单位和企业开展信息化培训, 累计培训人数达 2000 人以上

65 大数据学习教材推荐 大数据技术原理与应用 概念 存储 处理 分析与应用, 由厦门大学计算机科学系博士编著, 是中国高校第一本系统介绍大数据知识的专业教材 扫一扫访问教材官网 全书共有 13 章, 系统地论述了大数据的基本概念 大数据处理架构 Hadoop 分布式文件系统 HDFS 分布式数据库 HBase NoSQL 数据库 云数据库 分布式并行编程模型 MapReduce 流计算 图计算 数据可视化以及大数据在互联网 生物医学和物流等各个领域的应用 在 Hadoop HDFS HBase 和 MapReduce 等重要章节, 安排了入门级的实践操作, 让读者更好地学习和掌握大数据关键技术 本书可以作为高等院校计算机专业 信息管理等相关专业的大数据课程教材, 也可供相关技术人员参考 学习 培训之用 欢迎访问 大数据技术原理与应用 概念 存储 处理 分析与应用 教材官方网站 :

66 Department of Computer Science, Xiamen University

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