一、前言
隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來,數(shù)據(jù)量的急劇增長要求更高效的處理與存儲(chǔ)解決方案。云計(jì)算作為一種新興技術(shù),憑借其靈活性和高可擴(kuò)展性,成為大數(shù)據(jù)處理的理想平臺(tái)。基于云計(jì)算的大數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)系統(tǒng)不僅能夠有效應(yīng)對(duì)海量數(shù)據(jù)的挑戰(zhàn),還能提供強(qiáng)大的計(jì)算能力和高效的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能,為企業(yè)的智能決策與業(yè)務(wù)創(chuàng)新提供有力支持。
二、云計(jì)算與大數(shù)據(jù)技術(shù)概述
如圖1所示,云計(jì)算通過互聯(lián)網(wǎng)提供按需、可擴(kuò)展的計(jì)算資源和服務(wù),包括存儲(chǔ)、計(jì)算能力、數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用程序等。用戶無需管理硬件,按需付費(fèi),降低了IT成本。大數(shù)據(jù)技術(shù)則涉及對(duì)海量、多樣化、高速的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、分析和挖掘,提取有價(jià)值的信息。它利用分布式計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù),支持企業(yè)對(duì)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的決策、預(yù)測和創(chuàng)新方面的需求。云計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)結(jié)合,推動(dòng)了智能分析、業(yè)務(wù)優(yōu)化和行業(yè)創(chuàng)新。
儲(chǔ)與快速檢索,且能根據(jù)數(shù)據(jù)訪問頻率和時(shí)效性提供智能存儲(chǔ)策略。
(二)性能需求
性能是大數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的核心考慮因素之一,系統(tǒng)必須具備高吞吐量和低延遲的能力,以支持大規(guī)模數(shù)據(jù)的快速寫入與實(shí)時(shí)查詢。首先,對(duì)于大數(shù)據(jù)的存儲(chǔ),要求系統(tǒng)能夠進(jìn)行高效的數(shù)據(jù)壓縮和去重,減少存儲(chǔ)空間的消耗,同時(shí)提供快速的數(shù)據(jù)訪問和檢索速度。其次,系統(tǒng)需要具備高并發(fā)處理能力,能夠處理來自不同用戶和應(yīng)用的海量請(qǐng)求,同時(shí)保持響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。
三、基于云計(jì)算的大數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)系統(tǒng)需求分析
(三)可靠性需求
大數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)系統(tǒng)的可靠性是確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行和數(shù)據(jù)安全的關(guān)鍵。首先,系統(tǒng)必須具備高可用性,確保在硬件故障、網(wǎng)絡(luò)中斷等異常情況下,系統(tǒng)能夠迅速恢復(fù)服務(wù),避免業(yè)務(wù)中斷。為此,系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)冗余機(jī)制(如數(shù)據(jù)備份和故障轉(zhuǎn)移策略),以保證在出現(xiàn)故障時(shí)數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。其次,系統(tǒng)的容錯(cuò)能力至關(guān)重要,必須能夠在部分組件失效的情況下,仍能繼續(xù)正常運(yùn)行,并保證數(shù)據(jù)的一致性和完整性。
(一)功能需求
基于云計(jì)算的大數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)系統(tǒng)的功能需求主要包括數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、處理、分析及可視化等關(guān)鍵模塊。首先,系統(tǒng)需要能夠從多種數(shù)據(jù)源實(shí)時(shí)或批量采集數(shù)據(jù),并通過數(shù)據(jù)預(yù)處理對(duì)噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗和格式化[。其次,系統(tǒng)必須具備高效的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力,支持大規(guī)模數(shù)據(jù)的存
四、基于云計(jì)算的大數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
(一)系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)
基于云計(jì)算的大數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)旨在通過分布式計(jì)算和存儲(chǔ)資源的結(jié)合,實(shí)現(xiàn)大規(guī)模數(shù)據(jù)的高效處理和管理。系統(tǒng)架構(gòu)通常采用分層設(shè)計(jì),包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)分析四大模塊。
如圖2所示,各模塊通過云平臺(tái)的資源調(diào)度進(jìn)行協(xié)同工作,確保系統(tǒng)能夠在高并發(fā)、大流量的場景下穩(wěn)定運(yùn)行。架構(gòu)中,數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)從多源數(shù)據(jù)源中獲取數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)處理模塊則通過大數(shù)據(jù)計(jì)算框架(如Hadoop、Spark)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、轉(zhuǎn)化和處理。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊采用分布式存儲(chǔ)系統(tǒng),確保數(shù)據(jù)的可靠性與可擴(kuò)展性。而數(shù)據(jù)分析與挖掘模塊通過數(shù)據(jù)挖掘與機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù),揭示數(shù)據(jù)中的價(jià)值和規(guī)律,最終為決策提供支持。
(二)系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)
系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)是大數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)系統(tǒng)的核心,涵蓋數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)分析四個(gè)關(guān)鍵部分。每個(gè)模塊獨(dú)立運(yùn)作但又緊密協(xié)同,共同實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)的高效處理和精準(zhǔn)分析。
1.數(shù)據(jù)采集模塊
數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)從各類數(shù)據(jù)源獲取原始數(shù)據(jù),包括傳感器、日志文件、社交媒體、數(shù)據(jù)庫等。該模塊通過API接口、爬蟲技術(shù)、實(shí)時(shí)流數(shù)據(jù)獲取等方式采集數(shù)據(jù)[3]。針對(duì)大規(guī)模、多樣化的數(shù)據(jù)源,采集模塊采用分布式架構(gòu),確保數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性與高效性。采集過程還會(huì)進(jìn)行初步的數(shù)據(jù)過濾和預(yù)處理,去除無效數(shù)據(jù)或噪聲,以提高后續(xù)處理效率。此模塊的設(shè)計(jì)應(yīng)支持多種數(shù)據(jù)格式(如結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù))的采集,確保系統(tǒng)的全面適應(yīng)性。
2.數(shù)據(jù)處理模塊
數(shù)據(jù)處理模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)采集到的大數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、轉(zhuǎn)換和預(yù)處理。通過大數(shù)據(jù)計(jì)算框架(如Hadoop、Spark等),該模塊能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行分布式處理,保證數(shù)據(jù)處理的高效性和可擴(kuò)展性[4。數(shù)據(jù)清洗過程包括去重、缺失值填補(bǔ)和異常值檢測等,確保數(shù)據(jù)的質(zhì)量。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換則涉及將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為適合分析和存儲(chǔ)的格式。此模塊還負(fù)責(zé)執(zhí)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)計(jì)算、聚合和關(guān)聯(lián)分析,為后續(xù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)支持
3.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊主要負(fù)責(zé)存儲(chǔ)大規(guī)模的數(shù)據(jù),確保數(shù)據(jù)在分布式環(huán)境中的安全性與可訪問性。該模塊通常使用分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)(如HDFS、NoSQL數(shù)據(jù)庫—Cassandra、MongoDB)等,提供高可用、高擴(kuò)展性的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案。數(shù)據(jù)根據(jù)其類型和應(yīng)用需求進(jìn)行分類存儲(chǔ),結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)分別采用不同的存儲(chǔ)方式。此外,存儲(chǔ)模塊還需確保數(shù)據(jù)的容錯(cuò)能力,通過冗余備份機(jī)制,防止單點(diǎn)故障導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失。存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)支持?jǐn)?shù)據(jù)的快速檢索和高效訪問。
4.數(shù)據(jù)分析與挖掘模塊
數(shù)據(jù)分析與挖掘模塊是大數(shù)據(jù)系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的部分,負(fù)責(zé)從存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)中提取有價(jià)值的信息和知識(shí)。該模塊利用數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù),進(jìn)行模式識(shí)別、趨勢分析、預(yù)測建模等任務(wù)。通過對(duì)歷史數(shù)據(jù)的深度分析,挖掘出潛在的規(guī)律和趨勢,為業(yè)務(wù)決策提供支持[]。該模塊不僅支持批量分析,還能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流分析,幫助企業(yè)及時(shí)獲取數(shù)據(jù)洞察。分析結(jié)果可視化工具也常常集成在此模塊中,便于用戶直觀理解數(shù)據(jù)分析的結(jié)果,支持智能決策和優(yōu)化。
五、基于云計(jì)算的大數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
(一)開發(fā)環(huán)境與工具
在基于云計(jì)算的大數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程中,開發(fā)環(huán)境與工具的選擇至關(guān)重要。首先,開發(fā)環(huán)境需要具備高效的資源管理和擴(kuò)展性,以應(yīng)對(duì)大數(shù)據(jù)處理中的計(jì)算和存儲(chǔ)需求。常用的開發(fā)環(huán)境包括基于云平臺(tái)的基礎(chǔ)設(shè)施( 如 AmazonWeb Services—AWS、Microsoft Azure、GoogleCloud等),這些平臺(tái)提供了強(qiáng)大的計(jì)算、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)庫服務(wù),支持彈性擴(kuò)展和高可用性。開發(fā)工具方面,數(shù)據(jù)處理框架選擇Hadoop、ApacheSpark等大數(shù)據(jù)處理平臺(tái)。這些平臺(tái)提供了強(qiáng)大的分布式計(jì)算能力,支持大規(guī)模數(shù)據(jù)集的并行處理[。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面,分布式文件系統(tǒng)(如HDFS)和NoSQL數(shù)據(jù)庫(如Cassandra、MongoDB)被廣泛使用。數(shù)據(jù)采集方面,ApacheKafka和Flume等工具提供了高效的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流處理和日志采集能力。此外,編程語言方面,因在大數(shù)據(jù)生態(tài)中具有良好的支持性和豐富的庫支持,Python和Java是常用的選擇。IntelliJIDEA和PyCharm等集成開發(fā)環(huán)境(IDE)可以提升開發(fā)效率,并方便調(diào)試和測試。總之,選擇合理的開發(fā)環(huán)境和工具是確保大數(shù)據(jù)系統(tǒng)高效、可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。
(二)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程
基于云計(jì)算的大數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)流程包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)分析等多個(gè)環(huán)節(jié)。在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的初期,首先需要搭建云計(jì)算環(huán)境和配置相關(guān)的服務(wù)組件,為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理提供基礎(chǔ)架構(gòu)支持。系統(tǒng)的第一步是數(shù)據(jù)采集,數(shù)據(jù)來源可以是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、社交媒體、日志文件或數(shù)據(jù)庫等。采集的數(shù)據(jù)會(huì)通過實(shí)時(shí)或批量方式傳輸?shù)教幚硐到y(tǒng)。接下來,數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、轉(zhuǎn)換和預(yù)處理,去除冗余數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的格式,以便于后續(xù)分析。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是一個(gè)重要環(huán)節(jié),存儲(chǔ)模塊將清洗過的數(shù)據(jù)按照結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化或半結(jié)構(gòu)化的方式存入分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)中,確保數(shù)據(jù)的可靠性、可擴(kuò)展性和高效存取。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)完成后,數(shù)據(jù)分析模塊通過機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析,提取有價(jià)值的信息和規(guī)律。這些分析結(jié)果可以通過可視化工具展示給最終用戶,支持決策和策略優(yōu)化。整個(gè)流程需要確保數(shù)據(jù)流的高效性和系統(tǒng)的可擴(kuò)展性,因此,實(shí)時(shí)監(jiān)控和優(yōu)化是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要部分。
(三)關(guān)鍵模塊實(shí)現(xiàn)
在基于云計(jì)算的大數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)系統(tǒng)中,關(guān)鍵模塊的實(shí)現(xiàn)決定了系統(tǒng)的性能和可擴(kuò)展性,主要模塊包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。
1.數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)
數(shù)據(jù)采集模塊是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的第一步,負(fù)責(zé)從各種數(shù)據(jù)源收集原始數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)這一模塊時(shí),常用的工具包括ApacheKafka和ApacheFlume。Kafka作為一個(gè)高吞吐量的分布式消息隊(duì)列,適用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流的處理,能夠高效地傳輸大量數(shù)據(jù)。Flume則專門用于日志數(shù)據(jù)的采集和傳輸,支持從不同的來源(如日志文件、數(shù)據(jù)庫、傳感器等)實(shí)時(shí)或定時(shí)抓取數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)處理模塊。在數(shù)據(jù)采集過程中,保障數(shù)據(jù)質(zhì)量也十分重要,因此,采集模塊通常會(huì)集成數(shù)據(jù)預(yù)處理功能(如數(shù)據(jù)過濾、去重、格式轉(zhuǎn)換等)。此外,采集模塊還需要具備靈活的配置能力,能夠適應(yīng)不同數(shù)據(jù)源的變化和擴(kuò)展。為了應(yīng)對(duì)高并發(fā)和大規(guī)模數(shù)據(jù)的處理需求,采集模塊應(yīng)能夠支持分布式部署,并通過負(fù)載均衡策略實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高可用性。
2.數(shù)據(jù)處理模塊實(shí)現(xiàn)
數(shù)據(jù)處理模塊是大數(shù)據(jù)系統(tǒng)中的核心組件,負(fù)責(zé)對(duì)采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、轉(zhuǎn)換和處理。實(shí)現(xiàn)這一模塊時(shí),常用的技術(shù)框架包括Hadoop 和Apache Spark。Hadoop采用MapReduce框架,適合處理批量數(shù)據(jù),能夠?qū)?shù)據(jù)分片并分發(fā)到多個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行并行計(jì)算,具有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力和可擴(kuò)展性。Spark則在Hadoop 的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn),提供了內(nèi)存計(jì)算,極大提高了數(shù)據(jù)處理速度,特別適用于需要低延遲和實(shí)時(shí)計(jì)算的場景。在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)清洗時(shí),數(shù)據(jù)處理模塊會(huì)進(jìn)行去重、缺失值填充、格式轉(zhuǎn)換等操作,以保證數(shù)據(jù)的質(zhì)量。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程則將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為適合后續(xù)分析和存儲(chǔ)的結(jié)構(gòu)化或半結(jié)構(gòu)化格式。除此之外,數(shù)據(jù)處理模塊還需要支持復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)(如數(shù)據(jù)聚合、統(tǒng)計(jì)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)算法的實(shí)現(xiàn)等),確保能夠從大量數(shù)據(jù)中提取有用的信息。
3.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊實(shí)現(xiàn)
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊負(fù)責(zé)將處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行持久化存儲(chǔ),確保數(shù)據(jù)的高效、可靠存取。在實(shí)現(xiàn)這一模塊時(shí),通常會(huì)選擇分布式文件系統(tǒng)(如HDFS)和NoSQL數(shù)據(jù)庫(如Cassandra、MongoDB)作為存儲(chǔ)方案。HDFS作為Hadoop生態(tài)系統(tǒng)的核心組件,提供了高容錯(cuò)性和可擴(kuò)展性,能夠?qū)⒋髷?shù)據(jù)分塊存儲(chǔ)在多個(gè)節(jié)點(diǎn)上,并保證數(shù)據(jù)的冗余備份。NoSQL數(shù)據(jù)庫則適用于處理非結(jié)構(gòu)化和半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù),能夠在高并發(fā)環(huán)境下提供高效的讀寫性能。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)過程中,模塊需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分區(qū)和索引機(jī)制,確保數(shù)據(jù)的高效檢索和查詢。此外,為了支持?jǐn)?shù)據(jù)的快速恢復(fù)和容錯(cuò)能力,存儲(chǔ)模塊通常還會(huì)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)備份和復(fù)制機(jī)制,防止由于節(jié)點(diǎn)故障造成數(shù)據(jù)丟失。存儲(chǔ)模塊的設(shè)計(jì)還需要考慮數(shù)據(jù)生命周期管理,包括數(shù)據(jù)的歸檔、壓縮和清理等,以降低存儲(chǔ)成本。
六、系統(tǒng)測試與性能評(píng)價(jià)
(一)測試環(huán)境與工具
本系統(tǒng)的測試環(huán)境搭建在基于云計(jì)算的虛擬機(jī)平臺(tái)上,使用多個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分布式數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)。工具方面,采用Hadoop和Spark作為數(shù)據(jù)處理框架,MySQL和HDFS用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ),JMeter用于性能測試,Prometheus和Grafana用于系統(tǒng)監(jiān)控與性能分析。測試環(huán)境模擬大規(guī)模數(shù)據(jù)流入,并對(duì)系統(tǒng)的處理能力、響應(yīng)時(shí)間和可擴(kuò)展性進(jìn)行評(píng)估,確保系統(tǒng)在高負(fù)載情況下的穩(wěn)定性與可靠性。
(二)性能測試
見表1,根據(jù)性能測試結(jié)果,可以看出不同操作對(duì)系統(tǒng)資源的需求差異。在數(shù)據(jù)采集階段,響應(yīng)時(shí)間較低(50ms),吞吐量較高(120MB/s),CPU和內(nèi)存使用率較低,表明系統(tǒng)能高效處理數(shù)據(jù)輸入。在數(shù)據(jù)處理(批處理)階段,響應(yīng)時(shí)間和資源消耗顯著增加,尤其是CPU使用率達(dá)到 6 5 % ,反映了批量數(shù)據(jù)處理的計(jì)算密集型特征。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)(寫入)操作對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)的影響較大,寫入速度為100MB/s,且網(wǎng)絡(luò)帶寬和內(nèi)存使用率較高。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理表現(xiàn)優(yōu)異,響應(yīng)時(shí)間短,吞吐量大。數(shù)據(jù)查詢操作的性能較為穩(wěn)定,錯(cuò)誤率低,適合大規(guī)模數(shù)據(jù)讀取需求。
七、結(jié)語
基于云計(jì)算的大數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)系統(tǒng)能夠有效應(yīng)對(duì)海量數(shù)據(jù)的管理與分析需求,提升了數(shù)據(jù)處理的效率與可靠性。通過性能測試,驗(yàn)證了系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)、查詢及實(shí)時(shí)處理等方面的優(yōu)越性能。測試結(jié)果表明,系統(tǒng)具有較高的吞吐量和較低的錯(cuò)誤率,能夠在高負(fù)載情況下穩(wěn)定運(yùn)行。未來,隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和優(yōu)化,系統(tǒng)可進(jìn)一步提升處理能力與擴(kuò)展性,更好地支持大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能決策和業(yè)務(wù)創(chuàng)新。
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作者單位:甘肅有色冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院
責(zé)任編輯:王穎振鄭凱津