Разработка информационно-аналитической системы на основе OLAP-технологий

Сервер. Прикладной частью OLAP-системы является OLAP-сервер. Эта составляющая выполняет всю работу (в зависимости от модели системы), и хранит в себе всю информацию, к которой обеспечивается активный доступ. Архитектурой сервера управляют различные концепции. В частности, основной функциональной характеристикой OLAP-продукта является использование для хранения данных многомерной (ММБД, MDDB) либо реляционной (РДБ, RDB) базы данных. Агрегированные/Предварительно агрегированные данные

Быстрая реализация запросов является императивом для OLAP. Это один из базовых принципов OLAP - способность интуитивно манипулировать данными требует быстрого извлечения информации. В целом, чем больше вычислений необходимо произвести, чтобы получить фрагмент информации, тем медленнее происходит отклик. Поэтому, чтобы сохранить маленькое время реализации запросов, фрагменты информации, обращение к которым обычно происходит наиболее часто, но которые при этом требуют вычисления, подвергаются предварительной агрегации. То есть они подсчитываются и затем хранятся в базе данных в качестве новых данных. В качестве примера типа данных, который допустимо рассчитать заранее, можно привести сводные данные - например, показатели продаж по месяцам, кварталам или годам, для которых действительно введенными данными являются ежедневные показатели⁵.

Различные поставщики придерживаются различных методов отбора параметров, требующих предварительной агрегации и числа предварительно вычисляемых величин. Подход к агрегации влияет одновременно и на базу данных и на время реализации запросов. Если вычисляется больше величин, вероятность того, что пользователь запросит уже вычисленную величину, возрастает, и поэтому время отклика сократиться, так как не придется запрашивать изначальную величину для вычисления. Однако, если вычислить все возможные величины - это не лучшее решение - в таком случае существенно возрастает размер базы данных, что сделает ее неуправляемой, да и время агрегации будет слишком большим. К тому же, когда в базу данных добавляются числовые значения, или если они изменяются, информация эта должна отражаться на предварительно вычисленных величинах, зависящих от новых данных. Таким образом, и обновление базы может также занять много времени в случае большого числа предварительно вычисляемых величин. Поскольку обычно во время агрегации база данных работает автономно, желательно, чтобы время агрегации было не слишком длительным.

Клиент. Клиент - это как раз то, что используется для представления и манипуляций с данными в базе данных. Клиент может быть и достаточно несложным - в виде таблицы, включающей в себя такие возможности OLAP, как, например, вращение данных (пивотинг) и углубление в данные (дриллинг), и представлять собой специализированное, но такое же простое средство просмотра отчетов или быть таким же мощным инструментом, как созданное на заказ приложение, спроектированное для сложных манипуляций с данными. Интернет является новой формой клиента. Кроме того, он несет на себе печать новых технологий; множество интернет-решений существенно отличаются по своим возможностям в целом и в качестве OLAP-решения - в частности. В данном разделе обсуждаются различные функциональные свойства каждого типа клиентов.

Несмотря на то, что сервер - это как бы "хребет" OLAP-решения, клиент не менее важен. Сервер может обеспечить прочный фундамент для облегчения манипуляций с данными, но если клиент сложен или малофункционален, пользователь не сможет воспользоваться всеми преимуществами мощного сервера. Клиент настолько важен, что множество поставщиков сосредотачивают свои усилия исключительно на разработке клиента. Все, что включается в состав этих приложений, представляет собой стандартный взгляд на интерфейс, заранее определенные функции и структуру, а также быстрые решения для более или менее стандартных ситуаций. Например, популярны финансовые пакеты. Заранее созданные финансовые приложения позволят специалистам использовать привычные финансовые инструменты без необходимости проектировать структуру базы данных или общепринятые формы и отчеты. Инструмент запросов/Генератор отчетов. Инструмент запросов или генератор отчетов предлагает простой доступ к OLAP-данным. Они имеют простой в использовании графический интерфейс и позволяют пользователям создавать отчеты перемещением объектов в отчет методом "drag and drop". Тогда как традиционный генератор отчетов предоставляет пользователю возможность быстро выпускать форматированные отчеты, генераторы отчетов, поддерживающие OLAP, формируют актуальные отчеты. Конечный продукт представляет собой отчет, имеющий возможности углубления в данные до уровня подробностей, вращения (пивотинг) отчетов, поддержки иерархий и др.. Add-Ins (дополнения) электронных таблиц.

Сегодня во многих направлениях бизнеса с помощью электронных таблиц производятся различные формы анализа корпоративных данных. В каком-то смысле это идеальное средство создания отчетов и просмотра данных. Аналитик может создавать макросы, работающие с данными в выбранном направлении, а шаблон может быть спроектирован таким образом, что, когда происходит ввод данных, формулы рассчитывают правильные величины, исключая необходимость неоднократного ввода простых расчетов.

Тем не менее, все это дает в результате "плоский" отчет, что означает, что как только он создан, трудно рассматривать его в различных аспектах. Например, диаграмма отображает информацию за некоторый временной период, - скажем, за месяц. И если некто желает увидеть показатели за день (в противоположность данным за месяц), необходимо будет создать абсолютно новую диаграмму. Предстоит определить новые наборы данных, добавить в диаграмму новые метки и внести множество других простых, но трудоемких изменений. Кроме того, существует ряд областей, в которых могут быть допущены ошибки, что в целом уменьшает надежность. Когда к таблице добавляется OLAP, появляется возможность создавать единственную диаграмму, а затем подвергать ее различным манипуляциям с целью предоставления пользователю необходимой информации, не обременяя себя созданием всех возможных представлений. Интернет в роли клиента. Новым членом семейства OLAP-клиентов является Интернет. Существует масса преимуществ в формировании OLAP-отчетов через Интернет. Наиболее существенным представляется отсутствие необходимости в специализированном программном обеспечении для доступа к информации. Это экономит предприятию кучу времени и денег.

Каждый Интернет-продукт специфичен. Некоторые упрощают создание Web-страниц, но имеют меньшую гибкость. Другие позволяют создавать представления данных, а затем сохранять их как статические HTML-файлы. Все это дает возможность просматривать данные через Интернет, но не более того. Активно манипулировать данными с их помощью невозможно.

Существует и другой тип продуктов - интерактивный и динамический, превращающий такие продукты в полнофункциональные инструменты. Пользователи могут осуществлять углубление в данные, пивотинг, ограничение измерений, и др. Прежде, чем выбрать средство реализации Интернет, важно понять, какие функциональные возможности требуются от Web-решения, а затем определить, какой продукт наилучшим образом воплотит эту функциональность⁶.

Приложения. Приложения - это тип клиента, использующий базы данных OLAP. Они идентичны инструментам запросов и генераторам отчетов, описанным выше, но, кроме того, они вносят в продукт более широкие функциональные возможности. Приложение, как правило, обладает большей мощностью, чем инструмент запроса.

Разработка. Обычно поставщики OLAP обеспечивают среду разработки для создания пользователями собственных настроенных приложений. Среда разработки в целом представляет собой графический интерфейс, поддерживающий объектно-ориентированную разработку приложений. К тому же, большинство поставщиков обеспечивают API, который может использоваться для интеграции баз данных OLAP с другими приложениями.

2.2 OLAP - клиенты

OLAP-клиенты со встроенной OLAP-машиной устанавливаются на ПК пользователей. Они не требуют сервера для вычислений, и им присуще нулевое администрирование. Такие клиенты позволяют пользователю настроиться на существующие у него базы данных; как правило, при этом создается словарь, скрывающий физическую структуру данных за ее предметным описанием, понятным специалисту. После этого OLAP-клиент выполняет произвольные запросы и результаты их отображает в OLAP-таблице. В этой таблице, в свою очередь, пользователь может манипулировать данными и получать на экране или на бумаге сотни различных отчетов. OLAP-клиенты, предназначенные для работы с РСУБД, позволяют анализировать уже имеющиеся в корпорации данные, например хранящиеся в БД OLTP⁷. Однако вторым их назначением может быть быстрое и дешевое создание хранилищ или витрин данных — в этом случае программистам организации нужно лишь создать совокупности таблиц типа "звезда" в реляционных БД и процедуры загрузки данных. Наиболее трудоемкая часть работы — написание интерфейсов с многочисленными вариантами пользовательских запросов и отчетов — реализуется в OLAP-клиенте буквально за несколько часов. Конечному же пользователю для освоения такой программы требуется порядка 30 минут. OLAP-клиенты поставляются самими разработчиками баз данных, как многомерных, так и реляционных. Это SAS Corporate Reporter, являющийся почти эталонным по удобству и красоте продуктом, Oracle Discoverer, комплекс программ MS Pivot Services и Pivot Table и др. Многие программы, предназначенные для работы с MS OLAP Services, поставляются в рамках кампании "OLAP в массы", которую проводит корпорация Microsoft. Как правило, они являются улучшенными вариантами Pivot Table и рассчитаны на использование в MS Office или Web-браузере. Это продукты фирм Matryx, Knosys и т. д., благодаря простоте, дешевизне и эффективности приобретшие огромную популярность на Западе.

3 Классификация продуктов OLAP

3.1 Многомерный OLAP

В настоящее время на рынке присутствует большое количество продуктов, которые в той или иной степени обеспечивают функциональность OLAP. Обеспечивая многомерное концептуальное представление со стороны пользовательского интерфейса к исходной базе данных, все продукты OLAP делятся на три класса по типу исходной БД.

1. Самые первые системы оперативной аналитической обработки (например, Essbase компании Arbor Software, Oracle Express Server компании Oracle) относились к классу MOLAP, то есть могли работать только со своими собственными многомерными базами данных. Они основываются на патентованных технологиях для многомерных СУБД и являются наиболее дорогими. Эти системы обеспечивают полный цикл OLAP-обработки. Они либо включают в себя, помимо серверного компонента, собственный интегрированный клиентский интерфейс, либо используют для связи с пользователем внешние программы работы с электронными таблицами. Для обслуживания таких систем требуется специальный штат сотрудников, занимающихся установкой, сопровождением системы, формированием представлений данных для конечных пользователей.
2. Системы оперативной аналитической обработки реляционных данных (ROLAP) позволяют представлять данные, хранимые в реляционной базе, в многомерной форме, обеспечивая преобразование информации в многомерную модель через промежуточный слой метаданных. К этому классу относятся DSS Suite компании MicroStrategy, MetaCube компании Informix, DecisionSuite компании Information Advantage и другие. Программный комплекс ИнфоВизор, разработанный в России, в Ивановском государственном энергетическом университете, также является системой этого класса. ROLAP-системы хорошо приспособлены для работы с крупными хранилищами. Подобно системам MOLAP, они требуют значительных затрат на обслуживание специалистами по информационным технологиям и предусматривают многопользовательский режим работы.
3. Наконец, гибридные системы (Hybrid OLAP, HOLAP) разработаны с целью совмещения достоинств и минимизации недостатков, присущих предыдущим классам. К этому классу относится Media/MR компании Speedware. По утверждению разработчиков, он объединяет аналитическую гибкость и скорость ответа MOLAP с постоянным доступом к реальным данным, свойственным ROLAP.

Помимо перечисленных средств существует еще один класс - инструменты генерации запросов и отчетов для настольных ПК, дополненные функциями OLAP или интегрированные с внешними средствами, выполняющими такие функции. Эти хорошо развитые системы осуществляют выборку данных из исходных источников, преобразуют их и помещают в динамическую многомерную БД, функционирующую на клиентской станции конечного пользователя. Основными представителями этого класса являются BusinessObjects одноименной компании, BrioQuery компании Brio Technology и PowerPlay компании Cognos. Обзор некоторых продуктов OLAP приведен в приложении.

В специализированных СУБД, основанных на многомерном представлении данных, данные организованы не в форме реляционных таблиц, а в виде упорядоченных многомерных массивов:

1) гиперкубов (все хранимые в БД ячейки должны иметь одинаковую мерность, то есть находиться в максимально полном базисе измерений) или

2) поликубов (каждая переменная хранится с собственным набором измерений, и все связанные с этим сложности обработки перекладываются на внутренние механизмы системы).

Использование многомерных БД в системах оперативной аналитической обработки имеет следующие достоинства.

1. В случае использования многомерных СУБД поиск и выборка данных осуществляется значительно быстрее, чем при многомерном концептуальном взгляде на реляционную базу данных, так как многомерная база данных денормализована, содержит заранее агрегированные показатели и обеспечивает оптимизированный доступ к запрашиваемым ячейкам.
2. Многомерные СУБД легко справляются с задачами включения в информационную модель разнообразных встроенных функций, тогда как объективно существующие ограничения языка SQL делают выполнение этих задач на основе реляционных СУБД достаточно сложным, а иногда и невозможным.

С другой стороны, имеются существенные ограничения.

1. Многомерные СУБД не позволяют работать с большими базами данных. К тому же за счет денормализации и предварительно выполненной агрегации объем данных в многомерной базе, как правило, соответствует (по оценке Кодда) в 2.5-100 раз меньшему объему исходных детализированных данных.
2. Многомерные СУБД по сравнению с реляционными очень неэффективно используют внешнюю память. В подавляющем большинстве случаев информационный гиперкуб является сильно разреженным, а поскольку данные хранятся в упорядоченном виде, неопределенные значения удаётся удалить только за счет выбора оптимального порядка сортировки, позволяющего организовать данные в максимально большие непрерывные группы. Но даже в этом случае проблема решается только частично. Кроме того, оптимальный с точки зрения хранения разреженных данных порядок сортировки скорее всего не будет совпадать с порядком, который чаще всего используется в запросах. Поэтому в реальных системах приходится искать компромисс между быстродействием и избыточностью дискового пространства, занятого базой данных.

Следовательно, использование многомерных СУБД оправдано только при следующих условиях.

1. Объем исходных данных для анализа не слишком велик (не более нескольких гигабайт), то есть уровень агрегации данных достаточно высок.
2. Набор информационных измерений стабилен (поскольку любое изменение в их структуре почти всегда требует полной перестройки гиперкуба).
3. Время ответа системы на нерегламентированные запросы является наиболее критичным параметром.
4. Требуется широкое использование сложных встроенных функций для выполнения кроссмерных вычислений над ячейками гиперкуба, в том числе возможность написания пользовательских функций.