数据仓库之建模方法论

Posted 2021-08-16 <一蓑烟雨任平生>

目录

• • （1）数仓建模的目的
  • （2）常见的数据建模方法
  • （3）常见四种建模方法的建模步骤与演示
  • • （3.1）范式建模（E-R模型）
    • （3.2）维度建模
    • • （3.2.1）事实表
      • （3.2.2）维度表
      • （3.2.3）维度建模模型的分类
      • （3.2.4）维度建模步骤
    • （3.3）DataVault模型
    • • （3.3.1）中心表-Hub
      • （3.3.2）链接表-Link
      • （3.3.3）卫星表- Satellite
      • （3.3.4）Data Vault模型​​​​​​建模流程
    • （3.4）Anchor模型
  • （4）四种模型总结
  • （5）常用建模工具

（1）数仓建模的目的

为什么要进行数据仓库建模？大数据的数仓建模是通过建模的方法更好的组织、存储数据，以便在 性能、成本、效率和数据质量之间找到最佳平衡点。一般主要从下面四点考虑

1. 访问性能：能够快速查询所需的数据，减少数据I/O
2. 数据成本：减少不必要的数据冗余，实现计算结果数据复用，降低大数 据系统中的存储成本和计算成本
3. 使用效率：改善用户应用体验，提高使用数据的效率
4. 数据质量：改善数据统计口径的不一致性，减少数据计算错误 的可能性，提供高质量的、一致的数据访问平台

（2）常见的数据建模方法

数据仓库本质是从数据库衍生出来的，所以数据仓库的建模也是不断衍生发展的。从最早的借鉴数据库的范式建模，到逐渐提出维度建模，Data Vault模型，Anchor模型等等，越往后建模的要求越高，越需满足3NF,4NF等。但是对于数据仓库来说，目前主流还是维度建模,会夹杂着范式建模。

数据仓库建模方法论可分为：范式建模、维度建模、Data Vault模型、Anchor模型。

（3）常见四种建模方法的建模步骤与演示

（3.1）范式建模（E-R模型）

将事物抽象为“实体”、“属性”、“关系”来表示数 据关联和事物描述；实体：Entity，关系：Relationship，这种对数据的抽象 建模通常被称为ER实体关系模型

ER模型是数据库设计的理论基础，当前几乎所有的OLTP系统 设计都采用ER模型建模的方式，且该建模方法需要满足3NF。Bill Inmon提出的数仓理论，推荐采用ER关系模型进行建模，BI架构提出分层架构，数仓底层ods、dwd也多采用ER关系模型就行设计。

从其表达的含义来看，一个符合第三范式的关系必须具有以下三个条件:

• 每个属性值唯一，不具有多义性 ;
• 每个非主属性必须完全依赖于整个主键，而非主键的一部分 ;
• 每个非主属性不能依赖于其他关系中的属性，因为这样的话，这种属性应该归到其他关系中去。

但是 逐渐随着企业数据的高增长，复杂化，数仓全部使用ER模型建模 显得越来越不合时宜。为什么呢，因为其按部就班的步骤，三范式等，不适合现代化复杂，多变的业务组织。

E-R模型建模的步骤（满足3NF）如下：

1. 抽象出主体 (教师，课程)
2. 梳理主体之间的关系 （一个老师可以教多门课，一门课可以被多个老师教）
3. 梳理主体的属性 （教师：教师名称，性别，学历等）
4. 画出E-R关系图

（3.2）维度建模

维度建模，是数据仓库大师Ralph Kimball提出的，是数据仓库工程领域最流行的数仓建模经典。
维度建模以分析决策的需求出发构建模型，构建的数据模型为分析需求服务，因此它重点解决用户如何更快速完成分析需求，同时还有较好的大规模复杂查询的响应性能。维度建模是面向分析的，为了提高查询性能可以增加数据冗余，反规范化的设计技术。

Ralph Kimball提出对数据仓库维度建模，并且将数据仓库中的表划分为事实表、维度表两种类型。

（3.2.1）事实表

在ER模型中抽象出了有实体、关系、属性三种类别，在现实世界中，每一个操作型事件，基本都是发生在实体之间的，伴随着这种操作事件的发生，会产生可度量的值，而这个过程就产生了一个事实表，存储了每一个可度量的事件。

以电商行业为例：电商场景：一次购买事件，涉及主体包括客户、商品、商家，产生的可度量值 包括商品数量、金额、件数等

事实表根据粒度的角色划分不同，可分为事务事实表、周期快照事实表、累积快照事实表。注意：这里需要值得注意的是，在事实表的设计时，一定要注意一个事实表只能有一个粒度，不能将不同粒度的事实建立在同一张事实表中。

1. 事务事实表，用于承载事务数据，通常粒度比较低，它是面向事务的，其粒度是每一行对应一个事务，它是最细粒度的事实表，例如产品交易事务事实、ATM交易事务事实。
2. 周期快照事实表，按照一定的时间周期间隔(每天，每月)来捕捉业务活动的执行情况，一旦装入事实表就不会再去更新，它是事务事实表的补充。用来记录有规律的、固定时间间隔的业务累计数据，通常粒度比较高，例如账户月平均余额事实表。
3. 累积快照事实表，用来记录具有时间跨度的业务处理过程的整个过程的信息，每个生命周期一行，通常这类事实表比较少见。

（3.2.2）维度表

维度，顾名思义，业务过程的发生或分析角度。比如从颜色、尺寸的角度来比较手机的外观，从cpu、内存等较比比较手机性能维。维度表一般为单一主键，在ER模型中，实体为客观存在的事物，会带有自己的 描述性属性，属性一般为文本性、描述性的，这些描述被称为维度。

比如商品，单一主键：商品ID，属性包括产地、颜色、材质、尺寸、单价等， 但并非属性一定是文本，比如单价、尺寸，均为数值型描述性的，日常主要的维度抽象包括：时间维度表、地理区域维度表等

案例：某电商平台，经常需要对订单进行分析，以某宝的购物订单为例，以维度建 模的方式设计该模型
涉及到事实表为订单表、订单明细表，维度包括商品维度、用户维度、商家维度、区域维 度、时间维度
商品维度：商品ID、商品名称、商品种类、单价、产地等
用户维度：用户ID、姓名、性别、年龄、常住地、职业、学历等
时间维度：日期ID、日期、周几、上/中/下旬、是否周末、是否假期等

维度分为：

（1）退化维度（DegenerateDimension）

在维度类型中，有一种重要的维度称作为退化维度，亦维度退化一说。这种维度指的是直接把一些简单的维度放在事实表中。退化维度是维度建模领域中的一个非常重要的概念，它对理解维度建模有着非常重要的作用，退化维度一般在分析中可以用来做分组使用。

（2）缓慢变化维（Slowly Changing Dimensions）

维度的属性并不是始终不变的，它会随着时间的流逝发生缓慢的变化，这种随时间发生变化的维度我们一般称之为缓慢变化维（SCD）。比如员工表中的部门维度，员工的所在部门有可能两年后调整一次。

（3.2.3）维度建模模型的分类

维度建模按数据组织类型划分可分为星型模型、雪花模型、星座模型。

（1） 星型模型
星型模型主要是维表和事实表，以事实表为中心，所有维度直接关联在事实表上，呈星型分布。

（2）雪花模型

雪花模型，在星型模型的基础上，维度表上又关联了其他维度表。这种模型维护成本高，性能方面也较差，所以一般不建议使用。尤其是基于hadoop体系构建数仓，减少join就是减少shuffle，性能差距会很大。

尖叫提示：所以由上可以看出

1. 星型模型和雪花模型主要区别就是对维度表的拆分
2. 对于雪花模型，维度表的涉及更加规范，一般符合3NF，有效降低数据冗余，维度表之间不会相互关联，但是
   而星型模型，一般采用降维的操作，反规范化，不符合3NF,利用冗余来避免模型过于复杂，提高易用性和分析效率，效率相对较高。

（3）星座模型

星座模型，是对星型模型的扩展延伸，多张事实表共享维度表。数仓模型建设后期，大部分维度建模都是星座模型。

（3.2.4）维度建模步骤

维度建模步骤：选择业务过程->声明粒度->确定维度->确定事实。旨在重点解决数据粒度、维度设计和事实表设计问题。

声明粒度，为业务最小活动单元或不同维度组合。以共同粒度从多个组织业务过程合并度量的事实表称为合并事实表，需要注意的是，来自多个业务过程的事实合并到合并事实表时，它们必须具有同样等级的粒度。

（3.3）DataVault模型

Data Vault是Dan Linstedt发起创建的一种模型方法论，Data Vault是在ER模型的基础上衍生而来，模型设计的初衷是有效的组织基础数据层，使之易扩展、灵活的应对业务的变化，同时强调历史性、可追溯性和原子性，不要求对数据进行过度的一致性处理。同时设计的出发点也是为了实现数据的整合，并非为数据决策分析直接使用。

Data Vault模型是一种中心辐射式模型，其设计重点围绕着业务键的集成模式。这些业务键是存储在多个系统中的、针对各种信息的键，用 于定位和唯一标识记录或数据

Data Vault模型包含三种基本结构 ：

1. 中心表-Hub ：唯一业务键的列表，唯一标识企业实际业务，企业的业务主体集合
2. 链接表-Link： 表示中心表之间的关系，通过链接表串联整个企业的业务关联关系
3. 卫星表- Satellite： 历史的描述性数据，数据仓库中数据的真正载体

（3.3.1）中心表-Hub

（3.3.2）链接表-Link

（3.3.3）卫星表- Satellite

（3.3.4）Data Vault模型​​​​​​建模流程

1. 梳理所有主要实体
2. 将有入边的实体定义为中心表
3. 将没有入边切仅有一个出边的表定义为中心表
4. 源苦衷没有入边且有两条或以上出边的表定义为连接表
5. 将外键关系定义为链接表

尖叫提示：Hub想像成人体的骨架，那么Link就是连接骨架的韧带组织， 而satelite就是骨架上的血肉。 Data Vault是对ER模型更近一步的规范化，由于对数据的拆解和更偏向于基础数据组织，在处理分析类场景时相对复杂， 适合数仓低层构建，目前实际应用场景较少

（3.4）Anchor模型

1. Anchor是对Data Vault模型做了更近一步的规范会处理，初衷是为了 设计高度可扩展的模型，核心思想是所有的扩张只添加而不修改，于 是设计出的模型基本变成了k-v结构的模型，模型范式达到了6NF

2. 由于过度规范化，使用中牵涉到太多的join操作，目前木有实际案例，仅作了解

（4）四种模型总结

以上为四种基本的建模方法，当前主流建模方法为： ER模型、维度模型

1. ER模型常用于OLTP数据库建模，应用到构建数仓时更偏重数据整合， 站在企业整体考虑，将各个系统的数据按相似性一致性、合并处理，为 数据分析、决策服务，但并不便于直接用来支持分析。缺陷：需要全面梳理企业所有的业务和数据流，周期长，人员要求高。
2. 维度建模是面向分析场景而生，针对分析场景构建数仓模型；重点关注快 速、灵活的解决分析需求，同时能够提供大规模数据的快速响应性能。针对性 强，主要应用于数据仓库构建和OLAP引擎低层数据模型。优点：不需要完整的梳理企业业务流程和数据，实施周期根据主题边界而定，容易快速实现demo
3. 数仓模型的选择是灵活的，不局限于某一种模型方法
4. 数仓模型的设计也是灵活的，以实际需求场景为导向
5. 模型设计要兼顾灵活性、可扩展，而对终端用户透明性
6. 模型设计要考虑技术可靠性和实现成本

（5）常用建模工具

建模工具，一般企业以Erwin、powerdesigner、visio，甚至Excel等为主。也有些企业自行研发工具，或使用阿里等成熟套装组件产品。

本文章参考：
https://blog.csdn.net/qq_26442553/article/details/105506364

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