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                        Java Web的數據分析系統的開發與研究

                        添加時間:2020/06/22 來源:北京郵電大學 作者:宋曉慧
                        本文對背景與意義、前人研究現狀進行分析,論述系統開發過程中所需的關鍵理論和技術,設計并編碼完成了一個數據分析系統,以及對數據進行采集、分析以及可視化。
                        以下為本篇論文正文:

                        摘要

                          近年來,電子商務、社交網絡、移動智能技術在不斷進步,社會進入數據時代。電腦端、手機端的數據資源已經成為企業的核心資源和核心競爭力,因此,充分利用這些數據資源對用戶行為進行統計分析,通過直觀的數字或趨勢圖表吸收數據信息,來提高服務價值、協助管理層人員決策,成為重中之重。然而,現有的數據分析系統存在數據集成復雜、不易于閱讀和編碼、數據傳輸效率低等缺點。針對這些不足,本文設計并實現了基于Java Web的數據分析系統。

                          本文對背景與意義、前人研究現狀進行分析,論述系統開發過程中所需的關鍵理論和技術,設計并編碼完成了一個數據分析系統,以及對數據進行采集、分析以及可視化。根據軟件開發生命周期的過程,結合Java Web框架、定時任務框架Quartz、消息隊列Kafka、Zookeeper等Web開發技術,從系統的可行性分析、模塊的需求分析到各個功能模塊業務邏輯的設計,再到具體編碼實現,完成了數據采集、數據分析以及數據可視化三大模塊的設計與實現,并對于功能、性能、安全這三方面進行黑盒測試。

                          同時為實現信息的統-收集、提取和整理,本文詳細設計并編碼實現了基于數據字典的統一消息體, 解決數據集成復雜問題。并對消息隊列中的消息檢索算法進行研究,在普通二分查找的基礎上進行改進,采用離所求值的距離差替換之前從中間切分的步驟,完成算法實現,解決數據傳輸效率低的缺陷。然后從數學推理、查找次數等多個方面對改進后的消息檢索算法和現有算法進行了性能對比。最終在數學推理上,改進后的算法降低了時間復雜度。在查找次數上,查找次數降低,大大減少查找時間,效率更高效。最后,對于現有系統消息類型采用文本、字符串、XML等類型不易于閱讀和編碼,本系統采用輕量級的數據交換格式JSON(JavaScript Object Notation)封裝信息,減少了解析時帶來的性能和兼容性問題。

                          關鍵詞:數據分析,軟件開發,生命周期,統一消息體,檢索算法

                        數據分析系統

                        ABSTRACT

                          In recent years, e-commerce, social networks, and mobile smarttechnologies have continued to advance, and society has entered the dataage.' The data resources on the computer and mobile terminals have becomethe core resources and core competitiveness of the enterprise. Therefore,make full use of these data resources to conduct statistical analysis of userbehaviors, absorb data in formnation through intuitive numbers or trendcharts, and improve service value and assist management. The decision ofthe people at the level has become a top priority. However, existing dataanalysis systems have the disadvantages of complex heterogeneous dataintegration, inability to read and encode, and low efficiency of datatransmission. In response to these shortcomings, this paper designs andimplements a Java Web-based data analysis system.

                          This paper analyzes the background and significance、the research  status of predecessors, studies the key technologies needed for system  development, designs and implements a data analysis system in order to  collect, analyze and visualize the data. According to the software  development life cycle process, combined with Java Web framework 、  Quartz, Message queue Kafka, Zookeeper and so on, from the system  feasibility analysis, module requirements analysis to the design of each  functional  module business  logic,to the  specific  coding implementation,we complete four modules: data collection, data transmission, data analysis and data visualization, and carry out black box testing for system functions, performance, and security.

                          At the same time, in order to realize the unified collection, extraction  and organization of information, this paper designs and encodes a common  message body based on data dictionary to solve the complex problem of heterogeneous data integration. The message retrieval algorithm in the  message queue is studied, and the improvement is based on the ordinary  binary search. The step of cutting from the middle is replaced by the  distance difference from the evaluation, and the algorithm is implemented  to solve the defect of low data transmission efficiency. Then, the  performance of the improved message retrieval algorithm and the existing  algorithm are compared from mathematical reasoning and number of times  of searching. Finally, in mathematical reasoning, the improved algorithm  reduces the time complexity. In the number of searches, the number of  searches is reduced, the search time is greatly reduced, and the efficiency  is more efficient. Finally, the existing system message types are not easy to  read and encode using text, string, XML, etc. The system uses a lightweight  data exchange format JSON (JavaScript Object Notation) to encapsulate  information, reducing the performance of parsing and compatibilty issues.

                          KEY WORDS:data analysis, software development life cycle, common message body,message retrieval algorithm

                        目錄

                          第一章引言

                          1.1研究背景和意義

                          隨著電子商務、社交網絡、移動智能設備不斷升級進步",數據以海量的方式不斷遞增。數據傳遞者某種信息,因此現在所謂的"信息時代"準確來說是"數據時代".在日常生活中,越來越多的人習慣用手機、電腦、iPad 等電子產品瀏覽感興趣的網頁,點擊、下載感興趣的app,購買喜歡的東西等,這些行為產生了源源不斷的數據。數據的增長速度快、涉及范圍廣等特性讓我們迎來了真正的數據時代凹。

                          2013年是大數據興起的--年,代表大數據的浪潮在全世界范圍內展開叫。

                          2014年之前我們處于信息技術時代,馬云認為之后我們將往數據時代轉移。

                          信息技術時代和數據技術時代倡導的主題明顯不同,信息以自我為主實現管理和控制,數據則以大眾為主刺激生產力4.

                          2015年9月5日,李克強總理洞察時局且結合社會發展需要,意識到大數據發展工作勢在必行,審閱并通過了《促進大數據發展行動綱要》。國務院積極響應并印發給各個相關機構,希望它們可以貫徹落實該綱要51.

                          2017年11月18日,第五屆中國數據分析行業峰會在廣東某大酒店盛大開幕,總結歸納了大數據未來發展新動態。

                          以上事件說明,這是一個數據與日俱增的時代,人們無時無刻不在產生數據。

                          如何利用規模龐大、結構復雜的數據來解決在復雜和多元化的業務場景中遇到的挑戰成為一個棘手的問題。

                          數據是具有潛在價值的能源,正潛移默化影響著人們的生活。分析數據的目的就是為了發現數據的價值回,挖掘出它蘊藏的信息價值并加以利用,這種情況下催生了數據分析技術。隨著互聯網時代不斷發展,各個公司的規模不斷壯大,業務領域不斷擴大,投入了大量的人力物力在產品研發上面,但是由于缺乏數據分析的支持叨,各大公司對如何留住有興趣的客戶,發現潛在客戶尚無有效的方法。越來越多的公司管理層開始提出數據分析的要求,迫切希望通過精確的數據分析發現日常運營的漏洞以及改善的方向,對公司未來的發展策略給予建議性指導,將公司的經驗導向型運營轉為分析導向型運營。

                          各行各業都意識到數據分析的重要性,且充分利用數據分析的優勢為自己創造可觀的效益。因此。本課題研究的意義是將對收集數據、分析數據、可視化數據等方面進行研究,提出并分析統一消息體作為規范的優勢,且對消息隊列中的消息檢索算法進行研究,實現數據的采集、數據的分析以及數據的可視化。通過對數據進行分析與清晰的展示,讓數據變成知識,幫助業務和企業管理層領導人員精準高效地獲得可轉化為洞察力的信息81.

                          1.2前人研究現狀

                          本文擬設計并實現-一個基于Java Web的數據分析系統。目前,針對利用JavaWeb 191等技術開發平臺,國內學者已經進行了一些相關的研究與實踐。

                          張嵐!0的《基于JAVAWEB技術旅游服務網站系統設計與實現》本文使用WEB SERVICES. JSP以及T0MCAT等Java Web技術,針對網站管理員、用戶、旅行社經理及導游三個角色進行分析與設計,最終對旅游服務網站系統的評論發布、酒店預訂、交通預訂、旅游預訂等模塊進行實現。

                          霍劍峰川的《基于JAVAWEB的虛擬數字圖書電子商務平臺設計與實現》

                          本文對Spring、Struts. Hibemate、 JSP等Java Web技術進行研究,對比了CIS和B/S架構,根據平臺使用者的不同,設計不同的角色權限。使用B/S架構將處理事務脫離使用者,減小客戶端的壓力,將壓力都集中在服務器端。對整體設計中存在的問題和所遇到的難點進行分析以及解決。

                          陳巧婷121的《基于Java Web的網上培訓報名系統的設計與實現3本文在JavaWeb技術基礎上,結合B/S、統--建模語言UML等相關技術對網上培訓報名系統進行開發。采用角色訪問控制權限設計多種權限,實現系統多級安全機制。

                          魏晨朝31的《基于JavaWeb的全國土地確權信息采集系統設計與實現》利用Java Web技術并結合SQLSERVER2005 技術實現了B/S 模式的信息采集系統。文中詳細描述了系統的總體需求分析、模塊需求分析、設計以及實現。

                          張超的《基于Java Web的材料采購業務管理系統的設計與實現》本文在B/S架構下,結合J2EE技術詳細介紹了系統各個模塊的功能實現,數據庫命名的詳細設計以及過程中遇到的問題以及難點。此系統可以實現對采購業務的全方面管理。

                          以上文章中,介紹作者在不同的開發環境中,利用Java Web技術,以及數據庫技術,實現系統的開發。主要包括系統的總體以及模塊的需求分析、總體設計、功能模塊設計、數據庫分析、模塊的實現、系統測試等部分;谶@五篇文章,本文將基于Java Web框架,結合消息隊列KallSI、Redisl4l技術、Quarz1]

                          定時任務技術、前端框架DWZ叫技術等,完成數據分析系統的設計與實現。

                          1.3課題主要研究內容

                          本文擬開發出- -套數據分析系統并對其功能。性能、安全性等方面進行研究,完成基于JavaWeb的數據分析系統的設計與開發。主要包括目標數據的采集、分析以及用戶交互視圖模塊。首先通過接口在門戶Web端、IOS/ANDROID手機客戶端、第三方應用端收集數據,然后按照統- - 消息體的格式通過接口將合法數據發送到消息隊列中,接著消費者組從消息隊列中得到固定主題的數據,即將隊列中數據- - 部分存儲到Redis用于實時計算和存儲,另一部分存儲到Mysql用于展示用戶的統計信息,最終實現對數據的采集、分析以及可視化。系統時序如圖1-1所示:

                          本課題將研究以下的內容。

                         。1)研究數據分析系統的現狀、背景與意義以及實現該系統需要的技術手段,搭建網站所需的開發環境,同時對消息隊列Kafka的消息檢索算法做出研究。

                         。2)對數據分析系統可行性進行研究,主要從三方面進行分析:技術實現、經濟預算、操作難度的可行性。建立數據分析系統的需求分析:功能需求、性能需求、架構需求。

                         。3)實現數據分析系統的設計,主要包括系統整體設計、數據采集模塊設計、數據分析模塊設計、數據可視化模塊設計以及數據庫的分析設計,給出了各個模塊的設計流程圖、數據庫E-R圖和數據庫表清單。在數據采集模塊設計- -種統一消息體整理提取消息。同時為提升系統性能、提高檢索效率,對消息隊列檢索算法進行改良設計<4)根據系統的需求分析以及各個模塊的設計,完成數據采集、數據分析以及數據可視化模塊的實現。根據消息檢索算法的設計對該算法進行實現、性能分析以及性能驗證。檢索算法基于二分查找算法的思路,依據和所求值的距離差來對序列進行數據篩選、查找。當被查找序列元素數量比較多時,查找速度也隨之大大加快。本文從理論和實驗上證明了改進的消息檢索算法。結果表明,改進的消息檢索算法是可行的,可以提升消息檢索的速度。

                         。5)建立系統的測試與難點分析,測試主要從三個角度出發,分別為功能:

                          性測試、性能分析、安全性測試。難點分析是針對系統開發過程中遇到的難點問題進行分析以及找到對應的解決方案。

                          1.4論文組織結構

                          本篇論文共分六個部分,各個部分主要內容介紹如下:

                          第一章,引言。這一章主要介紹了目前數據現狀,指出數據分析的重要性并且對數據分析系統采用的Java Web技術的研究現狀進行分析。結合數據分析的發展需要,提出開發數據分析系統的必要性。

                          第二章,關鍵技術。這一章針對數據分析系統開發過程中要用到的關鍵技術、框架以及設計模式等進行初步闡述。

                          第三章,數據分析系統分析與設計。這-章主要內容有:可行性分析、需求分析、系統整體設計、改進消息隊列檢索算法設計、統- - 消息體設計、各個模塊實現方案的設計以及數據庫分析與設計?尚行苑治鰪募夹g、經濟、操作三個方面對系統的可操作性進行研究。對系統的需求劃分出多個方面,針對不同方面提出相應的要求。統一消息體設計包括數據字典設計和統- -消息體 設計。

                          第四章,數據分析系統的實現。這一章根據 系統的分析與設計完成系統各功能模塊的實現。實現的模塊有:數據采集模塊、數據分析模塊、數據可視化模塊。

                          同時,將各模塊主要實現部分用偽代碼、流程圖、效果圖的形式進行展示。然后描述了統--消息體和改進消息隊列檢索算法的實現。并從數學推理以及實驗驗證對比改進前、后的檢索算法。

                          第五章,數據分析系統的測試與難點分析。從功能、性能、安全性三個不同角度對系統進行測試。難點分析是系統實現過程中遇到很多難點,針對這些難點采取的解決辦法。

                          第六章,總結與展望。這-章歸納S本項目開發過程中的成果和所做的工作,同時分析了系統存在的問題,并對本課題相關工作的后續研究方向提出展望。

                          1.5本章小結

                          本章主要介紹了基于Java Web的數據分析系統的研究背景與意義,闡述當前數據分析的重要性,以及開發數據分析系統的必要性。然后對Java Web的研究現狀做了分析,同時描述了本項目開發過程中所做的工作。最后,對論文整個的組織結構進行了闡明并明確每--章的研究內容。




                          第二章關鍵技術
                          2.1 Java相關技術介紹
                          2.1.1 JSP技術
                          2.1.2 Quartz框架技術
                          2.13 ZooKeeper技術
                          2.2消息隊列檢索算法
                          2.2.1消息隊列概述
                          2.2.2消息文件存儲機制
                          2.2.3消息檢索算法

                          2.3 SSM框
                          2.3.1 Spring框架
                          2.3.2 Struts2框架
                          2.3.3 MyBatis框架
                          2.4 Echarts技術
                          2.5數據字典技
                          2.6數據庫技術
                          2.6.1 Redis技術
                          2.6.2 MySQL技術
                          2.7本章小節

                          第三章數據分析系統的分析與設計
                          3.1可行性分析
                          3.1.1技術可行性
                          3.1.2經濟可行性
                          3.1.3操作可行性
                          3.2需求分析
                          3.2.1功能需求
                          3.2.2性能需求
                          3.23架構需求

                          3.3系統概述與總體架構
                          3.3.1系統概述
                          3.3.2系統總體架構
                          3.4改進消息隊列檢索算法設計
                          3.5統一消息體設計
                          3.5.1數據字典設計
                          3.5.2統一消總體設計
                          3.6功能模塊設計
                          3.6.1數據采集模塊
                          3.6.2數據分析模塊
                          3.6.3數據可視化模塊

                          3.7數據庫分析與設計
                          3.7.1數據庫需求分析
                          3.7.2數據庫概念設計
                          3.7.3數據庫邏輯設計
                          3.8本章小結

                          第四章數據分析系統的實現
                          4.1統一消息體現
                          4.1.1數據字典實現
                          4.1.2統一消息體實現
                          4.2數據采集模塊實現 . . .
                          4.3數據分析模塊實現
                          4.4數據可視化模塊實
                          4.5改進消息隊列檢索算法實現
                          4.5.1改進檢索算法實
                          4.5.2改進算法性能分析
                          4.5.3改進算法性能驗證
                          4.6本章結

                          第五章數據分析系統的測試與難點分析
                          5.1系統測試
                          5.1.1功能測試
                          5.1.2性能測
                          5.1.3安全性測
                          5.2 難點與問題
                          5.2.1所遇到的難點
                          5.2.2解決方案
                          5.3本章小結

                        第六章總結與展望

                          6.1論文工作總結

                          本文閱讀了大量有關消息隊列、Java Web的文獻與資料,總結了前人的研究成果及現狀,在此基礎上,對研究數據分析系統現狀進行了研究。在對可行性進行分析后,針對本文研究的數據分析內容展開了功能、性能以及架構需求的調研和探索,設計并實現了基于JavaWeb的數據分析系統,包括數據采集模塊、數據分析模塊。數據可視化模塊。并對系統進行了功能測試、性能測試、安全性測試。

                          本文的主要成果如下:

                         。1)基礎功能模塊開發本文根據軟件開發生命周期的過程,從模塊的需求分析到各個功能模塊業務邏輯的設計,再到具體編碼實現,完成了數據采集、數據分析以及數據可視化等四大模塊。

                         。2)統一消息體實現在數據傳輸過程中,為實現信息的統- -收集、 提取、整理,設計并實現了基于數據字典的統- -消息體。統一消息體對不同操作、不同渠道、不同事件的消總進行封裝,采用輕量級JSON格式,發送到平臺統- - 服務接口。并且本系統開發了數據字典操作界面,維護數據字典更加便捷。同時采用數據字典,改進了系統的可重用性、易維護性和可擴展性,提高了開發效率,有助于幫助企業的產品更加精準推銷,有效挖掘對企業有用的信息。

                         。3)消息檢索算法優化與實現本文對現有的消息檢索算法進行了綜合的分析、對比及優化。發現現有檢索算法的不足,同時為提高系統效率,設計并是實現了-種改進消息隊列檢索算法。

                          其平均查找次數明顯優于現有消息檢索算法,能夠高效準確的完成Kafka的消息檢索。同時從數學推理、查找次數等多個方面對改進后的消息檢索算法進行了性能對比,實踐證明改進后的消息檢索算法是有效且高效的。

                         。4)全面系統測試系統開發完成后,為保證系統的質量,對系統進行了全方位的測試。尤其進行了詳盡的安全性測試,對常見的SQL注入漏洞、跨站腳本攻擊漏洞、跨域請求偽造漏洞、密碼傳輸安全性、系統超時等安全漏洞進行檢測。

                          本系統遵循軟件工程開發規范,遵循MVC設計模式,從可行性分析,到需求分析,再到設計與實現,確保系統業務邏輯代碼層次清晰,功能明確。高效完成了數據分析系統的實現,為其他數據分析系統的快速高效、易于重構的開發工作提供了參考,具有重大意義。

                          6.2工作展望

                          本平臺已經投入使用,且現階段未檢測到功能問題和安全問題。但隨著網絡技術的不斷發展和更新,系統也許會暴露出潛在的問題,所以,系統仍然有繼續發展和維護的必要,接下來的發展和維護主要針對以下幾個方面的問題:

                          本系統主要使用了SSM框架,框架在不斷地更新升級來修復舊版本框架中的一些問題,比如本平臺使用Struts2 的前身是Stuts1, 在Struts1進行了升級與優化。未來也許會出現更高的版本,那就需要對系統升級改造,增加系統穩定性。

                          本系統采用的Spring3.2,而現在Spring4.0 不僅對Spring3.2 中的問題進行修復,還增加了新功能。由于框架在不斷升級,現在的平臺需要進行相應地更新和維護,這是后期平臺維護的主要方向。本平臺接下來的升級,不僅要更替框架的版本和部分源代碼,還可能需要對個別功能部分的代碼做對應修改。

                          本系統為了保證消息是全局有序的,只使用了一個partition. 這種情況下,只能有一個生產者,一個partition,一個消費者,和大數據應用場景相悖。

                          數據隨著時間發展會越來越多,單一數據庫容量有限,難以存儲,且查詢效率會越來越低。在數據越來越多的情況下,數據無法存儲,系統顯示的數據就是錯誤的,那么數據分析系統就失去它存在的意義。本系統采取的解決方案是增加歷史數據清理功能,自動清理N (目前N=5)年前的數據。但是丟棄多年前的數據并非是最佳解決方案,隨著日訪問量的增加,數據庫服務器磁盤所能支持的N值會越來越小。為了效率和效果更好,一個數據庫不夠使用,那就使用多個數據庫。對數據拆分后存儲多個單機數據庫中,對外保持邏輯的一致性,即采用分庫分表技術。分庫分表是針對單-數據庫存儲容量有限、性能等問題,把一個數據庫經過某種方式進行拆分,將拆分后的多個部分放到位于不同機器的數據庫上。

                          分庫分表存在跨節點Join的瓶頸,-般良好的設計和切分可以改善這個問題。由阿里巴巴自主研發致力于解決單機數據庫服務瓶頸問題推出的分布式數據庫產品DRDS完美應用了分庫分表的核心思想,解決了跨節點Join的問題。后期從長遠考慮,可以改用DRDS來徹底解決該系統的性能瓶頸問題。

                          綜上所述,該數據分析系統在功能和安全方面能滿足大部分行業數據分析需求,后續還需要對本系統進行不斷的升級和更新,才能更好的被各個行業分析平臺所實際采用。

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                        致謝

                          時光如梭,不過轉瞬之間,三年的北郵計算機研究生的生活即將告一段落,而我也將要步入社會。三年的時光中,我受到了很多老師、同學、朋友的熱心幫助,而從一個不懂科研、技術水平不高的學生變成了編程水平極高、別人稱贊的研究生。每- -次接觸項目,都讓我受益匪淺,讓我把書本上理論知識應用到一個個實際工程項目中。在論文即將完成之際,謹向所有幫助過我的領導、老師、同學、朋友們表示由衷的謝意,感謝你們一路的陪伴與照顧。

                          首先,感謝羅守山老師和我的導師辛陽老師。兩位老師認真負責、誨人不倦、在學習和生活上都對我全心指導,對我的小論文和畢業論文都指予專業的指點。

                          從本畢業論文開題、數據分析系統的設計實現到最后的論文編寫都給予了我非常多有價值的意見,而且自始至終監督我準時按量的達成研究生各個時期的工作學習內容,在畢業設計的工作充實度和文章嚴密性上仔細嚴謹的把關。他們認真負貴的工作態度和對科研精益求精的品格深深感染了我,在此,向羅老師和辛老師致以真誠的謝意。

                          感謝實驗室的各位同學,在做學習和生活上對我的幫助。感謝李鵬樓和我一起在西門子實習,一起互幫互助,互相督促完成學業。在這三年的時間里,大家共同投身科研工作,共同努力工作,共同享受了歡樂而充實的研究生生活。祝大家未來揚帆起航、成就一番事業。

                          感謝父母和親人無條件的理解和給子我無私的幫助,并給予了我投身科研和研究生生活的物質和精神條件,讓我可以致力于實現自我價值,達成研究生的學業目標。愿你們身體健康,生活幸福。

                          再次感謝各位老師、同學、朋友們對我的幫助!

                        (如您需要查看本篇畢業設計全文,請您聯系客服索。

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