數(shù)據(jù)流安全查詢技術(shù)綜述

李軍 于靈凡 田斌 李犇 李曄 康海燕

摘?? 要：隨著基于數(shù)據(jù)流安全查詢（網(wǎng)絡(luò)流監(jiān)控、股票數(shù)據(jù)在線分析、物聯(lián)網(wǎng)中的分布式數(shù)據(jù)流查詢、云計算下的數(shù)據(jù)流處理等）為背景的應(yīng)用越來越普遍，學(xué)術(shù)界關(guān)于數(shù)據(jù)流上的安全分析、查詢、管理已經(jīng)成為當前數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域的一個很重要的研究熱點。在數(shù)據(jù)流應(yīng)用中，數(shù)據(jù)流的實時到達和元組的突變性使得數(shù)據(jù)流模型同傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫模型有本質(zhì)上的區(qū)別。因此，許多基于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫模型下的查詢優(yōu)化技術(shù)無法適應(yīng)于數(shù)據(jù)流模型。以多媒體數(shù)據(jù)流安全檢測和查詢的視角，討論的核心內(nèi)容是數(shù)據(jù)流上的過濾器排序、數(shù)據(jù)流之間的連接計算以及自適應(yīng)優(yōu)化這三個子問題。文章針對以上子問題分別介紹了國際上關(guān)于數(shù)據(jù)流上自適應(yīng)查詢的一些主流研究思路和研究成果，并給出了下一步的研究思路。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)流;過濾器排序;自適應(yīng)查詢

中圖分類號：TP311????????? 文獻標識碼：A

Adaptive security query of streaming data： a survey

Li Jun? Yu Ling fan? Tian Bin? ?Li Ben? ?Li Ye? ?Kang Haiyan

（1.Department of information security， Beijing Information Science and Technology University， Beijing 100192;

2.China information security evaluation center， Beijing 100185;

3.Chaoyang Branch of Beijing Municipal Public Security Bureau ， Beijing 100020;

4.China Mobile Corporation Hebei Branch， HebeiShijiazhuang 050035）

Abstract： With the application of data flow security query （network flow monitoring， online analysis of stock data， distributed data stream query in the Internet of Things， data stream processing under cloud computing， etc.）， the application is more and more popular. Security analysis， query and management have become a very important research hotspot in the current database field. In data flow applications， the real-time arrival of data streams and the abruptness of tuples make the data flow model essentially different from traditional database models. Therefore， many query optimization techniques based on traditional database models cannot be adapted to the data flow model. From the perspective of multimedia data stream security detection and query， the core content of the discussion is the three sub-problems of filter sorting on the data stream， connection calculation between data streams and adaptive optimization. In view of the above sub-problems， some international research ideas and research results on adaptive query on data streams are introduced.

Key words： multimedia data Stream; adaptive query processing; filter ordering

1 引言

數(shù)據(jù)流作為數(shù)據(jù)庫發(fā)展的一個重要分支，在20世紀末作為一種新型的應(yīng)用的模式被提出，數(shù)據(jù)流具有廣泛的應(yīng)用前景，包括網(wǎng)絡(luò)流監(jiān)控、股票數(shù)據(jù)流分析、異常數(shù)據(jù)流挖掘和物聯(lián)網(wǎng)分布式數(shù)據(jù)流協(xié)同處理等。因此，數(shù)據(jù)流環(huán)境下的查詢[19， 1]、管理[3， 17]、過濾[1， 2]、挖掘[5， 6， 7]是當前數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域的研究熱點。數(shù)據(jù)流模型是區(qū)別于以往數(shù)據(jù)庫模型的新型數(shù)據(jù)應(yīng)用模式。主要區(qū)別為：（1）數(shù)據(jù)流模型中數(shù)據(jù)是實時到達的，查詢是相對“靜止”的。相反，在數(shù)據(jù)庫模型中，數(shù)據(jù)是相對“靜止”的，查詢是不斷的變化;（2）數(shù)據(jù)流模型中數(shù)據(jù)一旦被處理以后即丟棄。相反，數(shù)據(jù)庫模型中，查詢一旦被處理以后即丟棄。數(shù)據(jù)流模型中數(shù)據(jù)到達的速度和規(guī)模具有不可預(yù)測性。

以上是數(shù)據(jù)庫模型和數(shù)據(jù)流模型的本質(zhì)區(qū)別，使得數(shù)據(jù)流模型和數(shù)據(jù)庫模型對查詢的處理技術(shù)差別很大。主要體現(xiàn)在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫模型中，查詢是不斷變化的，每次提交的查詢之間互不相關(guān)。查詢一旦執(zhí)行完畢就可以丟棄。在數(shù)據(jù)流模型中，查詢是常駐于系統(tǒng)，一旦注冊就要求一直“在線”，而數(shù)據(jù)是在不斷的變化。數(shù)據(jù)一旦處理完畢就可以丟棄。這兩種數(shù)據(jù)模型下對查詢處理模式的差異性導(dǎo)致了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫模型的查詢處理技術(shù)已經(jīng)無法適用于數(shù)據(jù)流領(lǐng)域。同時，在數(shù)據(jù)流環(huán)境下，由于數(shù)據(jù)流的速率和規(guī)模的隨機性和不可預(yù)測性，自適應(yīng)變化的查詢處理策略變得更加重要。綜上，本文以一種基于數(shù)據(jù)流實時查詢的視角，重點關(guān)注了近年來對數(shù)據(jù)流安全計算尤其是流查詢的研究成果。

如圖1所示，數(shù)據(jù)流系統(tǒng)通常注冊大量“在線”的查詢來完成數(shù)據(jù)流的實時查詢處理。每個查詢是多個過濾器（謂詞）的“與”運算。每個過濾器的計算開銷通常是比較昂貴的，特別是在日益普遍的多媒體數(shù)據(jù)流環(huán)境中。因此，數(shù)據(jù)流查詢的目標就是通過計算盡可能少的過濾器來決定所有查詢的結(jié)果。例如，假設(shè)在當前數(shù)據(jù)流上注冊了四個查詢，這些查詢間共享的過濾器的數(shù)量是四個。對于當前數(shù)據(jù)流元組e，過濾器最優(yōu)排序順序A = F1;F2;F3;F4。也就是說順序A的開銷可能遠遠小于其他排序順序如B = F2;F4;F1;F3。由于數(shù)據(jù)流上元組存在突變性，對于下一個數(shù)據(jù)流元組e，排序順序B 的開銷可能就優(yōu)于排序順序A。因此，在不斷變化的數(shù)據(jù)流環(huán)境中，如何自適應(yīng)的調(diào)整過濾器的排序順序是關(guān)鍵問題。

近年來，數(shù)據(jù)流上的處理技術(shù)發(fā)展很快，主要側(cè)重于數(shù)據(jù)流查詢的處理和數(shù)據(jù)流上的深度內(nèi)容挖掘技術(shù)。也出現(xiàn)了很多數(shù)據(jù)流管理系統(tǒng)，例如Tapestry[9]是構(gòu)建在只支持添加模式的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)上面的在線查詢處理引擎，用來完成基于內(nèi)容的過濾。這個系統(tǒng)可以說是數(shù)據(jù)流系統(tǒng)的雛形。

XFilter[11]將不同用戶對XML 文檔的“偏好”注冊到系統(tǒng)中，將這些“偏好”作為查詢以XPath[12]語言的形式來表示，進而實現(xiàn)了基于內(nèi)容的過濾系統(tǒng)。Xyleme[13]是一個和XFilter[11]很類似的基于內(nèi)容的過濾系統(tǒng)，只是使用的規(guī)則描述語言不同而已。Tribeca[14]系統(tǒng)是真正意義上的數(shù)據(jù)流管理系統(tǒng)，用來完成對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流的在線查詢，只不過提供查詢的能力非常有限。OpenCQ[15]和NiagaraCQ[16]系統(tǒng)都是監(jiān)視Web數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)流管理系統(tǒng)。支持側(cè)重點不太相同：OpenCQ[15]重點關(guān)注查詢處理的算法。NiagaraCQ[16]側(cè)重于支持的查詢數(shù)量規(guī)模。Telegraph[19， 18， 20， 50]是比較有特點的數(shù)據(jù)流管理系統(tǒng)，具有較好的擴展性和移植性。其最大的特點是設(shè)計了一種稱為Eddy[19]的機制，通過這個機制來完成對每個元組的自適應(yīng)路由。Madden[20]重點討論了在傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中Telegraph[19]系統(tǒng)的查詢執(zhí)行策略。Madden[20]主要討論了在Telegraph系統(tǒng)中如何自適應(yīng)的處理多查詢。Aurora[21]系統(tǒng)是側(cè)重于網(wǎng)絡(luò)管理應(yīng)用的數(shù)據(jù)流管理系統(tǒng)，Aurora的核心是由操作符組成的觸發(fā)器網(wǎng)絡(luò)。每個觸發(fā)器是由一個或者多個操作符組成的有向無環(huán)圖。

對于每個使用了Aurora[21]系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流管理應(yīng)用中，管理員只需要創(chuàng)建一個或者多個觸發(fā)器，并將這些觸發(fā)器添加到Aurora觸發(fā)器網(wǎng)絡(luò)中。Aurora在執(zhí)行計劃編譯時和運行時都進行了優(yōu)化，Aurara在系統(tǒng)運行時通過檢測資源負載情況結(jié)合注冊服務(wù)的QoS進行“甩負荷”。STREAM[3]是一種基于關(guān)系模型的數(shù)據(jù)流管理系統(tǒng)。提出了一種數(shù)據(jù)流查詢語言CQL[38]。所有操作算子和算子的優(yōu)化都是在同一個進程中，調(diào)度算法按照時間片進行簡單切割。STREAM 系統(tǒng)對查詢的優(yōu)化也非常有限，只是對單查詢進行了選擇下推，對多查詢只是在數(shù)據(jù)共享方面做了一些優(yōu)化工作。STREAM 基于關(guān)系模型進行數(shù)據(jù)流建模，給出了數(shù)據(jù)流環(huán)境下查詢的較完備的形式化定義。另外還有其他一些數(shù)據(jù)流項目，例如COUGAR[22]是Cornell大學(xué)的一個傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的數(shù)據(jù)庫項目，支持一種面向?qū)ο蟮牟樵冋Z言，將傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)定義為一個抽象數(shù)據(jù)類型，這樣傳感器輸出的就是一個時間序列的數(shù)據(jù)流。StatStream[23]是紐約大學(xué)的跨多個數(shù)據(jù)流計算統(tǒng)計值的實時數(shù)據(jù)流統(tǒng)計系統(tǒng)。

結(jié)合上述研究成果，對提出的問題進行分析和總結(jié)。本文試圖克服以上文獻中的片面性，以一種全新的數(shù)據(jù)流實時處理的視角來重點介紹數(shù)據(jù)流查詢領(lǐng)域的重點研究問題和解決辦法。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫模型對查詢的精度、準確性有較高的要求，相反數(shù)據(jù)流模型對詢計劃執(zhí)行的實時性和自適應(yīng)調(diào)整這兩個方面要求比較高。正是基于數(shù)據(jù)流模型和數(shù)據(jù)庫模型在數(shù)據(jù)流查詢領(lǐng)域的差異性，引出了三個重要子問題。

（1）在越來越多的數(shù)據(jù)流應(yīng)用場景中，數(shù)據(jù)模態(tài)越來越多，例如文本、圖片、音頻、視頻等。針對不同數(shù)據(jù)模態(tài)下的“操作算子”的屬性也千差萬別。將針對不同數(shù)據(jù)模態(tài)下的“操作算子”稱為過濾器。這樣，在數(shù)據(jù)流環(huán)境下的各種過濾器的屬性（開銷，選擇性……）就各不相同，如果將開銷較小的過濾器優(yōu)先計算，那么對同一個元組的處理速度就要比其他策略要快。這就是過濾器的排序問題。過濾器排序問題是數(shù)據(jù)流處理領(lǐng)域最重要的問題之一。

（2）在很多數(shù)據(jù)流應(yīng)用場景中，由于數(shù)據(jù)流之間的相關(guān)性越來越大，不同數(shù)據(jù)流之間通過各種屬性（如網(wǎng)絡(luò)流中四元組、時間戳、模態(tài)內(nèi)容相似性）進行關(guān)聯(lián)，這樣就需要跨多個數(shù)據(jù)流進行融合過濾、分析、查詢、管理，將這個問題稱為多數(shù)據(jù)流融合計算。多數(shù)據(jù)流融合計算問題的核心是設(shè)計高效的多數(shù)據(jù)流之間的連接算子（Join operator）。多數(shù)據(jù)流的連接算子的設(shè)計是數(shù)據(jù)流領(lǐng)域的熱點問題之一。

（3）自適應(yīng)查詢優(yōu)化在數(shù)據(jù)流查詢系統(tǒng)中，執(zhí)行引擎通常將查詢解析成執(zhí)行計劃，執(zhí)行計劃的單元是操作算子[1]。隨著數(shù)據(jù)流中數(shù)據(jù)時刻變化，同一個操作算子在不同時刻所需要的資源也是時刻變化，在有限存儲計算資源的情況下，如何自適應(yīng)的優(yōu)化執(zhí)行計劃以高效的處理實時數(shù)據(jù)流是數(shù)據(jù)流查詢領(lǐng)域中一個很重要的研究熱點。這個問題稱為自適應(yīng)查詢優(yōu)化[33]。

在余下的章節(jié)，按照以上列出的數(shù)據(jù)流查詢領(lǐng)域的主要問題分別進行具體介紹：第二部分主要介紹共享過濾器排序問題;第三部分主要介紹數(shù)據(jù)流領(lǐng)域的主要連接算子研究進展情況;第四部分主要介紹自適應(yīng)查詢優(yōu)化問題以及目前的進展，最后對本文工作進行總結(jié)。

2 共享過濾器排序

為了有效地過濾數(shù)據(jù)流中特定信息，人們常常在數(shù)據(jù)流上注冊大量的查詢，同時訓(xùn)練大量的過濾器。在數(shù)據(jù)流環(huán)境中，查詢和過濾器常常是一種“多對多”的連接，也就是說對于單個過濾器的判斷可能會同時給出多個查詢的結(jié)果。在這種情況下，如何排序所有的過濾器來獲得最小的過濾代價變得非常重要。對于過濾器的排序一般依賴于三個指標：過濾器本身的執(zhí)行代價（c）、過濾器連接的查詢數(shù)目（p）以及過濾器對于隨機樣本判斷為真的概率（s）。針對過濾器的排序問題一般分為相關(guān)過濾器排序和獨立過濾器排序兩個子問題。其中，相關(guān)過濾器排序是指過濾器之間存在概率關(guān)系的情況下對過濾器進行排序。相反，獨立過濾器排序問題則是相對比較理想的情況下，假設(shè)所有的過濾器都是相互獨立。后者在數(shù)據(jù)流領(lǐng)域被廣泛關(guān)注。

4 查詢優(yōu)化

查詢優(yōu)化的過程就是自適應(yīng)查詢處理的過程。在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域，查詢的處理策略是：先計劃，再執(zhí)行。也就是，查詢引擎首先決策出一個開銷最小的查詢執(zhí)行計劃，然后查詢執(zhí)行器來完成計劃的執(zhí)行。鑒于數(shù)據(jù)流查詢中，數(shù)據(jù)流在速度和內(nèi)容上具有不可預(yù)測性。因此，數(shù)據(jù)元組突變性可能會使得優(yōu)化本次選擇的執(zhí)行計劃在下一個數(shù)據(jù)元組的查詢中會引起性能驟降[50， 37]，這樣就使得自適應(yīng)查詢處理在數(shù)據(jù)流領(lǐng)域被廣泛關(guān)注[38]。自適應(yīng)查詢的主要研究動機是：

（1）由于數(shù)據(jù)流的突變，可能會導(dǎo)致本次的最優(yōu)查詢計劃在下一次元組處理中的開銷增加。自適應(yīng)查詢處理需要及時發(fā)現(xiàn)這種不適應(yīng)并采取一些糾正措施;

（2）自適應(yīng)查詢處理可以及時探知數(shù)據(jù)源的未知屬性并選擇最優(yōu)查詢計劃;

（3）鑒于數(shù)據(jù)流系統(tǒng)的資源限制條件，自適應(yīng)查詢處理要能夠及時的根據(jù)當前系統(tǒng)資源和輸入條件的限制做出最優(yōu)計劃的決策。

自適應(yīng)的查詢處理可以避免因為死板的查詢計劃帶來的性能抖動，使得數(shù)據(jù)流系統(tǒng)的查詢性能趨于穩(wěn)定[45， 37]。在自適應(yīng)的查詢處理模型中，查詢的執(zhí)行被嚴格的劃分為優(yōu)化階段和執(zhí)行階段。這兩個階段相互獨立。這樣可以使得查詢的處理過程中可以及時的糾正因為優(yōu)化策略帶來的性能顛簸。自適應(yīng)查詢處理在過去幾年中的進展情況為：

（1）所有自適應(yīng)查詢處理的工作集中在最近的十年內(nèi);

（2）在自適應(yīng)查詢處理領(lǐng)域的主要研究工作具有很大的差異性，這些差異性主要體現(xiàn)在查詢語義的不同，不同的數(shù)據(jù)源，開銷度量方式的差異，優(yōu)化框架的差異以及不同的自適應(yīng)定義;

（3）自適應(yīng)查詢處理的框架主要包括三個重要的組成部分。

1）優(yōu)化器：選擇一種開銷最小的執(zhí)行計劃;

2）執(zhí)行器：按照當前選擇的執(zhí)行計劃來完成查詢的執(zhí)行操作;

3）統(tǒng)計跟蹤器：統(tǒng)計在查詢執(zhí)行過程中的系統(tǒng)資源信息，查詢開銷信息等。以供優(yōu)化器在優(yōu)化過程中使用。

文獻[38]第一次對數(shù)據(jù)流系統(tǒng)按照查詢執(zhí)行策略進行了分類并對系統(tǒng)的性能表現(xiàn)進行了詳細的對比。對主流的數(shù)據(jù)流系統(tǒng)按照查詢執(zhí)行的策略分為三類。

（1）基于計劃的系統(tǒng)：傳統(tǒng)“先計劃，再執(zhí)行”的查詢執(zhí)行模式的擴展。主要的擴展體現(xiàn)在增加了統(tǒng)計跟蹤器、自適應(yīng)查詢，如圖5所示。統(tǒng)計跟蹤器用來收集查詢執(zhí)行過程中的系統(tǒng)信息來作為優(yōu)化器重新優(yōu)化的重要數(shù)據(jù)參考。

（2）基于路由的系統(tǒng)：以Eddy[19]和River[39]作為這個分支的經(jīng)典代表。核心思想是將數(shù)據(jù)流上的元組的查詢過程看成一個個的數(shù)據(jù)包在操作算子間的路由。因此，所有的優(yōu)化策略都是基于數(shù)據(jù)流元組級別。自適應(yīng)查詢處理的流程如圖6所示。

（3）基于持續(xù)查詢的系統(tǒng)：以CAPE[17]、NiagaraCQ[40]、StreaMon[49]作為這個分支的經(jīng)典代表，是數(shù)據(jù)流領(lǐng)域查詢處理的主要模型。重點考慮大量查詢在線注冊的情況下，將查詢和數(shù)據(jù)流元組的變化常態(tài)化，重點關(guān)注優(yōu)化器自適應(yīng)的調(diào)整操作算子的順序來完成查詢的執(zhí)行過程。自適應(yīng)查詢處理的流程如圖 7 所示。

依據(jù)上面的分類，對近年來主流的數(shù)據(jù)查詢處理系統(tǒng)進行簡單的歸類和簡單說明，如表1所示。

5 結(jié)束語

本文回顧了數(shù)據(jù)流領(lǐng)域的國內(nèi)和國際上在該領(lǐng)域的主要研究成果，從數(shù)據(jù)流過濾的視角重新審視自適應(yīng)查詢的問題，綜述了在數(shù)據(jù)流模型中自適應(yīng)查詢出現(xiàn)的主要問題（過濾器排序、數(shù)據(jù)流連接、查詢優(yōu)化），并結(jié)合大規(guī)模數(shù)據(jù)流安全檢測背景，形成了下一步的研究思路。

（1）過濾器排序：在數(shù)據(jù)流環(huán)境下的各種過濾器的屬性（開銷、選擇性、窗口等）差異較大，以往工作均是結(jié)合自身過濾器屬性構(gòu)建簡單的排序算法，普遍不具備自適應(yīng)調(diào)整能力。下一步的工作重點是普適性的過濾器度量模型和自適應(yīng)排序算法。

（2）數(shù)據(jù)流連接：隨著大數(shù)據(jù)和高通量計算需求日益旺盛，跨多數(shù)據(jù)流進行融合過濾、分析、查詢、管理歸類為多流融合計算問題。多流融合計算問題的關(guān)鍵是設(shè)計高效的多數(shù)據(jù)流間的連接算法和環(huán)境感知關(guān)聯(lián)模型。通過研究發(fā)現(xiàn)，當前工作中對連接算法普遍采用數(shù)據(jù)庫連接計算方法，缺乏對數(shù)據(jù)流和大數(shù)據(jù)環(huán)境下的環(huán)境感知能力，下一步重點考慮構(gòu)建具備環(huán)境感知能力的數(shù)據(jù)流關(guān)聯(lián)計算模型。

基金項目：

1.國家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金（項目編號：U1936111）;

2.北京信息科技大學(xué)校基金項目（項目編號：5221910933）。

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作者簡介：

李軍（1983-），男，漢族， 山東滕州人，北京郵電大學(xué)，博士， 高級工程師，北京信息科技大學(xué)，教師;主要研究方向和關(guān)注領(lǐng)域：網(wǎng)絡(luò)信息安全、數(shù)據(jù)挖掘。

于靈凡（1998-），女，漢族，北京信息科技大學(xué)，本科;主要研究方向和關(guān)注領(lǐng)域：網(wǎng)絡(luò)流挖掘和管理。

田斌（1983-），男，漢族，北京郵電大學(xué)，博士，中國信息安全測評中心，高級工程師;主要研究方向和關(guān)注領(lǐng)域：網(wǎng)絡(luò)空間安全。

李犇（1986-），男，漢族，山東濟寧人，中國科學(xué)院大學(xué)，碩士，北京市公安局朝陽分局，副科級警察;主要研究方向和關(guān)注領(lǐng)域：網(wǎng)絡(luò)空間安全。

李曄（1986-），男，漢族，河北保定人，北京郵電大學(xué)，碩士，河北移動網(wǎng)絡(luò)管理中心，工程師;主要研究方向和關(guān)注領(lǐng)域：網(wǎng)絡(luò)安全和管理。

康海燕（1971-），男，漢族，河北石家莊人，北京理工大學(xué)，博士，教授，北京信息科技大學(xué)，副院長;主要研究方向和關(guān)注領(lǐng)域：網(wǎng)絡(luò)空間安全。