LinDB---一個時序數據庫LinDB詳解

背景

1. 餓了麼對時序數據庫的需求主要來自各監控系統，主要用於存儲監控指標。原來使用graphite，後來慢慢有對指標有多維的需求(主要體現在對一個指標加多個Tag， 來組成Series，然後對Tag進行Filter和Group進行計算)，這時graphite基本很難滿足需求。
2. 業界現在用的比較多的主要有如下幾類TSDB：

• InfluxDB：很多公司都在用，包括餓了麼有部分監控系統也是用InfluxDB。優點，支持多維和多字段，存儲也根據TSDB的特點做了優化。但開源的部分不支持，很多公司自己做集羣化， 但大多基於指標名來，這樣會有單指的熱點問題。現在餓了麼也是類似的做法，但熱點問題很嚴重，大的指標已經用了最好的服務器，但是查詢性能還是不夠理想， 如果做成按Series Sharding那成本還是有一點高；
• Graphite：根據指標寫入及查詢，計算函數很多，但很難支持多維，包括機房或多集羣的查詢，原來餓了麼把業務層的監控指標存儲在Graphite中，並工作的很好， 但是多活之後基本已經很難滿足一些需求了，由於其存儲結構的特點，很佔IO，根據目前線上的數據寫放大差不多幾十倍以上；
• OpenTSDB: 基於HBase，優點存儲層不用自己考慮，做好查詢聚合就可以，也會存在HBase的熱點問題等，在以前公司也弄基於HBase實現的TSDB，來解決OpenTSDB的一些問題， 如熱點，部分查詢聚合下放到HBase等，目的是優化其查詢性能，但依賴HBase/HDFS還是很點重；
• HiTSDB: 阿里提供的TSDB，存儲也是用HBase，在數據結構及Index上面做了很多優化，具體沒有研究，有興趣的同學可以在阿里雲上試一下；
• Druid： Druid其實是一個OLAP系統，但也可以用來存儲時間序列數據，但看到它的架構圖時已經放棄了；
• ES: 也有公司直接用ES來存儲，沒有實際測試，但總覺得ES不是一個真正的TSDB；
• atlas: Netflix出品，全內存TSDB，最近幾小時數據全在內存中，歷史數據需要外部存儲，具體沒有詳細研究；
• beringei：facebook出品，全內存TSDB，跟atlas一樣最近的數據在內存，目前應該還在孵化期；

3. 最終我們還是決定自己實現一套分佈式時序數據庫，具體需要解決如下問題：

• • 輕量，目前只依賴於Zookeeper；
  • 基於Series進行Sharding，解決熱點，可以真正水平擴展；
  • 實時寫入，實時查詢，由於大多用於監控系統，所以查詢性能要好；
  • 由於餓了麼目前是多活，監控系統也是多活，所以要支持單機房寫入，多機房聚合查詢等；
  • 自動的Rollup功能，如用戶可以寫10s的精度，系統自動Rollup到分鐘，小時，天級別，以支持大時間範圍的查詢，如報表等；
  • 支持類SQL的查詢方式；
  • 支持多副本，以提高整個系統的可靠性，正常只要還有一個副本存活就可以正常提供服務，副本數指定；

 

整體設計

採用計算和存儲分離的架構，分爲計算層LinProxy和存儲層LinStorage。

說明：

1. LinProxy主要做一些SQL的解析，及一些中間結合的再聚合計算，如果不是跨集羣，LinProxy可以不需要，對於單集羣的每個節點都內嵌了一個LinProxy來提供查詢服務；
2. LinDB Client主要用於數據的寫入，也有一些查詢的API；
3. LinStorage的每個節點組成一個集羣，節點之進行復制，並有副本的Leader節點提供讀寫服務，這點設計主要是參考Kafka的設計，可以把LinDB理解成類Kafka的數據寫入複製+底層時間序列的存儲層；
4. LinMaster主要負責database、shard、replica的分配，所以LinStorage存儲的調度，及MetaData（目前存儲Zookeeper中）的管理； 由於LinStorage Node都是對等的，所以我們基於Zookeeper在集羣的節點的選一個節點成爲Master，每個Node把自身的狀態以心跳的方式上報到Master上，Master根據這些狀態進行調度， 如果Master掛了，自動再選一個Master出來，這個過程基本對整個服務是無損的，所以用戶基本無感知。

寫入

整個寫過程分爲如下2部分組成：

1. WAL複製，這部分設計上參考了Kafka，用戶的寫入只要寫入WAL成功，就認爲成功(由於主要用於監控系統，所以對數據的一致性沒有做太多的保證)，這樣就可以提供系統的寫入吞吐；
2. 本地寫入，這個過程是把WAL的數據解析寫入到自己的存儲結構中，只有寫入本地存儲的數據纔可以查到；

整個過程不像一些系統在每次寫的過程中完成，我們是把這個過程分2步，並異步化了；

WAL複製

目前LinDB的replica複製協議採用多通道複製協議，主要基於WAL在多節點之間的複製，WAL在每個節點上的寫入，有獨立的寫操作完成， 所以對於Client寫入對應Leader的WAL成功就認爲本次寫操作是成功的，Leader所在的節點負責把相應的WAL複製到對應的follower， 同理寫WAL成功認爲複製成功，如下所示：

多通道複製協議

寫入Leader副本成功就算成功以提高了寫入速率，也帶來了以下問題：

• 數據一致性的問題
• 數據的丟失問題

以上圖Server1爲Leader，3個Replication來複制1-WAL爲舉例來說：

1. 當前Server1是該shard的Leader接受Client的寫入，Server2和Server3都是Follower接受Server1的複製請求，此時1-wal通道作爲當前的數據寫入通道， Server2和Server3此時可能落後於Server1。

說明：

• 整個過程需要注意以下幾個Index；

1. Client寫入時的Append Index，表示當前Client寫入到哪裏；
2. 對應每個Follower都會有一個Replica Index，表示對應Follower消費Leader上面同步到哪裏；
3. Follower的Ack Index，表示Follower已經成功複製到本地的WAL；
4. 對於Follower的複製請求，其實相當於一個特殊Client的寫入，所以也有一個對應的Append Index;

• 只有被Ack過的Index，才標示爲已經處理完成，對於Leader來說，小於最小的Ack Index的WAL數據是可以被刪除；
• 在這個過程中，如果Server2或者Server3中有一臺出問題，這時對應的Consume Index不會移動，只有等到相應服務恢復之後，繼續處理；
• 在整個過程中可能出現如下情況的可能；

1. Leader Replica Index > Follower Append Index，這時需要根據Follower Append Index重置Leader Replica Index，可能存在2種情況，具體情況在複製順序性中描述；
2. Leader Replica Index < Follower Append Index，也同樣存在2種情況，具體情況在複製順序性中描述；

假如此時Server1掛了，從Server2和Server3中選出新的Leader，如此時選爲Server2爲Leader。

• Server2就會開啓2-wal複製通道，向server1和server3複製，由於當前server1掛了，所以暫時只往Server3複製，此時數據的寫入通道爲2-wal。
• Server1啓動恢復後，Server2會開啓向Server1的2-wal複製通道，同時server1會將1-wal中剩餘的還未向Server2和Server3複製的數據複製給他們。

對於異常情況，WAL中的數據不能正常由於ACK之後刪除，導致WAL佔用過多磁盤，所以對WAL需要有一個SIZE和TTL的清理過程，一旦因爲WAL因爲SIZE和TTL清理之後，會導致幾個Index錯亂，具體錯亂情況如上所述。

多通道複製協議帶來的問題：

• 每個通道都有對應的index序列，保存每個通道的last index。而單通道複製只需要保存1個last index即可。這個代價其實還好。

本地寫入

背景

• 做到Shard級別的寫入隔離，即每個Shard都會有獨立的線程來負責寫入，不會因爲某個數據庫或者某個Shard寫入量具增而導致別的數據庫的寫入， 但可能會因爲單機承載的Shard數過多，導致線程數過多，如果遇到這種情況，應該通過擴機器來解決，或者在新建數據庫的時候，合理分配Shard數。
• 由於是單線程的寫操作，所以在很多情況下，不需要考慮多線程寫帶來的鎖競爭問題。

數據存儲結構

說明，以單個數據庫在單節點上的數據結構如例：

• 一個數據庫在單節點上會存在多個Shard，所有Shard共享一個索引數據；
• 所有的數據根據數據庫的Interval來計算按時間片來存儲具體的數據包括數據文件和索引文件。

1. 這樣的設計主要爲了方便處理TTL，數據如果過期，直接刪除相應的目錄就可以；
2. 每個shard下面會存在segment，segment根據interval來存儲相應時間片的數據；
3. 爲什麼每個segment下面又按interval存儲很多個data family？這個主要由於LinDB主要解決的問題是存儲海量的監控數據，一般的監控數據基本是最新時間寫入， 基本不會寫歷史數據，而整個LinDB的數據存儲類似LSM方式，所以爲了減少數據文件之間的合併操作，導致寫放大，所以最終衡量下來，再對segment時間片進行分片。

下面以interval爲10s爲例說明:

1. segment按天來存儲；
2. 每個segment按小時來分data family，每個小時一個family，每個family中的文件再按列存儲具體的數據。

寫入流程

說明：

• 系統會爲每一個Shard啓一個寫線程，該線程負責這個Shard的所有寫操作。
• 首先把measurement, tags, fields對應的數據寫入數據庫的索引文件，並生成相應的measurement id, time series id及field id，主要完成string->int的轉換。 這樣的好處是所有的數據存儲都以數據類型來存儲，從而可以減少整個存儲大小，因爲對於每個數據點，measurement/tags/field這樣元數據佔用，如cpu{host=1.1.1.1} load=1 1514214168614， 其實轉換成id之後，cpu => 1(measurement id), host=1.1.1.1 => 1(time series id), load => 1(field id)，所以最終的數據存儲爲1 1 1514214168614=>1，這個考慮OpenTSDB的設計。
• 如果寫索引失敗，認爲本次寫入失敗，失敗分爲2種，一種是數據寫入格式有問題，這類失敗直接標示失敗，另外一種由於內部問題，這時寫入失敗需要重試。
• 使用根據索引得到的ID，再結合寫入時間和數據庫Interval計算得到需要寫入到哪個segment下的哪個family，寫family的過程，直接寫內存以達到高吞吐量的要求， 內存數據到達內存限制之後，會觸發Flush操作。
• 整個寫過程先寫內存，再由Flusher線程把內存中的數據dump到相應的文件中，這樣就做到了對一批數據順序寫入，同時對於最近的數據根據Field Type進行Rollup操作，從而進一步減少磁盤IO操作。

查詢引擎

LinDB查詢需要解決如下問題：

1. 解決多個機房之間的查詢;
2. 高效的流式查詢計算；

說明:

• 由於需要支持多機房或者多集羣的查詢，所以引入了LinProxy，LinProxy主要負責面向用戶的查詢請求;

1. SQL Plan負責具體SQL的解析，生成最終的執行計劃及需要計算的中間結果的函數；
2. 通過Zookeeper中的Metadata，把請求路由給具體的LinDB集羣中對應的服務；
3. 每個LinConnect負責與一個LinDB集羣之間的通信，每個LinConnect內部保存了一份對應集羣的Metadata，該Metadata信息在每個Metadata變更的時候有Server端推送給LinConnect， 這樣LinConnect基本做到近實時的更新Metadata；
4. Aggregator Stream主要負責把各個LinConnect的中間結果進行最終的合併計算操作；
5. 整個LinProxy處理過程都是異步化，這樣可以利用線程在IO等待的時候可以做計算；

• 每個Node接收LinConnect過來的請求，在內部查詢計算成中間結果返回給LinConnect，詳細的過程後面要介紹；

Node查詢

說明:

• 如果所示，Client過來的一個查詢請求，會產生很多小的查詢任務，每個任務所承擔的職責很單一，只做它所自己的任務，然後把結果給下一個任務， 所以需要所有的查詢計算任務都是異常無阻塞處理，IO/CPU任務分離；
• 整個服務端查詢使用Actor模式來簡化整個Pipeline的處理；
• 任何一個任務執行完成，如果沒有結果產生，則不會生產下游的任務，所有下游的任務都是根據上游任務是否有結果來決定；
• 最終把底層結果，通過Reduce Aggregate聚合成最終的結果；

存儲結構

倒排索引

倒排索引，分兩部分，目前索引相關的數據還是存儲在RocksDB中。

1. 根據Time Series的Measurement+Tags生成對應的唯一ID（類似luence裏面的doc id）。
2. 根據Tags倒排索引，指向一個ID列表。TSID列表以BitMap的方式存儲，以方便查詢的時候通過BitMap操作來過濾出想要的數據。BitMap使用RoaringBitMap。
3. 每一類數據都存儲在獨立的RocksDB Family中。

內存結構

 

1. 爲了提高寫入性能，把當前一段時間的數據寫入到內存中，內存到達一定限制或者時間後把內存中的數據Dump到文件中。
2. 內存存儲分爲當前可寫和不可寫，當前可寫用於接入正常的數據寫入，不可寫用入Dump到文件中，如果Dump成功，則清空不可寫部分。
3. 如果可寫部分也到在寫入限制，但不可寫部分還沒有完成Dump，這時寫入會被Block住，直到有可用的內存供數據寫入，目的是爲了不會因爲佔用過多內存而導致OOM。
4. MemoryTable內部通過一個Map來存儲Measurement ID->Measurement Store關係，即每個Measurement都存儲在一個獨立的Store中。
5. 在Measurement Store內存儲對應Measurement下面每個TSID的數據，每個TSID對應的數據用一個Memory Block來存儲，每個Memory Block按TSID的順序存儲在Array List中，把TSID存儲在一個BitMap中，通過TSID在Bitmap中位置來定位Memory Block在Array List中的具體位置，這裏說明一下爲什麼不直接使用Map來存儲，因爲整個系統是用Java實現的，Java中的Map結構，不適合存儲小對象的數據，存在內存放多倍的存儲。
6. 由於每個TSID都會對應一個時間線，每個時間線可能會存在多個數據點的情況，如count時只有一個count值，timer時會有count/sum/min/max等多個值。每個數據類型以Chunk的方式存儲。Chunk內部又以堆內和堆外2部分內存來存儲，最近一段時間的數據放在堆內，歷史數據壓縮之後放在堆外，在內存中儘量多放一些最近的數據，因爲LinDB的目的主要是存儲一些監控類的數據，而監控類的數據主要關心最近一段時間的數據。

文件存儲結構

文件存儲跟內存存儲類似，同一個Measurement的數據以Block的方式存儲在一起，查詢時通過Measurement ID定位到該Measurement的數據存儲在哪個Block中。

1. Measurement Block後存儲一個Offset Block，即存儲每個Measurement Block所在的Offset，每個Offset以4 bytes存儲。
2. Offset Block存儲一個Measurement Index Block，按順序存儲每個Measurement ID，以Bitmap的方式存儲。
3. 文件的尾存儲一個Footer Block，主要存儲Version(2 bytes) + Measurement Index Offset(4 bytes) + Measurement Index Length(4 bytes)。
4. Data數據塊都是數值，所以使用xor壓縮，參考facebook的gorilla論文；

Measurement Block:

• 每個Measurement Block類似Measurement的方式存儲，只是把Measurement ID換成Measurement內的TSID。
• TS Entry存儲該TSID對應每一列的數據，一列數據對應存儲一段時間的數據點。

查詢邏輯：

• DataFile在第一次加載的時候會把Measurement Index放在內存中，查詢輸入Measurement ID通過Measurement Index中的第幾個位置，然後通過這個位置N，在Offset Block查詢具體的Measurement Block的Offset，由於每個Offset都是4 bytes，所以offset position = (N-1) * 4，再讀取4 bytes得到真正的Offset。
• 同樣的道理可以通過TSID，找到具體的TS Entry，再根據條件過濾具體的列數據，最終得到需要讀取的數據。

總結

LinDB從2年前正式慢慢服務於公司的監控系統，從1.0到2.0，已經穩定運行2年多，除了一次rocksdb的問題，幾乎沒出過什麼問題，到現在的3.0性能的大幅提升，我們基本都是站在業界一些成熟方案的基礎上，慢慢演進而來。

也有人問，LinDB爲什麼這麼快，其實我們是參考了很多TSDB的作法，然後取其好的設計，再結果時序的特徵再做一些優化。

1. 時序一般都是最新寫入，但也是一種隨機寫，我們會先成內存中把隨寫變成循序寫，最終到寫文件都是順序寫，所有數據都是有序，這樣查詢的時候也是順序讀，這一點很關鍵；
2. 把寫入的measurement/tags/fields都轉化成Int，再生成倒排索引，最終生成一個TSID（類似Luence的doc id），這樣就大大減少了最終的數據量，畢竟指標這樣字符串是佔絕對的大頭， 這點很想OpenTSDB，雖然InfluxDB已經把一段時間的按Block來存儲，但還是在block的頭放這些數據，這些都是成本，特別是在compact的時候；
3. 不像別的TSDB會把timestamp直接存下來，一般timestamp到毫秒基別佔8個節點，雖然根據時間有序的優勢再用delta-encoded，壓縮也是很好，但我們想做到極致，我們是用一個bit來表示時間， 具體的做法就是根據上面的描述，把時間的高位和存儲Interval，把高位的時間放在目錄上，再結合高位算一個delta，把delta以1bit的格式存儲，來表示有沒有數據，因爲監控數據絕大部分都是連續的數據， 所以這樣做也是合理的，因此在時間這個數據上的存儲也大大減少空間；
4. 我們發現對一個指標的多個Field的數據，每個Field的數據相鄰的一些點基本是很相近的，LinDB 2.0存儲直接是用RocksDB，多個Field放在一起存儲，再把相鄰的點進行壓縮，這樣其實壓縮率不會很高， 而且每取查詢取Field的時候都要把所有的數據都讀出來，這也是LinDB 3.0我們考慮自己實現列式存儲，相同列存在一塊，以提高壓縮率，查詢的時候只讀需要的數據。 整個壓縮我們也沒有用gzip/snappy/zlib，因爲這些不大適合用於數值類型，我們是直接參考了facebook的gorilla論文的xor的方式來的，這個現在已經被很多TSDB採用；
5. 基於上面這些基本的順序讀已經不成問題，基於TSID查詢的更不是問題，因爲整個設計都是基於TSID->data來設計的，所以還要解決一個根據倒排查出一組TSID對數據的隨機讀，如上我們是把TSID放在Bitmap， 然後通過Bitmap計算出Offset，直接找到數據，通過存儲時的優化，做到TSID查詢精準查找，然不是通過二分查找；
6. 還有一點就是LinDB在新建數據庫時指定完Interval之後，系統會自己Rollup，不像InfluxDB要寫很多Continue Query，LinDB所有的這一切都是自動化的；
7. 查詢計算並行流式處理；

所以用一句話來總結的話就是一個高效的索引外加一堆數值，然後怎麼玩好這堆數值。

自身監控

LinDB也自帶了自身的一些監控功能

Overview

Dashboard

 

未來的展望

1. 豐富查詢函數；
2. 優化內存使用率；
3. 自身監控的提升；
4. 如果有可能，計劃開源；

對比測試

下面是與InfluxDB和LinDB2.0的一些查詢性能對比。 由於InfluxDB集羣化要商業版，所以都是單機默認配置下，無Cache的測試。 服務器配置阿里雲機器：8 Core 16G Memory

大維度

Tags: host(40000),disk(4),partition(20)，模擬服務器磁盤的監控，總的Series數爲320W，每個Series寫一個數據點

小維度的1天內的聚合測試

Tags: host(400),disk(2),partition(10)，模擬服務器磁盤的監控，總的Series數爲8K，每個Series寫一天的數據 每個維度每2s寫入1個點，每個維度一天內總共43200個點，所有維度總共43200 * 8000個點，共3 4560 0000即3億多數據

小維度的7天內的聚合測試

Tags: host(400),disk(2),partition(10)，模擬服務器磁盤的監控，總的Series數爲8K，每個Series寫7天的數據 每個維度每5s寫入1個點，每個維度一天內總共17280個點，所有天數所有維度總共17280 8000 7 個點，即9 6768 0000，9億多個點 這個測試要說明一下，得利於LinDB自動的Rollup，如果InfluxDB開Continue Query的話相信應該也還好。

引用

• Time Series. Measurement+Tags 組成一個唯一組合，加上時間最終組全一個series。 ↩
• TSID. 每個time series(measurement + tags)都會生成一個唯一的ID。 ↩
• RoaringBitMap. http://roaringbitmap.org/ ↩
• Druid. http://druid.io/docs/0.12.0/design/segments.html ↩
• InfluxDB TSM. https://docs.influxdata.com/influxdb/v1.5/concepts/storage_engine/ ↩
• Gorilla: A Fast, Scalable, In-Memory Time Series Database. http://www.vldb.org/pvldb/vol8/p1816-teller.pdf ↩
• beringei. https://github.com/facebookincubator/beringei ↩

參考

https://zhuanlan.zhihu.com/p/35998778

https://zhuanlan.zhihu.com/eleme-arch

https://www.sohu.com/a/237660940_130419