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时序数据库 IoTDB 源码解析之前言(一)

撸了今年阿里、腾讯和美团的面试,我有一个重要发现.......>>

IoTDB 是一款时序数据库,相关竞品有 KairosdbInfluxDBTimescaleDB等,主要使用场景是在物联网相关行业,如:车联网、风力发电、地铁、飞机监控等等,具体应用案例及公司详情可以查看:IoTDB在实际公司中的使用信息收集

IoTDB 模块主要分为ClientJDBCServerTsFileGrafanaDistribution 以及各种生态的连接器。整个系列的文章会从行业背景开始讲起,了解一个行业具体的使用场景,然后介绍 TsFile 是以什么样的格式来保存数据的,再介绍 Server 里怎样完成一次查询,最后在介绍一条完整的 SQL是怎样从 Client 使用 JDBCServer 直至返回具体结果。如果有能力的话再介绍一下集群的一些内容和工作方式。

打一波广告本人专注车联网领域多年,现任四维智联架构师。目前正在参与 IoTDB 社区,有志同道合的同伴欢迎加微信:liutaohua001

这一章主要想聊一聊:

  1. 为什么重复造轮子,从物联网行业的数据特点到 IoTDB 的发展过程
  2. 这个轮子造的怎么样,IoTDB 和竞品测试对比

时序数据

我个人理解时序数据是基于时间维度的同一个物体或概念的值构成的一个序列数据。在传统关系型数据库中,例如 MySQL,我们通常会放置一个自增的 Id 列作为主键标识,如下:

Id 人名 体温 测量时间
1 张三 36.5 2020-02-06 9:00:00
2 李四 36.9 2020-02-06 9:00:00
3 王五 36.7 2020-02-06 9:00:00
4 张三 36.3 2020-02-06 9:30:00
5 张三 36.9 2020-02-06 11:00:00

上面的表结构就是一个时序数据,将表结构做个变形更容易理解:

时间戳 人名 体温
1580950800 张三 36.5
1580950800 李四 36.9
1580950800 王五 36.7
1580952600 张三 36.3
1580958000 张三 36.9

如果把时间作为一个唯一键对齐展示,能够更像时序数据一些,这也是 IoTDB 中查询结果的展示方式:

时间戳 张三 李四 王五
1580950800 36.5 36.9 36.7
1580952600 36.3 NULL NULL
1580958000 36.9 NULL NULL

这里可能会存在疑问就是假如人数是逐渐增加的,那么是动态创建列呢?还是提前创建足够多的列?这个问题等后面文章有机会继续介绍

物联网

物联网的特点是都会存在一个或多个设备,他们以各种各样的形式组织到一起,用来观测或记录同一时间里相同环境所产生的数据。下面的介绍中,使用由简单到复杂的数据逐步介绍在物联网行业中,通用的一些问题和方向。

1.基本存储

假如我是一个公司,对外播报北京、天津、上海三地的温度数据,从而实现盈利。

时间戳 北京 天津 上海
1580950800 20.5 22.9 21.7
1580952600 20.5 NULL 22.9
1580958000 20.5 21.7 22.9

2.保证数据质量

数据保证的质量是多方面的,一步一步介绍。

首先可以看到上面数据是存在 NULL 值的,这个 NULL 值有可能是因为当时设备所在的区域停电了,所以并没有办法上报当时的情况,这样客户如果想获取1580952600 这个时间戳对应的天津的数据的时候,肯定是拿不到了,所以传统思维上,我们应该增加一个容灾设备,保证一个设备在坏掉、停电、人为损坏等等的情况的时候,依然能够有数据上报回来。

基于这样的思想,以上的表结构就会变成:

时间戳 北京 1 北京 2 天津1 天津2 上海1 上海2
1580950800 20.5 20.9 21.7 20.9 20.7 21.7
1580952600 21.5 21.0 NULL 21.7 21.7 21.7
1580958000 22.5 22.7 22.9 22.7 NULL NULL

这时候依然存在问题, 1580958000 这一刻两个设备都没有数据,有可能是放置设备的区域同时出现了断网或者断电,这种情况下,我们可以采用提高采集数据的频率或者补传数据来解决(补传暂不讨论)。

我们将每天数据分为3组,每组采样3次,间隔为1个小时,这样时间分布为:上午(7、8、9)、中午(12、13、14)、下午(18、19、20)。

时间戳 北京 1 北京 2 天津1 天津2 上海1 上海2
1580943600 20.5 20.9 21.7 20.9 20.7 21.7
1580947200 21.5 21.0 NULL 21.7 21.7 21.7
1580950800 22.5 22.7 22.9 22.7 NULL NULL
1580961600 20.5 20.9 21.7 20.9 20.7 21.7
1580965200 21.5 21.0 NULL 21.7 21.7 21.7
1580968800 22.5 22.7 22.9 22.7 NULL NULL
1580983200 20.5 20.9 21.7 20.9 20.7 21.7
1580986800 21.5 21.0 NULL 21.7 21.7 21.7
1580990400 22.5 22.7 22.9 22.7 NULL NULL

可以看到经过各种各样的需求之后,上传的数据是成倍增长的,不难想象如果这个温度数据希望精准的获取到每个县城的温度,那么中国有 2854 个县城 * 2 个温度设备 * 9 条数据 = 1 天产生的数据总量 = 51372 条,那么一个月就是 1541160 条。

数据实时性及总量

假如上面的数据我们继续提高频率到每1分钟每个设备上报一次,那么数据量就会成为 2854 * 2 * 60 * 24 = 246585600 条/天。

在这样的数据量下,实时插入实时做一些聚合计算,应该传统数据库就有些处理不过来了。

IoTDB 的前身

某公司在实际业务中,20 万设备保存了 3 年的数据,TB级别的数据使得 Oracle 被拖的根本吃不消。关键的问题点还不仅仅是存量数据大,新增数据依然以非常快的速度在增长。后来公司联系到了 IoTDB 的第一批开发者,但是当时的方案还是基于 Cassandra 来做设计,当时规划了 5 台机器的集群,性能刚满足,但随着时间推移设备总量在增加,业务系统的查询请求量在增加。Cassandra 在经过大量的努力之后,最后发现如果再改可能就需要大面积的重构 Cassandra 数据的代码了,最终决定重新设计一个存储方式,来解决物联网场景下的时序数据高效写入、低延迟读取、高压缩比持久化。

PS: 以上都是黄向东 (IoTDB PPMC) ,在 meetup 中讲到的,我只是在脑中存留了一部分,具体的细节大家可以到 IoTDB 社区或 github 提 issue 来咨询黄向东。他不仅是 IoTDB 的专家也是 Cassandra 的专家,中英文双语都贼六,人还很帅。

性能对比

1.写入性能对比

数据集2 客户端 存储组 设备 变量 batchsize LOOP 数据量 写入速度(point/s) 硬盘数据大小
IoTDB 10 10 10 10 1000 1000000 1E+11 24750321.93 38306092
InfluxDB 10 10 10 10 1000 1000000 1E+11 304682932
TimescaleDB 10 10 10 10 1000 1000000 1E+11 737689.22 1610219064
数据集1 客户端 存储组 设备 变量 batchsize LOOP 数据量 写入速度(point/s) 硬盘数据大小
IoTDB 10 10 10 10 1000 100000 10000000000 20706345.15 3599732
InfluxDB 10 10 10 10 1000 100000 10000000000 1729907.81 30546560
TimescaleDB 10 10 10 10 1000 100000 10000000000 715857 161026468
KairosDB 10 10 10 10 10000 10000 10000000000 24924.97 76263380

上面一组数据可以看出写入性能高于同款数据库10倍有余,单机写入速度高达到每秒2千万。且硬盘占用是最小的,这在数据比较大的线上业务中,可能每个月会差出来 1 到 2 块硬盘。

2. 查询性能对比

原始数据查询

客户端 存储组 设备 序列-数据量 变量 查询点数 LOOP 速度(point/s) AVG MIN
IoTDB 10 10 10 1.00E+09 1 1000000 100 12942984.85 740.27 457.04
InfluxDB 10 10 10 1.00E+09 1 1000000 100 1779606.4 5591 4666.39
TimescaleDB 10 10 10 1.00E+09 1 1000000 100 3781467.52 2345.69 1193.78

聚合数据查询

客户端 存储组 设备 序列-数据量 变量 LOOP 范围 速度(point/s) AVG MIN
IoTDB-1 10 10 10 1.00E+09 1 100 0.0001 49.75 27.87 18.03
IoTDB-2 10 10 10 1.00E+09 1 100 0.001 49.75 49.14 19.87
IoTDB-3 10 10 10 1.00E+09 1 100 0.01 49.76 48.69 22.32
IoTDB-4 10 10 10 1.00E+09 1 100 0.1 48.68 99.14 25.56
IoTDB-5 10 10 10 1.00E+09 1 100 1 14 595.61 45.54
InfluxDB-1 10 10 10 1.00E+09 1 100 0.0001 234.32 40.28 21.63
InfluxDB-2 10 10 10 1.00E+09 1 100 0.001 28.88 341.9 238.1
InfluxDB-3 10 10 10 1.00E+09 1 100 0.01 3.07 3226.87 2664.86
TimescaleDB-1 10 10 10 1.00E+09 1 100 0.0001 42.39 220.57 120.5
TimescaleDB-2 10 10 10 1.00E+09 1 100 0.001 5.8 1502.9 754.15
TimescaleDB-3 10 10 10 1.00E+09 1 100 0.01 1.02 9711.55 7148.69

整体来看 IoTDB 无论在写入、原始数据查询还是聚合查询,都几乎是10倍的性能于竞品数据库,而且硬盘占用又小于同款数据库10倍,那么 IoTDB 是怎样完成如此高的压缩比、如此恐怖的写入速度、如此高效的查询呢?欢迎继续关注。。。


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