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TimescaleDB时序数据库特点及实例应用

作者：互联网

TimescaleDB时序数据库

背景

随着物联网的发展，时序数据库的需求越来越多，比如水文监控、工厂的设备监控、国家安全相关的数据监控、通讯监控、金融行业指标数据、传感器数据等。

在互联网行业中，也有着非常多的时序数据，例如用户访问网站的行为轨迹，应用程序产生的日志数据等等。

时序数据有几个特点

  1. 基本上都是插入，没有更新的需求。

  2. 数据基本上都有时间属性，随着时间的推移不断产生新的数据，旧的数据不需要保存太久。

业务方对时序数据通常有几个查询需求

  1. 获取最新状态，查询最近的数据（例如传感器最新的状态）

  2. 展示区间统计，指定时间范围，查询统计信息，例如平均值，最大值，最小值，计数等。

  3. 获取异常数据，根据指定条件，筛选异常数据

时序数据库应该具备的特点

1.压缩能力

通常用得上时序数据库的业务，传感器产生的数据量都是非常庞大的，数据压缩可以降低存储成本。

2.自动rotate

时序数据通常对历史数据的保留时间间隔是有规定的，例如一个线上时序数据业务，可能只需要保留最近1周的数据。

为了方便使用，时序数据库必须有数据自动rotate的能力。

3.支持分片，水平扩展

因为涉及的传感器可能很多，单个节点可能比较容易成为瓶颈，所以时序数据库应该具备水平扩展的能力，例如分表应该支持水平分区。

4. 自动扩展分区

业务对时序数据的查询，往往都会带上对时间区间进行过滤，因此时序数据通常在分区时，一定会有一个时间分区的概念。时序数据库务必能够支持自动扩展分区，减少用户的管理量，不需要人为的干预自动扩展分区。例如1月份月末，自动创建2月份的分区。

5. 插入性能

时序数据，插入是一个强需求。对于插入性能要求较高。

6. 分区可删除

分区可以被删除，例如保留1个月的数据，1个月以前的分区都可以删除掉。

7. 易用性(SQL接口)

SQL是目前最通用的数据库访问语言，如果时序数据库能支持SQL是最好的。

8. 类型丰富

物联网的终端各异，会有越来越多的非标准类型的支持需求。例如采集图像的传感器，数据库中至少要能够存取图像的特征值。而对于其他垂直行业也是如此，为了最大程度的诠释业务，必须要有精准的数据类型来支撑。

9. 索引接口

支持索引，毫无疑问是为了加速查询而引入的。

10. 高效分析能力

时序数据，除了单条的查询，更多的是报表分析或者其他的分析类需求。这对时序数据库的统计能力也是一个挑战。

11. 其他特色

11.1 支持丰富的数据类型，数组、范围类型、JSON类型、K-V类型、GIS类型、图类型等。满足更多的工业化需求，例如传感器的位置信息、传感器上传的数据值的范围，批量以数组或JSON的形式上传，传感器甚至可能上传图片特征值，便于图片的分析。（例如国家安全相关），轨迹数据的上层则带有GIS属性。

这个世界需要的是支持类型丰富的时序数据库，而不是仅仅支持简单类型的时序数据库。

11.2 支持丰富的索引接口，因为类型丰富了，普通的B-TREE索引可能无法满足快速的检索需求，需要更多的索引来支持 数组、JSON、GIS、图特征值、K-V、范围类型等。 (例如PostgreSQL的gin, gist, sp-gist, brin, rum, bloom, hash索引接口)

这两点可以继承PostgreSQL数据库的已有功能，已完全满足。

TimescaleDB介绍

TimescaleDB是基于PostgreSQL数据库打造的一款时序数据库，插件化的形式，随着PostgreSQL的版本升级而升级，不会因为另立分支带来麻烦。

TimescaleDB架构

数据自动按时间和空间分片（chunk）。

TimescaleDB具备以下特点

1. 基于时序优化

2. 自动分片（按时间、空间自动分片(chunk)）

3. 全SQL接口

4. 支持垂直于横向扩展

5. 支持时间维度、空间维度自动分区。空间维度指属性字段（例如传感器ID，用户ID等）

6. 支持多个SERVER，多个CHUNK的并行查询。分区在TimescaleDB中被称为chunk。

7. 自动调整CHUNK的大小

8. 内部写优化（批量提交、内存索引、事务支持、数据倒灌）。

内存索引，因为chunk size比较适中，所以索引基本上都不会被交换出去，写性能比较好。

数据倒灌，因为有些传感器的数据可能写入延迟，导致需要写以前的chunk，timescaleDB允许这样的事情发生(可配置)。

9. 复杂查询优化（根据查询条件自动选择chunk，最近值获取优化(最小化的扫描,类似递归收敛)，limit子句pushdown到不同的server,chunks，并行的聚合操作）

《时序数据合并场景加速分析和实现 - 复合索引，窗口分组查询加速，变态递归加速》

10. 利用已有的PostgreSQL特性（支持GIS，JOIN等），方便的管理（流复制、PITR）

11. 支持自动的按时间保留策略（自动删除过旧数据）

疑问

1. chunk过多，会不会影响查询性能？

这点不需要担心，PostgreSQL 10.0已经优化了

《PostgreSQL 10.0 preview 性能增强 - 分区表子表元信息搜索性能增强》

例子

1. 创建时序表(hypertable)

-- Create a schema for a new hypertable  
CREATE TABLE sensor_data ("time"timestamp with time zone NOTNULL,  device_id TEXT NOTNULL,  location TEXTNULL,  temperature NUMERICNULL,  humidity NUMERICNULL,  pm25 NUMERIC  );
--Create a hypertable from this data  
SELECT create_hypertable  ('sensor_data','time','device_id',16);

2. 迁移数据到hyper table

--Migrate data from existing Postgres table into a TimescaleDB hypertable  
INSERTINTO sensor_data (SELECT * FROM old_data);

3. 查询hyper table

# Query hypertable like any SQL table  
SELECT device_id, AVG(temperature) from sensor_data  WHERE temperature IS NOT  NULL AND humidity >0.5 AND time > now() - interval'7 day'GROUP BY device_id;

4. 查询最近异常的数据

--Metrics about resource-constrained devices  
SELECT time, cpu, freemem, battery FROM devops  WHERE device_id='foo'AND cpu >0.7 AND freemem <0.2 ORDER BY time DESC  LIMIT 100;

5. 计算最近7天，每小时的异常次数

--Calculate total errors by latest firmware versions   per hour over the last 7 days  
SELECT date_trunc('hour', time)as hour, firmware,  COUNT(error_msg)as errno FROM data  WHERE firmware >50 AND time > now() - interval'7 day'GROUP BY hour,firmware  ORDER BY hour DESC, errno DESC;

6. 计算巴士的每小时平均速度

--Find average bus speed in last hour  # for each NYC borough  
SELECT loc.region, AVG(bus.speed) FROM bus  INNER JOIN locON (bus.bus_id = loc.bus_id)  WHERE loc.city='nyc' AND bus.time > now() - interval'1 hour'GROUP BY loc.region;

7. 展示最近12小时，每小时的平均值

SELECT date_trunc('hour', time) AS hour, AVG(weight)  FROM logs WHERE device_type ='pressure-sensor'AND customer_id =440 AND time > now() - interval'12 hours'GROUP BY hour;

8. 监控每分钟过载的设备数量

 SELECT date_trunc('minute', time) AS minute, COUNT(device_id)  FROM logs      WHERE cpu_level >0.9 AND free_mem <1024 AND time > now() - interval'24 hours'GROUP BY minute  ORDER BY COUNT(device_id) DESC LIMIT 25;

9. 最近7天，按固件版本，输出每个固件版本的报错次数

SELECT firmware_version, SUM(error_count) FROM logs  WHERE time > now() - interval'7 days'GROUP BY firmware_version ORDER BY SUM(error_count) DESC LIMIT 10;

10. 某个范围，每小时，温度高于90度的设备数量。

SELECT date_trunc('hour', time) AS hour, COUNT(logs.device_id)  FROM logs      JOIN devices ON logs.device_id = devices.id  WHERE logs.temperature >90 AND devices.location ='SITE-1'GROUP BY hour;

小结

1. TimescaleDB是基于PostgreSQL的时序数据库插件，完全继承了PostgreSQL的功能，对于复杂查询，各种类型(GIS,json,k-v,图像特征值,range,数组,复合类型,自定义类型,.....)的支持非常丰富，非常适合工业化的时序数据库场景需求。

  1. 支持丰富的数据类型，数组、范围类型、JSON类型、K-V类型、GIS类型、图类型等。满足更多的工业化需求，例如传感器的位置信息、传感器上传的数据值的范围，批量以数组或JSON的形式上传，传感器甚至可能上传图片特征值，便于图片的分析。（例如国家安全相关），轨迹数据的上层则带有GIS属性。

    未来，这个世界更多需要的是支持类型丰富的时序数据库，而不仅仅是支持简单类型的时序数据库。

  2. 支持丰富的索引接口，因为类型丰富了，普通的B-TREE索引可能无法满足快速的检索需求，需要更多的索引来支持 数组、JSON、GIS、图特征值、K-V、范围类型等。 (例如PostgreSQL的gin, gist, sp-gist, brin, rum, bloom, hash索引接口)

2. 数据的后期处理，分析，结合PostgreSQL退出的HTAP特性，可以更好的满足大量时序数据的实时查询，实时挖掘的需求。

结合技术包括: CPU多核并行计算、向量计算、LLVM、列存储、算子复用、内置的sharding 等等。

《PostgreSQL 10.0 preview 性能增强 - 推出JIT开发框架(朝着HTAP迈进)》

《分析加速引擎黑科技 - LLVM、列存、多核并行、算子复用 大联姻 - 一起来开启PostgreSQL的百宝箱》

《PostgreSQL 向量化执行插件(瓦片式实现) 10x提速OLAP》

《PostgreSQL 10.0 preview 功能增强 - OLAP增强 向量聚集索引(列存储扩展)》

《PostGIS 地理信息数据 多核并行处理》

《PostgreSQL 9.6 sharding + 单元化 (based on postgres_fdw) 最佳实践 - 通用水平分库场景设计与实践》

《PostgreSQL 9.6 引领开源数据库攻克多核并行计算难题》

参考

http://www.timescale.com/index.html

http://www.timescale.com/papers/timescaledb.pdf

https://github.com/timescale/timescaledb

TimescaleDB PPT

原文链接： https://www.jianshu.com/p/eafe476027bd

标签：PostgreSQL,hour,数据库,时序,TimescaleDB,实例,数据,id
来源： https://blog.csdn.net/weixin_43865381/article/details/122255475