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7/12/2017 23:09

时间序列数据库 InfluxDB
基于 Go 语言开发,社区非常活跃,项目更新速度很快,日新月异,关注度高。

特点
可以设置metric的保存时间。
支持通过条件过滤以及正则表达式删除数据。
支持类似 sql 的语法。
可以设置数据在集群中的副本数。
支持定期采样数据,写入另外的measurement,方便分粒度存储数据。

概念
数据格式 Line Protocol

measurement[,tag_key1=tag_value1…] field_key=field_value[,field_key2=field_value2] [timestamp]

cpu_load,host_id=1 value=0.1 1434055562000000000
相比于 JSON 格式,无需序列化,更加高效。

measurement: metric name,例如 cpu_load。
field-key, field-value: 通常用来存储数据,类似 opentsdb 中的 value=0.6,但是支持各种类型,数据存储时不会进行索引,每条数据必须拥有一个 field-key,如果使用 field-key 进行过滤,需要遍历一遍所有数据。
tags-key, tags-value: 和 field-key 类似,但是会进行索引,方便查询时用于过滤条件。

Series
measurement, tag set, retention policy 相同的数据集合算做一个 series。

假设 cpu_load 有两个 tags,host_id 和 name,host_id 的数量为 100,name 的数量为 200,则 series 基数为 100 * 200 = 20000。

数据存储
measurements, tag keys, field keys,tag values 全局存一份。
field values 和 timestamps 每条数据存一份。

Retention Policy
保留策略包括设置数据保存的时间以及在集群中的副本个数。
默认的 RP 为 default,保存时间不限制,副本个数为 1,默认 RP 是可以修改的,并且我们可以创建新的 RP。

Continuous Query
CQ 是预先配置好的一些查询命令,SELECT 语句必须包含 GROUP BY time(),influxdb 会定期自动执行这些命令并将查询结果写入指定的另外的 measurement 中。
利用这个特性并结合 RP 我们可以方便地保存不同粒度的数据,根据数据粒度的不同设置不同的保存时间,这样不仅节约了存储空间,而且加速了时间间隔较长的数据查询效率,避免查询时再进行聚合计算。

Shard
Shard 这个概念并不对普通用户开放,实际上是 InfluxDB 将连续一段时间内的数据作为一个 shard 存储,根据数据保存策略来决定,通常是保存1天或者7天的数据。例如如果保存策略 RP 是无限制的话,shard 将会保存7天的数据。这样方便之后的删除操作,直接关闭下层对应的一个数据库即可。

存储引擎
从 LevelDB(LSM Tree),到 BoltDB(mmap B+树),现在是自己实现的 TSM Tree 的算法,类似 LSM Tree,针对 InfluxDB 的使用做了特殊优化。

LevelDB
LevelDB 底层使用了 LSM Tree 作为数据结构,用于存储大量的 key 值有序的 K-V 数据,鉴于时序数据的特点,只要将时间戳放入 key 中,就可以非常快速的遍历指定时间范围内的数据。LSM Tree 将大量随机写变成顺序写,所以拥有很高的写吞吐量,并且 LevelDB 内置了压缩功能。

数据操作被先顺序写入 WAL 日志中,成功之后写入内存中的 MemTable,当 MemTable 中的数据量达到一定阀值后,会转换为 Immutable MemTable,只读,之后写入 SSTable。SSTable 是磁盘上只读的用于存储有序键值对的文件,并且会持续进行合并,生成新的 SSTable。在 LevelDB 中是分了不同层级的 SSTable 用于存储数据。

LevelDB 不支持热备份,它的变种 RocksDB 和 HyperLevelDB 实现了这个功能。

最严重的问题是由于 InfluxDB 通过 shard 来组织数据,每一个 shard 对应的就是一个 LevelDB 数据库,而由于 LevelDB 的底层存储是大量 SSTable 文件,所以当用户需要存储长时间的数据,例如几个月或者一年的时候,会产生大量的 shard,从而消耗大量文件描述符,将系统资源耗尽。

BoltDB
之后 InfluxDB 采用了 BoltDB 作为数据存储引擎。BoltDB 是基于 LMDB 使用 Go 语言开发的数据库。同 LevelDB 类似的是,都可以用于存储 key 有序的 K-V 数据。

虽然采用 BoltDB 的写效率有所下降,但是考虑到用于生产环境需要更高的稳定性,BoltDB 是一个合适的选择,而且 BoltDB 使用纯 Go 编写,更易于跨平台编译部署。

最重要的是 BoltDB 的一个数据库存储只使用一个单独的文件。Bolt 还解决了热备的问题,很容易将一个 shard 从一台机器转移到另外一台。

但是当数据库容量达到数GB级别时,同时往大量 series 中写入数据,相当于是大量随机写,会造成 IOPS 上升。

TSM Tree
TSM Tree 是 InfluxDB 根据实际需求在 LSM Tree 的基础上稍作修改优化而来。

WAL
每一个 shard 对应底层的一个数据库。每一个数据库有自己的 WAL 文件,压缩后的元数据文件,索引文件。
WAL 文件名类似 _000001.wal,数字递增,每达到 2MB 时,会关闭此文件并创建新的文件,有一个写锁用于处理多协程并发写入的问题。
可以指定将 WAL 从内存刷新到磁盘上的时间,例如30s,这样会提高写入性能,同时有可能会丢失这30s内的数据。
每一个 WAL 中的条目遵循 TLV 的格式,1字节用于表示类型(points,new fields,new series,delete),4字节表示 block 的长度,后面则是具体压缩后的 block 内容。WAL 文件中得内容在内存中会进行缓存,并且不会压缩,每一个 point 的 key 为 measurement, tagset 以及 unique field,每一个 field 按照自己的时间顺序排列。

查询操作将会去 WAL 以及索引中查询,WAL 在内存中缓存有一个读写锁进行控制。删除操作会将缓存中的key删除,同时在 WAL 文件中进行记录并且在内存的索引中进行删除标记。

Data Files(SSTables)
这部分 InfluxDB 自己定义了特定的数据结构,将时间戳编码到了 DataFiles 中,进行了相对于时间序列数据的优化。

API
通过 HTTP 访问 influxdb。

语法上是一种类似于 SQL 的命令,官方称为 InfluxQL。

创建数据库

curl -POST http://localhost:8086/query –data-urlencode “q=CREATE DATABASE mydb”
插入数据

curl -i -XPOST ‘http://localhost:8086/write?db=mydb’ –data-binary ‘cpu_load_short,host=server01,region=us-west value=0.64 1434055562000000000’
cpu_load_short 是 measurement,host 和 region 是 tags-key,value 是 field-key。

多条数据时,用换行区分每条数据

curl -i -XPOST ‘http://localhost:8086/write?db=mydb’ –data-binary ‘cpu_load_short,host=server02 value=0.67
cpu_load_short,host=server02,region=us-west value=0.55 1422568543702900257
cpu_load_short,direction=in,host=server01,region=us-west value=2.0 1422568543702900257’
读取数据

curl -GET ‘http://localhost:8086/query’ –data-urlencode “db=mydb” –data-urlencode “epoch=s” –data-urlencode “q=SELECT value FROM cpu_load_short WHERE region=’us-west'”
同时查询多条数据时,以分号分隔

curl -G ‘http://localhost:8086/query’ –data-urlencode “db=mydb” –data-urlencode “epoch=s” –data-urlencode “q=SELECT value FROM cpu_load_short WHERE region=’us-west’;SELECT count(value) FROM cpu_load_short WHERE region=’us-west'”
这里 –data-urlencode “epoch=s” 会使返回的时间戳为 unix 时间戳格式。

创建 RP

CREATE RETENTION POLICY two_hours ON food_data DURATION 2h REPLICATION 1 DEFAULT
这里将 two_hours 设置成了默认保存策略,存入 food_data 中的数据如果没有明确指定 RP 将会默认采用此策略,数据保存时间为 2 小时,副本数为 1。

创建 CQ

CREATE CONTINUOUS QUERY cq_5m ON food_data BEGIN SELECT mean(website) AS mean_website,mean(phone) AS mean_phone INTO food_data.”default”.downsampled_orders FROM orders GROUP BY time(5m) END
这里创建了一个 CQ,每个5分钟将 two_hours.orders 中的数据计算5分钟的平均值后存入 default.downsampled_orders 中,default 这个 RP 中的数据是永久保存的。

WHERE

查询时指定查询的限制条件,例如查询最近1小时内 host_id=1 的机器的 cpu 数据。

SELECT value FROM cpu_load WHERE time > now() – 1h and host_id = 1
GROUP BY

类似于 SQL 中的语法,可以对细粒度数据进行聚合计算,例如查询最近1小时内 host_id=1 的机器的 cpu 的数据,并且采样为每5分钟的平均值。

SELECT mean(value) FROM cpu_load WHERE time > now() – 1h and host_id = 1 GROUP BY time(5m)
官方推荐硬件配置

单节点

Load Writes per second Queries per second Unique series
Low < 5 thousand < 5 < 100 thousand
Moderate < 100 thousand < 25 < 1 million
High > 100 thousand > 25 > 1 million
Probably infeasible > 500 thousand > 100 > 10 million
Low: CPU 2-4, RAM 2-4GB, IOPS 500
Moderate: CPU 4-6, RAM 8-32GB, IOPS 500-1000
High: CPU CPU 8+, RAM 32GB+, IOPS 1000+
Probably infeasible: 可能单机无法支持,需要集群环境
集群

InfluxDB 从 0.12 版本开始将不再开源其 cluster 源码,而是被用做提供商业服务。

如果考虑到以后的扩展,需要自己在前端做代理分片或者类似的开发工作。

已知七牛是采用了 InfluxDB 作为时间序列数据的存储,自研了调度器以及高可用模块,具有横向扩展的能力。

总结

目前最火热的时间序列数据库项目,社区开发活跃,迭代更新较快,存储引擎经常变化,网上的一些资料都比较过时,例如最新的 TSM 存储引擎只能看到官方的文档简介,还没有详细的原理说明的文章。

就单机来说,在磁盘占用、cpu使用率、读写速度方面都让人眼前一亮。如果数据量级不是非常大的情况下,单节点的 InfluxDB 就可以承载数十万每秒的写入,是一个比较合适的选择。

另一方面,从 0.12 版本开始不再开源其集群代码(虽然之前的集群部分就比较烂),如果考虑到之后进行扩展的话,需要进行二次开发。

作者:fatedier
本文出处:http://blog.fatedier.com/2016/07/05/research-of-time-series-database-influxdb/
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http://blog.fatedier.com/2016/07/05/research-of-time-series-database-influxdb/

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