计算机系统应用 ｈｔｔｐ：／／￣，ｖｗ．ｃ—Ｓ—ａ．ｏ唱．ｃａ ２０１３年第２２卷第６期 基于原生数据库的ＳａａＳ存储模型① 张晓雯，杨健 （海军大连舰艇学院基础部，大连Ｉ１６０１８） 摘 要：ＳａａＳ应用中的多租户数据存储是当前的热门研究点，现有解决方案大都基于关系数据库，采用模式映射 技术．从ＳａａＳ的存储灵活性和分布式特点分析了使用原生ＸＭＬ数据库的可行性，并给出了适合多租户数据的 ＸＭＬ存储结构，能够有效支持ＳａａＳ的上述特点． 关键词：软件即服务；多租约；原生）￣ＶＩＬ数据库 ＳａａＳ Ｄａｔａ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｍｏｄｅｌ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＮＸＤ ＺＨＡＮＧ Ｘｉａｏ—Ｗｌｅｎ．ＹＡＮＧ Ｊｉａｎ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆＢａｓｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｄａｌｉａｎ Ｎａｖａｌ Ａｃａｄｅｍｙ，Ｄａｌｉａｎ ｌ １６０１ ８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｕｌｔｉ—ｔｅｎａｎｃｙ ｄａｔａ ｓｔｏｒａｇｅ ｉｓ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｉｎ ＳａａＳ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．Ｍｏｓｔ ｏｆ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＲＤＢ，ｗｈｉｃｈ ｕｓｅ ｓｃｈｅｍａ ｍａｐｐｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅ￣Ｄｉｓｃｕｓｓ ｔｈｅ ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｄａｔａ ｓｔｏｒａｇｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｔｏ ｅｘｐｌａｉｎ ｔｈａｔ ｗｅ ｃａｎ ｕｓｅ ＮＸＤ ｉｎ ＳａａＳ．Ｇｉｖｅ ｔｈｅ ＸＭＬ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｆｉｔ ｆｏｒ ｍｕｌｔｉ－ｔｅｎａｎｃｙ ａｎｄ ｅｆｉｃｉｅｎｔｌｆｙ ｓｕｐｐｏ￣ＳａａＳ ｆｅａｔｕｒｅｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＳａａＳ；Ｍｕｌｔｉ－ｔｅｎａｎｃｙ；ＮＸＤ 随着随着云计算的普及，ＳａａＳ（Ｓｏｔｔ－ｗａｒｅ ａｓ ａ Ｓｅｒｖｉｃｅ）￣务模式得到了越来越多的关注．所谓ＳａａＳ， 译为“软件即服务”，是指将软件在互联网上托管为服 务，并通过互联网存取．用户可以根据自己的需求， 通过互联网向服务的提供商订购所需要的应用软件服 务，并通过互联网获得这种的服务．ＳａａＳ的核心优势 就是多租约（ｍｕｌｔｉ－ｔｅｎａｎｃｙ），即指一个应用可以被多个 租户租用，而每个租户都拥有自己的定制．在基于 在一个或多个数据库服务器中，这种方案的数据隔离 最高，安全性最好，但成本也最高． １．２共享数据库、独立数据架构 各租户共享数据库，但拥有自己独立的架构．即 每个租户拥有自己专门的表、视图等，形成自己的独 立架构．这种方案相对容易实现，支持大量的租户， 但租户之间数据没有完全隔离． １．３共享数据库及数据架构 ＳａａＳ的应用中，由于业务数据来自不同租户，这就要 求在数据共享和数据隔离之间把握平衡，还要满足租 户对的数据结构自定义等方面的要求．为了解决ＳａａＳ 所有租户共享一个数据库，同一架构，只用租户 编号等标识来区分，这种方法数据隔离度最低，共享 度最高，对数据安全控制的要求很高．这种方法不易 扩展，不能超过表中提供的字段个数，而且扩展字段 中大部分字段可能为空，会造成空间的浪费． 为了解决以上问题，将可扩展标记语言 ＸＭＬ（ｅＸｔｅｎｓｉｂｌｅ Ｍａｒｋｕｐ Ｌａｎｇｕａｇｅ）与关系数据库结合， 可在满足租户对ＳａａＳ数据扩展需求的同时，不改变原 有关系结构．当前许多关系型数据库产品都增加了 应用中多租户数据存储问题，目前有几种主要的解决 思路． １现状 根据数据隔离和数据共享程度不同，可以采取以 下三种不同的设计方案【１１． １．１独立数据库 ＸＭＬ数据类型，并允许ＳＱＬ访问字段中的ＸＭＬ文档． 每一个租户拥有独立的数据库，多个数据库允许 ①收稿时ｆ￣：２０１２．１１．２１；收到修改稿时间：２０１２－１２・２６ 但这种方式需要将文件转换为表，再存储到数据库中， １ ８２研究开发Ｒｅｓｅ删Ｉ ａｎｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ２０１３年第２２卷第６期 ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃ・Ｓ－ａ．ｏｒｇ．Ｏｉｌ 计算机系统应用 降低了效率，将其恢复成原文档时，很多格式信息会 丢失，这种方式只适用于以数据为中心的文档，但对 于以文档为中心的数据，其结构不规则、数据粒度大， 很难映射为关系数据库中的表【２】． 以上这些方法都关注于ＳａａＳ的多租户特点，还 可以从ＳａａＳ的ｗｅｂ特点来看．原生ＸＭＬ数据库 （ＮａｔｉｖｅＸｍｌＤａｔａｂａｓｅ）的提出是为了解决ｗｅｂ上出现 的大量的非结构化和半结构化数据，在不破坏ＸＭＬ 图２等价于私有表的ＸＭＬ存储结构 数据的结构的同时，能快速地存储访问所需的数据【３】． ＳａａＳ应用也是ｗｅｂ应用，也存在着同样问题，这就为 ＳａａＳ应用中使用ＮＸＤ提供了可能． 总之，适合ＳａａＳ多租户特性的数据库并没有出现， ＮＸＤ作为ｗｅｂ上ＸＭＬ数据存储的理想解决方案，可 以在基于ｗｅｂ的ＳａａＳ应用中发挥自己的功用． ２可能性分析 原生ＸＭＬ数据库是指放弃原有的关系型数据 库的结构，基于ＸＭＬ层次模型建立数据库结构． ＮＸＤ是否能满足ＳａａＳ的特性呢，下面对其进行可 能性分析． ２．１ ＮＸＤ可满足ＳａａＳ对数据存储灵活性的要求 在基于关系数据库的扩展模型中，依靠增加表或 在表中增加字段，而基于ＸＭＬ的扩展模型只对ＸＭＬ 字段进行扩展就可满足要求．ＸＭＬ数据类型在应用程 序和关系型数据模型间提供隔离层，允许数据以非关 系模型进行操作，不局限于ＣＬＯＢ或关系模型．基于 ＸＭＬ类型的数据对字段数量扩展没有限制，字段类型 也没有限制．因此，基于ＸＭＬ的数据类型，可以灵活 应对不同租户的数据扩展需求．以下是一个共享数据 库、独立数据架构的例子： Ｔｅｎａｎｔ３４５ ＦｉｒｓｔＮａｍｅ Ｂｉｒｔｈｄａｔｅ Ｓｕｂｓｃｉｂｅ Ｔｅｄ １９７０－０７－０２ ＮＯ Ｋａｙ １９５６ －２５ ＮＯ Ｔｅｎａｎｔ４３８ ＦｉｒｓｔＮａｍｅ Ｂｉｒｔｈｄａｔｅ Ｓ ｓ Ｅｘｐｉ￣ Ｍａｒｙ ｌ９６２．１２－２１ Ｇｏｌｄ ２０１０－７－２９ Ｔｅｎａｎｔ７８４ 图ｌ一个私有表的例子 ２．２ ＮＸＤ可满足ＳａａＳ数据存储分布式特点 理想的ＳａａＳ数据库具有分布式、全局可访问的特 点，ＳａａＳ应用提供中心存在于云（ｃｌｏｕｄ）中，而云是由大 量的雨滴（ｒａｉｎｄｒｏｐｓ），也就是服务器共同组成，因此服 务器间的数据交互起着至关重要的作用．租户数据信 息被分布式的存储到大量的服务器中，这些服务器的 数据存储通常是异构的，这种情况下，ＸＭＬ作为ｗｅｂ 上数据交换的流行标准，可以发挥重要的作用． ＳａａＳ应用提供中心如图３所示．云由众多的应用 提供服务器组成，服务器的数据存储往往是异构的． 服务器间使用ＸＭＬ进行数据交换．ＮＸＤ作为ＸＭＬ的 理想存储解决方案，可以有效地支持分布式数据存取． 图３云中的ＳａａＳ应用提供中心 ３基于ＮＸＤ的ＳａａＳ多租户数据存储架构 根据以上分析，基于ＮＸＤ的ＳａａＳ存储架构如图４ 所示． 原生ＸＭＬ数据库是以ＸＭＬ数据模型为中心的数 据库管理系统，其存储方案、索引结构和查询引擎均 针对ＸＭＬ数据进行了优化设计．在涉及大量文档的 应用领域，原生ＸＭＬ数据库的性能要优于基于关系数 据库的ＸＭＬ管理方法．主流关系数据库厂商将原生 ＸＭＬ数据库的存储管理和查询处理技术无缝集成到 Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ研究开发１ ８３ 计算机系统应用 ｈｔｔｐ：／／ｖ，￣ｒｗ．ｃ－Ｓ－ａ．ｏｒｇ．ｃｎ ２０１３年第２２卷第６期 传统ＲＤＢＭＳ中已成为目前的一种趋势 钔． ｆ查询 上Ｘｑｕｅｒｙ／Ｘｐａｔｈ 、芝 三三；一～—一三三三 Ｌ～ ＼～～一、＼～一／ ～～一一一 ：＿～～、 一一— 图４基于 Ｉ的ｓａａｓ多租户数据存储架构 ’ 在 》（Ｄ中，每个）ｒ３ｖＩＬ文档用于存储一条记录， 数据库中允许这些记录异构（可采用不同的Ｄ＇ｒＤ），这 样就把Ⅺ 几运用到了整个数据库层次．对应关系数 据库的三层结构：数据库、表和记录，Ｍ》（ｒ）也可以设 计为三层：定义层、数据层和记录层． ３．１定义层 定义层主要是ＤＴＤ或ＸＭＬ Ｓｃｈｅｍａ文档，是用来 定义ＸＭＬ文档结构的．它们记录Ｎ＝》（Ｄ顶层的逻辑信 息，规定了ＸＭＬ文档的格式和框架，这一层对整个 ＮＸＤ进行管理，并没有包含实质的数据，是为下一层 数据层服务的．图５是一个ＤＴＤ文档例子： ＜？ｘｍｌ ｖｅ￣ｉｏｎ＝７．０７ｅｎｃｏｄｉｎｇ＝￣Ｂ２３１２７＞ ＜！ＥＬＥＭＥＮＴ ｅｍｐｌｏｙｅｅｓ（ｅｍｐｌｏｙｅｅ＋）＞ ＜！ＥＬＥＭＥＮＴ ｍｅｐｌｏｙｅｅ（ｎａｍｅ，ｓａｌａｒｙ，ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ＞） ＜！ＡＴＴＬＩＳＴ ｍｅｐｌｏｙｅｅ ｉｄ ＩＤ＃ＲＥＱＵＩＲＥＤ ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒ ＩＤＲＥＦ＃ＩＭＰＬＩＥＤ＞ ＜！ＥＬＥＭＥＮＴ ｎａｍｅ（＃ＰＣＤＡＴＡ）＞ ＜！ＥＬＥＭＥＮＴ ｓａｌａｒｙ（＃ＰＣＤｈＴｈ）＞ ＜！ＡＴＴＬＩＳＴ ｓａｌａｒｙ ｐａｙｐｅｒｉｏｄ ＣＤＡＴＡ＃ＩＭＰＬＩＥＤ＞ ＜！ＥＬＥＭＥＮＴ ｄａｐａｒｔｍｅｎｔ（ｄｎａｍｅ＋）＞ ＜！ＥＬＥＭＥＮＴ ｄｎａｍｃ（＃ＰＣＤＡＴＡ）＞ 图５ ｅｍｐｌｏｙｅｅｓ文档的ＤＴＤ定义 ３．２数据层 数据层是能满足一定应用需要的多条记录的逻辑 集合．这一层真正存放ＸＭＬ文档，它利用已经定义的 标签向在定义层已经固定好的“模板”中填充数据，只 有符合定义层规范的才是合法的．针对上例，利用 ＤＯＭ技术为ＸＭＬ文档建立一棵ＤＯＭ树，如图６所 示，可以看出，ＸｌＶｌＬ文档在逻辑上是树型结构，保留 １ ８４研究开发Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ 了原来结构清晰、层次分明的特点 图６ ｅｍｐｌｏｙｅｅｓ文档的部分ＤＯＭ树 ３．３记录层 记录层是由多个具有相同或相似特性的同类型记 录对象组成的实体集合．ＮＸＤ将ＸＭＬ文档解析并存 储为与ＤＯＭ模型类似的树状结构中，树状结构进行 查询时需要借助合适的索引结构来加速查询速度． 当前对ＸＭＬ这样半结构化数据的索引主要分为 三类：基本索引、路径查找索引、结构导航索引． ３３．１基本索引 基本索引是最基本的索引结构，通常由简单的查 找表构成．基本索引不考虑文档的层次结构，只是按 照元素、属性、文本等对节点进行索引．基本索引只 执行单一查询步骤，对于复杂结构查询效率比较低． 基本索引对自顶向下和自底向上的查询都适用【 ． ３．３．２路径查找索引 路径查找索引是对整个ＸＭＬ文档所有路径进行 索引．一般适用于自底向上的查询． 路径索引节点的数据结构如下： ｐｕｂｌｉｃ ｃｌａｓｓ Ｐｌｎｏｄｅ ／／路径索引节点类 ｛ ｉｎｔ ｅｌｅｍｅｎｔＴｙｐｅｌｄ； ／／节点中关键字数目 ＰＩＮｏｄｅ ｃｈｉｌｄ［ｃｈｉｌｄｒｅｎＮｏ】 ／／子树节点对 象数组 Ｅｌｅｍｅｎｔ ｅｌｅｍｅｎｔ［ｅｌｅｍｅｎｔＮｏ】 ／／每个元素类 型对应的元素节点数组 ） 按照查询语句中的ＷＨＥＲＥ子旬的查询路径找到 元素节点列表．通过添加查询条件可进行元素节点的 筛选，还可利用节点的父指针向上遍历整个ＤＯＭ树， 从而找到满足条件的节点．在上面的例子中，若要找 到路径ｅｍｐｌｏｙｅｅｓ／ｅｍｐｌｏｙｅｅ／ｎａｍｅ可到达的所有节点列 ２０１３年第２２卷第６期 ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃ—Ｓ—ａ．ｏｒｇ．ｃａ 计算机系统应用 表，使用路径索引可以先对路径／ｅｍｐｌｏｙｅｅｓ／ｅｍｐｌｏｙｅｅ／ ＸＭＬ动态性和良好的扩展性，可以在ＳａａＳ应用中广 ｎａｍｅ对应的元素进行定位，然后沿着父指针找到满足 泛使用． 条件的／ｅｍｐｌｏｙｅｅｓ／ｅｍｐｌｏｙｅｅ路径对应的元素． ３－３－３结构导航索引 参考文献 结构导航索引使用树或有向图表示ＸＭＬ文档的 １ Ｇｒｕｎｄ Ｍ，Ｓｃｈａｐｒａｎｏｗ Ｍ，Ｋｒｕｅｇｅｒ Ｊ’ｅｔ ａ１．Ｓｈａｒｅｄ Ｔａｂｌｅ 结构，并保存文档的所有路径．一般适用于自项向下 Ａｃｃｅｓｓ Ｐａｔｔｅｒｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ Ｍｕｌｔｉ－Ｔｅｎａｎｔ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ． 的查询． ＡＭＩＧＥ，ＩＥＥＥ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，２００８． 为了进行有效的查询，在设计ＸＭＬ存储系统时 ２陈静，蔡鸿明，徐博艺．网站内容管理及个性化网页系统的研 要建立相应的索引机制满足查询的要求． 究与实现．计算机应用于软件，２００７，２４（９）：１４－１６． ３周爱武，李孙长，程博，夏松．ＸＭＬ数据库的研究与应用．计算 ４结语 机技术与发展，２００９，１９（９）：２１８－２２１． 传统的ＳａａＳ应用中，解决多租户数据存储问题， ４王鑫，袁晓洁，冯志勇，张坤龙，王树义．原生存储方案的数据 大都基于关系数据库，但这些解决方案各有优缺点， 更新机制．计算机应用，２０１０，３０（３）：８２１—８２４． ＸＭＬ正好弥补了关系数据库的不足，ＮＸＤ保留了 ５罗时辉．ＸＭＬ数据存储管理系统．南京：南京理工大学，２００３． （上接第９７页） ７周忠海，泮利，张奚宁，张涛．ＢＰ神经网络及其在图像压缩中 参考文献 的应用．中国水运（理论版），２００６，（６）． ｌ李盼池，王海英，杨雨．基于Ｔ－Ｓ模型和ＰＱＧＡ的油田指标预 ８ Ｍａｒｔｉｎ ＨＴ，Ｄｅｍｕｔｈ ＢＨ，Ｂｅａｌｅ ＨＭ．戴葵，等译．神经网络设计． 测方法．计算机应用与软件，２０１２，（４）． 北京：机械工业出版社，２００２． ２朱红求，阳春华，桂卫华，李勇刚，钱坚．基于ＳＶＭ和混沌ＰＳＯ ９ Ｓｏｌｌｉｃｈ Ｐ，Ｋ∞ｇｈ Ａ．Ｌｅａｒｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ｅｎｓｅｍｂｌｅｓ：Ｈｏｗ 的除钻过程工艺指标预测．中南大学学报（自然科学版）， ｏｖｅｒ－ｆｉＲｉｎｇ Ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｆｕ１．Ｉｎ：Ｔｏｕｒｅｔａｋｙ Ｄ，Ｍｏｚｅｒ Ｍ， ２０１０，（４）． Ｈａｓｓｅｌｍｏ Ｍ，ｅｄｓ．Ａｄｕａｎｃｅｓ ｉｎ Ｎｅｕｒａｌ ｉｎｆｏｕｍａｔｉｏｎ ３冯云．一种基于神经网络和多元统计分析的动态预测建模 Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍｓ ８．Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ，ＭＡ＂Ｍｉｔ Ｐｒｅｓｓ，１９９６：１９０ 方法【学位论文】．哈尔滨：哈尔滨工程大学，２００５． －１９６． ４张国翊．胡铮．改进ＢＰ神经网络模型及其稳定性分析．中南 １Ｏ张丽平，俞欢军，陈德钊，胡上序．粒子群优化算法的分析与 大学学报（自然科学版），２０１ 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